孫春成 徐凌峰

(江陰市青陽中學 江蘇 無錫 214401)

在進行“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”教學時，筆者始終圍繞感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件“穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化”來設(shè)計探究性實驗.筆者首先設(shè)計了3個實驗方案，提供了必要的實驗器材給學生，讓學生進行自主探究.筆者給這3個實驗方案提供的器材如圖1所示.

圖1 3個實驗方案的實驗器材

第一個實驗和第二個實驗都是設(shè)法改變磁感應(yīng)強度B，而線圈的面積保持不變，第三個實驗則是磁感應(yīng)強度B保持不變，而設(shè)法改變線圈的有效面積.通過學生的反復(fù)探究，筆者引導學生得出一個階段性結(jié)論：磁感應(yīng)強度B和線圈有效面積S，只要有一個量發(fā)生變化，閉合回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流.

筆者沒有就此停步，而是進一步追問：如果磁感應(yīng)強度B變化，線圈的有效面積S也變化，會不會產(chǎn)生感應(yīng)電流呢？產(chǎn)生感應(yīng)電流的根本條件是什么呢？為了引導學生進一步進行深入探究，筆者自己設(shè)計并制作了一件裝置，取名為“感應(yīng)電流產(chǎn)生條件演示儀”(圖2)，取得了良好的教學效果.

圖2 自制的感應(yīng)電流產(chǎn)生條件演示儀

下面是筆者制作該演示儀的過程.

(1)將兩塊直徑為5 cm的圓柱形強磁鐵(中間有圓孔的那種，如圖3所示)疊放在一起(由于磁性很強，要注意別夾傷手指！),這樣做的目的是為了進一步增強磁鐵的磁性，有利于后面進行制作時能夠較為清晰地模擬出磁感線，也有利于在課堂上進行實驗時能夠產(chǎn)生較為明顯的感應(yīng)電流.

(a)中間有圓孔的強磁鐵

(b)兩塊強磁鐵疊放

(2)取一張A4紙(也可以用玻璃板或亞克力板，但是效果不及A4紙)，在A4紙上均勻地撒上極細的鐵粉.該步驟想象起來很簡單，但是操作起來困難較大，因為很難做到將鐵粉撒得十分均勻，而如果鐵粉分布不均勻，會導致實驗過程中鐵粉模擬出的磁感線十分模糊.筆者多次嘗試，最后，在裝鐵粉的塑料瓶瓶蓋上用針刺出一些細孔，類似于撒胡椒粉一樣在A4紙正上方反復(fù)抖撒，同時輕輕敲擊玻璃板，終于較為均勻地在A4紙上平鋪了薄薄的一層鐵粉，如圖4所示.

圖4 均勻鋪撒鐵粉

(3)將鋪有均勻細鐵粉的A4紙輕輕地置于桌子邊緣，將步驟(1)中的圓柱形磁鐵從桌子邊緣外，緩慢靠近A4紙與桌子邊緣接觸的那一側(cè)的中點，如圖5所示(注意，此過程一定要較為緩慢，稍有不慎，A4紙上的鐵粉會一下子被強磁鐵幾乎全部吸引過去).

圖5 將磁鐵緩慢靠近A4紙

固定好磁鐵，并輕輕敲擊桌面，我們會發(fā)現(xiàn)，A4紙上薄薄的鐵粉在磁場作用下，會逐漸呈現(xiàn)出有規(guī)律的排布.鐵粉的排布較為清晰地顯示出了強磁鐵的磁感線分布.筆者從A4紙正上方用相機拍下了鐵粉的分布,如圖6所示.

圖6 在磁場作用下鐵粉的分布圖

(4)打印出鐵粉分布的照片，根據(jù)鐵粉的分布情況描繪出兩條“磁感線”，并請一個企業(yè)的繪圖工程師根據(jù)這兩條磁感線繪制出了該強磁鐵部分磁感線的立體分布圖，如圖7所示.

(a)

(b)

接下來，根據(jù)該立體圖用數(shù)控機床對一段圓柱形木頭進行加工，從而形成了本“感應(yīng)電流產(chǎn)生條件演示儀”的主體.為了進一步增強演示效果，筆者還從該木件主體底部中心向上開了一個直徑約2 cm，高度為10 cm的圓柱形孔，并在孔內(nèi)填入一塊大小一樣的鐵圓柱.

(5)將圓柱形強磁鐵安裝在木質(zhì)演示儀主體的頂部，為防止實驗過程中強磁鐵不慎滑落，筆者還從圓柱形磁鐵中心圓孔中向下打入一根鐵釘進入木件，以固定該強磁鐵.再將一根長約1.5 m的導線連接在一個靈敏電流計上，組成了一個閉合回路.這樣，木件主體與連接了導線的靈敏電流計就組成了“感應(yīng)電流產(chǎn)生條件演示儀”，即圖2所示.

教學過程中，筆者將連接電流計的導線的一部分圈成一個線圈，在實驗操作開始前提問學生：老師將該線圈從位置1緊貼著木件平移到位置2的過程中(圖8)，線圈中會不會產(chǎn)生電流呢？

圖8 問題情境圖示

我們知道，線圈平移時，距離磁鐵越遠，磁感應(yīng)強度B就越小，而線圈有效面積S就越大；距離磁鐵越近，磁感應(yīng)強度B就越大，而線圈有效面積S就越小.在這個過程中，磁感應(yīng)強度B和線圈有效面積S都在發(fā)生變化，而之前他們自己所做的探究實驗中，磁感應(yīng)強度B和線圈有效面積S只有一個發(fā)生變化.因此，學生非常好奇，紛紛討論，并猜測結(jié)論.

筆者在學生熱切的關(guān)注下，將線圈緊貼著木件從位置1平移到位置2，學生發(fā)現(xiàn)，整個過程中，電流計指針始終沒有轉(zhuǎn)動，即閉合回路中未產(chǎn)生感應(yīng)電流.

筆者引導學生分析：在線圈平移的過程中，由于線圈是緊貼著木件平移，因此，穿過線圈的磁感線的條數(shù)沒有變化，即穿過線圈的磁通量沒有改變.結(jié)合剛才自己所進行的探究實驗而得出的結(jié)論，學生們終于得出產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件：穿過閉合回路的磁通量發(fā)生改變.

在學生總結(jié)出該結(jié)論之后，筆者要求學生繼續(xù)觀察以下操作，如圖9所示,并進一步思考：

(1)觀察線圈從磁鐵上方套入磁鐵時，是否有感應(yīng)電流產(chǎn)生？

(2)與問題(1)相反，觀察線圈離開磁鐵時，是否有感應(yīng)電流產(chǎn)生？

(3)線圈沒有緊貼木件而上下平移時，是否有感應(yīng)電流產(chǎn)生？

圖9 思考3種情況是否有感應(yīng)電流產(chǎn)生

學生觀察后發(fā)現(xiàn)，這3種情況下，均產(chǎn)生了感應(yīng)電流.筆者追問為什么？學生討論后指出：這3種情況中，線圈運動時，穿過線圈的磁感線的條數(shù)，即磁通量，均發(fā)生了變化，因此產(chǎn)生了感應(yīng)電流.筆者認為，這樣的進一步實驗、觀察和追問，有利于學生深刻領(lǐng)會感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件，深化對結(jié)論的認識和理解.

筆者在制作過程和上課過程中體會到，教師根據(jù)教學需要精心設(shè)計、親自制作實驗裝置，帶領(lǐng)學生親身經(jīng)歷實驗過程，不僅能夠有效地提高課堂效率、激發(fā)學生的學習興趣、培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)，也有利于促進教師對教學內(nèi)容進行深入思考，有效增強了教師的動手能力和教學能力，切實提升了教師的個人業(yè)務(wù)素質(zhì).