汪慧琴

(江蘇省蘇州第一中學(xué)校,江蘇 蘇州 215000)

關(guān)于楞次定律教學(xué)的思考

汪慧琴

(江蘇省蘇州第一中學(xué)校,江蘇 蘇州 215000)

本文分析了“楞次定律”實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中普遍存在的問(wèn)題,澄清了電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的各個(gè)物理量之間的邏輯關(guān)系,從而提出“楞次定律”的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)的設(shè)計(jì)和建議．

感應(yīng)電流的磁場(chǎng)； 邏輯關(guān)系； 展示探究的過(guò)程和方法； 應(yīng)用楞次定律的思維過(guò)程和方式．

楞次定律的教學(xué),是高中物理的教學(xué)難點(diǎn)．筆者連續(xù)觀摩了各個(gè)層次高中物理教師(特級(jí)教師、高級(jí)教師和一級(jí)教師)的課堂教學(xué)和高端教學(xué)展示,期望在教學(xué)一線的實(shí)踐中,尋找到有關(guān)楞次定律實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)的好方案和好思路,以利于在物理教學(xué)中培養(yǎng)高中學(xué)生的核心素養(yǎng)．

1 楞次定律實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中存在的主要問(wèn)題

楞次定律實(shí)驗(yàn)探究教學(xué),可歸納為兩大類實(shí)驗(yàn)探究的范圍．一是基于人教版高中物理選修3-2的實(shí)驗(yàn)探究基礎(chǔ)； 二是基于上?？萍冀逃霭嫔绺咧形锢磉x修3-2的實(shí)驗(yàn)探究基礎(chǔ).

案例1.建立在人教版高中物理選修3-2實(shí)驗(yàn)探究基礎(chǔ)上的教學(xué)案例．

人教版教材實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

圖1 記錄實(shí)驗(yàn)情況的草圖

在前面實(shí)驗(yàn)中，我們通過(guò)磁鐵跟閉合電路之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)改變穿過(guò)閉合電路的磁通量.條形磁鐵的N極或S極插入閉合線圈時(shí)，線圈內(nèi)磁通量增加，抽出時(shí)，線圈內(nèi)磁通量減少.

現(xiàn)在重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，不過(guò)這次不是研究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件，而是用草圖記錄感應(yīng)電流的方向、磁鐵的極性和運(yùn)動(dòng)方向，以便從中找出它們之間的關(guān)系.

建議在紙上畫出幾個(gè)類似的草圖，分別標(biāo)出不同情況下磁鐵的N、S極，磁極的運(yùn)動(dòng)方向，感應(yīng)電流的方向.為了判斷感應(yīng)電流的方向，事先要弄清線圈導(dǎo)線的繞向及電流方向、指針擺動(dòng)的方向與電流表的紅、黑接線柱的關(guān)系.

在實(shí)驗(yàn)探究的教學(xué)中,教師以不同形式,或事先設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)記錄卡1的表格(見(jiàn)表1),或引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)記錄卡1,然后讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)探究填寫現(xiàn)象和結(jié)果,最后尋找到感應(yīng)電流的磁場(chǎng)跟原磁場(chǎng)的方向關(guān)系,即“增反減同”．

評(píng)析: 案例1實(shí)驗(yàn)探究的最大功績(jī),是揭示了電磁感應(yīng)現(xiàn)象中,各個(gè)物理量之間的邏輯關(guān)系．但是,教學(xué)中普遍存在著以下問(wèn)題.

(1) 感應(yīng)電流的磁場(chǎng)問(wèn)題.每次在這樣教學(xué)中,筆者總會(huì)特別關(guān)注授課教師是根據(jù)什么,如何引導(dǎo)學(xué)生想到要去尋找感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向．到目前為止,還沒(méi)有獲得一個(gè)令人滿意的解答．有些教師根本沒(méi)有思考和涉及這個(gè)問(wèn)題．

感應(yīng)電流的磁場(chǎng)及其方向,在本實(shí)驗(yàn)中,是一個(gè)看不見(jiàn)、摸不著、無(wú)法感知的隱形角色．也就是說(shuō),實(shí)驗(yàn)記錄卡1中的第4行,記錄的內(nèi)容根本就不是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果．筆者認(rèn)為,這個(gè)問(wèn)題是本實(shí)驗(yàn)探究的一個(gè)結(jié)癥．

(2) 失去了真正探究的價(jià)值.授課教師可能沒(méi)有意識(shí)到,在沒(méi)有明確為什么要去尋找感應(yīng)電流磁場(chǎng)的前提下,這樣的教學(xué),其實(shí)是教師事先預(yù)設(shè)了實(shí)驗(yàn)路徑,讓學(xué)生循規(guī)蹈矩,依葫蘆畫瓢,知其然不知其所以然,失去了實(shí)驗(yàn)探究的真正價(jià)值．

圖2 探究感應(yīng)電流方向的實(shí)驗(yàn)

(3) 感應(yīng)電流磁場(chǎng)的角色定位出現(xiàn)了偏差.關(guān)于感應(yīng)電流磁場(chǎng)在探究感應(yīng)電流方向的過(guò)程中,是一個(gè)什么角色?人教版教材高中教材闡述它是一個(gè)“中介”角色,筆者認(rèn)為這種描述存在邏輯上的問(wèn)題．退一步說(shuō),雖然加了引號(hào),對(duì)教師和學(xué)生也起了誤導(dǎo)作用．

案例2.建立在上海科技教育出版社高中物理選修3-2實(shí)驗(yàn)探究基礎(chǔ)上的教學(xué)案例.

滬科版教材實(shí)驗(yàn)探究?jī)?nèi)容：

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，用細(xì)線懸掛一個(gè)很輕的鋁環(huán)，鋁環(huán)可以自由擺動(dòng).

請(qǐng)觀察：

當(dāng)條形磁鐵的一極(如圖2中的N極)向鋁環(huán)靠近時(shí)，會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

當(dāng)條形磁鐵離開(kāi)鋁環(huán)時(shí)，又會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？

請(qǐng)將你的觀察結(jié)果記錄下來(lái).

實(shí)驗(yàn)表明： 條形磁鐵的N極移近鋁環(huán)時(shí)，鋁環(huán)被排斥； 條形磁鐵的N極離開(kāi)鋁環(huán)時(shí)，鋁環(huán)被吸引.

鋁環(huán)是非鐵磁性物體，它怎么會(huì)被磁鐵排斥和吸引的呢？

下面是一位教師的“楞次定律”市級(jí)公開(kāi)課導(dǎo)學(xué)案的實(shí)驗(yàn)記錄卡，見(jiàn)表2.

表2 實(shí)驗(yàn)記錄卡2

評(píng)析: 案例2實(shí)驗(yàn)探究的最大功績(jī)是讓我們直觀體驗(yàn)、認(rèn)識(shí)了感應(yīng)電流磁場(chǎng)的存在．但是,實(shí)際教學(xué)中仍存在著問(wèn)題.

(1) 從實(shí)驗(yàn)記錄卡2表格縱向看,各個(gè)探究環(huán)節(jié)中,物理量之間的邏輯關(guān)系是倒置的．我們沒(méi)有引導(dǎo)學(xué)生思考:為什么要將因果倒置?學(xué)生只能按部就班,依葫蘆畫瓢了．

(2)實(shí)驗(yàn)探究2的方案,沒(méi)有解決我們?yōu)槭裁床恢苯訉ふ腋袘?yīng)電流方向,而繞道到感應(yīng)電流磁場(chǎng)的方向．

根據(jù)人類認(rèn)識(shí)的一般規(guī)律,思維和行動(dòng)的指向總是直奔主題,直接測(cè)量或?qū)ふ掖馕锢砹扛男┮蛩叵嚓P(guān)聯(lián)．而實(shí)驗(yàn)探究2為什么要繞道,要從感應(yīng)電流磁場(chǎng)的方向來(lái)間接判定感應(yīng)電流方向．這是一個(gè)認(rèn)識(shí)過(guò)程的方法論問(wèn)題．

在人類認(rèn)識(shí)史上,這個(gè)問(wèn)題糾結(jié)了很長(zhǎng)一段時(shí)間,我們現(xiàn)在不能回避這個(gè)結(jié)癥問(wèn)題．筆者認(rèn)為,這是楞次定律實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中有待解決的一個(gè)根本問(wèn)題．我們應(yīng)該比較完整地展示人類研究這個(gè)問(wèn)題的過(guò)程和方法．

(3) 各個(gè)物理量之間的邏輯關(guān)系不清晰．在實(shí)際教學(xué)中,存在方方面面的問(wèn)題,甚至有些名師,在教學(xué)中邏輯思路都不夠清晰,思維的脈絡(luò)繞來(lái)繞去,把學(xué)生繞在云里霧里．

正確認(rèn)識(shí)感應(yīng)電流磁場(chǎng)的邏輯地位,是探究、認(rèn)識(shí)楞次定律的核心內(nèi)容．我們教學(xué)中要花力氣來(lái)突破這一點(diǎn)．所以,筆者認(rèn)為有必要跟大家一起理清原磁場(chǎng)B0、磁通量Φ變化、感應(yīng)電流Ii和感應(yīng)電流磁場(chǎng)Bi的邏輯關(guān)系．

2 “楞次定律”實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)設(shè)計(jì)和建議

在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(修訂稿)》中,已經(jīng)把探究感應(yīng)電流方向確定為高中理科生必做實(shí)驗(yàn)．“楞次定律”的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué),筆者認(rèn)為應(yīng)該注意3個(gè)方面的問(wèn)題:第一,揭示電磁感應(yīng)現(xiàn)象的邏輯關(guān)系;第二,展現(xiàn)楞次定律的探索、發(fā)現(xiàn)過(guò)程;第三,利用楞次定律判斷感應(yīng)電流方向的思維方式．

2.1 教學(xué)設(shè)計(jì)：探究感應(yīng)電流的方向——楞次定律

在“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件”的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)探究中,我們觀察了不同情況下感應(yīng)電流方向的不一樣．實(shí)驗(yàn)讓我們直接地感受到,感應(yīng)電流的方向跟磁場(chǎng)方向、磁通量的變化相關(guān)聯(lián)．

那么,感應(yīng)電流的方向是由這兩個(gè)因素直接決定的嗎?其中蘊(yùn)含什么規(guī)律?

實(shí)驗(yàn)探究1： 感應(yīng)電流的方向跟哪些因素有直接關(guān)系?

圖3是“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件”的實(shí)驗(yàn)探究中的實(shí)驗(yàn)記錄,請(qǐng)完成如下探究:

(1) 感應(yīng)電流方向跟磁場(chǎng)方向關(guān)系;

(2) 感應(yīng)電流方向跟磁通量的增加/減少的關(guān)系;

(3) 尋找電磁感應(yīng)現(xiàn)象中感應(yīng)電流Ii與原磁場(chǎng)B0、磁通量Φ之間的邏輯關(guān)系.

圖3 實(shí)驗(yàn)探究1現(xiàn)象記錄

分別把甲與丙,乙與丁兩情形對(duì)比,我們發(fā)現(xiàn)相同的磁場(chǎng)方向,卻產(chǎn)生了相反方向的感應(yīng)電流．而在甲與丁和乙與丙情形中,不同方向的磁場(chǎng),卻產(chǎn)生了相同方向的感應(yīng)電流．

探究結(jié)論1:磁場(chǎng)方向不直接決定感應(yīng)電流方向．

分別對(duì)比甲與乙、丙與丁兩情形,都是磁通量增加/減少,產(chǎn)生了相反方向的感應(yīng)電流．而甲與丁、乙與丙兩情形,磁通量變化不同,卻產(chǎn)生了相同方向感應(yīng)電流．

探究結(jié)論2:磁通量的變化也不直接決定感應(yīng)電流方向．

圖4 電磁感應(yīng)中的邏輯關(guān)系

在本實(shí)驗(yàn)中,我們不難發(fā)現(xiàn),因原磁場(chǎng)B0的存在,由相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁通量Φ的變化,產(chǎn)生了感應(yīng)電流Ii．他們之間的邏輯關(guān)系如圖4所示．

那么,到底哪些因素直接決定了感應(yīng)電流的方向?

評(píng)析：實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果跟預(yù)期相反，但卻有非常高的科學(xué)價(jià)值，它指引我們另辟蹊徑，達(dá)成目標(biāo).

實(shí)驗(yàn)探究2： 感受、發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流的磁場(chǎng)Bi.

圖5 探究實(shí)驗(yàn)2原理

我們把實(shí)驗(yàn)探究1中的線圈,簡(jiǎn)化為一個(gè)直徑大約50mm的單匝鋁環(huán),用雙細(xì)線懸掛起來(lái),鋁環(huán)可以在空中自由擺動(dòng)(如圖5所示)．

探究1：先后把強(qiáng)磁體棒插入、拔出鋁環(huán),觀察會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象．

實(shí)驗(yàn)表明:磁體插入時(shí),鋁環(huán)跟磁體相斥,磁體拔出時(shí)鋁環(huán)跟磁體相吸．

探究2： 磁體和鋁環(huán)為什么能夠產(chǎn)生相互作用?說(shuō)明鋁環(huán)周圍存在什么物質(zhì)?

說(shuō)明鋁環(huán)周圍空間存在另外一種磁場(chǎng)Bi．磁體的磁場(chǎng)B0通過(guò)這個(gè)磁場(chǎng)Bi跟鋁環(huán)產(chǎn)生了相互作用．

探究3： 鋁環(huán)周圍空間的磁場(chǎng)Bi是從哪里來(lái)的?

在磁體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,由于磁通量的變化,鋁環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電流Ii,是感應(yīng)電流在周圍產(chǎn)生了磁場(chǎng)Bi．

圖6 感應(yīng)電流磁場(chǎng)的邏輯地位

4個(gè)物理量之間的邏輯關(guān)系,如圖6主線所示．

評(píng)析： 此時(shí)引入感應(yīng)電流的磁場(chǎng)Bi，從方框示意圖4的主脈路可看出，在邏輯關(guān)系上，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)，不是什么“中介”，在電磁感應(yīng)現(xiàn)象的邏輯關(guān)系中，直接對(duì)原磁場(chǎng)的磁通量變化產(chǎn)生影響，確立了電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能量的轉(zhuǎn)化和守恒關(guān)系.

探究4： 你能感受到感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向跟原磁場(chǎng)方向有什么關(guān)系?

磁通量增加時(shí),鋁環(huán)跟磁體相互排斥,說(shuō)明感應(yīng)電流的磁場(chǎng)Bi方向跟磁體磁場(chǎng)B0方向相反;磁通量減少時(shí),鋁環(huán)跟磁體相互吸引,說(shuō)明感應(yīng)電流的磁場(chǎng)Bi跟磁體磁場(chǎng)B0方向相同，如圖7所示，即簡(jiǎn)述為“增反減同”．

a 磁鐵靠近鋁環(huán)

b 磁鐵離開(kāi)鋁環(huán)

結(jié)論:原磁場(chǎng)B0的方向和磁通量Φ的變化兩個(gè)因素共同決定了感應(yīng)電流磁場(chǎng)Bi的方向.

探究5：你能夠判斷鋁環(huán)中的感應(yīng)電流方向嗎?

根據(jù)安培定則,伸出右手,由逆向思維,我們可以判定鋁環(huán)中的感應(yīng)電流方向．在圖7所示插入磁體N極時(shí),形成左視的逆時(shí)針?lè)较蚋袘?yīng)電流,拔出磁體N極時(shí),形成左視的順時(shí)針?lè)较虻母袘?yīng)電流．

探究6：Bi與B0的“增反減同”具有普遍性嗎?

在實(shí)驗(yàn)探究1中,根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄的感應(yīng)電流方向,判斷出感應(yīng)電流磁場(chǎng)方向,看看是否滿足“增反減同”．

探究7： 感應(yīng)電流的磁場(chǎng)Bi在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中起了什么作用?

當(dāng)穿過(guò)鋁環(huán)磁通量增加時(shí),感應(yīng)電流的磁場(chǎng)Bi與原磁場(chǎng)B0方向相反,阻礙了磁通量增加的進(jìn)程．當(dāng)穿過(guò)鋁環(huán)磁通量減少時(shí),感應(yīng)電流的磁場(chǎng)Bi與原磁場(chǎng)B0方向一致,阻礙了磁通量減少進(jìn)程．從此角度來(lái)看,感應(yīng)電流的磁場(chǎng)Bi對(duì)磁通量的變化所起的作用是一致的,都是阻礙作用．

在“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件” 的3個(gè)實(shí)驗(yàn)探究中都表明:感應(yīng)電流的磁場(chǎng)Bi總是阻礙原磁場(chǎng)B0的磁通量的變化．

大量實(shí)驗(yàn)探究表明:感應(yīng)電流具有這樣的方向,即感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，這就是楞次定律

2.2 理論探究： 怎樣利用楞次定律判斷感應(yīng)電流方向

對(duì)“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件”中3個(gè)實(shí)驗(yàn)探究逐一分析,試一試是否也可以采用先判定感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向,后判定感應(yīng)電流的方向的方法來(lái)判斷．如果可以,請(qǐng)概括出判定感應(yīng)電流方向的一般規(guī)律．

師生討論，概括出判定感應(yīng)電流方向的思維過(guò)程(如圖8).

圖8 楞次定律應(yīng)用思維過(guò)程示意圖

2.3 對(duì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)探究的地位和作用的評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)探究2具有如下優(yōu)勢(shì): (1) 讓學(xué)生直接感知感應(yīng)電流磁場(chǎng)的存在; (2) 讓學(xué)生直接感知感應(yīng)電流磁場(chǎng)方向跟原磁場(chǎng)方向、磁通量變化的關(guān)系; (3) 獲得利用楞次定律判斷感應(yīng)電流方向的一般規(guī)律．

在教學(xué)實(shí)踐中,部分教師可能出于教學(xué)時(shí)間的限制,只采用實(shí)驗(yàn)探究2,摒棄實(shí)驗(yàn)探究1．

甚至有部分教師認(rèn)實(shí)驗(yàn)探究1是多此一舉．筆者認(rèn)為,首先,我們要回答為什么要先找感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向,后判定電流的方向這個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題．也就是說(shuō),感應(yīng)電流磁場(chǎng)的地位為什么如此重要和突出,探究2沒(méi)有說(shuō)服力．

另外,在實(shí)驗(yàn)探究2中,雖然我們能夠直接感知感應(yīng)電流的磁場(chǎng)跟原磁場(chǎng)方向、磁通量變化的關(guān)系,但是,主角感應(yīng)電流卻是隱含的,我們不能用測(cè)量或其他什么方法,直接感知它的存在和它的方向．直接上來(lái)就這樣做,有違人類探究未知量的一般規(guī)律．

人類探究未知量的一般規(guī)律,總是首先考慮用最直接、最簡(jiǎn)單的測(cè)量方式來(lái)進(jìn)行．也就是說(shuō),要探究感應(yīng)電流的方向,總是直接用電流表來(lái)測(cè)定,看看哪些因素直接影響感應(yīng)電流的方向,并尋求出它們直接的關(guān)聯(lián)．只有在此路不通的時(shí)候,人們才會(huì)另辟蹊徑,想方設(shè)法繞過(guò)去．這就是實(shí)驗(yàn)探究1的價(jià)值所在,它展現(xiàn)了人類探索未知世界的一般思維過(guò)程和方法,它給了我們下一步研究的方向和啟示．實(shí)驗(yàn)探究1對(duì)學(xué)生掌握探究過(guò)程與方法,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度,起到無(wú)法替代的作用．

筆者認(rèn)為,兩個(gè)實(shí)驗(yàn)探究合璧,成為一個(gè)整體,相互補(bǔ)充、相互印證,在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi),既展現(xiàn)了人類探究感應(yīng)電流方向的思維過(guò)程和研究方法,又回答了為什么在楞次定律中,要把邏輯關(guān)系倒置,利用感應(yīng)電流磁場(chǎng)方向,判斷感應(yīng)電流方向．這樣做,具有比較強(qiáng)的說(shuō)服力,讓我們課堂的探究活動(dòng)充滿靈動(dòng)和生命力,具有真正科學(xué)探究的價(jià)值．

2017-01-18)