巧用鋁環實驗 突破楞次定律難點

(江蘇省高郵中學,江蘇 揚州 225600)

1 引言

圖1

鋁環實驗裝置如圖1所示,支架兩端分別固定著兩個鋁環,其中一個鋁環封閉,另一個鋁環開口。將條形磁鐵插入和抽出鋁環,封閉鋁環會有明顯的相對運動,而開口鋁環幾乎不動。該實驗結構簡單、操作方便,效果明顯。但教師往往只用它作為新課的引入實驗,激發學生興趣,并沒有發揮出其應有的功效。筆者深挖該實驗的演示功能,以該實驗為主線,突破楞次定律難點,切實激活學生思維,將發展學生的核心素養落到實處。

2 學情分析

“楞次定律”是教科版高中物理選修3-2“電磁感應”一章的內容。該節實驗復雜,概念抽象,一直是教學的難點。為此,筆者查閱了相關文獻,對比多個優秀教學設計,其中雖然運用了先進的實驗方法和教學手段,但課堂上學生的主動參與度始終不盡人意,究其原因有兩點:

(1) 學生對研究的概念或現象理解不到位。實驗涉及的原磁場、回路內磁通量的變化等物理概念較為抽象，感應電流產生的磁場方向不能直接觀察,需要運用以前學過的磁場分布特點以及安培定則來判斷。

(2) 學生對實驗原理或設計理解不到位。實驗方案往往是教者直接告知,為什么這樣設計?如何來探究?探究什么?學生懵懵懂懂，被牽著鼻子跑,思維上很難與教者形成共鳴,探究性學習難以取得理想效果。

3 教學處理

如何讓學生在實驗探究中主動與教者形成共鳴,甚至在探究中領先一步?在深入剖析楞次定律的教學后,我們發現若以“鋁環實驗”為主線設計整節課的教學流程,能起到課前啟發思考、課中助力突破、課后拓展知識應用等多重功效。實踐表明：本節課的思路和設計能夠有效改變教師牽著學生走的局面,為學生的主動學習、思考提供契機,收到了較好的教學效果。

3.1 不講先做，利用鋁環實驗引入課題

教師演示鋁環實驗,學生分析實驗現象,直觀感知感應電流的存在,自然引入探究實驗。

師:磁鐵和鋁環沒有接觸,也不能吸引鋁環，為什么封閉的鋁環會有明顯的運動呢?

學生討論、思考。

生:在磁鐵靠近的過程中,鋁環內的磁通量發生變化,封閉的鋁環能夠產生感應電流。磁鐵的磁場對鋁環內的電流有安培力的作用,所以鋁環運動。

師:你能看出鋁環內感應電流的方向嗎?

生:不能。

師：磁體靠近或遠離鋁環,產生的感應電流方向是一樣的嗎?對于感應電流的方向,要能直觀地觀察到它，需要什么儀器?

圖2

生:電流計。

師:實際鋁環中的電流非常小,如何“放大”電流,以增強實驗的效果呢?

學生討論后，用線圈代替鋁環，由此想到應用如圖2所示的探究實驗裝置。

利用鋁環實驗引入探究實驗,起到了兩個效果：(1) 學生通過對鋁環實驗現象的觀察、感知,形成了物理知覺,引發了主動思考,認可感應電流的存在,為接下來探究感應電流的方向做好鋪墊;(2) 探究實驗的設計方案是學生通過前面的實驗推理得出,學生對實驗思路會更加明了，知道回路是指線圈和電流計構成的回路。雖然實驗儀器看似復雜了,但實驗原理和鋁環實驗完全相似。這與強加給學生的現成實驗方案相比,更能夠為學生所接受。

3.2 邊做邊講，利用鋁環實驗有效突破難點

在探究“決定感應電流方向的相關因素”這一教學環節上,出現了教學難點。筆者結合課本上實驗裝置設計了實驗表格(如表1),以便有條理地記錄實驗現象。

表1 探究影響感應電流方向的相關因素

根據表格記錄,無法直接看出原磁場的方向,磁通量變化與感應電流方向之間有什么關系,盡管教師花大力氣進行引導,學生也很難想到“感應電流的磁場”這個“中間橋梁”!但是利用鋁環實驗,可以輕松地突破難點,讓學生的思維斷點自動銜接,有四兩撥千斤之功效。

師:同學們,請回想一下剛才的鋁環實驗,磁鐵和鋁環并沒有直接接觸,為什么能產生相互作用?磁鐵對鋁環(電流)有力的作用,那磁鐵會受到反作用力嗎?這個作用力是怎樣產生的?誰能把具體的作用過程描述一下?

生:磁鐵的靠近使鋁環內產生感應電流。磁鐵的磁場對鋁環(電流)產生力的作用,使鋁環運動。鋁環中的感應電流也會產生磁場,這個磁場對磁體有反作用力(如圖3)。

圖3

師:既然磁鐵和電流是通過磁場來相互作用的,那我們再看表1,是不是遺漏了什么呢?學生豁然開朗:要分析感應電流的磁場方向！

教師給予肯定,并在上述表格中添加“感應電流的磁場”一欄,找到中間橋梁,進而總結出楞次定律。

3.3 講了再做，利用鋁環實驗進一步深化認識

得出了楞次定律的結論后,以鋁環模型為例題,分析感應電流的方向,以及鋁環和磁鐵的相互作用力(如圖4)。

圖4

師:磁鐵靠近時,從左向右看,鋁環中感應電流的方向如何?

生:從左向右看,鋁環中的感應電流是逆時針方向。

師:磁鐵靠近時鋁環受力方向如何?磁鐵受力方向怎樣?

生:環形電流可以等效為小磁針,鋁環的左邊相當于小磁針N極,同極相斥,鋁環受到向左的斥力,會后退。由牛頓第三定律,磁鐵受到向右的斥力。

師:如果磁鐵遠離鋁環呢?鋁環中的感應電流是什么方向?鋁環和磁鐵的受力又是怎樣的?

學生活動:(1) 反向分析,強化結論；(2) 動手實驗,體驗鋁環和磁鐵的相互作用,同時體會感應電流產生的作用效果。

師:(磁鐵)你來了,我(鋁環)體內的磁通量越來越大,我推拒你,同時我向后退；(磁鐵)你走了,我的內心逐漸空虛,我想挽留你,同時情不自禁地靠近你……如此“來拒去留”,鋁環想干什么?

生:想阻礙回路磁通量的變化！

師:真是相見時難別亦難！再難,總會相見,再難,也要別離!所以“阻礙”不是“阻止”。

教師板書：感應電流的磁場總是阻礙回路內原來磁場的磁通量的變化。

3.4 反向延伸，學以致用，激發興趣,讓物理回歸生活

圖5

師:從上面分析可知,鋁環對磁鐵的反作用力對磁鐵的運動起阻礙作用。如果把裝置整體向左旋轉90度(如圖5)，讓磁鐵豎直下落,會作自由落體運動嗎?

生:下落應該變慢。

師:如果要讓磁鐵下落更慢呢?

生:放多個鋁環。

師:如果讓磁鐵在鋁管中下落,猜一猜會發生什么現象呢?

演示實驗:磁鐵在鋁管中下落，與磁鐵在塑料管中的下落相對比。

師:這個實驗給大家什么啟發?在實際生活中可以加以應用嗎?

教師展示課外閱讀材料:磁力緩降裝置。請同學們課后思考：楞次定律還有哪些應用?

現如今樓房越建越高,高樓逃生成了人們關心的問題。一旦遇上火災或其他突發性事故,住在高樓的家庭往往因為樓道狹窄、樓層高、電梯失靈等問題,難以及時逃生，消防救援難度較大。為此,人們不斷尋找解決問題的途徑，中建三局工程技術研究院開發了一款磁力緩降高樓安全逃生裝置,它由高強磁鐵與非鐵磁性逃生軌道組成,導軌緊貼建筑外墻且垂直于地面,采用鋁管材料。這款磁力緩降高樓安全逃生裝置,據稱能讓人安全地從高層降至地面。該磁力緩降高樓安全逃生裝置結構簡單、成本低、無需電力、操作簡易、可控、效率高,為高樓逃生提供了新途徑。

4 結語

整節課以鋁環實驗貫穿始末,學生先是利用自身知識儲備對實驗信息進行加工,形成了初步的物理感知；接著,將物理感知進行內化,通過思維活動,將物理感知上升為物理表象,隨著認知沖突的發生,再通過認知同化和順應促進認知圖式的發展,進而建構物理概念與規律；最后引導學生學以致用,體會楞次定律在生活中的應用。學生不但學到了知識,同時提高了主動發現、探索的能力,增加了學習的主動性和解決問題的創新性。通過探究過程的體驗,學生也能感受到物理的實際應用價值,激發他們的想象,獲得了學習的成就感，充分體現了鋁環實驗的教學價值。