凌子屹+梁吉峰+夏偉寧

摘 要：聯(lián)用控制變量法和歸納法對(duì)人教社選修3-2《楞次定律》一節(jié)中的演示實(shí)驗(yàn)過程中的感應(yīng)電流方向的探究過程進(jìn)行了“重新”構(gòu)建和思維加工以求更加通暢而簡(jiǎn)潔的得出楞次定律的內(nèi)容.首先就感應(yīng)電流產(chǎn)生的原因和效應(yīng)進(jìn)行全面理論探究，也就是通過分析與綜合方法這一物理科學(xué)方法提出并確定探究性問題即探究原磁場(chǎng)的磁通量的變化與感應(yīng)電流的磁場(chǎng)的方向之間的關(guān)系；然后依次通過四步探究性小實(shí)驗(yàn)，綜合運(yùn)用控制變量法和部分歸納法、全部歸納法，在實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果的基礎(chǔ)上再進(jìn)行科學(xué)想象和綜合歸納，最終自然生發(fā)而成楞次定律.

關(guān)鍵詞：楞次定律；探究；部分抵消變化說

作者簡(jiǎn)介：梁吉峰（1970-），男，山東榮成，大學(xué)本科，特級(jí)教師，主要研究方向高中物理教學(xué)、物理奧賽輔導(dǎo).

人教社新課程高中物理選修3-2第3節(jié)《楞次定律》的主要內(nèi)容是探究感應(yīng)電流的方向.從總體上來說，探究過程最突出的特點(diǎn)就是涉及物理量多、情境復(fù)雜、規(guī)律隱蔽.近百年來，該實(shí)驗(yàn)裝置和方案不曾改過.課本上主要是通過一個(gè)“中介”（感應(yīng)電流的磁場(chǎng)）來進(jìn)行的，如圖1的照片（課本插圖），在這里我們不禁要問：為什么要提出這個(gè)“中介”？這個(gè)“中介”的提出是否有點(diǎn)突兀？另一方面，探究過程是不是涉及了過多的物理量？（從表格1可以窺見一斑）是否還可能有更加通暢而簡(jiǎn)潔的思路呢？是否可以設(shè)計(jì)出一個(gè)由淺入深、環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)、總體思路更加通暢的并且易于學(xué)生理解和思悟的探究過程？

下面來做一個(gè)嘗試：首先進(jìn)行理論探究，也就是通過分析與綜合方法提出探究性問題（原磁場(chǎng)的磁通量的變化與感應(yīng)電流的磁場(chǎng)的方向之間的關(guān)系）；然后設(shè)計(jì)探究性實(shí)驗(yàn)，對(duì)探究的結(jié)果進(jìn)行分析、總結(jié)和歸納最后得出楞次定律.

為了提出具體的探究問題，還是要先從本章第二節(jié)《探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件》開始回顧.

1 通過運(yùn)用分析與綜合方法提出探究問題

探究感應(yīng)磁場(chǎng)的方向（感應(yīng)電流磁場(chǎng)的方向）與原磁場(chǎng)的磁通量變化（包括不同原磁場(chǎng)方向的所有相關(guān)情況）之間的關(guān)系.

在本章第二節(jié)我們已經(jīng)知道：當(dāng)磁鐵插入或者拔出線圈時(shí)，也就是穿過線圈的磁通量發(fā)生變化的時(shí)候，最終會(huì)在回路中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，這說明感應(yīng)電流與穿過閉合電路的磁通量的變化有關(guān).

因?yàn)樽罱K產(chǎn)生了感應(yīng)電流，首先嘗試從感應(yīng)電流的產(chǎn)生原因這一角度入手來思考.

根據(jù)閉合電路的歐姆定律，所以感應(yīng)電流會(huì)使人聯(lián)想起電壓和電阻.不過馬上就會(huì)否定該種想法，因?yàn)樯鲜鑫锢砀拍詈鸵?guī)律與本探究物理情境毫不相關(guān)，顯然這不是探究的方向.

下面嘗試從感應(yīng)電流的各種效應(yīng)方面入手探究.這包括機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、磁效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng).稍加分析可知，可能我們可以從電流的磁效應(yīng)這一方面入手.

至此，我們的問題轉(zhuǎn)化為研究感應(yīng)電流的磁場(chǎng)的方向.

我們不僅又想起了磁鐵的磁場(chǎng)，因?yàn)橐芯扛袘?yīng)電流的方向的問題，現(xiàn)在碰到了兩個(gè)磁場(chǎng)，自然就會(huì)想到研究這兩個(gè)磁場(chǎng)的方向之間有無關(guān)系.

前一節(jié)已經(jīng)告訴我們，要通過研究穿過閉合回路的磁通量的變化來研究.那么要探究的問題立刻浮出水面：原磁場(chǎng)和感應(yīng)電流磁場(chǎng)的磁通量的變化之間有無關(guān)系？

對(duì)于（電流或者磁場(chǎng)的）方向這一方面，我們不能輕易放棄，因?yàn)閷?duì)于物理學(xué)科而言，方向至關(guān)重要.本節(jié)就是要探究出感應(yīng)電流的方向.

最終探究的問題進(jìn)一步具體化為：探究感應(yīng)磁場(chǎng)的方向（感應(yīng)電流磁場(chǎng)的方向）與原磁場(chǎng)的磁通量變化（包括不同原磁場(chǎng)方向的所有相關(guān)情況）之間的關(guān)系.

2 建構(gòu)條形磁鐵——螺線管模型

通過對(duì)“條形磁鐵—螺線管”模型進(jìn)行以下四步漸次復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)探究和分析，最終得出楞次定律的內(nèi)容.

下述前兩步探究將使用有共性的兩組相同實(shí)驗(yàn)儀器，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)探究.

2.1 探究感應(yīng)磁場(chǎng)的方向與Δ的正負(fù)的關(guān)系

探究一

如圖2所示，在本步所有的操作中，條形磁鐵的N極都在下方.分別將磁鐵的N極從上端向下插入和從螺線管中向上拔出，（根據(jù)安培定則由感應(yīng)電流的方向來判定感應(yīng)磁場(chǎng)的方向，下同）然后得到感應(yīng)磁場(chǎng)的方向.經(jīng)過分析判定，當(dāng)磁鐵插入螺線管（即（（（0）時(shí)，感應(yīng)磁場(chǎng)方向向上；當(dāng)磁鐵拔出螺線圈（即Δ<0）時(shí)，感應(yīng)磁場(chǎng)方向向下.

這說明：在原磁場(chǎng)方向相同的情況下，感應(yīng)磁場(chǎng)的方向與Δ的正負(fù)（也可以說是穿過螺線管的磁通量的變化）有關(guān).

2.2 探究感應(yīng)磁場(chǎng)的方向與原磁場(chǎng)的方向的關(guān)系

探究二

如圖3所示，分別將磁鐵的N極和S極都從上方向下插入螺線管，在操作過程中盡量保證穿過螺線管的磁通量的變化量的絕對(duì)值相等，觀察感應(yīng)磁場(chǎng)的方向.

經(jīng)過觀察分析可知，當(dāng)N極插入螺線管時(shí)，感應(yīng)磁場(chǎng)方向向上；當(dāng)S極插入螺線圈時(shí)，感應(yīng)磁場(chǎng)方向向下.

這說明，在磁通量的變化量的絕對(duì)值相等的情況下，感應(yīng)磁場(chǎng)的方向與原磁場(chǎng)方向有關(guān).

綜合以上兩步探究的結(jié)果，感應(yīng)磁場(chǎng)的方向與穿過螺線管的磁通量的變化量和原磁場(chǎng)的方向這兩個(gè)因素有關(guān).

2.3 綜合歸納得出“增反減同”的初步結(jié)果

探究三 重復(fù)并擴(kuò)展探究二的操作步驟.

如圖4所示，將磁鐵的N極（和S極）從上方插入螺線管（都是插入）.當(dāng)N極向下插入螺線管（即Δ為正）時(shí)，原磁場(chǎng)方向向下，感應(yīng)磁場(chǎng)的方向向上；當(dāng)S極向下插入螺線管（即Δ為正）時(shí)，原磁場(chǎng)方向向上，感應(yīng)磁場(chǎng)的方向向下.

綜合上述兩步理論分析發(fā)現(xiàn)：不管是N極還是S極，只要插入螺線管，也就是說只要穿過螺線管的磁通量的絕對(duì)值在增加，感應(yīng)磁場(chǎng)的方向就與原磁場(chǎng)的方向相反.

下面繼續(xù)探究將N極和S極向上拔出螺線管的情況.當(dāng)N極向上拔出螺線管（即（（為負(fù)）時(shí)，原磁場(chǎng)方向向下，感應(yīng)磁場(chǎng)的方向向下；將磁鐵的S極向上拔出螺線管（即（（為負(fù)）時(shí)，原磁場(chǎng)方向向上，感應(yīng)磁場(chǎng)的方向向上.

歸納上述兩步可以發(fā)現(xiàn)：不管是N極還是S極，只要拔出螺線管，也就是說只要穿過螺線管的磁通量的絕對(duì)值在減小，感應(yīng)磁場(chǎng)的方向就與原磁場(chǎng)的方向相同.

將上述的兩大步再進(jìn)一步歸納（即針對(duì)所有插拔情況）：上述每一種操作都滿足下述規(guī)律：當(dāng)（（為正時(shí)（磁通量的變化量增加），感應(yīng)磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)方向相反；當(dāng)（（為負(fù)時(shí)（磁通量的變化量減少），感應(yīng)磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)方向相同，也就是“增反減同”.

2.4 運(yùn)用磁通量的形象標(biāo)識(shí)方式（磁感線的條數(shù)）進(jìn)行科學(xué)想象.

怎樣理解“增反減同”的現(xiàn)象，這“又增又減”的表面是否隱藏著統(tǒng)一的物理本質(zhì)？下面繼續(xù)進(jìn)行探究和思考.

探究四：如圖5所示，繼續(xù)分別將N極和S極插入和拔出螺線管，觀察感應(yīng)磁場(chǎng)的方向.

當(dāng)N極插入螺線圈時(shí)，原磁場(chǎng)方向向下，穿過螺線管的磁通量（下面用磁感線的條數(shù)來進(jìn)行科學(xué)想象）增加，感應(yīng)磁場(chǎng)方向向上，由于二者方向相反，所以結(jié)果是抵消了一部分增加的磁通量，即方向相反的兩組磁感線相當(dāng)于減少了凈磁感線的條數(shù).“不讓磁通量增加”.

同理，當(dāng)N極拔出螺線圈時(shí)，螺線管的磁通量減小，感應(yīng)磁場(chǎng)方向向下，由于二者方向相同，所以結(jié)果是補(bǔ)償了一部分減少的磁通量，即方向相同的兩組磁感線的總體效果是： “不讓磁通量減少”.

將S極插入和拔出螺線管的情況與N極的相關(guān)情況類似，不再贅述.

總之，“不讓磁通量增加”和“不讓磁通量減小”，都是不想讓原來的磁通量發(fā)生變化的意思，看來“不想讓其變化”就是增反減同的共性.

考慮感應(yīng)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和原磁場(chǎng)的強(qiáng)弱之后，可以說：我們是用一種“部分抵消變化說”總結(jié)了“增反減同”的共性.

下面再從感應(yīng)電流的磁場(chǎng)的角度來思考，我們關(guān)心的問題是：到底感應(yīng)磁場(chǎng)在上述電磁感應(yīng)的過程中起到了什么作用？

上述的“部分抵消變化”事實(shí)上就是感應(yīng)電流的磁場(chǎng)阻礙了（不是完全阻止）原磁場(chǎng)磁通量的變化.

至此，我們得出最終結(jié)論：感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，這就是楞次定律.楞次定律的核心，也是最需要大家記住的是“阻礙”二字.

綜觀楞次定律的整個(gè)探究過程，結(jié)合了雙向思維，先進(jìn)行理論探究，也就是通過分析與綜合方法這一物理科學(xué)方法提出探究性問題（原磁場(chǎng)的磁通量的變化與感應(yīng)電流的磁場(chǎng)的方向之間的關(guān)系？）；緊接著通過四步層層遞進(jìn)的探究性小實(shí)驗(yàn)，綜合運(yùn)用了控制變量法和部分歸納法、全部歸納法，最后在實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)果的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步進(jìn)行科學(xué)想象和綜合歸納，最終自然生發(fā)而成楞次定律這一重要規(guī)律.整個(gè)探究過程是本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn).上述的探究過程一直貫穿著理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的思想，彰顯了物理科學(xué)方法的巨大力量.

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