綜合運用物理科學方法探究感應電流的方向

凌子屹+梁吉峰+夏偉寧

摘 要：聯用控制變量法和歸納法對人教社選修3-2《楞次定律》一節中的演示實驗過程中的感應電流方向的探究過程進行了“重新”構建和思維加工以求更加通暢而簡潔的得出楞次定律的內容.首先就感應電流產生的原因和效應進行全面理論探究，也就是通過分析與綜合方法這一物理科學方法提出并確定探究性問題即探究原磁場的磁通量的變化與感應電流的磁場的方向之間的關系；然后依次通過四步探究性小實驗，綜合運用控制變量法和部分歸納法、全部歸納法，在實驗探究結果的基礎上再進行科學想象和綜合歸納，最終自然生發而成楞次定律.

關鍵詞：楞次定律；探究；部分抵消變化說

作者簡介：梁吉峰（1970-），男，山東榮成，大學本科，特級教師，主要研究方向高中物理教學、物理奧賽輔導.

人教社新課程高中物理選修3-2第3節《楞次定律》的主要內容是探究感應電流的方向.從總體上來說，探究過程最突出的特點就是涉及物理量多、情境復雜、規律隱蔽.近百年來，該實驗裝置和方案不曾改過.課本上主要是通過一個“中介”（感應電流的磁場）來進行的，如圖1的照片（課本插圖），在這里我們不禁要問：為什么要提出這個“中介”？這個“中介”的提出是否有點突兀？另一方面，探究過程是不是涉及了過多的物理量？（從表格1可以窺見一斑）是否還可能有更加通暢而簡潔的思路呢？是否可以設計出一個由淺入深、環環相扣、層層遞進、總體思路更加通暢的并且易于學生理解和思悟的探究過程？

下面來做一個嘗試：首先進行理論探究，也就是通過分析與綜合方法提出探究性問題（原磁場的磁通量的變化與感應電流的磁場的方向之間的關系）；然后設計探究性實驗，對探究的結果進行分析、總結和歸納最后得出楞次定律.

為了提出具體的探究問題，還是要先從本章第二節《探究感應電流的產生條件》開始回顧.

1 通過運用分析與綜合方法提出探究問題

探究感應磁場的方向（感應電流磁場的方向）與原磁場的磁通量變化（包括不同原磁場方向的所有相關情況）之間的關系.

在本章第二節我們已經知道：當磁鐵插入或者拔出線圈時，也就是穿過線圈的磁通量發生變化的時候，最終會在回路中產生了感應電流，這說明感應電流與穿過閉合電路的磁通量的變化有關.

因為最終產生了感應電流，首先嘗試從感應電流的產生原因這一角度入手來思考.

根據閉合電路的歐姆定律，所以感應電流會使人聯想起電壓和電阻.不過馬上就會否定該種想法，因為上述物理概念和規律與本探究物理情境毫不相關，顯然這不是探究的方向.

下面嘗試從感應電流的各種效應方面入手探究.這包括機械效應、熱效應、磁效應和化學效應.稍加分析可知，可能我們可以從電流的磁效應這一方面入手.

至此，我們的問題轉化為研究感應電流的磁場的方向.

我們不僅又想起了磁鐵的磁場，因為要研究感應電流的方向的問題，現在碰到了兩個磁場，自然就會想到研究這兩個磁場的方向之間有無關系.

前一節已經告訴我們，要通過研究穿過閉合回路的磁通量的變化來研究.那么要探究的問題立刻浮出水面：原磁場和感應電流磁場的磁通量的變化之間有無關系？

對于（電流或者磁場的）方向這一方面，我們不能輕易放棄，因為對于物理學科而言，方向至關重要.本節就是要探究出感應電流的方向.

最終探究的問題進一步具體化為：探究感應磁場的方向（感應電流磁場的方向）與原磁場的磁通量變化（包括不同原磁場方向的所有相關情況）之間的關系.

2 建構條形磁鐵——螺線管模型

通過對“條形磁鐵—螺線管”模型進行以下四步漸次復雜的實驗探究和分析，最終得出楞次定律的內容.

下述前兩步探究將使用有共性的兩組相同實驗儀器，進行對比實驗探究.

2.1 探究感應磁場的方向與Δ的正負的關系

探究一

如圖2所示，在本步所有的操作中，條形磁鐵的N極都在下方.分別將磁鐵的N極從上端向下插入和從螺線管中向上拔出，（根據安培定則由感應電流的方向來判定感應磁場的方向，下同）然后得到感應磁場的方向.經過分析判定，當磁鐵插入螺線管（即（（（0）時，感應磁場方向向上；當磁鐵拔出螺線圈（即Δ<0）時，感應磁場方向向下.

這說明：在原磁場方向相同的情況下，感應磁場的方向與Δ的正負（也可以說是穿過螺線管的磁通量的變化）有關.

2.2 探究感應磁場的方向與原磁場的方向的關系

探究二

如圖3所示，分別將磁鐵的N極和S極都從上方向下插入螺線管，在操作過程中盡量保證穿過螺線管的磁通量的變化量的絕對值相等，觀察感應磁場的方向.

經過觀察分析可知，當N極插入螺線管時，感應磁場方向向上；當S極插入螺線圈時，感應磁場方向向下.

這說明，在磁通量的變化量的絕對值相等的情況下，感應磁場的方向與原磁場方向有關.

綜合以上兩步探究的結果，感應磁場的方向與穿過螺線管的磁通量的變化量和原磁場的方向這兩個因素有關.

2.3 綜合歸納得出“增反減同”的初步結果

探究三 重復并擴展探究二的操作步驟.

如圖4所示，將磁鐵的N極（和S極）從上方插入螺線管（都是插入）.當N極向下插入螺線管（即Δ為正）時，原磁場方向向下，感應磁場的方向向上；當S極向下插入螺線管（即Δ為正）時，原磁場方向向上，感應磁場的方向向下.

綜合上述兩步理論分析發現：不管是N極還是S極，只要插入螺線管，也就是說只要穿過螺線管的磁通量的絕對值在增加，感應磁場的方向就與原磁場的方向相反.

下面繼續探究將N極和S極向上拔出螺線管的情況.當N極向上拔出螺線管（即（（為負）時，原磁場方向向下，感應磁場的方向向下；將磁鐵的S極向上拔出螺線管（即（（為負）時，原磁場方向向上，感應磁場的方向向上.

歸納上述兩步可以發現：不管是N極還是S極，只要拔出螺線管，也就是說只要穿過螺線管的磁通量的絕對值在減小，感應磁場的方向就與原磁場的方向相同.

將上述的兩大步再進一步歸納（即針對所有插拔情況）：上述每一種操作都滿足下述規律：當（（為正時（磁通量的變化量增加），感應磁場與原磁場方向相反；當（（為負時（磁通量的變化量減少），感應磁場與原磁場方向相同，也就是“增反減同”.

2.4 運用磁通量的形象標識方式（磁感線的條數）進行科學想象.

怎樣理解“增反減同”的現象，這“又增又減”的表面是否隱藏著統一的物理本質？下面繼續進行探究和思考.

探究四：如圖5所示，繼續分別將N極和S極插入和拔出螺線管，觀察感應磁場的方向.

當N極插入螺線圈時，原磁場方向向下，穿過螺線管的磁通量（下面用磁感線的條數來進行科學想象）增加，感應磁場方向向上，由于二者方向相反，所以結果是抵消了一部分增加的磁通量，即方向相反的兩組磁感線相當于減少了凈磁感線的條數.“不讓磁通量增加”.

同理，當N極拔出螺線圈時，螺線管的磁通量減小，感應磁場方向向下，由于二者方向相同，所以結果是補償了一部分減少的磁通量，即方向相同的兩組磁感線的總體效果是： “不讓磁通量減少”.

將S極插入和拔出螺線管的情況與N極的相關情況類似，不再贅述.

總之，“不讓磁通量增加”和“不讓磁通量減小”，都是不想讓原來的磁通量發生變化的意思，看來“不想讓其變化”就是增反減同的共性.

考慮感應磁場的強弱和原磁場的強弱之后，可以說：我們是用一種“部分抵消變化說”總結了“增反減同”的共性.

下面再從感應電流的磁場的角度來思考，我們關心的問題是：到底感應磁場在上述電磁感應的過程中起到了什么作用？

上述的“部分抵消變化”事實上就是感應電流的磁場阻礙了（不是完全阻止）原磁場磁通量的變化.

至此，我們得出最終結論：感應電流的磁場總是要阻礙引起感應電流的磁通量的變化，這就是楞次定律.楞次定律的核心，也是最需要大家記住的是“阻礙”二字.

綜觀楞次定律的整個探究過程，結合了雙向思維，先進行理論探究，也就是通過分析與綜合方法這一物理科學方法提出探究性問題（原磁場的磁通量的變化與感應電流的磁場的方向之間的關系？）；緊接著通過四步層層遞進的探究性小實驗，綜合運用了控制變量法和部分歸納法、全部歸納法，最后在實驗探究的結果的基礎上再進一步進行科學想象和綜合歸納，最終自然生發而成楞次定律這一重要規律.整個探究過程是本節課的重點和難點.上述的探究過程一直貫穿著理論和實驗相結合的思想，彰顯了物理科學方法的巨大力量.

參考文獻：

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