陶聰燕

(玉環(huán)中學(xué) 浙江 臺(tái)州 317600)

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用“檢驗(yàn)”“質(zhì)疑”等方法深化對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)知
——以“探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”教學(xué)為例

陶聰燕

(玉環(huán)中學(xué) 浙江 臺(tái)州 317600)

從學(xué)生已有的知識(shí)出發(fā)，進(jìn)行檢驗(yàn)，由理論與實(shí)驗(yàn)不統(tǒng)一引發(fā)質(zhì)疑，激發(fā)尋找真相的需求.不斷地將所得到的結(jié)論進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引發(fā)沖突，再次質(zhì)疑，再次尋找更本質(zhì)的原因.設(shè)計(jì)思路符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展，也符合物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)和發(fā)展的規(guī)律.而教師的作用只是提供現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)沖突，使學(xué)生逐步尋求更本質(zhì)的原因.

1 實(shí)驗(yàn)引入

在工作的電磁爐上放置帶小燈泡的閉合線圈，發(fā)現(xiàn)燈泡亮了，說明導(dǎo)線中有電流，在沒有電源的情況下，這個(gè)電流是怎么產(chǎn)生的呢？學(xué)生可以說出是磁生電的原因，進(jìn)而點(diǎn)明課題，并將此電流命名為感應(yīng)電流.

設(shè)計(jì)意圖:以生活中常用的電磁爐和簡單的線圈引入新課，通過明顯的現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.也為之后的解剖電磁爐奠定基礎(chǔ).

2 溫故—應(yīng)用—質(zhì)疑

讓學(xué)生回憶初中學(xué)過的“磁生電”現(xiàn)象，產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件：在閉合回路中，部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng).如圖1所示，產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是閉合回路和切割.

圖1 產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件示意圖

思考:判斷圖2情況中能否產(chǎn)生感應(yīng)電流？

圖2 判斷4種情況能否產(chǎn)生感應(yīng)電流

學(xué)生根據(jù)閉合回路部分導(dǎo)體切割磁感線的條件判斷得到A,B,C都屬于部分導(dǎo)體在切割，認(rèn)為能產(chǎn)生感應(yīng)電流，而D不能產(chǎn)生.

實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn):教師演示上述實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)A,B能產(chǎn)生感應(yīng)電流，而C,D不能產(chǎn)生感應(yīng)電流.

引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)分析操作C，閉合回路的左、右兩邊在切割，滿足部分切割，卻沒有產(chǎn)生感應(yīng)電流.

質(zhì)疑1：閉合回路的部分導(dǎo)體切割磁感線了，卻沒有產(chǎn)生感應(yīng)電流，初中所學(xué)的產(chǎn)生條件就不成立了.

學(xué)生討論:重新分析這4種情況，A,B回路可以產(chǎn)生感應(yīng)電流，說明有相同的原因?qū)е?，C,D回路不能產(chǎn)生，說明也存在相同的原因，前后兩個(gè)原因應(yīng)該是同一因素，到底是什么因素導(dǎo)致感應(yīng)電流產(chǎn)生了呢？

結(jié)果匯報(bào):面積的變化，經(jīng)過檢驗(yàn)A,B回路在磁場(chǎng)中有效面積發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了感應(yīng)電流，而C,D回路在磁場(chǎng)中的有效面積沒有發(fā)生變化，從而不能產(chǎn)生感應(yīng)電流.

結(jié)論1：產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是閉合回路在磁場(chǎng)中的有效面積發(fā)生變化.

設(shè)計(jì)意圖:從學(xué)生初中已有的知識(shí)出發(fā)進(jìn)行理論判斷，再經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)(檢驗(yàn)C時(shí)最好將線圈貼著下方磁極表面移動(dòng))，理論判斷和實(shí)際檢驗(yàn)是沖突的，激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知矛盾，使學(xué)生開始質(zhì)疑已有的認(rèn)知可能存在錯(cuò)誤或不足，引發(fā)探索本質(zhì)條件的需求.學(xué)生的討論結(jié)果除了面積發(fā)生變化，也有可能會(huì)直接得到磁通量發(fā)生變化，兩種情況都是肯定的，并要在4種情況中進(jìn)行檢驗(yàn).

3 應(yīng)用—質(zhì)疑—探究

工作的電磁爐上燈泡亮了，應(yīng)該也是回路在磁場(chǎng)中的有效面積發(fā)生變化.可是線圈明顯不動(dòng)，學(xué)生認(rèn)為是電磁爐里面有磁鐵，并且磁鐵在動(dòng)，導(dǎo)致產(chǎn)生的磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，從而使線圈在磁場(chǎng)中的面積發(fā)生變化.

檢驗(yàn):打開電磁爐蓋子，里面沒有磁鐵，卻有線圈.認(rèn)為磁場(chǎng)是通電線圈產(chǎn)生的，并且通電后線圈會(huì)動(dòng).插上電源，發(fā)現(xiàn)線圈并不運(yùn)動(dòng)，而是保持靜止不動(dòng)的，學(xué)生所期待的運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)并沒有出現(xiàn)，所以燈泡回路在磁場(chǎng)中的有效面積沒有發(fā)生變化.

質(zhì)疑2：閉合回路在磁場(chǎng)中的有效面積沒有發(fā)生變化，卻也可以產(chǎn)生感應(yīng)電流，之前的結(jié)論還成立嗎？感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件到底會(huì)是什么呢？

我們一起來看看當(dāng)初法拉第是怎么發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流的.如圖3所示，法拉第的實(shí)驗(yàn)裝置中有兩個(gè)線圈分別接在兩個(gè)回路中，左邊回路有電源，右邊回路沒有電源而有電流表，實(shí)驗(yàn)過程中若電流表指針偏轉(zhuǎn)，說明在右邊回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流.

圖3 法拉第發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)演示:教師故意把電源和開關(guān)放在離電流表較遠(yuǎn)的地方，教師合下開關(guān)后，跑到電流表邊上看電流表的指針是否發(fā)生偏轉(zhuǎn).顯然，教師看不到電流表指針偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象.而學(xué)生卻說,開關(guān)剛合下瞬間，電流表指針偏轉(zhuǎn)了一下.教師將電流表移近重新實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)開關(guān)閉合和打開的瞬間，電流表的指針會(huì)偏轉(zhuǎn).開關(guān)閉合或打開后，電流表指針不偏轉(zhuǎn).

結(jié)論2：開關(guān)閉合、斷開瞬間，線圈A中電流發(fā)生變化，線圈B中產(chǎn)生了感應(yīng)電流.電流穩(wěn)定后沒有感應(yīng)電流.B線圈感應(yīng)電流產(chǎn)生是因?yàn)锳線圈電流發(fā)生變化.

設(shè)計(jì)意圖:這個(gè)環(huán)節(jié)是離開初中知識(shí)的一個(gè)全新探索.解剖電磁爐是新結(jié)論的一個(gè)應(yīng)用，由表及里，打開后也讓學(xué)生回想起產(chǎn)生磁場(chǎng)的不僅是磁鐵，還可以是通電線圈，為之后的學(xué)生實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ).從學(xué)生的角度逐步解釋電磁爐現(xiàn)象，直到最后實(shí)在無法解釋了，再對(duì)所得到的結(jié)論產(chǎn)生質(zhì)疑.面對(duì)兩次質(zhì)疑，學(xué)生可能會(huì)產(chǎn)生疲憊，此時(shí)借助法拉第線圈作為簡單的引入.故意錯(cuò)過感應(yīng)電流的發(fā)現(xiàn)，也是在驅(qū)使學(xué)生對(duì)真相的追求.

思考:除了閉合、斷開開關(guān)，還可以有哪些操作也能產(chǎn)生感應(yīng)電流呢？

學(xué)生實(shí)驗(yàn):所給實(shí)驗(yàn)儀器有兩個(gè)線圈、開關(guān)、導(dǎo)線、電流表、電源，學(xué)生針對(duì)電流變化指出還需要滑動(dòng)變阻器.教師介紹所給的兩個(gè)線圈和電流表的量程選擇，指導(dǎo)學(xué)生畫好兩個(gè)回路，如圖4所示.

圖4 探究產(chǎn)生感應(yīng)電流的其他操作電路圖

指明實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

(1)按電路圖連接電路;

(2)體驗(yàn)開關(guān)斷開、閉合瞬間產(chǎn)生感應(yīng)電流;

(3)嘗試其他操作能否產(chǎn)生感應(yīng)電流;

(4)匯報(bào)能夠產(chǎn)生感應(yīng)電流的其他操作.

學(xué)生匯報(bào):

(1)滑動(dòng)滑動(dòng)變阻器→改變A線圈的電流→B線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流;

(2)A線圈插入或拔出B線圈→B線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流;

(3)鐵芯插入或拔出A線圈→B線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流.

質(zhì)疑3：(2)和(3)操作并沒有使A線圈中電流發(fā)生變化，卻也可以使B線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，究竟是什么因素改變了導(dǎo)致感應(yīng)電流的產(chǎn)生呢？

引導(dǎo)分析發(fā)現(xiàn)兩個(gè)線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)雖然沒有改變A線圈的電流，卻使得B線圈的磁場(chǎng)發(fā)生變化，再回過頭看斷開、閉合操作，改變A線圈電流的同時(shí)也改變了B線圈的磁場(chǎng).

結(jié)論3：閉合回路的磁場(chǎng)發(fā)生變化會(huì)使閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流.

設(shè)計(jì)意圖：通過學(xué)生的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，以及其他方式產(chǎn)生感應(yīng)電流的探索，對(duì)比電流變化的結(jié)論，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)只是電流變化這個(gè)結(jié)論是不夠的，更為本質(zhì)的是磁場(chǎng)發(fā)生變化.從而統(tǒng)一法拉第線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是閉合回路磁場(chǎng)發(fā)生變化.

4 結(jié)論的應(yīng)用與統(tǒng)一

用磁變條件解釋圖2中的A，B操作，卻發(fā)現(xiàn)這兩種操作過程中的磁場(chǎng)是沒有變化的，無法用磁變來解釋，只能用面積變化來解釋，而面積變化也無法解釋螺線管實(shí)驗(yàn).只能將產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件歸納為：閉合回路的磁場(chǎng)發(fā)生變化或在磁場(chǎng)中的有效面積發(fā)生變化.

結(jié)論點(diǎn)評(píng)：產(chǎn)生條件涉及了兩個(gè)物理量，所以顯得比較復(fù)雜，如果有一個(gè)物理量既可以包含面積，也可以包含磁感應(yīng)強(qiáng)度，那就簡單了.

學(xué)生回答：磁通量.

教師要說明物理學(xué)史上在研究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件時(shí)還沒有磁通量這個(gè)物理量，科學(xué)家們?yōu)榱藢⒑唵蔚慕Y(jié)論留給我們，他們創(chuàng)造了“磁通量”這個(gè)物理量.

現(xiàn)象檢驗(yàn)：回顧Φ=BSsin θ，改變磁通量可以通過改變面積、磁感應(yīng)強(qiáng)度、面積和磁感應(yīng)強(qiáng)度的夾角3種方式.本節(jié)課中所發(fā)現(xiàn)的感應(yīng)電流分別是改變了什么因素呢？讓學(xué)生用磁通量解釋本節(jié)課的所有實(shí)驗(yàn)，并指明是磁通量的哪個(gè)因素發(fā)生改變.

明確結(jié)論：只要穿過閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化，閉合導(dǎo)體回路中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生.

設(shè)計(jì)意圖:結(jié)論的真實(shí)性在于現(xiàn)象的檢驗(yàn).本環(huán)節(jié)首先是將磁變結(jié)論解釋面積變化的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，也將面積變化解釋磁變實(shí)驗(yàn)，無法統(tǒng)一的兩個(gè)原因只能得到一個(gè)復(fù)雜的結(jié)論.本著規(guī)律應(yīng)該是簡單的信念，科學(xué)家創(chuàng)造了一個(gè)“磁通量”概念，既前后聯(lián)系了學(xué)生已學(xué)的“磁通量”概念，也進(jìn)一步明了磁通量的意義.

2016-06-15)