《探究感應電流的產生條件》案例分析與評述

金晶

摘 要：本文以教材中常規案例為對比，介紹了《探究感應電流的產生條件》的一個現代技術案例，首先從信息技術和傳統實驗相結合以及非常規物理實驗的運用兩個角度進行理論分析，然后指出該案例的不足并提出自己的建議。

關鍵詞：感應電流；產生條件；案例；信息技術；非常規實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）3-0073-5

1 案例介紹

《探究感應電流的產生條件》是“人教版”高中物理選修3-2第四章第二節的內容，在電磁學知識體系中占有很重要的位置。本節內容揭示了磁和電的內在聯系，通過實驗探究的方法歸納出了“磁生電”的規律，在教材中起到了承前啟后的作用[1]。

1.1 常規案例

在教材編排中，本節主要是以初中已經學過的閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動時，產生感應電流（圖1），問還有哪些情況可以產生感應電流，以此引入新課。

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圖1 初中實驗

然后進行兩組實驗，觀察、記錄實驗現象。第一組實驗是（圖2），用導線將電流表并接在線圈兩側，把條形磁鐵的一個磁極向線圈中插入、抽出或停在線圈中，通過觀察電流表指針擺動方向來判斷什么情況下產生了感應電流。第二組實驗（圖3）是模仿法拉第的實驗，將線圈A通過變阻器和開關連接到電源上，線圈B的兩端連接到電流表上，把線圈A裝在線圈B的里面，改變開關和變阻器的狀態，觀察線圈B中是否產生感應電流，歸納實驗結果，問能得出什么結論？

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圖2 第一組實驗

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圖3 第二組實驗

接下來進行分析論證。在上面進行的兩組實驗中，第一組是由于磁鐵的插入和抽出，線圈中磁場變化，這種情況下產生感應電流；第二組實驗是由于移動滑動變阻器滑片或改變開關狀態，使得線圈A中電流迅速變化，通過線圈B的磁感應強度也在迅速變化，在這種情況下線圈B也有了感應電流。再對新課引入的實驗分析，可以把它簡化看作導體棒切割磁感線運動，使閉合導體回路包圍的面積在變化，在這種情況下同樣會產生感應電流。

歸納發現，產生感應電流的條件與磁場的變化有關系，與閉合導體回路包圍的面積也有關系，最后以磁通量來描述產生感應電流的條件，得出結論。

1.2 現代技術案例

該教學設計案例的課題仍然是探究感應電流的產生條件，但是在設計上跟常規案例不同，可以說更加注重活動設計。總的來看，該案例可以分成3個部分。

第一部分包括兩個小實驗，分別是觀察手搖式電筒發光情況（圖4）和轉動微風電扇扇葉（圖5），使二極管發光，同時請學生體驗電路中的電流。

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圖4 手搖式手電筒 圖5 微風電扇

（觀察手搖式手電筒發光情況）

教師：轉動搖桿前，閉合開關，讓學生觀察手電筒有無發光；斷開開關，轉動搖桿十多圈后，再閉合開關，讓學生再次觀察手搖式手電筒的發光情況。（別看這種手電筒很小巧，它在地質災害等緊急情況下可大有用途，可以為災區人民帶來光明和希望。要知道它可是應急包中的必備物品哦！）

學生：觀察轉動搖桿前后手電筒亮度的變化。

（轉動微風電扇扇葉，使二極管發光）

教師：平常的微風電扇除了能在夏天給我們消暑降溫外，還能夠“點亮”二極管。演示將微風電扇插頭的兩個金屬片與發光二極管的兩個引腳相接觸。閉合開關，轉動微風電扇的扇葉時，二極管發光。

教師：再請一位同學感受一下電路中的電流。讓學生用手捏住微風電扇插頭的兩個金屬片，提醒學生如果感到不適的話可以松開手中的插頭。接著教師閉合開關、轉動扇葉，學生會感到手部通過一陣微弱的電流。一個學生體驗成功后，可以再讓一兩個學生體驗一下。

在上面的兩個實驗做完之后，特別是在學生體驗到轉動的扇葉中會產生微弱的電流之后，教師聯系在初中已經學習過的知識（圖6）：閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動時，導體會產生感應電流。我們要探究感應電流產生的條件，可如果我們沒有導體棒和馬蹄形磁鐵，又怎么完成這個實驗呢？由此展開本案例的第二部分“搖繩發電”。

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圖6 探究感應電流的產生條件

我們可以利用無處不在的地磁場，用導線代替導體棒來切割地磁場發電。但是地磁場比較微弱，產生的感應電流可能比較小。為了捕捉這種微小的電流，我們需要使用微電流傳感器（圖7），它會將微弱的電流信號通過數據采集器傳送到計算機中，最終顯示在屏幕上。

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圖7 微電流傳感器

教師：向學生介紹能夠檢測微弱電流的DIS Lab微電流傳感器和DIS數字軟件分析系統。使學生認識到“搖繩發電”的可能性。

邀請學生參與“搖繩發電”的實驗。（圖8）

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圖8 搖繩發電

教師：將微電流傳感器接入數據采集器，并與長導線相連。數據采集器通過數據線接入計算機，選擇DIS軟件中的通用軟件，并將顯示方式選為“示波”，點擊開始。如果回路中有微弱電流產生，數據采集器就會將微弱的電流信號傳送到計算機中，經DIS軟件處理后，電流隨時間變化的圖像就會呈現在計算機屏幕上。

請兩位同學站上講臺，分別手持導線的一端，像跳長繩時甩繩的同學那樣搖動導線，其他同學請仔細觀察屏幕，結果發現屏幕上呈現出了隨時間周期性變化的電流。（圖9）

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圖9 “搖繩發電”實驗

教師：為什么搖動導線在回路中會產生電流呢？

學生：可能是速度變化……

可能是位置變化……

可能是面積變化……

“搖繩發電”這個實驗來源于“人教版”高中物理教材（選修3-2）《探究感應電流的產生條件》這一節內容中的“做一做——搖繩能發電嗎？”在教材中，是用一條大約10米長電線的兩端連在一個靈敏電流表的兩個接線柱上，形成閉合導體回路，兩個同學迅速搖動這條電線，問：可以發電嗎？兩個同學沿哪個方向站立時，發電的可能性比較大？

利用DIS系統和微電流傳感器來探究切割地磁場產生的感應電流比傳統的搖繩發電，在實驗設計上更加精進。

第三部分，教師讓學生利用本節課所學知識對手搖式手電筒的發光原理和微風電扇使二極管發光的原理進行分析。案例最后給出了手搖式手電筒的內部結構（圖10）和微風電扇的內部結構（圖11），并提供簡單的原理分析。

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圖10 手搖式手電筒的內部結構

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圖11 微風電扇的內部結構

手搖式手電筒的內部結構：用手搖動搖桿時，搖桿下端的永磁鐵相對線圈運動（磁鐵為轉子，線圈為定子），線圈的磁通量發生變化，產生感應電流，給蓄電池充電。閉合開關時，小燈泡接入蓄電池放電電路，小燈泡發光。

微風電扇內部結構：閉合開關，轉動微風電扇的扇葉時，磁體跟隨扇葉一起相對線圈轉動（磁體為轉子，線圈為定子），線圈中的磁通量發生變化，導線中有感應電流產生，二極管發光。

2 理論分析

該現代技術案例與教材中的常規案例相比較，最明顯的特點就是運用了DIS系統和傳感器技術，測量和顯示上都更加簡單和直觀。另一方面就是非常規實驗的運用。在常規案例中，使用的實驗器材是靈敏電流表、線圈、條形磁鐵、滑動變阻器，等等；而在現代技術案例中，使用的則是像微風電扇、手搖式手電筒這樣來源于生活的非常規實驗器材。

下面將從這兩個方面對現代技術案例進行理論分析。

2.1 信息技術與傳統實驗相結合

本案例中的第二部分，利用DIS系統和微電流傳感器來探究“搖繩發電”的實驗，就是利用信息技術來精進傳統實驗的效果。

傳統實驗中，是以10 m長的電線與靈敏電流表連接。如果以25 m長的導線，搖動時兩人相距10 m，被搖動的繩長為15 m，進行室外實測，沿東西方向時，300 μA靈敏電流表左右擺動最大2至2.5格，且與搖繩速度有關[2]。使用這種方法來顯示閉合電路中產生的感應電流，靈敏電流表的指針偏轉太小，實驗效果并不明顯。如果減小繩子長度，使學生相距7至8 m沿東西站立，轉動過程中最大半徑為1 m，在不考慮導線阻值的情況下經過實際計算得到感應電流為2 μA左右，這么小的電流很難用靈敏電流表檢測到[3]。如果將“一匝”變“多匝”，將這種微弱電流進行放大，例如：將120 m左右的導線繞成9匝，每匝長約13 m進行實驗，這樣能夠增大實驗效果，但是耗材較多，而且在教室有限的空間里晃蕩，實施起來有一定的難度[4]。

這種情況下，在物理實驗教學中引入DIS系統和傳感器，就是非常有必要的。既能夠滿足開發新實驗的需要，也能夠滿足改造老實驗的需要[5]。DIS系統下的微電流傳感器，可以測定1 μA以內的電流，使用3 m長的單匝電線便可進行實驗，大大減小了對實驗場地面積的要求，使得在教室內進行此實驗成為可能。最重要的是，它能捕捉顯示搖繩發電產生的微弱電流，用信息技術的手段將其放大，學生可觀測到的效果明顯。而且靈敏電流表只能顯示產生的感應電流的大小和方向，如果搖繩速度改變，從靈敏電流表上并不能體現這種實時測量記錄，而在DIS系統上顯示的感應電流動態變化圖像也有利于學生進一步記錄和分析。

使用信息技術能夠為物理實驗測量帶來翻天覆地的變化，顯示上變得更加直觀，而且往往更加簡單方便，同時也容易激起學生的學習興趣。當然，DIS實驗系統也有一些不足的地方。在該案例中，學生雖然知道了利用DIS獲取實驗數據，但對于DIS在“實驗數據是如何得到的”這個問題上存在比較大的困惑，實驗要充分體驗過程，才可以準確理解結果的物理意義。但是，讓學生去理解DIS 的內部結構，顯然是非常困難的，這樣就很容造成學生的“知其然而不知其所以然”；而且，利用現代信息技術進行測量雖然可以準確描述物理量之間的定量關系，但是中間過程的省略會造成學生動手能力的缺乏[6]。但是無論如何，使用DIS系統進行物理實驗教學都是一次教學手段上的革新，物理教師應該有針對性地使用，實現信息技術與物理教學的有效整合。

2.2 非常規物理實驗的運用

非常規物理實驗是相對于使用專門實驗器材的常規物理實驗而提出的概念，它是指利用學生熟悉的生活中易得的物品、材料、器具、人體或人體局部以及兒童玩具等開發進行的一類體現自創性、體驗性、趣味性、簡易性、生活化的物理實驗教學活動[6]。從實驗方式上來看，非常規物理實驗常常采用比較靈活與簡便的方式與形式[7]。

在該案例中，教師使用的兩個實驗：觀察手搖式手電筒的亮度變化情況和微風電扇扇葉轉動能使二極管發光，都是非常規物理實驗的運用。這些實驗器具都是來自于生活中，與廠制的專門化器材相比，雖然顯得有點粗糙，但是在實際的物理教學中往往有其獨特的教育價值。

2.2.1 非常規物理實驗的體驗性特點

非常規物理實驗的實驗器材一般都是取自于生活，比較容易得到，更加有利于學生去親身體驗和操作，而不用擔心弄壞實驗儀器而搞得小心翼翼。在案例的第一部分中，教師閉合開關，轉動微風電扇扇葉，二極管發光，請同學感受一下電路中產生的電流，學生會感受到手部通過一陣微弱的電流，教師提醒學生如果感到不適可以松開手。學生看到微風電扇扇葉切割磁感線產生的感應電流可以使二極管發光，同時還親身體驗到了其中感應電流的存在，這種體驗過程可以使學生更加容易理解感應電流，而不是虛幻的想象感應電流的存在。研究表明，對感受到的信息加工水平越深，保持越好。非常規物理實驗的體驗性特點無疑是促進知識保持的有效手段之一。

2.2.2 非常規物理實驗的趣味性特點

非常規物理實驗所使用的實驗器材的本來用途都并非為實驗而設，把這些東西運用到課堂中來，人為地賦予它新的用途，學生首先會感到新奇，引起學生的求知欲望。而且利用非常規實驗器材做實驗，相比常規實驗，學習過程也不再枯燥乏味。探究感應電流的產生條件這節內容在“人教版”教材中使用的主要是線圈、靈敏電流表、滑動變阻器等正規器材，與該案例中使用的手搖式手電筒和微風電扇相比，就顯得不那么生動有趣。但是，非正規物理實驗的定性程度高，測量誤差比較大，雖然用在課堂的引入和結尾部分都會起到良好的教學效果，但是它并不能完全取代常規物理實驗精準度高的特點。

3 案例不足

現代技術案例《探究感應電流的產生條件》更加注重探究和活動設計，內容設計上相比傳統案例也更加新穎，如果以此案例進行教學，無疑能夠調動學生的學習興趣和積極性，但與此同時也有一個很大的缺點，就是知識的鋪陳很不到位。

從案例的第二部分“搖繩發電”的實驗來看，數據采集器將微弱的電流信號傳送到計算機上，經DIS軟件處理后，電流隨時間變化的圖像就會呈現在計算機屏幕上。教師提問，為什么搖動導線能在回路中產生電流呢？學生猜想可能是由于速度、位置或面積變化等原因導致的。這個實驗其實可以抽象成教材常規案例里作為新課引入的實驗：閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動時，產生感應電流。搖繩速度的變化影響的是產生感應電流的大小，在教室有限的空間內改變位置也并不能改變此處的地磁場大小，而根本決定是否產生感應電流的因素是搖繩引起的面積變化，即在磁場中的閉合導體回路的面積變化與產生感應電流的條件有關系。通過控制變量，觀察屏幕上電流隨時間變化的圖像，可以定性地得出結論。但是，如果要探究通過線圈的磁場變化是否能夠產生感應電流，這個“搖繩發電”的實驗就很難做到了。

另外，在案例給出的手搖式手電筒和微風電扇內部結構中可以看出，兩者都是磁體相對線圈運動，如果可以讓學生直觀地看到或理解通過線圈的磁場變化了而產生感應電流，那么就可以解決上面的問題，但是顯然很難實現。而且案例最后讓學生能夠運用本節所學知識來解釋手搖式手電筒和微風電扇的原理，本身就是不太合理的。因為，按照這樣的設計，學生基本不太可能得出磁通量的變化是感應電流的產生條件的結論。

為了完善這個案例，同時又能保證其現代技術性和學生體驗性，可以利用DIS系統將教材中的常規案例進行改進[8]，補充到該案例中來。

將導線彎成一個單匝線圈，并與微電流傳感器相連接，微電流傳感器與數據采集器和計算機連接，控制單匝線圈的位置和面積不變，用一個磁鐵依次插入導線中、靜止放在導線中、最后從導線中拿出來。如果回路中有微弱電流產生，數據采集器就會將微弱電流信號傳送到計算機中，經過DIS軟件處理，就會在屏幕上呈現出很短時間的感應電流圖像。再結合“搖繩發電”的實驗，歸納得出感應電流的產生條件。

教材中的常規案例雖然沒有本文中介紹的現代技術案例特點分明，但是教學思路清晰，符合學生的認知，是常規教學中不可或缺的，兩個案例各有優缺點，不可片面看待。

參考文獻：

[1]宋海峰.問題引領 探究歸納——《探究感應電流的產生條件》教學設計[J].物理教學探討，2012，30（8）：19—21.

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[3]陳林鋒，傅興鋒.對開發“地磁場產生感應電流”的有趣實驗可行性的討論[J].物理教師，2005，26（11）：35.

[4]俞麗萍.DIS實驗與傳統實驗比較的實踐研究[J].中學物理，2012，30（17）：43—45.

[5]劉炳昇，陳杰.新課程理念下物理實驗創新的問題（二）——實驗技術的創新及其與傳統實驗手段的關系[J].教學儀器與實驗，2006（2）：3—6.

[6]張偉，郭玉英，劉炳昇.非常規物理實驗：有待深入開發的重要物理課程資源[J].物理教師，2005，26（9）：47—50.

[7]張偉，郭玉英.論“非常規”物理實驗的教學地位[J].課程·教材·教法，2007，27（12）：51—55.

[8]彭聃齡.普通心理學[M].北京：北京師范大學出版社，2001.

（欄目編輯 鄧 磊）