基于“磁滯剎車(chē)”現(xiàn)象展開(kāi)的關(guān)于楞次定律教學(xué)的新思路

黃敏+莊洋+趙蕓赫

摘 要：本文從2014年國(guó)際青年物理學(xué)家競(jìng)賽（IYPT）的題目之一——“磁滯剎車(chē)”現(xiàn)象受到啟發(fā)，結(jié)合近年來(lái)在高中階段開(kāi)展的探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，在傳統(tǒng)的楞次定律的教學(xué)中加入演示實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生深入理解楞次定律，同時(shí)設(shè)計(jì)了供學(xué)生進(jìn)行課外探究的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。本文提供了將開(kāi)放性探究競(jìng)賽與教學(xué)相結(jié)合、相互促進(jìn)的新思路，實(shí)現(xiàn)了在高中階段對(duì)于學(xué)生探究性學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)和培養(yǎng)的目的。

關(guān)鍵詞：國(guó)際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽；磁滯剎車(chē)；楞次定律教學(xué)；演示實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）6-0004-4

1 前 言

國(guó)際青年物理學(xué)家競(jìng)賽（IYPT）由前蘇聯(lián)在1988年發(fā)起，由大學(xué)或中學(xué)組織實(shí)施、中學(xué)生參與，是一項(xiàng)以團(tuán)隊(duì)對(duì)抗為形式的物理競(jìng)賽。它以培養(yǎng)參賽者的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力、協(xié)作精神和實(shí)踐能力為根本理念。近年來(lái)，該比賽被引進(jìn)國(guó)內(nèi)，由于國(guó)內(nèi)外的教學(xué)模式不同，該比賽在國(guó)內(nèi)最先是由大學(xué)生參與的，這就是我們熟知的中國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽（CUPT），至今已成功舉辦五屆。最近兩年，在該比賽模式以及大學(xué)生競(jìng)賽中逐漸完善后，此形式逐漸進(jìn)入高中平臺(tái)，在江蘇、天津、北京等地已經(jīng)開(kāi)展。在北京地區(qū)舉辦的北京市高中生物理實(shí)踐性活動(dòng)已經(jīng)成功舉辦兩屆，在今年已有來(lái)自12所高中的18支代表隊(duì)參與，可見(jiàn)此比賽的發(fā)展之迅速。于是筆者開(kāi)始有了關(guān)注此比賽的一些念頭。

寫(xiě)作本文的想法，源自2014年IYPT所提出的一個(gè)問(wèn)題——“磁滯剎車(chē)”，即在一個(gè)豎直放置的非鐵磁性的管中（如銅管）放入一個(gè)磁鐵，相比于自由落體磁鐵會(huì)很緩慢的下落。初步看到這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候，不難想象，這就是楞次定律的體現(xiàn)，這樣貼近高中教學(xué)的內(nèi)容承擔(dān)在如此實(shí)際又有趣的現(xiàn)象上不免讓人覺(jué)得眼前一亮。于是有了將該現(xiàn)象及其探究性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與高中教學(xué)相結(jié)合的想法。由于該比賽引入國(guó)內(nèi)，先進(jìn)入的是大學(xué)生的競(jìng)賽圈，于是筆者聯(lián)系在北京師范大學(xué)曾經(jīng)對(duì)“磁滯剎車(chē)”這一問(wèn)題有過(guò)探究并發(fā)表文章的本科生馬宇翰以及趙蕓赫共同完成此文，以求將教學(xué)和探究這兩點(diǎn)更好的結(jié)合。

通過(guò)對(duì)該比賽的一些了解不難發(fā)現(xiàn)，大多學(xué)生參加該類(lèi)比賽的兩個(gè)困難在于：首先，時(shí)間的缺乏，在高中階段較多課業(yè)，很難再抽出時(shí)間從事額外的探究性學(xué)習(xí)。其次，便是很難將所學(xué)的物理學(xué)知識(shí)遷移到這一類(lèi)實(shí)際問(wèn)題中，即很難實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用。那么，如何解決這樣的問(wèn)題呢？通過(guò)“磁滯剎車(chē)”現(xiàn)象在楞次定律教學(xué)中的應(yīng)用嘗試，我們想要提供解決這個(gè)問(wèn)題的一種試驗(yàn)性方案。在課堂教學(xué)中，滲透該類(lèi)實(shí)際問(wèn)題的同時(shí)，通過(guò)由該問(wèn)題衍生的一系列趣味實(shí)驗(yàn)吸引學(xué)生注意。在完成該內(nèi)容的學(xué)習(xí)后，使得學(xué)生依然有興趣進(jìn)行進(jìn)一步探究。當(dāng)然，相應(yīng)的內(nèi)容要求教師輔以指導(dǎo)。

總的來(lái)說(shuō)，想要結(jié)合探究性的競(jìng)賽和教學(xué)需要教師做到4個(gè)字：“激發(fā)、引導(dǎo)”。激發(fā)是指在相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容完成的同時(shí)，通過(guò)實(shí)際的問(wèn)題提出與有趣的演示實(shí)驗(yàn)抓住學(xué)生的好奇心。引導(dǎo)是指在課后對(duì)所培養(yǎng)的學(xué)生的好奇心進(jìn)行正確的引導(dǎo)，幫助學(xué)生完成課外的探究性實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)在實(shí)際問(wèn)題中的遷移。同時(shí)，也更好地體會(huì)到了課堂所學(xué)物理原理的實(shí)質(zhì)，真正做到學(xué)以致用。

2 教學(xué)過(guò)程的創(chuàng)新與課后探究性學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)

2.1 新課引入——磁鐵吸鋁魔術(shù)

這是一個(gè)能引起學(xué)生思維沖突的實(shí)驗(yàn)，磁鐵能吸引的是鐵鈷鎳等鐵磁性金屬，而對(duì)于鋁是不吸引的。如圖1，我們?cè)谝粋€(gè)底座上固定一個(gè)玻璃管作為隔離管，在玻璃管外面套一個(gè)鋁管，將帶有手柄的柱狀磁鐵插入玻璃管內(nèi)，這樣可以在后續(xù)操作中避免磁鐵與鋁管間摩擦力的影響。當(dāng)向外抽出磁鐵后，鋁管會(huì)跳起，就像被磁鐵所吸引起來(lái)一樣。原理即是，鋁管作為導(dǎo)體可看做一圈圈的閉合回路，磁鐵拔出，鋁管中的磁通量改變產(chǎn)生感應(yīng)電流。楞次定律則告訴我們鋁管會(huì)向著阻礙磁通量變化的狀態(tài)改變。于是拔出速度達(dá)到一定值，產(chǎn)生的吸引力大于鋁管重力時(shí)，鋁管就跳起了。

通過(guò)這樣一個(gè)小魔術(shù)，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下體會(huì)磁鐵不動(dòng)不吸引，磁鐵抽出就吸引這一現(xiàn)象，得到吸引力的產(chǎn)生與磁鐵與鋁管間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)的結(jié)論，為后續(xù)演示實(shí)驗(yàn)作鋪墊。

2.2 演示實(shí)驗(yàn)——概念的深入理解

2.2.1 鋁管車(chē)的運(yùn)動(dòng)

在剛才的魔術(shù)中，磁鐵相對(duì)的鋁管運(yùn)動(dòng)是單向的，為了配合楞次定律判斷電流方向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即讓學(xué)生體會(huì)到磁通量的不同變化方式會(huì)使感應(yīng)電流方向不同，我們?cè)O(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)（如圖2）。

在一個(gè)可以滑動(dòng)的小車(chē)上固定一個(gè)鋁管，用柱狀磁鐵非接觸式插入、拔出鋁管。可以看到，當(dāng)磁鐵插入和拔出時(shí)，小車(chē)相應(yīng)地遠(yuǎn)離磁鐵和跟隨磁鐵運(yùn)動(dòng)。小車(chē)從靜止到運(yùn)動(dòng)，這一運(yùn)動(dòng)的方向就可表明鋁管受力的方向，從而說(shuō)明磁通的不同變化方式產(chǎn)生的力方向不同，進(jìn)而說(shuō)明鋁管內(nèi)感應(yīng)電流方向不同。

2.2.2 托盤(pán)秤指針偏轉(zhuǎn)判斷電流方向

為了進(jìn)一步體會(huì)楞次定律，我們?cè)阡X管車(chē)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了這一實(shí)驗(yàn)。如圖3，在托盤(pán)秤的托盤(pán)上放置一銅管，然后放置好后調(diào)零托盤(pán)秤，此時(shí)托盤(pán)秤的指針指向0點(diǎn)。將帶把的磁鐵插入拔出銅管，將會(huì)看到托盤(pán)指針的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的方向可以反映出銅管的受力情況，即可以反映出感應(yīng)電流方向（需要知道插入的是N極還是S極）。

我們以N級(jí)插入為例，圖中將會(huì)有逆時(shí)針的感應(yīng)電流出現(xiàn)，此時(shí)指針右偏，也就是當(dāng)N極插入時(shí)，我們看到指針右偏，可以說(shuō)明感應(yīng)電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針。相反，拔出時(shí)看到指針左偏，說(shuō)明感應(yīng)電流方向?yàn)轫槙r(shí)針。當(dāng)S極插入和拔出時(shí)，得到的結(jié)論與上述過(guò)程相反。

偏轉(zhuǎn)的大小與插入拔出銅管的速度是相關(guān)的，因?yàn)榘纬鏊俣葲Q定了管中磁通量的變化速度，決定了感應(yīng)電流的大小也就決定了吸引和排斥力的大小。

2.3 “磁滯剎車(chē)”現(xiàn)象及其探究性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

2.3.1 “磁滯剎車(chē)”現(xiàn)象的能量解釋

我們通過(guò)學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)的能量守恒的角度，對(duì)“磁滯剎車(chē)”現(xiàn)象進(jìn)行理論的分析，以此闡釋為什么磁鐵落入銅管或鋁管后速度會(huì)變慢（相對(duì)于自由落體），整個(gè)過(guò)程中不考慮空氣阻力。我們假設(shè)有兩個(gè)相同的磁鐵質(zhì)量為m，以及幾何尺寸相同的銅管和玻璃管各一根，長(zhǎng)度為H，重力加速度為g。將磁鐵分別從管口扔入兩個(gè)管中，我們來(lái)分析這兩個(gè)過(guò)程中能量的變化。

我們把H視作可變量，則在任意高度成立，說(shuō)明銅管中運(yùn)動(dòng)的磁鐵在任意高度的速度都會(huì)小于同樣高度處的玻璃管對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)的磁鐵。這就從高中所學(xué)到的能量守恒的角度解釋了“磁滯剎車(chē)”現(xiàn)象。

2.3.2 探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

我們采用文章[4]中提出的探究“磁滯剎車(chē)”現(xiàn)象的裝置來(lái)作為本研究性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

該裝置用電磁鐵釋放磁鐵避免手釋放的干擾，配重能在保證磁場(chǎng)相同的條件下調(diào)節(jié)磁鐵質(zhì)量，做到了控制變量的要求。

如何測(cè)量磁鐵的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)并最終與理論預(yù)測(cè)匹配是學(xué)生自主設(shè)計(jì)的部分，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考如下問(wèn)題以完成設(shè)計(jì)：1）為了避免鐵磁性材料對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)于銅管的固定等問(wèn)題要注意什么；2）實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑槎刻骄看朋w的運(yùn)動(dòng)，這需要排除每次用手釋放磁鐵的不確定因素，那么應(yīng)采用何種方式釋放磁鐵；3）有關(guān)調(diào)節(jié)磁鐵的初速度的問(wèn)題，讓學(xué)生回顧課堂上教師在管與磁鐵間用玻璃管隔離的方式，發(fā)揮玻璃管在此處的作用；4）磁鐵在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)我們看不到，是否可以將其轉(zhuǎn)化為其他我們可以抓拍的物體的運(yùn)動(dòng)；5）如何在實(shí)驗(yàn)中區(qū)分開(kāi)空氣阻力和磁滯阻力的影響，等等。由此啟發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

3 總結(jié)與展望

本文以“磁滯剎車(chē)”現(xiàn)象在楞次定律教學(xué)中的應(yīng)用為例，找到了適合高中階段教學(xué)與探究性物理競(jìng)賽的聯(lián)系點(diǎn)。文中所提及的3個(gè)以鋁管或銅管作為主體的演示實(shí)驗(yàn)，能較好地抓住學(xué)生的興趣。文章通過(guò)對(duì)能量守恒定律的運(yùn)用，解釋了“磁滯剎車(chē)”現(xiàn)象，說(shuō)明了磁鐵速度減慢是能量守恒的要求。最終通過(guò)借鑒文章《“磁滯剎車(chē)”現(xiàn)象暫態(tài)過(guò)程的研究》中的實(shí)驗(yàn)方法，提出了適合高中生操作的課外探究性實(shí)驗(yàn)步驟。

在進(jìn)一步的教學(xué)研究中，可以細(xì)化該實(shí)驗(yàn)的具體操作。對(duì)于結(jié)合探究性競(jìng)賽和課堂教學(xué)可以進(jìn)一步的嘗試。對(duì)于很多的知識(shí)點(diǎn)，如圓周運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、電磁場(chǎng)中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)等知識(shí)點(diǎn)均可進(jìn)行相應(yīng)的討論與教學(xué)設(shè)計(jì)。

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（欄目編輯 趙保鋼）