以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)研究物理教材習(xí)題

(江蘇省海州高級(jí)中學(xué)，江蘇 南通 222062)

查看今年各地高考物理試題可以發(fā)現(xiàn)，有些試題是以教材習(xí)題為基礎(chǔ)改編而來(lái)的，可見教師應(yīng)該在平時(shí)教學(xué)中應(yīng)重視并用心鉆研教材習(xí)題。筆者研讀教材后發(fā)現(xiàn)有些習(xí)題不夠嚴(yán)謹(jǐn)，值得商榷。下文以人教版物理選修3-2第四章第三節(jié)課后“問題與練習(xí)”中的兩道題為例，并依托實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說(shuō)明。

1 由思考不夠全面造成的問題

1.1 習(xí)題呈現(xiàn)

例1：如圖1所示，在水平放置的條形磁鐵的N極附近，一個(gè)閉合線圈向下運(yùn)動(dòng)并始終保持水平。在位置B，N極附近的磁感線正好與線圈平面平行。試判斷線圈在位置A、B、C時(shí)感應(yīng)電流的方向。

圖1

教師教學(xué)用書中的解釋為：由于線圈在條形磁鐵的N極附近，所以可以認(rèn)為從A到B的過(guò)程中，線圈中向上的磁通量減小，根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的磁場(chǎng)要阻礙磁通量的減少，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)相同，再根據(jù)右手螺旋定則可知感應(yīng)電流的方向，從上向下看為逆時(shí)針方向。

從B到C的過(guò)程中，線圈中向下的磁通量增加，根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的磁場(chǎng)要阻礙磁通量的增加，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)相反，再根據(jù)右手螺旋定則可知感應(yīng)電流的方向，從上向下看也為逆時(shí)針方向。

1.2 實(shí)驗(yàn)探索

線圈在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流很小，筆者用DIS(數(shù)字化信息系統(tǒng))的微電流傳感器來(lái)測(cè)量。為了方便判定線圈中感應(yīng)電流方向，把線圈固定在鐵架臺(tái)上；為了更好地控制磁鐵運(yùn)動(dòng)，把豎直方向的運(yùn)動(dòng)改為水平方向的運(yùn)動(dòng)。由于磁鐵運(yùn)動(dòng)快慢不影響線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向，所以把磁鐵固定在小車上，調(diào)整導(dǎo)軌的高度，使小車在導(dǎo)軌上勻速滑動(dòng)。如圖2所示，調(diào)節(jié)好實(shí)驗(yàn)裝置，使用傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的電流圖像如圖3所示。

圖2

圖3

由圖3可知：當(dāng)磁鐵勻速經(jīng)過(guò)線圈的過(guò)程中，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向并不像教師教學(xué)用書中的解釋那樣是不變的。分析其原因，當(dāng)磁鐵離線圈較遠(yuǎn)時(shí)，線圈中的磁通量較小，當(dāng)磁鐵靠近線圈時(shí)，線圈中的磁通量增加，根據(jù)楞次定律，從左向右看可判斷感應(yīng)電流為逆時(shí)針方向。但當(dāng)磁鐵N極附近的磁感線與線圈平面快平行的一小段距離內(nèi)，磁通量快速減少，根據(jù)楞次定律，從左向右看可判斷感應(yīng)電流為順時(shí)針方向。當(dāng)磁鐵N極附近的磁感線越過(guò)線圈平面的一小段距離內(nèi)，線圈中的磁通量反向且增加，根據(jù)楞次定律，從左向右看可判斷感應(yīng)電流還是順時(shí)針方向。隨著磁鐵的遠(yuǎn)離，線圈中的反向磁通量減少，根據(jù)楞次定律，從左向右看可判斷感應(yīng)電流為逆時(shí)針方向。

1.3 反思和建議

該習(xí)題所涉及的知識(shí)點(diǎn)為楞次定律，意在用楞次定律判斷閉合回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向。教師在教學(xué)時(shí)很多都是按教師教學(xué)用書中的解釋處理，對(duì)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向沒有仔細(xì)考慮，所以我們教師平時(shí)對(duì)教材還是要具有懷疑的精神。這個(gè)習(xí)題中線圈內(nèi)的磁通量變化對(duì)于教師來(lái)說(shuō)是比較難講解清楚的，學(xué)生可能也不好理解，達(dá)不到練習(xí)目的，建議教科書刪除此題。

2 由題意不嚴(yán)謹(jǐn)造成的問題

2.1 習(xí)題呈現(xiàn)

例2：圖4中的A和B都是鋁環(huán)，環(huán)A是閉合的，環(huán)B是斷開的，橫梁可以繞中間的支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。用磁鐵的任意一極去接近A環(huán)，會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象?把磁鐵從A環(huán)移開，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？磁極移近或遠(yuǎn)離B環(huán)時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？解釋產(chǎn)生的現(xiàn)象。

圖4

教師教學(xué)用書中的解釋為：用磁鐵的任一極(如N極)接近A環(huán)時(shí)，穿過(guò)A環(huán)中的磁通量增加，根據(jù)楞次定律，A環(huán)中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，阻礙磁鐵與A環(huán)接近，A環(huán)將遠(yuǎn)離磁鐵；同理，當(dāng)磁鐵遠(yuǎn)離A環(huán)時(shí)，A環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電流的方向?qū)⒆璧KA環(huán)與磁鐵遠(yuǎn)離，A環(huán)將靠近磁鐵。

由于B環(huán)是斷開的，無(wú)論磁極移近或遠(yuǎn)離B環(huán)，都不會(huì)在B環(huán)中形成感應(yīng)電流，所以B環(huán)將不移動(dòng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)探索

2.2.1 實(shí)驗(yàn)一：用實(shí)驗(yàn)室配備的鋁環(huán)和條形磁鐵

把鋁環(huán)架在支架上，用條形磁鐵來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)A、B兩環(huán)都不動(dòng)。分析其原因：條形磁鐵的磁性不夠強(qiáng)，在靠近或遠(yuǎn)離A環(huán)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流比較弱，在阻力作用下A環(huán)不動(dòng)；B環(huán)是斷開的，更加不會(huì)動(dòng)。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)二：用實(shí)驗(yàn)室配備的鋁環(huán)和強(qiáng)磁鐵

如圖5所示，同樣把鋁環(huán)架在支架上，用強(qiáng)磁鐵來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)A、B兩環(huán)都會(huì)動(dòng)。分析其原因：強(qiáng)磁鐵的磁性較強(qiáng)，在靠近A環(huán)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流將阻礙A環(huán)與磁鐵接近；在離開A環(huán)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流將阻礙A環(huán)與磁鐵遠(yuǎn)離。由于B環(huán)的寬度為1.60cm、厚度為1mm左右，可以看作塊狀導(dǎo)體，在強(qiáng)磁鐵靠近或遠(yuǎn)離B環(huán)時(shí)，環(huán)臂上還是產(chǎn)生了的感應(yīng)電流(渦流)，也會(huì)產(chǎn)生阻礙磁鐵接近或遠(yuǎn)離的作用，B環(huán)也會(huì)動(dòng)。

圖5

圖6

2.2.3 實(shí)驗(yàn)三：自制銅環(huán)和強(qiáng)磁鐵

要達(dá)到教師教學(xué)用書中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述的情況，關(guān)鍵是減弱B環(huán)中產(chǎn)生的渦流，使磁鐵靠近或遠(yuǎn)離B環(huán)時(shí)，B環(huán)不動(dòng)。為此，筆者用硬導(dǎo)線自制了一個(gè)銅環(huán)，并把其架在支架上，用強(qiáng)磁鐵來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，如圖6所示，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)A環(huán)動(dòng)，B環(huán)不動(dòng)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象符合教師教學(xué)用書中的解釋。

2.3 反思和建議

該習(xí)題所涉及的知識(shí)點(diǎn)為楞次定律的應(yīng)用，意在說(shuō)明磁通量變化在閉合回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流引起的安培力對(duì)物體的阻礙作用。如果教師在教學(xué)中只展示實(shí)驗(yàn)一或?qū)嶒?yàn)二就會(huì)讓我們的教學(xué)陷入困境，實(shí)驗(yàn)三可以讓我們的教學(xué)順利開展，或許三個(gè)實(shí)驗(yàn)一起展示，逐步推進(jìn)，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解會(huì)更加深刻。教師要重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的一些問題，多思考，多動(dòng)手，會(huì)有更多收獲。

教科書中的原題所配圖是平面圖，無(wú)法顯示A、B環(huán)的寬度，對(duì)此，筆者提出兩條建議：(1) 在教科書中明確說(shuō)明A、B環(huán)都是寬度很窄的鋁環(huán)；(2) 教師在演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，最好采用類似本文中使用的自制環(huán)，實(shí)驗(yàn)效果會(huì)更好。