關于楞次定律教學的思考

汪慧琴

(江蘇省蘇州第一中學校,江蘇 蘇州 215000)

關于楞次定律教學的思考

汪慧琴

(江蘇省蘇州第一中學校,江蘇 蘇州 215000)

本文分析了“楞次定律”實驗探究教學中普遍存在的問題,澄清了電磁感應現象中的各個物理量之間的邏輯關系,從而提出“楞次定律”的實驗探究教學的設計和建議．

感應電流的磁場； 邏輯關系； 展示探究的過程和方法； 應用楞次定律的思維過程和方式．

楞次定律的教學,是高中物理的教學難點．筆者連續觀摩了各個層次高中物理教師(特級教師、高級教師和一級教師)的課堂教學和高端教學展示,期望在教學一線的實踐中,尋找到有關楞次定律實驗探究教學的好方案和好思路,以利于在物理教學中培養高中學生的核心素養．

1 楞次定律實驗探究教學中存在的主要問題

楞次定律實驗探究教學,可歸納為兩大類實驗探究的范圍．一是基于人教版高中物理選修3-2的實驗探究基礎； 二是基于上海科技教育出版社高中物理選修3-2的實驗探究基礎.

案例1.建立在人教版高中物理選修3-2實驗探究基礎上的教學案例．

人教版教材實驗內容：

圖1 記錄實驗情況的草圖

在前面實驗中，我們通過磁鐵跟閉合電路之間的相對運動來改變穿過閉合電路的磁通量.條形磁鐵的N極或S極插入閉合線圈時，線圈內磁通量增加，抽出時，線圈內磁通量減少.

現在重復這個實驗，不過這次不是研究感應電流的產生條件，而是用草圖記錄感應電流的方向、磁鐵的極性和運動方向，以便從中找出它們之間的關系.

建議在紙上畫出幾個類似的草圖，分別標出不同情況下磁鐵的N、S極，磁極的運動方向，感應電流的方向.為了判斷感應電流的方向，事先要弄清線圈導線的繞向及電流方向、指針擺動的方向與電流表的紅、黑接線柱的關系.

在實驗探究的教學中,教師以不同形式,或事先設計好實驗記錄卡1的表格(見表1),或引導學生設計實驗記錄卡1,然后讓學生根據實驗探究填寫現象和結果,最后尋找到感應電流的磁場跟原磁場的方向關系,即“增反減同”．

評析: 案例1實驗探究的最大功績,是揭示了電磁感應現象中,各個物理量之間的邏輯關系．但是,教學中普遍存在著以下問題.

(1) 感應電流的磁場問題.每次在這樣教學中,筆者總會特別關注授課教師是根據什么,如何引導學生想到要去尋找感應電流的磁場方向．到目前為止,還沒有獲得一個令人滿意的解答．有些教師根本沒有思考和涉及這個問題．

感應電流的磁場及其方向,在本實驗中,是一個看不見、摸不著、無法感知的隱形角色．也就是說,實驗記錄卡1中的第4行,記錄的內容根本就不是實驗的結果．筆者認為,這個問題是本實驗探究的一個結癥．

(2) 失去了真正探究的價值.授課教師可能沒有意識到,在沒有明確為什么要去尋找感應電流磁場的前提下,這樣的教學,其實是教師事先預設了實驗路徑,讓學生循規蹈矩,依葫蘆畫瓢,知其然不知其所以然,失去了實驗探究的真正價值．

圖2 探究感應電流方向的實驗

(3) 感應電流磁場的角色定位出現了偏差.關于感應電流磁場在探究感應電流方向的過程中,是一個什么角色?人教版教材高中教材闡述它是一個“中介”角色,筆者認為這種描述存在邏輯上的問題．退一步說,雖然加了引號,對教師和學生也起了誤導作用．

案例2.建立在上海科技教育出版社高中物理選修3-2實驗探究基礎上的教學案例.

滬科版教材實驗探究內容：

實驗裝置如圖2所示，用細線懸掛一個很輕的鋁環，鋁環可以自由擺動.

請觀察：

當條形磁鐵的一極(如圖2中的N極)向鋁環靠近時，會出現什么現象？

當條形磁鐵離開鋁環時，又會發生什么現象？

請將你的觀察結果記錄下來.

實驗表明： 條形磁鐵的N極移近鋁環時，鋁環被排斥； 條形磁鐵的N極離開鋁環時，鋁環被吸引.

鋁環是非鐵磁性物體，它怎么會被磁鐵排斥和吸引的呢？

下面是一位教師的“楞次定律”市級公開課導學案的實驗記錄卡，見表2.

表2 實驗記錄卡2

評析: 案例2實驗探究的最大功績是讓我們直觀體驗、認識了感應電流磁場的存在．但是,實際教學中仍存在著問題.

(1) 從實驗記錄卡2表格縱向看,各個探究環節中,物理量之間的邏輯關系是倒置的．我們沒有引導學生思考:為什么要將因果倒置?學生只能按部就班,依葫蘆畫瓢了．

(2)實驗探究2的方案,沒有解決我們為什么不直接尋找感應電流方向,而繞道到感應電流磁場的方向．

根據人類認識的一般規律,思維和行動的指向總是直奔主題,直接測量或尋找待解物理量跟哪些因素相關聯．而實驗探究2為什么要繞道,要從感應電流磁場的方向來間接判定感應電流方向．這是一個認識過程的方法論問題．

在人類認識史上,這個問題糾結了很長一段時間,我們現在不能回避這個結癥問題．筆者認為,這是楞次定律實驗探究教學中有待解決的一個根本問題．我們應該比較完整地展示人類研究這個問題的過程和方法．

(3) 各個物理量之間的邏輯關系不清晰．在實際教學中,存在方方面面的問題,甚至有些名師,在教學中邏輯思路都不夠清晰,思維的脈絡繞來繞去,把學生繞在云里霧里．

正確認識感應電流磁場的邏輯地位,是探究、認識楞次定律的核心內容．我們教學中要花力氣來突破這一點．所以,筆者認為有必要跟大家一起理清原磁場B0、磁通量Φ變化、感應電流Ii和感應電流磁場Bi的邏輯關系．

2 “楞次定律”實驗探究教學設計和建議

在《普通高中物理課程標準(修訂稿)》中,已經把探究感應電流方向確定為高中理科生必做實驗．“楞次定律”的實驗探究教學,筆者認為應該注意3個方面的問題:第一,揭示電磁感應現象的邏輯關系;第二,展現楞次定律的探索、發現過程;第三,利用楞次定律判斷感應電流方向的思維方式．

2.1 教學設計：探究感應電流的方向——楞次定律

在“探究感應電流產生條件”的幾個實驗探究中,我們觀察了不同情況下感應電流方向的不一樣．實驗讓我們直接地感受到,感應電流的方向跟磁場方向、磁通量的變化相關聯．

那么,感應電流的方向是由這兩個因素直接決定的嗎?其中蘊含什么規律?

實驗探究1： 感應電流的方向跟哪些因素有直接關系?

圖3是“探究感應電流產生條件”的實驗探究中的實驗記錄,請完成如下探究:

(1) 感應電流方向跟磁場方向關系;

(2) 感應電流方向跟磁通量的增加/減少的關系;

(3) 尋找電磁感應現象中感應電流Ii與原磁場B0、磁通量Φ之間的邏輯關系.

圖3 實驗探究1現象記錄

分別把甲與丙,乙與丁兩情形對比,我們發現相同的磁場方向,卻產生了相反方向的感應電流．而在甲與丁和乙與丙情形中,不同方向的磁場,卻產生了相同方向的感應電流．

探究結論1:磁場方向不直接決定感應電流方向．

分別對比甲與乙、丙與丁兩情形,都是磁通量增加/減少,產生了相反方向的感應電流．而甲與丁、乙與丙兩情形,磁通量變化不同,卻產生了相同方向感應電流．

探究結論2:磁通量的變化也不直接決定感應電流方向．

圖4 電磁感應中的邏輯關系

在本實驗中,我們不難發現,因原磁場B0的存在,由相對運動產生磁通量Φ的變化,產生了感應電流Ii．他們之間的邏輯關系如圖4所示．

那么,到底哪些因素直接決定了感應電流的方向?

評析：實驗探究結果跟預期相反，但卻有非常高的科學價值，它指引我們另辟蹊徑，達成目標.

實驗探究2： 感受、發現感應電流的磁場Bi.

圖5 探究實驗2原理

我們把實驗探究1中的線圈,簡化為一個直徑大約50mm的單匝鋁環,用雙細線懸掛起來,鋁環可以在空中自由擺動(如圖5所示)．

探究1：先后把強磁體棒插入、拔出鋁環,觀察會出現什么現象．

實驗表明:磁體插入時,鋁環跟磁體相斥,磁體拔出時鋁環跟磁體相吸．

探究2： 磁體和鋁環為什么能夠產生相互作用?說明鋁環周圍存在什么物質?

說明鋁環周圍空間存在另外一種磁場Bi．磁體的磁場B0通過這個磁場Bi跟鋁環產生了相互作用．

探究3： 鋁環周圍空間的磁場Bi是從哪里來的?

在磁體運動過程中,由于磁通量的變化,鋁環中產生感應電流Ii,是感應電流在周圍產生了磁場Bi．

圖6 感應電流磁場的邏輯地位

4個物理量之間的邏輯關系,如圖6主線所示．

評析： 此時引入感應電流的磁場Bi，從方框示意圖4的主脈路可看出，在邏輯關系上，感應電流的磁場，不是什么“中介”，在電磁感應現象的邏輯關系中，直接對原磁場的磁通量變化產生影響，確立了電磁感應現象中能量的轉化和守恒關系.

探究4： 你能感受到感應電流的磁場方向跟原磁場方向有什么關系?

磁通量增加時,鋁環跟磁體相互排斥,說明感應電流的磁場Bi方向跟磁體磁場B0方向相反;磁通量減少時,鋁環跟磁體相互吸引,說明感應電流的磁場Bi跟磁體磁場B0方向相同，如圖7所示，即簡述為“增反減同”．

a 磁鐵靠近鋁環

b 磁鐵離開鋁環

結論:原磁場B0的方向和磁通量Φ的變化兩個因素共同決定了感應電流磁場Bi的方向.

探究5：你能夠判斷鋁環中的感應電流方向嗎?

根據安培定則,伸出右手,由逆向思維,我們可以判定鋁環中的感應電流方向．在圖7所示插入磁體N極時,形成左視的逆時針方向感應電流,拔出磁體N極時,形成左視的順時針方向的感應電流．

探究6：Bi與B0的“增反減同”具有普遍性嗎?

在實驗探究1中,根據實驗記錄的感應電流方向,判斷出感應電流磁場方向,看看是否滿足“增反減同”．

探究7： 感應電流的磁場Bi在電磁感應現象中起了什么作用?

當穿過鋁環磁通量增加時,感應電流的磁場Bi與原磁場B0方向相反,阻礙了磁通量增加的進程．當穿過鋁環磁通量減少時,感應電流的磁場Bi與原磁場B0方向一致,阻礙了磁通量減少進程．從此角度來看,感應電流的磁場Bi對磁通量的變化所起的作用是一致的,都是阻礙作用．

在“探究感應電流產生條件” 的3個實驗探究中都表明:感應電流的磁場Bi總是阻礙原磁場B0的磁通量的變化．

大量實驗探究表明:感應電流具有這樣的方向,即感應電流產生的磁場總是阻礙引起感應電流的磁通量的變化，這就是楞次定律

2.2 理論探究： 怎樣利用楞次定律判斷感應電流方向

對“探究感應電流產生條件”中3個實驗探究逐一分析,試一試是否也可以采用先判定感應電流的磁場方向,后判定感應電流的方向的方法來判斷．如果可以,請概括出判定感應電流方向的一般規律．

師生討論，概括出判定感應電流方向的思維過程(如圖8).

圖8 楞次定律應用思維過程示意圖

2.3 對兩個實驗探究的地位和作用的評價

實驗探究2具有如下優勢: (1) 讓學生直接感知感應電流磁場的存在; (2) 讓學生直接感知感應電流磁場方向跟原磁場方向、磁通量變化的關系; (3) 獲得利用楞次定律判斷感應電流方向的一般規律．

在教學實踐中,部分教師可能出于教學時間的限制,只采用實驗探究2,摒棄實驗探究1．

甚至有部分教師認實驗探究1是多此一舉．筆者認為,首先,我們要回答為什么要先找感應電流的磁場方向,后判定電流的方向這個關鍵性問題．也就是說,感應電流磁場的地位為什么如此重要和突出,探究2沒有說服力．

另外,在實驗探究2中,雖然我們能夠直接感知感應電流的磁場跟原磁場方向、磁通量變化的關系,但是,主角感應電流卻是隱含的,我們不能用測量或其他什么方法,直接感知它的存在和它的方向．直接上來就這樣做,有違人類探究未知量的一般規律．

人類探究未知量的一般規律,總是首先考慮用最直接、最簡單的測量方式來進行．也就是說,要探究感應電流的方向,總是直接用電流表來測定,看看哪些因素直接影響感應電流的方向,并尋求出它們直接的關聯．只有在此路不通的時候,人們才會另辟蹊徑,想方設法繞過去．這就是實驗探究1的價值所在,它展現了人類探索未知世界的一般思維過程和方法,它給了我們下一步研究的方向和啟示．實驗探究1對學生掌握探究過程與方法,對培養學生的科學態度,起到無法替代的作用．

筆者認為,兩個實驗探究合璧,成為一個整體,相互補充、相互印證,在有限的教學時間內,既展現了人類探究感應電流方向的思維過程和研究方法,又回答了為什么在楞次定律中,要把邏輯關系倒置,利用感應電流磁場方向,判斷感應電流方向．這樣做,具有比較強的說服力,讓我們課堂的探究活動充滿靈動和生命力,具有真正科學探究的價值．

2017-01-18)