劉璐婷 李豐果

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006；華南師范大學(xué)物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 廣東 廣州 510006)

“楞次定律”是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)[1].但由于其很抽象，學(xué)生難以真正理解其本質(zhì)，因此眾多學(xué)者從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和教學(xué)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了探討[2～4].在實(shí)驗(yàn)改進(jìn)上有學(xué)者直接在線圈上接入兩個(gè)發(fā)光二極管顯示電流方向[2]，也有學(xué)者用發(fā)光的箭頭模擬了感應(yīng)電流方向和感應(yīng)磁場(chǎng)方向[3]；在教學(xué)改進(jìn)上一些學(xué)者先以來(lái)拒去留的力學(xué)現(xiàn)象歸納出感應(yīng)磁場(chǎng)的方向規(guī)律，得出楞次定律，再定量驗(yàn)證[4].筆者有幸參加了第六屆“華夏杯”全國(guó)物理教學(xué)創(chuàng)新大賽，參賽選題為“楞次定律”.改進(jìn)了“楞次定律”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，基于所改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)完成了教學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和教學(xué)比賽分別獲得研究生組實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新獎(jiǎng)和一等獎(jiǎng)，并被推薦為優(yōu)秀教學(xué)進(jìn)行展示.本文將對(duì)參賽實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性和教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的闡述，以期對(duì)“楞次定律”的教學(xué)有一定的參考和指導(dǎo).

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

關(guān)于楞次定律的實(shí)驗(yàn)，多年來(lái)一直使用靈敏電流計(jì)或檢流計(jì)來(lái)顯示感應(yīng)電流的方向，但由于電表結(jié)構(gòu)的封閉性，感應(yīng)電流方向顯示得不直觀[2]，此外指針偏轉(zhuǎn)過(guò)程中因慣性存在指針?lè)雌F(xiàn)象[1]，從而導(dǎo)致學(xué)生在判斷感應(yīng)電流方向時(shí)存在問(wèn)題.近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的迅速發(fā)展，在DISLab實(shí)驗(yàn)室中用電流傳感器連接計(jì)算機(jī)也可以顯示電流方向[5]，但該方法的原理較為復(fù)雜，電流方向以數(shù)據(jù)、圖像的形式顯示在電腦上較為抽象，且一些學(xué)校并不具有這些設(shè)備.此外，部分學(xué)者利用二極管的單向?qū)щ娦灾挥靡粋€(gè)紅色和一個(gè)綠色的發(fā)光二極管就可以顯示電流的方向[2,6]，制作起來(lái)簡(jiǎn)單，但由于二極管體積很小，演示現(xiàn)象不明顯.對(duì)于這一問(wèn)題有學(xué)者進(jìn)行了改進(jìn)，使用多個(gè)發(fā)光二極管并聯(lián)成箭頭的形狀來(lái)顯示電流的方向，這一改進(jìn)使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，但由于線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流較小不易使多個(gè)二極管發(fā)光，需要引入電流放大器或其他器材來(lái)放大感應(yīng)電流[1,3,7]，可這樣會(huì)使演示裝置“化簡(jiǎn)為繁”.

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者自制了如圖1所示的“楞次定律”演示儀來(lái)探究感應(yīng)電流的方向規(guī)律.此裝置中，用33個(gè)紅色、33個(gè)綠色的發(fā)光二極管各自并聯(lián)成箭頭的形狀，將兩個(gè)箭頭反向并聯(lián)起來(lái)，以保證每個(gè)箭頭的指向就是這種二極管正接時(shí)的流向，電流有兩種可能的流向，所以這兩個(gè)箭頭就可以清楚、直觀地顯示電流的方向.裝置中沒(méi)有使用電流放大器，為了獲得更大的電流使發(fā)光二極管發(fā)光，采用兩種措施：一是在有機(jī)玻璃管上繞更多匝漆包線(線徑為0.17 mm，約3 000匝)，線圈的繞向在演示儀左側(cè)標(biāo)出.二是用3個(gè)20 mm×10 mm的圓柱形銣磁鐵組成強(qiáng)磁鐵.為了便于操作，將強(qiáng)磁鐵吸在一個(gè)普通的條形磁鐵上進(jìn)行在線圈中的插拔運(yùn)動(dòng)，這樣產(chǎn)生的感應(yīng)電流就足以使二極管裝置發(fā)光.此外為了證明演示裝置的可行性，右側(cè)固定了兩個(gè)1.5 V的干電池，實(shí)驗(yàn)前可以先將干電池接在二極管裝置兩端進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，消除學(xué)生的疑慮.

圖1 自制“楞次定律”演示儀實(shí)物圖

由于該演示儀取材簡(jiǎn)單，僅靠磁鐵與線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流就能使多個(gè)發(fā)光二極管發(fā)光，因此更加直觀.下面介紹基于演示儀的“楞次定律”教學(xué)設(shè)計(jì).

2 基于實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 趣味實(shí)驗(yàn) 埋下伏筆

用自制“空心鋁管小車”實(shí)驗(yàn)表演小魔術(shù)[8].

師：一般情況下怎樣可以讓小車運(yùn)動(dòng)起來(lái)呢？

生：用力推或用力拉小車.

師：你們?nèi)绻炔挥昧ν?，也不用力拉，甚至不與小車接觸，可以讓小車運(yùn)動(dòng)起來(lái)嗎？

學(xué)生思考后表示不能，教師演示用“魔法棒”(被紙包著的磁鐵)插入或拔出空心鋁管，就讓小車運(yùn)動(dòng)了起來(lái)，如圖2所示.

圖2 “空心鋁管小車”實(shí)驗(yàn)圖

師：“魔法棒”為什么可以讓小車運(yùn)動(dòng)起來(lái)？背后蘊(yùn)含著什么物理奧秘呢？

設(shè)計(jì)意圖:“楞次定律”的一個(gè)難點(diǎn)是理解“阻礙”的作用，把鋁管固定在小車上，可以將磁體與導(dǎo)體間的“阻礙”效果顯示得更加明顯；磁鐵用紙包起來(lái)，給學(xué)生制造一個(gè)懸念.這個(gè)小實(shí)驗(yàn)取材簡(jiǎn)單，體現(xiàn)了“從生活走向物理”的新課程理念，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，把注意力轉(zhuǎn)向課堂.

2.2 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新 啟發(fā)思維

在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前，學(xué)生已經(jīng)知道了感應(yīng)電流的方向與磁通量的變化和原磁場(chǎng)的方向這兩個(gè)因素有關(guān)，本節(jié)課主要探究在這兩個(gè)因素的影響下，感應(yīng)電流的方向會(huì)遵循什么規(guī)律.首先引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)：

師：要想知道電流的方向如何，一般用什么器材檢測(cè)？

生：電流表或檢流計(jì).

師：還有其他方法嗎？發(fā)光二極管可以嗎？為什么？

生：可以，因?yàn)槎O管具有單向?qū)щ娦?

師：電流有幾種可能的流向？

生：兩種.

師：那用兩種不同顏色的發(fā)光二極管，讓一種二極管檢測(cè)一個(gè)電流的方向，是不是就能解決問(wèn)題？

向?qū)W生介紹如圖1所示的裝置上就將紅色、綠色兩種發(fā)光二極管各自拼接成一個(gè)箭頭的形狀，然后將兩個(gè)箭頭反向并聯(lián)起來(lái)，保證每個(gè)箭頭的指向是這種二極管正接時(shí)的流向.

為了向?qū)W生證明“發(fā)光二極管”裝置的可行性，先用一個(gè)干電池接在“發(fā)光二極管”裝置的兩端進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，如圖3所示.

圖3 “發(fā)光二極管”裝置與干電池連接圖

師：當(dāng)二極管裝置上端接正極，下端接負(fù)極時(shí)，哪個(gè)燈亮了？

生：紅色的燈亮了.

師：回路中的電流方向確實(shí)如紅色的箭頭所示吧？

學(xué)生表示贊同.

師：當(dāng)二極管裝置下端接正極，上端接負(fù)極時(shí)，哪個(gè)燈亮了？

生：綠色的燈亮了.

師：這次回路中的電流方向又確實(shí)如綠色的箭頭所示吧？看來(lái)這個(gè)“發(fā)光二極管”裝置確實(shí)可以用來(lái)檢測(cè)電流的方向.

學(xué)生表示贊同.

評(píng)估方法：線路聯(lián)絡(luò)率（%）=不具備有效聯(lián)絡(luò)的線路條數(shù)/線路總條數(shù)，對(duì)聯(lián)絡(luò)率過(guò)低的情況進(jìn)行原因分析，并與上一年10（20）千伏線路聯(lián)絡(luò)率實(shí)績(jī)值進(jìn)行比對(duì)，對(duì)聯(lián)絡(luò)率降低的情況進(jìn)行原因分析，提出解決建議和規(guī)劃方案。

設(shè)計(jì)意圖:“發(fā)光二極管”裝置通過(guò)箭頭的亮燈情況，就可以將電流方向直觀地顯示出來(lái)，學(xué)生一目了然，此外該裝置趣味性強(qiáng)，現(xiàn)象明顯，使學(xué)生的注意力高度集中.用干電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明了裝置的可行性，消除了學(xué)生的疑慮，為接下來(lái)探究“感應(yīng)電流方向規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ).

通過(guò)之前的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道磁鐵插入或拔出閉合線圈，可以產(chǎn)生感應(yīng)電流，下面就用自制“楞次定律”演示儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn),探究感應(yīng)電流的方向規(guī)律，實(shí)驗(yàn)原理如圖4所示.磁鐵在線圈中的運(yùn)動(dòng)包括N極朝下插入、N極朝下拔出、S極朝下插入和S極朝下拔出這4種情況，分別進(jìn)行4種情況下的演示實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖5和圖6所示，同時(shí)記錄表1中各個(gè)物理量的情況.為方便記錄線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向，啟發(fā)學(xué)生統(tǒng)一從俯視觀察線圈，再根據(jù)繞向確定線圈上的感應(yīng)電流方向.

圖4 “楞次定律”演示儀原理圖

圖5 磁鐵N極朝下插入線圈

圖6 磁鐵N極朝下拔出線圈

表1 探究感應(yīng)電流方向規(guī)律實(shí)驗(yàn)記錄表

設(shè)計(jì)意圖：自制“楞次定律”演示儀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、直觀，方便學(xué)生觀察，具有啟發(fā)性.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表格時(shí)剛開(kāi)始需要記錄的物理量不宜太多太復(fù)雜，只需要有“原磁場(chǎng)的方向”“磁通量的變化”和“感應(yīng)電流的方向”這3個(gè)物理量，這樣會(huì)比較符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程使學(xué)生獲得了必要的感性知識(shí)和數(shù)據(jù)，為最后得出“感應(yīng)電流方向規(guī)律”奠定基礎(chǔ).

2.3 層層引導(dǎo) 發(fā)現(xiàn)規(guī)律

得到了4種情況下感應(yīng)電流的方向后，先讓學(xué)生觀察從表1中能否發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流方向所遵循的規(guī)律.

師：從實(shí)驗(yàn)得出的表格(表1)中能看出感應(yīng)電流方向所遵循的規(guī)律嗎？

學(xué)生思考后表示不能，這時(shí)教師再慢慢引出“感應(yīng)磁場(chǎng)的方向”這個(gè)中介.

師：根據(jù)電流的磁效應(yīng)，只要是電流，就會(huì)在它周圍產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng).那感應(yīng)電流周圍是不是同樣也存在著感應(yīng)磁場(chǎng)？

學(xué)生思考后表示同意.

師：那就順便來(lái)看看感應(yīng)磁場(chǎng)的方向，同是磁場(chǎng)，還可以與原磁場(chǎng)的方向進(jìn)行比較，說(shuō)不定能發(fā)現(xiàn)點(diǎn)什么.有了感應(yīng)電流的方向，如何判斷感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向呢？

學(xué)生運(yùn)用“右手螺旋定則”判斷出4種情況下感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向，如表2所示.

表2 探究感應(yīng)電流方向規(guī)律實(shí)驗(yàn)記錄表

這時(shí)先讓學(xué)生觀察感應(yīng)磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)的方向關(guān)系，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)磁場(chǎng)的方向一會(huì)兒相同，一會(huì)兒相反，然后教師繼續(xù)引導(dǎo).

師：感應(yīng)磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)的方向什么時(shí)候相同？什么時(shí)候相反呢？

學(xué)生仔細(xì)觀察表格后得出：磁通量增加時(shí)，兩個(gè)磁場(chǎng)的方向相反；磁通量減少時(shí)，兩個(gè)磁場(chǎng)的方向相同.

師：磁通量在增加時(shí)，感應(yīng)磁場(chǎng)總與原磁場(chǎng)方向相反，這樣是有利于磁通量的增加？還是阻礙了磁通量的增加呢？

生：阻礙了磁通量的增加.

師：那磁通量減少時(shí)，感應(yīng)磁場(chǎng)總與原磁場(chǎng)方向相同，這樣是有利于磁通量的減少？還是阻礙了磁通量的減少呢？

生：阻礙了磁通量的減少.

師：既阻礙增加，又阻礙減少，是不是說(shuō)明感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)總要阻礙磁通量的變化呀？

學(xué)生表示贊同，這就得出了楞次定律的“雛形”.

為了將物理學(xué)史引入課堂，提供給學(xué)生物理規(guī)律的歷史背景，向?qū)W生介紹早在1833年，俄國(guó)科學(xué)家楞次做了大量實(shí)驗(yàn)后就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)規(guī)律，這就是楞次定律：感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化[9].

設(shè)計(jì)意圖：在探究感應(yīng)電流方向規(guī)律無(wú)果時(shí)再引入“感應(yīng)磁場(chǎng)的方向”這個(gè)物理量，能讓學(xué)生感受到是“迫不得已”時(shí)才引入的，不是一上來(lái)就引入的.對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得出“楞次定律”是本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)，這個(gè)規(guī)律的得出如果單純靠學(xué)生的觀察和猜測(cè)容易“走偏”，抓不住重點(diǎn)，所以教師在這里的引導(dǎo)就顯得尤為重要，通過(guò)巧妙的引導(dǎo)，學(xué)生就能抓住問(wèn)題的關(guān)鍵，清楚這個(gè)規(guī)律的來(lái)龍去脈.

2.4 轉(zhuǎn)換視角 拓展規(guī)律

為了拓寬學(xué)生的知識(shí)面，提高學(xué)生從不同角度分析問(wèn)題的能力，對(duì)“楞次定律”繼續(xù)探討，這次主要從“磁體與導(dǎo)體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)”這個(gè)角度來(lái)分析.

師：磁通量增加時(shí)，感應(yīng)磁場(chǎng)總與原磁場(chǎng)方向相反，以磁鐵N極朝下的插入為例，兩個(gè)磁場(chǎng)的方向相反，會(huì)導(dǎo)致正對(duì)著的兩個(gè)磁極極性怎么樣(如圖7所示)？

圖7 磁鐵N極朝下插入線圈

生：會(huì)導(dǎo)致這兩個(gè)磁極的極性相同.

師：根據(jù)同名磁極相互排斥，這種排斥的作用是不是會(huì)阻礙磁鐵的插入？

學(xué)生思考后表示贊同.

師：那就說(shuō)明感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)阻礙了磁鐵的插入.

師：磁通量減少時(shí)，感應(yīng)磁場(chǎng)總與原磁場(chǎng)方向相同，以磁鐵N極朝下的拔出為例，兩個(gè)磁場(chǎng)的方向相同，會(huì)導(dǎo)致正對(duì)著的兩個(gè)磁極極性怎么樣(如圖8所示)？

圖8 磁鐵N極朝下拔出線圈

生：會(huì)導(dǎo)致這兩個(gè)磁極的極性相反.

師：根據(jù)異名磁極相互吸引，這種吸引的作用是不是會(huì)阻礙磁鐵的拔出？

學(xué)生思考后表示贊同.

師：那就說(shuō)明感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)阻礙了磁鐵的拔出.既阻礙插入，又阻礙拔出，總的來(lái)說(shuō)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)總要阻礙磁體與導(dǎo)體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)吧？

學(xué)生思考后表示贊同，教師向?qū)W生介紹這也是“楞次定律”的另一種表述形式，并可以把它概括為一句口訣：來(lái)拒去留.

設(shè)計(jì)意圖：分析磁體與導(dǎo)體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以讓學(xué)生從宏觀上感受“阻礙”的作用，為揭秘課前“空心鋁管小車”實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ).從“楞次定律”的第一種表述入手過(guò)渡到第二種表述，由已知推未知，不僅使學(xué)生清楚了兩種表述之間的聯(lián)系與區(qū)別，完善了本節(jié)課的知識(shí)體系，此外對(duì)課本進(jìn)行延伸拓展，加深了學(xué)生對(duì)本節(jié)知識(shí)的理解，開(kāi)闊了學(xué)生的視野.

2.5 巧用規(guī)律 實(shí)驗(yàn)揭秘

為了真正體現(xiàn)學(xué)以致用，啟發(fā)學(xué)生對(duì)課前的“空心鋁管小車”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋.這時(shí)可以將“魔法棒”拆開(kāi)，發(fā)現(xiàn)是一塊磁鐵，空心鋁管是導(dǎo)體，就相當(dāng)于一圈一圈的閉合線圈，通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，磁體與導(dǎo)體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況學(xué)生已經(jīng)很清楚了，便可以分析出小車運(yùn)動(dòng)的原因.

師：當(dāng)磁鐵插入鋁管時(shí)，小車朝哪里運(yùn)動(dòng)？為什么？

生：朝遠(yuǎn)離磁鐵的方向運(yùn)動(dòng)，因?yàn)椴迦霑r(shí)鋁管產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)會(huì)抗拒磁鐵的插入.

師：當(dāng)磁鐵從鋁管中拔出時(shí)，小車朝哪里運(yùn)動(dòng)？為什么？

生：朝靠近磁鐵的方向運(yùn)動(dòng)，因?yàn)榘纬鰰r(shí)鋁管產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)會(huì)挽留磁鐵的拔出.

師：所以通過(guò)磁鐵的插入或拔出鋁管，就可以讓空心鋁管小車運(yùn)動(dòng)起來(lái)了(如圖9所示).

圖9 “空心鋁管小車”實(shí)驗(yàn)原理圖

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生對(duì)課前的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋，不僅做到了首尾呼應(yīng)，而且提高了學(xué)生用所學(xué)知識(shí)解釋物理現(xiàn)象的能力，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理學(xué)的價(jià)值，將理論運(yùn)用到了實(shí)際.此外運(yùn)用物理規(guī)律解釋物理現(xiàn)象，解決實(shí)際問(wèn)題，能幫助學(xué)生建立解決問(wèn)題的思路，獲得解決問(wèn)題的正確方法，促進(jìn)知識(shí)向能力的轉(zhuǎn)化，同時(shí)也使學(xué)生對(duì)本節(jié)內(nèi)容能夠加深理解、鞏固知識(shí)[10].

3 總結(jié)

根據(jù)“楞次定律”教學(xué)難點(diǎn)和當(dāng)前“楞次定律”演示實(shí)驗(yàn)和教學(xué)設(shè)計(jì)的不足，設(shè)計(jì)完成了“楞次定律”的演示實(shí)驗(yàn)裝置，并利用該演示實(shí)驗(yàn)裝置完成了教學(xué)設(shè)計(jì).該實(shí)驗(yàn)裝置具有一定的創(chuàng)新性，教學(xué)實(shí)踐表明：實(shí)驗(yàn)裝置可直觀演示感應(yīng)電流的方向，通過(guò)巧妙設(shè)問(wèn)和層層引導(dǎo)的教學(xué)設(shè)計(jì)，突破了教學(xué)難點(diǎn)，幫助學(xué)生更好地理解感應(yīng)電流的方向規(guī)律.