(江蘇省天一中學,江蘇 無錫 214101)

1 引言

楞次定律用于判斷感應(yīng)電流的方向,是教學的重點之一。在探究楞次定律的過程中,需要明確磁鐵的磁場方向,判斷磁通量如何變化,搞清線圈的繞向,然后根據(jù)電流表指針偏轉(zhuǎn)特點得出線圈中電流方向,引導學生探究得出感應(yīng)電流產(chǎn)生了磁場,最后判斷出感應(yīng)電流的磁場方向。面對如此多樣的因素以及它們之間的復雜關(guān)系,學生總結(jié)、理解、應(yīng)用楞次定律有較大的難度。課本上的實驗既是本節(jié)課的引入實驗,也是本節(jié)課的探究實驗,實驗有三個難點:一是引入中介難,學生不容易想到感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場;二是探究過程難，要關(guān)注的因素多、關(guān)系復雜;三是對“阻礙”的理解難。因此筆者利用創(chuàng)新實驗突破這三個難點。

2 引入實驗的創(chuàng)新設(shè)計

2.1 引入實驗的思考

課本上的引入實驗是復習第2節(jié)“探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”,然后提出本節(jié)課研究的課題：在不同情況下感應(yīng)電流有不同的方向,感應(yīng)電流的方向受哪些因素的影響？有什么樣的規(guī)律？這樣的引入沒有新意，不能為接下來的探究實驗做好鋪墊。

圖1

2.2 引入實驗的創(chuàng)新設(shè)計

2.2.1 實驗?zāi)康?/p>

引出感應(yīng)電流磁場這個概念,強化對原磁場、感應(yīng)電流磁場方向的認識。

自制實驗裝置:如圖1所示，用漆包線繞成匝數(shù)為850匝的線圈,兩個反向并聯(lián)的紅色、藍色發(fā)光二極管接在線圈兩端,有一個按鈕可以控制兩個二極管是否同時短路,線圈固定在小車上。

2.2.2 實驗步驟

(1) 將磁鐵快速插入線圈和從線圈抽出,你能觀察到哪些現(xiàn)象,又能得出什么結(jié)論？

現(xiàn)象1:二極管發(fā)光,說明存在感應(yīng)電流。

現(xiàn)象2:兩個二極管先后發(fā)光,則說明感應(yīng)電流的方向是相反的，由此引入探究的具體課題:怎樣判定感應(yīng)電流的方向？

現(xiàn)象3:小車運動(不太明顯),說明線圈與磁鐵之間有相互作用。

(2) 為了讓小車運動得更明顯,按下按鈕使兩個二極管短路,將強磁鐵快速插入和抽出線圈。由于二極管被短路,線圈中的電流增大，小車運動明顯，觀察現(xiàn)象后,提出如下問題。

問題1:小車由靜止到運動,受到了什么力?

問題2:根據(jù)你觀察到的現(xiàn)象：磁鐵與線圈之間排斥或者吸引,你能標出線圈兩端的N極、S極以及線圈中感應(yīng)電流的方向嗎?

問題3:感應(yīng)電流的磁場與原磁場的方向關(guān)系如何?

2.2.3 實驗評析

(1) 采用發(fā)光二極管發(fā)光的形式把隱性的感應(yīng)電流更加直觀、清晰地展現(xiàn)出來。

(2) 利用二極管單向?qū)щ娦燥@示感應(yīng)電流方向的不同。

(3) 學生對感應(yīng)電流的磁場有了清晰的認識,為主動、深入探究楞次定律做好了鋪墊。

3 探究實驗的創(chuàng)新設(shè)計

3.1 探究實驗的思考

課本上的探究實驗如圖2所示,判斷線圈中感應(yīng)電流方向的步驟是:(1) 明確線圈的繞向,做好標識線;(2) 借助一節(jié)干電池用試觸法確定電流表指針偏轉(zhuǎn)特點,綜合以上判斷得出線圈中電流方向。這個過程比較繁瑣、容易出錯,電流方向的得出比較困難。而且由于電流在線圈中是螺旋上升或者下降,用逆時針和順時針描述線圈中電流的方向也較難想到,不夠直觀、形象。實驗過程中靈敏電流計指針擺動較快,不方便觀察記錄,要關(guān)注的因素太多,學生探究的興趣不大。

圖2

3.2 探究實驗的創(chuàng)新設(shè)計

3.2.1 實驗裝置

利用數(shù)字化信息系統(tǒng)DIS進行探究實驗,把多匝線圈改成單匝線圈、靈敏電流計換成微電流傳感器。如果電流從紅色夾子流入、黑色夾子流出，電流為正值；如果相反,電流為負值。將微電流傳感器與單匝線圈相接,再通過數(shù)據(jù)采集器連在計算機上,通過計算機屏幕將電流的波形圖顯示出來(如圖3)。

圖3

3.2.2 實驗評價

(1) 若要用多匝線圈,明確線圈的繞向,做好標識線,對學生來講也是一件比較困難的事,若是用單匝線圈，可將這一問題簡單化。

(2) 多匝線圈改成單匝線圈,大大減少了判斷電流方向的困難,并且使它變得簡單、形象、具體,用逆時針和順時針描述電流的方向也很直觀、形象。

(3) 靈敏電流計指針擺動較快,不方便觀察記錄,而利用波形圖,可方便進行觀察、記錄、對比。

(4) 運用數(shù)字化實驗系統(tǒng)不僅能夠吸引學生的興趣,而且大大簡化了實驗操作過程,為接下來結(jié)論的總結(jié)、理解楞次定律節(jié)省了時間。

4 理解“阻礙”的實驗創(chuàng)新設(shè)計

4.1 對楞次定律本質(zhì)的思考

楞次定律中“阻礙”的本質(zhì)就是為了遵守能量守恒定律，我們可以借助實驗來幫助學生對楞次定律中能量的轉(zhuǎn)化有深刻的認識。

4.2 “落磁”實驗一

4.2.1 實驗裝置

制作了7個匝數(shù)均為850匝的線圈,并與紅、藍發(fā)光二極管連接,線圈間隔均勻分布在塑料管上(如圖4)。磁鐵在線圈中下落,觀察現(xiàn)象,可以得出什么結(jié)論？

圖4

圖5

4.2.2 實驗現(xiàn)象與評價

當強磁鐵在管中下落經(jīng)過線圈的時候,紅、藍發(fā)光二極管會間隔閃爍,即表明有感應(yīng)電流產(chǎn)生,且磁鐵進出線圈時的電流方向相反。有電流就有電能的產(chǎn)生,我們已經(jīng)知道能量不會憑空產(chǎn)生,所以只能從能量轉(zhuǎn)化的角度來考慮,并且功是能量轉(zhuǎn)化的量度,通過這樣的情境可以使學生對電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能量的轉(zhuǎn)化有較深刻的理解。

4.3 “落磁”實驗二

4.3.1 實驗裝置

一根塑料管和一根銅管長度均為1m、粗細相同,兩個相同的小磁鐵同時在管口處釋放,看一看誰下落得快(如圖5)。

4.3.2 實驗現(xiàn)象與評價

磁鐵從塑料管上端放入管中，由靜止釋放,會看到磁鐵很快從管道下端出來,做自由落體運動;同樣把磁鐵放入銅管中,

要過很久才從管道出來。設(shè)置問題:是什么阻礙了小磁鐵的下落呢？從而進一步理解“阻礙”的涵義。

5 反思

(1) 自制教具的使用大大豐富了學生的感性認識,讓物理現(xiàn)象更加直觀、形象、生動地展示在學生面前,能夠激發(fā)學生的探究熱情,也能讓學生更好地理解楞次定律。本節(jié)課所用的一些實驗器件需要用3D打印機進行打印,體現(xiàn)了新技術(shù)在物理教學中的應(yīng)用。

(2) 本節(jié)課體現(xiàn)了DIS在物理課堂教學中的優(yōu)勢，單匝線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流是很小的,借助微電流傳感器測量,可在電腦上顯示出波形圖。利用微電流傳感器大大地減少了實驗的干擾因素和難度,使感應(yīng)電流的波形圖直觀地呈現(xiàn)給學生,方便學生對比分析,提高了課堂教學質(zhì)量。