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        楞次定律雙管對比實驗的改進

        2018-12-27 11:10:20潘天文肖禹呂華平
        物理教學(xué)探討 2018年9期
        關(guān)鍵詞:楞次定律實驗改進傳感器

        潘天文 肖禹 呂華平

        摘 要:本文介紹了對傳統(tǒng)楞次定律演示實驗的改進,將銅管切割成約5 cm長一段的銅環(huán),每個間隔約2 cm套在兩個相同的透明塑料管上,可以觀察到強磁鐵在銅管中的下落情況。用螺線管等效代替銅環(huán),借助傳感器,將磁鐵在螺線管中的下落情況展示出來。

        關(guān)鍵詞:楞次定律;雙管實驗;實驗改進;傳感器

        中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1003-6148(2018)9-0049-3

        1 引 言

        1834年俄國物理學(xué)家楞次得出這樣一個結(jié)論:感應(yīng)電流具有這樣的方向,即感應(yīng)電流的磁場方向總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。這也就是著名的楞次定律。目前演示楞次定律的裝置有很多種:

        a.在各個版本的物理教材中,大多采用磁鐵插入和拔出線圈,利用電流表或者檢流計觀察感應(yīng)電流方向。這種實驗方式現(xiàn)象直觀明顯,突出感應(yīng)電流的方向問題,但是對于“阻礙”這一現(xiàn)象的演示不明顯。中學(xué)生抽象思維能力不完善,很容易對此產(chǎn)生錯誤的理解。

        b.楞次環(huán)演示儀:觀察磁鐵插入和拔出閉合金屬環(huán)以及不閉合金屬環(huán)時,整個裝置的偏轉(zhuǎn)狀況。該實驗裝置能夠很好地演示出“阻礙”現(xiàn)象,但是卻無法展現(xiàn)金屬環(huán)中電流的方向,雖能激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,但對于感應(yīng)電流方向規(guī)律的探究沒有很明顯的作用。

        c.傳統(tǒng)雙管對比實驗:通過演示磁鐵在塑料管與金屬管中的下落情況,讓學(xué)生知道磁鐵在金屬管中下落會受到阻力。但是,由于金屬管和透明管內(nèi)壁不同,而且金屬管不透明,學(xué)生很難想象出磁鐵在金屬管中到底是如何運動的。并且,傳統(tǒng)雙管實驗也無法展現(xiàn)磁鐵下落時金屬管中感應(yīng)電流的變化。

        為了解決傳統(tǒng)實驗存在的各種局限性問題,我們基于傳統(tǒng)雙管實驗進行了改進。改進后的楞次定律演示儀,可以讓學(xué)生直接觀察到磁鐵在金屬管中的大致下落情況,并且借助傳感器展現(xiàn)電流的變化情況。

        2 實驗裝置構(gòu)成與設(shè)計

        2.1 實驗材料

        16 mm×6 mm釹鐵硼圓形磁片若干;長1 m、內(nèi)徑2.4 cm、外徑3 cm的透明塑料管2個;長約5 cm、內(nèi)徑3.1 cm、外徑3.5 cm的銅管14個;20 cm×30 cm×7 cm木質(zhì)底座一個;不銹鋼支架1套;螺線管1個;傳感器1套;導(dǎo)線若干;膠水若干。

        2.2 裝置組裝

        將銅環(huán)以約2 cm間隔套在其中一個透明塑料管上,用膠水固定,將兩個塑料管通過不銹鋼支架固定在底座上,將傳感器與螺線管相連。實驗裝置圖如圖1和圖2所示。

        2.3 數(shù)據(jù)展現(xiàn)

        理論上磁鐵的磁性越強磁鐵下落的越慢,但我們選擇的是磁片組合,磁性越強也就意味著重力越大。為了在演示實驗中,使磁鐵在銅管中下落緩慢的現(xiàn)象明顯,演示效果達(dá)到最好,我們事先進行了測試,下落時間的測試結(jié)果如表1所示,螺線管中產(chǎn)生感應(yīng)電流的大小和方向的結(jié)果如圖3所示。在下落時間差值一定的范圍內(nèi),我們選擇磁鐵數(shù)量多的一組,這樣下落的磁鐵較大,更容易觀察。

        3 課堂應(yīng)用

        楞次定律在高中教學(xué)中既是重點也是難點,想讓學(xué)生真正掌握、細(xì)致了解這個物理規(guī)律,就要讓學(xué)生透過現(xiàn)象看到本質(zhì),所以在教學(xué)設(shè)計中,該實驗裝置分別以設(shè)置懸念和解決懸念的方式出現(xiàn)兩次。

        3.1 作為懸念問題放置在課堂的開始

        新課開始之前,我們通過實驗發(fā)現(xiàn)磁鐵在銅管中下落變慢,這與學(xué)生已有的認(rèn)知產(chǎn)生沖突。學(xué)生知道自由下落的物體從相同高度下落用的時間應(yīng)該是相同的,在這樣一個認(rèn)知沖突下引導(dǎo)學(xué)生思考:為什么磁鐵下落會變慢呢?誰阻礙了它的運動?它是受到了什么性質(zhì)的阻力呢?讓學(xué)生在腦海中形成對于該問題的模型建構(gòu),有效培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力。通過物理實驗創(chuàng)設(shè)問題情境,激發(fā)學(xué)生對于本節(jié)課的學(xué)習(xí)興趣和強烈的求知欲望,并能積極主動地參與到課堂中來。 3.2 探究得出楞次定律后利用楞次定律解決懸念問題

        通過實驗探究得出楞次定律之后,如何讓學(xué)生理解“阻礙”的含義就是本節(jié)課的重點,同時也是難點內(nèi)容。新課標(biāo)提出物理教學(xué)應(yīng)該從“重結(jié)果,輕過程”向“重結(jié)果,更重過程”轉(zhuǎn)變,那么對于楞次定律中的“阻礙”的理解作為重難點也就不容置疑了。

        我們用螺線管等效代替其中一塊銅管,以其中一個磁鐵下落為例,借助傳感器將電路中感應(yīng)電流的方向展現(xiàn)出來。通過圖像(如圖4所示)發(fā)現(xiàn),磁鐵從螺線管中下落產(chǎn)生了兩個方向相反的電流。其實,它就是一個磁鐵的插入和拔出過程,那也就是磁通量的增加和減少過程。學(xué)生通過剛剛學(xué)習(xí)的楞次定律,很容易就能得出無論是磁通量的增加,還是減少,都會受到阻礙作用這樣一個結(jié)論,那么無論是磁鐵進入螺線管還是離開螺線管都受阻力。所以在一個接著一個的銅管中也是一樣,整體表現(xiàn)就是下落變慢的過程。在這樣一個過程中,學(xué)生先從物理學(xué)的視角對該現(xiàn)象有了基本認(rèn)識,那么接下來對于楞次定律的本質(zhì)屬性的探究也會變得容易很多。

        4 教學(xué)效果

        4.1 實驗效果對比明顯

        該雙管實驗作為一個對比實驗,能夠最大程度地體現(xiàn)差異性。在器材的處理上,選用銅管的原因是其相當(dāng)于密螺線管,而且內(nèi)阻較小,“阻礙”效果明顯。我們將銅管套在塑料管外,使得兩個管內(nèi)的環(huán)境是相同的,排除干擾。最值得一提的就是我們將銅管截成銅環(huán),通過銅環(huán)與銅環(huán)之間的間隔學(xué)生可以觀察到磁鐵在銅管中下落的大致情況。

        4.2 活躍學(xué)生思維,培養(yǎng)創(chuàng)新能力

        該實驗裝置的特點在于生動有趣,富有懸念,我們可以充分利用這一點,激發(fā)學(xué)生強烈的好奇心。課堂開始的懸念問題從學(xué)生已有的知識基礎(chǔ)和生活經(jīng)驗入手,讓學(xué)生充分討論,大膽猜想,啟發(fā)式、討論式等教學(xué)方法的運用,能夠控制學(xué)生的好奇心,激發(fā)求知欲,啟發(fā)學(xué)生思考問題。創(chuàng)新正植根于這樣生動活潑的思維活動中。

        4.3 培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)素養(yǎng)

        該裝置可以充分利用物理實驗的演示特點,培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致入微的觀察能力。該裝置中銅環(huán)與銅環(huán)之間的間隔不大,學(xué)生的觀察就需要十分仔細(xì)。而且得到的電流波形圖是有差異存在的,正向電流與反向電流的峰值是不同的,雖不是本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容,但可以以此來培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力。觀察是非常重要的科學(xué)品質(zhì),在教學(xué)過程中我們既要教會學(xué)生細(xì)致地觀察實驗儀器,更要要求他們細(xì)致入微地觀察操作的過程、實驗的現(xiàn)象、實驗的結(jié)果,本實驗裝置都可以實現(xiàn)。學(xué)生的觀察和分析能力得到提升,嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)素養(yǎng)也就逐步形成。

        4.4 培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和實踐能力

        通過巧妙設(shè)計實驗方法,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。本節(jié)課的教學(xué)中,該實驗裝置我們設(shè)置其出現(xiàn)兩次,問題情境的設(shè)置以及解決情境問題的設(shè)置可以啟發(fā)學(xué)生慢慢學(xué)會自己發(fā)現(xiàn)問題,自己動手解決問題。物理學(xué)家海森堡說過:“提出正確的問題,往往等于解決了問題的大半”。在不斷提出問題、嘗試解決問題的過程中,學(xué)生的探究精神和實踐能力也就孕育而生。

        4.5 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

        通過科學(xué)推理、科學(xué)論證,用螺線管等效代替銅環(huán)探究感應(yīng)電流方向問題,培養(yǎng)了學(xué)生分析問題的能力。每一個銅環(huán)都相當(dāng)于螺線管,而螺線管中感應(yīng)電流可以通過傳感器展示出來,學(xué)生也就很容易分析出銅管中磁鐵下落變慢這一現(xiàn)象的原因了,從而對于“阻礙”的本質(zhì)也就很容易理解了。經(jīng)歷這樣的一個推理論證過程,學(xué)生的科學(xué)思維得到了很好的發(fā)展。

        5 總 結(jié)

        本文對傳統(tǒng)的雙管實驗裝置進行改進,并且在教學(xué)過程中通過前后呼應(yīng)的方式演示,從表面現(xiàn)象深入實驗原理,對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力有著非常重要的意義。本實驗方法在第六屆“東芝杯”全國理科生教學(xué)技能創(chuàng)新大賽中得到了評委專家的一致好評,榮獲“一等獎”。

        參考文獻(xiàn):

        [1]孫阿明,沈云,吳琪娉.落磁法演示楞次定律實驗中磁環(huán)運動規(guī)律的探究[J].大學(xué)物理實驗,2014,27(2):49-51.

        [2]莊明偉,余志文,梁爽,等.雙管對比式楞次定律演示裝置[J].物理實驗,2010,30(6):23-24.

        [3]阮長久,蘇靜.自制楞次定律演示儀[J].物理實驗,2011,31(8):26-27.

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