“楞次定律”教學案例分析

李 萍

(江蘇省梅村高級中學,江蘇 無錫 214000)

1 引言

“楞次定律”是“電磁感應”一章教學的重點和難點,是研究電磁感應問題的基石。楞次定律涉及的因素多(磁場方向、磁通量的變化、線圈繞向、電流方向等)、關系復雜，其規律性比較隱蔽,抽象性和概括性很強。《普通高中物理課程標準(實驗稿)》要求：“通過探究,理解楞次定律。”教材上一節內容是探究感應電流的產生條件,本節接著探究感應電流的方向，其中感應電流的產生條件很直觀,學生容易理解和掌握,但感應電流方向的判斷則需要通過實驗探究,總結出一般規律——楞次定律。

2 教學目標

(1) 理解楞次定律的內容,能運用楞次定律判斷感應電流方向,解答有關問題。

(2) 體驗楞次定律實驗的探究過程,提高分析、歸納、概括及表述的能力。

(3) 感受科學家對規律的研究過程,學習他們對工作嚴肅認真、不怕困難的科學態度。

3 教學重、難點

教學重點:進行實驗設計，總結實驗結果。

教學難點：對楞次定律的理解。

4 教學過程

4.1 復習回顧

師:產生感應電流的條件是什么？

生:穿過閉合電路的磁通量發生變化。

案例分析:引導學生回憶產生感應電流的條件,為研究感應電流的方向做好知識準備。

4.2 新課引入

教師播放課前錄制好的視頻《愛因斯坦實驗室》:怎樣隔空推動小車？

(1) 用“氣功”隔空推小車，小車不動。

學生思考：用什么方法可以隔空推動小車？

案例分析:嘗試用“氣功”隔空推小車,對學生來說比較好玩,可活躍課堂氣氛。

(2) 使用兩根條形磁鐵，小車上放一根,手里拿一根,使同名磁極靠近，學生發現:小車被隔空推動了(如圖1)。

圖1

案例分析:條形磁鐵同名磁極相斥是學生所熟知的物理原理,說明要做到隔空推小車并不困難，同時為解釋后面的實驗現象做鋪墊。

圖2

(3) 使用一根條形磁鐵(其上加一個強磁鐵)和一個鋁環，鋁環放在小車上,把磁鐵靠近鋁環,學生觀察到小車被推動了(如圖2),但看不清是不是隔空的。

(4) 播放磁鐵靠近鋁環時的慢鏡頭,證明磁鐵沒有頂著鋁環走,是隔空的(如圖3)。

圖3

學生們發現:小車真的被隔空推動了。

案例分析:現場演示很難清晰觀察到,所以事先錄制好實驗視頻,學生通過慢鏡頭的回放,清楚地看到了小車被隔空推動的神奇現象。

(5) 對比使用兩根條形磁鐵、使用一根條形磁鐵(其上加一個強磁鐵)和一個鋁環這兩種方法,使用磁鐵和鋁環實驗時，不僅磁鐵靠近鋁環時能使小車前進,而且磁鐵遠離鋁環時還能使小車后退。

學生觀察現象:磁鐵靠近,小車前進；磁鐵遠離,小車后退(如圖4)。

圖4

案例分析:通過對比實驗,激發學生思考問題，產生探究的欲望。

教師現場提供帶線圈的小車,讓學生來體驗,磁鐵靠近線圈時能否使小車前進,磁鐵遠離線圈時能否使小車后退。同時,教師利用iPad結合AirServer投屏軟件將學生的操作細節投影到大屏幕上。

案例分析:利用iPad的相機功能，結合AirServer投屏軟件,可以將學生的操作細節投影到大屏幕上,讓坐在后排的學生更清楚地觀察實驗現象。與傳統的投影儀相比,此法更具靈活性,可以多角度觀察,而且不受空間的限制。

教師引導學生分析“磁鐵靠近鋁環時小車前進,磁鐵遠離鋁環時小車后退”的實驗現象，得出結論:磁鐵靠近鋁環時鋁環受到斥力,磁鐵遠離鋁環時鋁環受到引力,磁鐵靠近、遠離鋁環時鋁環中產生的感應電流的方向不同。

案例分析:從現象出發,基于現有的知識儲備,找尋物理現象背后的規律,從而做進一步的探究。

4.3 新課教學

師：你們認為感應電流的方向可能與哪些因素有關？

教師引導學生結合《愛因斯坦實驗室》視頻中的實驗進行思考與分析，注意到感應電流的磁場可以與小車上放置的條形磁鐵的磁場相類比。

生:可能與磁通量的變化、原磁場、感應電流的磁場有關。

(1) 教師介紹實驗器材:靈敏電流表、線圈、條形磁鐵和導線，教師讓學生思考實驗方法。

生:將條形磁鐵插入、拔出線圈時，觀察靈敏電流表指針的偏轉方向,得出感應電流的方向,同時記錄磁通量的變化、原磁場、感應電流的磁場,再分析它們之間的關系。

案例分析:學生已經知道將條形磁鐵插入、拔出線圈時，線圈中會產生感應電流,而本節課更關注的是感應電流的方向,因此可以通過靈敏電流表指針的偏轉方向得出感應電流的方向,從而研究它與什么因素有關。

(2) 教師引導學生觀察線圈的繞向,引導學生找出靈敏電流表中指針偏轉方向和電流方向的關系。教師提醒學生做實驗時統一將紅色導線的一端接在線圈的上面的接線柱上,另一端接在電流表的紅色接線柱上；黑色導線的一端接在線圈的下面的接線柱上,另一端接在電流表的黑色接線柱上。

學生觀察線圈的繞向,思考靈敏電流表中指針偏轉方向和電流方向的關系，按照要求連接電流表和線圈。

案例分析:統一接線方法可以使全班同學的實驗結果一致,若靈敏電流表指針左偏,說明線圈中感應電流的方向為逆時針(俯視),便于后面的討論、分析。

(3) 教師引導學生設計實驗表格(如表1),要記錄原磁場的方向、磁通量的變化、感應電流的磁場方向和感應電流的方向(俯視)。其中,感應電流的磁場方向可以根據感應電流的方向，利用右手螺旋定則判斷。教師引導學生在研究感應電流的方向與這些因素的關系時,應多做幾組實驗,便于找出規律。

表1 探究影響感應電流方向的因素

(4) 教師在學生做實驗的時候在教室內巡視,對學生遇到的問題進行及時指導。學生做完實驗后,教師將一組學生的實驗記錄表格投影到大屏幕上,引導學生分析，得出結論：當線圈中磁通量增加時,線圈中感應電流的磁場方向與原磁場的方向相反；當線圈中磁通量減少時,感應電流的磁場方向與原磁場的方向相同。

案例分析:利用iPad,將學生的實驗記錄表格拍照插入PPT中,在分析表格時可以利用“添加墨跡”功能在表格上作一些注釋和說明，再利用AirServer投屏軟件將其投影到大屏幕上。與傳統的投影儀相比,此方式將教師從講臺的位置上解放出來,教師可以走到學生中間,更好地與學生交流,拉近師生間的距離。

最后學生總結得出結論：線圈中感應電流的磁場方向與原磁場的方向的關系是“增反減同”,即感應電流的磁場總是阻礙引起感應電流的磁通量的變化。

對楞次定律的理解：(1) 明確各物理量之間的關系;(2) 正確理解“磁通量的變化”;(3) 正確理解“阻礙”的含義，誰在阻礙？是感應電流的磁場。阻礙什么？阻礙引起感應電流的原磁場磁通量的變化。如何阻礙？方式是“增反減同”。結果如何？結果是阻礙原磁場的磁通量的變化。

案例分析:楞次定律的關鍵詞是“阻礙”,只有深刻理解“阻礙”的含義,才能準確地把握楞次定律的實質。這里教師通過“問題鏈”幫助學生理解“阻礙”的含義，并用圖5說明應用楞次定律判定感應電流方向的思路。

圖5

4.4 學以致用

(1) 教師引導學生回憶《愛因斯坦實驗室》視頻中的實驗結果,磁鐵靠近、遠離鋁環時鋁環中產生的感應電流的方向不同。現在,應用楞次定律去判斷條形磁鐵N極靠近鋁環時，鋁環中產生的感應電流的方向。

學生應用楞次定律分析:條形磁鐵N極靠近鋁環→穿過鋁環的磁通量增加→(應用楞次定律)鋁環中產生的感應電流的磁場阻礙磁通量的增加，感應電流的磁場方向向左→(利用右手螺旋定則)確定感應電流的方向。

案例分析:首尾呼應,實戰演練,加深學生對楞次定律的理解。

(2) 再用DIS實驗驗證感應電流的方向，用帶缺口的鋁環代替小車上的鋁環,由于該鋁環中產生的感應電流較小,因此將該鋁環連接在微電流傳感器上,微電流傳感器通過數據采集器將采集到的電流信息實時呈現在計算機上，教師利用iPad結合AirServer投屏軟件將實驗裝置投影到大屏幕上。

依次將條形磁鐵的N極插入、拔出鋁環,觀察鋁環中產生的感應電流的方向(如圖6)，學生能清晰地看到:當條形磁鐵的N極插入鋁環時,鋁環中產生的感應電流方向為正；當條形磁鐵的N極拔出鋁環時,鋁環中產生的感應電流方向為負。

圖6

案例分析:DIS實驗系統具有數據采集快、精度高、測量準確的特點。帶缺口的鋁環中產生的感應電流較小,用靈敏電流表測不出來,因此設計用DIS系統來測量,利用iPad的相機功能結合AirServer投屏軟件,可以將實驗裝置投影到大屏幕上,讓坐在后排的學生更清楚地觀察DIS實驗的組成和連接方式。