基于探究理念的“楞次定律”教學(xué)設(shè)計

王金文

(北京市第五中學(xué)分校 北京 100009)

尹德利

(北京市東方德才學(xué)校 北京 100025)

筆者在論文“基于探究理念的‘楞次定律’教材編寫建議”(待發(fā)表)中用較大篇幅分析了楞次定律教學(xué)難的根源，一個與教科書的編寫有關(guān)，另一個與以知識為中心的教學(xué)理念和教學(xué)評價有關(guān)，在此基礎(chǔ)上對 “楞次定律”一節(jié)的教科書編寫提出了自己的幾點粗淺建議．本文基于這一建議，對楞次定律的教學(xué)進程作如下設(shè)計，力求體現(xiàn)課堂教學(xué)從簡單到復(fù)雜，由特殊到一般，從現(xiàn)象到本質(zhì)的認(rèn)知邏輯，為學(xué)生的合作探究搭設(shè)更多的臺階．

由于本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容增加了兩個探究實驗和一個演示實驗，因此基于探究理念的“楞次定律”的教學(xué)需要兩課時完成．其中，第1課時，探究導(dǎo)體棒切割磁感線運動產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向，得出右手定則，并從力和運動、功和能的角度分析導(dǎo)體棒的運動，初步建立“感應(yīng)電流的效果是阻礙導(dǎo)體棒(或閉合線圈)與磁鐵間的相對運動，這種‘阻礙’是能量守恒定律對電磁感應(yīng)的內(nèi)在要求”的認(rèn)識．第2課時，在初步認(rèn)識感應(yīng)電流的效果是“阻礙相對運動”的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探究條形磁鐵插入、拔出閉合線圈的過程中感應(yīng)電流的方向以及感生電流方向的變化規(guī)律，得出楞次定律．

1 教學(xué)流程圖

教學(xué)流程圖如圖1所示.

圖1 教學(xué)流程

2 教學(xué)過程

1.1 第1課時 探究感應(yīng)電流的方向

(1) 復(fù)習(xí)感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件，引導(dǎo)學(xué)生進一步探究感應(yīng)電流的方向．

(2)引導(dǎo)學(xué)生利用實驗器材找出影響感應(yīng)電流方向的因素都有哪些？

(3)明確電流的方向與靈敏電流計指針偏轉(zhuǎn)方向的關(guān)系．

學(xué)生活動：現(xiàn)在每個實驗桌上都有一節(jié)舊的干電池，請同學(xué)們用試觸法確定電流方向與電流計指針偏轉(zhuǎn)方向的關(guān)系．

結(jié)論：電流“+”進“右偏”， “—”進“左偏”．

(4)小組合作探究閉合電路的部分導(dǎo)體做切割磁感線運動時感應(yīng)電流方向的變化規(guī)律，實驗儀器連接的電路如圖2所示．

圖2 探究感應(yīng)電流方向的實驗實物圖

教師指導(dǎo)學(xué)生在實驗記錄單上畫出每種實驗情境下的側(cè)視圖(圖3)或俯視圖(圖4)，做好實驗現(xiàn)象記錄，并注意控制變量．建議學(xué)生按照圖4的方式記錄實驗現(xiàn)象，因為有閉合回路，方便后面的分析．

圖3 側(cè)視圖

圖4 俯視圖

(5)引導(dǎo)學(xué)生分析實驗記錄，“發(fā)現(xiàn)”動生電流方向的規(guī)律——右手定則．

感應(yīng)的電流方向與磁場方向、導(dǎo)體棒的運動方向都有關(guān)系．同學(xué)們能否找到一個像判斷安培力方向的左手定則那樣，找到一個既方便記憶又方便判斷感應(yīng)電流方向的定則呢？

(6)引導(dǎo)學(xué)生從力和運動的角度分析導(dǎo)體棒的運動情況．

導(dǎo)體棒切割磁感線運動產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)體棒處在磁場中，必然要受到安培力作用．請同學(xué)們判斷安培力的方向，并說明它對導(dǎo)體棒的運動起什么作用？

說明：通過本步驟，“阻礙作用”自然而然就出來了．如果沒有這個分析基礎(chǔ)，直接分析條形磁鐵插入、拔出閉合螺線管回路，感應(yīng)電流的阻礙作用學(xué)生就很難意識到，讓學(xué)生理解這種阻礙作用是阻礙穿過閉合線圈的磁通量的變化，困難就更大了．

(7)引導(dǎo)學(xué)生從功和能的角度分析電磁感應(yīng)現(xiàn)象．

安培力對導(dǎo)體棒的運動為什么是阻礙作用而不是推動作用．如果是推動作用會怎樣呢？

(8)揭示“阻礙”的本質(zhì)——能量轉(zhuǎn)化與守恒定律在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的具體體現(xiàn)．

在磁場方向不變時，導(dǎo)體棒所受安培力的方向是由感應(yīng)電流的方向決定的．因此安培力對導(dǎo)體棒運動的阻礙作用也可以認(rèn)為是感應(yīng)電流對導(dǎo)體棒運動的阻礙作用．因此，可以說，感應(yīng)電流的方向是受能量守恒定律的約束．

(9)演示并解釋“楞次環(huán)實驗”(圖5)．

圖5 楞次環(huán)實驗

呈現(xiàn)“楞次環(huán)”實驗裝置，先讓學(xué)生猜想：先后將條形磁鐵插入閉合鋁環(huán)和非閉合鋁環(huán)中，會發(fā)生什么現(xiàn)象，然后教師演示“楞次環(huán)實驗”，并讓學(xué)生思考、解釋這個現(xiàn)象．

1.2 第2課時 探究感應(yīng)電流的方向

1.2.1 探究條形磁鐵插入拔出閉合線圈過程中感應(yīng)電流的方向

(1)認(rèn)識右手定則的局限性，激發(fā)學(xué)生尋找較為普適的判斷方法

教師演示圖6的實驗．問：這個實驗中，感應(yīng)電流的方向能否用右手定則直接判斷呢？難度有點大，有必要尋找比右手定則更普適的判斷感應(yīng)電流方向的方法．

圖6 教師演示實驗

(2)引導(dǎo)學(xué)生利用“感應(yīng)電流的效果阻礙導(dǎo)體與磁體之間的相對運動”判斷．

1)按照圖7的4種情況順序先完成甲、乙、丙3種情況下的實驗記錄(注意在圖7上根據(jù)電流計指針偏轉(zhuǎn)方向標(biāo)出感應(yīng)電流的方向和閉合線圈的環(huán)繞方向)．

圖7 感應(yīng)電流的效果阻礙導(dǎo)體(線圈)與磁體之間的相對運動

2)引導(dǎo)學(xué)生分析甲、乙、丙3種情況下感應(yīng)電流對磁鐵運動的影響，進一步強化學(xué)生對感應(yīng)電流阻礙相對運動的認(rèn)識．

要求學(xué)生根據(jù)感應(yīng)電流的方向在圖7甲、乙、丙3個圖上標(biāo)出“通電”螺線管的N，S極，并說明3種情況下“通電”螺線管對條形磁鐵的作用力方向及對相對運動的影響．

3)根據(jù)感應(yīng)電流產(chǎn)生的效果總是“阻礙相對運動”的思想在圖7丁的情形下標(biāo)出螺線管的N極、 S極，然后根據(jù)右手螺旋定則確定感應(yīng)電流的方向．并用實驗驗證自己的判斷．

1.2.2 探究判斷感應(yīng)電流方向的普適方法

(1)打破學(xué)生剛剛建立的認(rèn)知平衡，激發(fā)學(xué)生進一步探究更為普適的判斷感應(yīng)電流方向的方法．

提出問題：在圖8所示的電路中，當(dāng)開關(guān)斷開或閉合的瞬間，我們觀察到線圈B回路中有感應(yīng)電流產(chǎn)生；閉合開關(guān)以后，當(dāng)線圈A不動，左右調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片，線圈B中也有感應(yīng)電流產(chǎn)生．這個電流不是由于導(dǎo)體(線圈)與磁體之間的相對運動產(chǎn)生的，而是由于磁場的變化產(chǎn)生的，這種電流叫作感生電流．感生電流的方向顯然不能用阻礙相對運動的方法來確定．那么有沒有更普適的方法來確定感應(yīng)電流的方向呢？

圖8 實驗電路

(2)引導(dǎo)學(xué)生從磁通量變化的角度繼續(xù)分析圖7的實驗現(xiàn)象．

我們知道，感應(yīng)電流的產(chǎn)生是由于閉合回路中磁通量發(fā)生了變化．同學(xué)們能否從磁通量變化的角度分析感應(yīng)電流產(chǎn)生的效果呢？仍以圖7中4種情形為例進行分析．請同學(xué)們在甲、乙、丙、丁4種情況下的線圈中．分別用不同顏色的筆畫出條形磁鐵產(chǎn)生的磁場磁感線和感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場磁感線，并標(biāo)出其方向．注意尋找二者方向變化的規(guī)律．

從圖9中，學(xué)生很容易看出：條形磁鐵靠近線圈時，條形磁鐵的磁感線與感應(yīng)電流的磁場的磁感線方向相反；條形磁鐵離開線圈時，條形磁鐵的磁感線與感應(yīng)電流的磁場磁感線方向相同．

圖9 條形磁鐵靠近或離開線圈磁感線示意圖

教師追問：條形磁鐵靠近或遠(yuǎn)離線圈時，穿過線圈的磁通量有什么變化？學(xué)生：條形磁鐵靠近線圈時，穿過線圈的磁通量增加；遠(yuǎn)離線圈時，穿過線圈的磁通量減少．

教師指出，為了總結(jié)的方便，我們把條形磁鐵的磁場稱為原磁場，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場稱為感應(yīng)磁場．于是，上面的實驗規(guī)律換一種說法就是：當(dāng)穿過閉合回路的磁通量增加時，感應(yīng)電流的磁場與原磁場方向相反；當(dāng)穿過閉合回路的磁通量減少時，感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向相同．為了方便記憶，我們將這句話概括為“增反減同”．

(3)引導(dǎo)學(xué)生分析導(dǎo)體棒切割磁感線運動產(chǎn)生的感應(yīng)電流磁場方向與原磁場的方向是否滿足“增反減同”的規(guī)律．

這個規(guī)律是不是具有普遍性呢？請同學(xué)們繼續(xù)分析導(dǎo)體棒切割磁感線運動時感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場的方向關(guān)系．如圖10所示．

圖10 導(dǎo)體切割磁感線的規(guī)律

注意提醒學(xué)生，從磁通量變化的角度分析感應(yīng)電流的方向，首先需要確定研究對象是哪個閉合回路，然后才能用右手螺旋定則確定感應(yīng)電流的方向或者感應(yīng)電流的磁場方向．

(4)研究雙螺線管電磁感應(yīng)實驗(圖8)中感生電流的方向是否滿足“增反減同”的規(guī)律．

讓學(xué)生連接好圖8所示的實驗電路．注意弄清線圈A的環(huán)繞方向及勵磁電流的方向，線圈B的環(huán)繞方向及靈敏電流計的“+”“—”接線柱分別與線圈B的哪兩個接線柱連接．

將開關(guān)閉合(線圈回路磁通量增加)，觀察電流計指針的偏轉(zhuǎn)方向，并在線圈B上標(biāo)出感應(yīng)電流的方向．根據(jù)右手螺旋定則確定勵磁電流產(chǎn)生的磁場(原磁場)方向與感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(感應(yīng)磁場)的方向是否相反．

然后斷開開關(guān)(通過線圈的磁通量減少)，觀察電流計指針的偏轉(zhuǎn)方向并在線圈B上標(biāo)出，然后確定感應(yīng)電流的磁場方向是否與原磁場方向相同．

(5)閉合開關(guān)，移動滑動變阻器的滑片，增大或減小流過線圈A的勵磁電流，注意觀察電流計指針的偏轉(zhuǎn)方向，并在線圈B上標(biāo)出感應(yīng)電流的方向，再次確認(rèn)感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向是否滿足“增反減同”的規(guī)律．

(6)實驗歸納．

不管是由于導(dǎo)體相對磁體運動產(chǎn)生的感應(yīng)電流還是磁場變化產(chǎn)生的感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場的方向都符合“增反減同”的規(guī)律，說明這是個普遍規(guī)律．有了這個規(guī)律，一旦知道了原磁場的方向和回路磁通量的變化，我們就可以確定感應(yīng)電流的磁場方向，然后根據(jù)右手螺旋定則進一步確定感應(yīng)電流的方向．

(7)深入認(rèn)識感應(yīng)電流的“阻礙”效果．

對于由導(dǎo)體和磁體之間的相對運動產(chǎn)生的感應(yīng)電流，其效果是阻礙導(dǎo)體與磁體之間的相對運動；對于由磁場的變化產(chǎn)生的感應(yīng)電流，其“阻礙”效果又該如何理解呢？原來，當(dāng)穿過閉合回路的磁通量增加時，感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向相反，這時感應(yīng)電流的磁場起到一個“抵消”作用，阻礙了磁通量的增加；而當(dāng)穿過閉合回路的磁通量減少時，感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向相同，這時感應(yīng)電流的磁場起到一個“補償”作用，阻礙了磁通量的減少．用一句話來概括，就是感應(yīng)電流的效果，總是阻礙磁通量的變化．需要注意的是，感應(yīng)電流的這種“阻礙”卻不是“阻止”，因為，如果阻止了磁通量的變化，也就不會有感應(yīng)電流產(chǎn)生，這種阻礙作用也就不會發(fā)生．

(8)楞次定律的表述．引導(dǎo)學(xué)生閱讀教科書上關(guān)于楞次定律的表述內(nèi)容．

說明：從動生電流到感生電流，科學(xué)探究由淺入深，層層遞進，降低了探究的“臺階”，破解了“楞次定律”教學(xué)的“老大難”問題．探究過程中，“阻礙”一詞的得出顯得非常自然，“感應(yīng)電流的磁場”這個中介也順勢而出．隨著探究的逐步深入，學(xué)生對感應(yīng)電流阻礙效果的認(rèn)識也由具體到抽象，由現(xiàn)象到本質(zhì)，越來越深刻．