基于實驗探究的“楞次定律”教學(xué)設(shè)計與實施

屠旭濱

摘 要：實驗探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容。楞次定律的教學(xué)，可以運用實驗導(dǎo)入新課、探究規(guī)律和拓展應(yīng)用， 課堂上所有實驗活動的安排，都是為楞次定律的探究、理解和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。讓學(xué)生充分經(jīng)歷分組實驗的探究過程，通過問題的導(dǎo)引，引導(dǎo)學(xué)生猜想并進(jìn)行科學(xué)推理，總結(jié)出感應(yīng)電流方向所遵循的一般規(guī)律，提高學(xué)生分析、歸納、概括及表述能力。讓學(xué)生應(yīng)用規(guī)律解釋系列性的演示實驗現(xiàn)象， 從不同角度加深對“阻礙”的理解，體會楞次定律的多樣統(tǒng)一性，提高學(xué)生解釋實驗現(xiàn)象和解決實際問題的能力。

關(guān)鍵詞：實驗探究；楞次定律；分組實驗；演示實驗

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）10-0064-5

實驗探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，實驗可以激發(fā)興趣、創(chuàng)設(shè)情景、探究規(guī)律、驗證理論。筆者有幸參加了第二屆全國實驗教學(xué)說課比賽，闡釋了楞次定律的實驗教學(xué)設(shè)計，獲得了評委的一致好評。在此，向各位同仁介紹基于實驗探究的楞次定律教學(xué)內(nèi)容和過程。

1 實驗教學(xué)設(shè)想

楞次定律作為高中階段最為綜合、最為抽象的一個物理規(guī)律，既是高中物理的一個教學(xué)重點，又是一個教學(xué)難點。該內(nèi)容具有以下幾個特點： 規(guī)律的抽象性——涉及因素多，關(guān)系復(fù)雜，規(guī)律比較隱蔽， 抽象性和概括性很強；思維的思辨性——感應(yīng)電流磁場和磁通量變化是一種辯證的“阻礙”關(guān)系；內(nèi)容的綜合性——既綜合了前面所學(xué)的電學(xué)內(nèi)容，又綜合了前面所學(xué)的力學(xué)內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容通過分組實驗的探究過程，概括和理解楞次定律，通過演示實驗的現(xiàn)象解釋， 進(jìn)一步理解和應(yīng)用楞次定律。

讓學(xué)生充分經(jīng)歷楞次定律的實驗探究過程，通過問題的導(dǎo)引，引導(dǎo)學(xué)生猜想并進(jìn)行科學(xué)推理，以感應(yīng)電流的磁場方向為“中介”，總結(jié)出感應(yīng)電流方向所遵循的一般規(guī)律，提高學(xué)生分析、歸納、概括及表述的能力。在探究楞次定律后，讓學(xué)生應(yīng)用規(guī)律解釋系列性的演示實驗現(xiàn)象， 讓學(xué)生從不同角度加深理解“阻礙”的內(nèi)涵，體會楞次定律的多樣統(tǒng)一性，提高學(xué)生解釋實驗現(xiàn)象和解決實際問題的能力。通過分組實驗的探究和演示實驗的解釋，給予學(xué)生充分實驗、思考、表達(dá)的機會和時間，體會實驗與思維相結(jié)合的科學(xué)方法，提高手腦結(jié)合探索學(xué)習(xí)的能力，提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

實驗是研究和學(xué)習(xí)物理的基本方法，依據(jù)教材內(nèi)容的特點和學(xué)生的認(rèn)知水平，在楞次定律的教學(xué)中，我們選擇的教學(xué)方法是：以實驗為基礎(chǔ)，以思維為中心，以問題為導(dǎo)引。課堂上所有實驗活動的安排，都是為楞次定律的探究、理解和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)； 所有實驗問題的設(shè)計，都是為了促進(jìn)學(xué)生的思維活動，都是基于學(xué)生思維的發(fā)展。楞次定律的教學(xué)內(nèi)容，包括規(guī)律的探究、理解和應(yīng)用，基于上述教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的分析，我們設(shè)定的基于實驗探究的楞次定律教學(xué)目標(biāo)是：

物理觀念

（1）形成感應(yīng)電流的磁場與磁通量的變化是“阻礙”關(guān)系的認(rèn)識。

（2）會用楞次定律判斷感應(yīng)電流的方向。

（3）體會磁生電過程符合能量轉(zhuǎn)化和守恒。

科學(xué)思維

（4）根據(jù)實驗現(xiàn)象的觀察和記錄，引導(dǎo)猜想，歸納總結(jié)感應(yīng)電流磁場與磁通量變化的關(guān)系。

（5）體會感應(yīng)電流磁場和磁通量變化是一種辯證的“阻礙”關(guān)系。

實驗探究

（6）通過設(shè)計分組實驗方案，在表格中記錄和分析四種實驗結(jié)果，概括出楞次定律。

（7）通過解釋四個系列性的演示實驗現(xiàn)象，從不同角度理解“阻礙”的內(nèi)涵。

科學(xué)態(tài)度和責(zé)任

（8）通過“魔戒”趣味實驗激發(fā)好奇心和求知欲，基于實驗證據(jù)和邏輯推理嘗試概括楞次定律。

2 實驗教學(xué)過程

為了達(dá)成上述實驗教學(xué)目標(biāo)，突破實驗教學(xué)的重難點，把楞次定律的實驗教學(xué)過程分為以下三個環(huán)節(jié)：

2.1 實驗激趣，引出研究課題——設(shè)計趣味實驗， 激發(fā)興趣，引出課題

“魔戒”實驗：淘寶網(wǎng)上購買了兩個外觀相同的戒指，一根銅管， 如圖1和2所示。普通戒指套在銅管外面靜止釋放，下落很快，磁性戒指下落很慢，這是什么原因呢？ 這個實驗與傳統(tǒng)的落磁實驗有兩點不同，一是戒指套在銅管外面下落，看得見；二是用兩個外觀一樣戒指做實驗，有神秘感，留下懸念。

2.2 實驗探究，發(fā)現(xiàn)和表述規(guī)律——設(shè)計探究實驗，主動探究，得出規(guī)律

（1）觀察思考，提出問題

觀察思考：演示磁鐵插拔螺線管實驗，如圖3所示，同樣是插入，N極朝下時和S極朝下時，指針偏轉(zhuǎn)方向不同；同樣是N極朝下，插入時和拔出時，指針偏轉(zhuǎn)方向也不同。

提出問題：感應(yīng)電流的方向到底滿足怎樣的規(guī)律？

（2）引導(dǎo)猜想，設(shè)計方案

引導(dǎo)猜想：引導(dǎo)學(xué)生猜想，影響感應(yīng)電流方向的可能因素有哪些？（學(xué)生經(jīng)過思考、討論，抽象出兩個本質(zhì)因素：磁通量的變化和磁場的方向）。

設(shè)計方案：根據(jù)每個因素分別有兩種可能方向和兩種變化趨勢，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計出如圖4所示的四種實驗情景，再讓學(xué)生分組進(jìn)行實驗，并完成如圖5所示的四種實驗情況的記錄（標(biāo)出磁鐵的極性、磁鐵的運動方向和感應(yīng)電流的方向）。

（3）分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律

初探規(guī)律：為了直觀分析實驗數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生把四種實驗結(jié)果記錄在表格中，如表1所示，請學(xué)生分析表格中磁通量的變化、磁鐵的磁場方向、感應(yīng)電流的方向三者之間的關(guān)系，看看能否概括出規(guī)律？學(xué)生嘗試概括規(guī)律后發(fā)現(xiàn)不能找到這三者之間的明確關(guān)系，此時，鼓勵學(xué)生堅信自然規(guī)律是簡單的，只是關(guān)系更隱蔽。

引進(jìn)“中介”：能不能采用“迂回戰(zhàn)術(shù)”，引進(jìn)一個“中介”，通過“中介”找一找它們的間接關(guān)系呢？回顧磁現(xiàn)象中的相互作用，磁體和磁體、電流和磁體以及電流和電流之間都是通過磁場發(fā)生相互作用的，進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生，感應(yīng)電流有沒有磁場？自然地引出“感應(yīng)電流的磁場方向”這個物理量。根據(jù)右手螺旋定則可知，感應(yīng)電流的磁場方向可以充當(dāng)感應(yīng)電流方向的中介。接著，把學(xué)生的研究思路轉(zhuǎn)移到尋找感應(yīng)電流的磁場方向、磁鐵的磁場方向、磁通量的變化這三者之間的關(guān)系上來。endprint

再探規(guī)律：如表2所示，在表1上增加第5列（感應(yīng)電流磁場B的方向），然后刪除第4列（感應(yīng)電流的方向），最后再補上第6列（感應(yīng)電流磁場B與磁鐵的磁場B的方向關(guān)系）。

發(fā)現(xiàn)規(guī)律：磁通量增加時，感應(yīng)電流的磁場方向跟原磁場方向相反；磁通量減少時，感應(yīng)電流的磁場方向跟原磁場方向相同，歸納為“增反減同”。

（4）呈現(xiàn)框圖，表述規(guī)律

歸納概括：物理學(xué)追求最簡潔的語言，兩句話能否整合成一句話呢？基于這樣的思想，再去分析感應(yīng)電流磁場的作用——感應(yīng)電流的磁場總要阻礙磁通量的變化。這樣，就可將“增反減同”四個字進(jìn)一步提煉濃縮為“阻礙”兩個字，實現(xiàn)了高度概括。

呈現(xiàn)框圖：教師引導(dǎo)學(xué)生用框圖來概括這種復(fù)雜的邏輯關(guān)系，如圖6所示，使知識的結(jié)構(gòu)變得更加清晰、簡明，幫助學(xué)生理解與建構(gòu)知識。

表述規(guī)律：學(xué)生用自己的語言進(jìn)行表述，再對照框圖閱讀教材文本，促進(jìn)對規(guī)律的理解。通過實驗探究，得出了判斷感應(yīng)電流方向的規(guī)律——感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，磁通量的變化是“因”，而感應(yīng)電流的產(chǎn)生是“果”，“結(jié)果”阻礙“原因”。

2.3 實驗拓展，理解和應(yīng)用規(guī)律——設(shè)計拓展實驗，創(chuàng)設(shè)情景，掌握規(guī)律

拓展實驗1：判斷感應(yīng)電流的方向——理解“阻礙磁通量變化”

用如圖7和8所示的自制實驗裝置演示，磁鐵上下振動時二極管交替發(fā)光，利用這個情景請學(xué)生用楞次定律判斷感應(yīng)電流的方向。先理論分析，再實驗驗證，最后請學(xué)生總結(jié)應(yīng)用楞次定律判斷感應(yīng)電流方向的具體步驟。

拓展實驗2：分析磁鐵和鋁環(huán)之間的相互作用——理解“阻礙相對運動”

如圖9所示，可自由擺動的閉合鋁環(huán)豎直懸掛，強磁鐵N極靠近和遠(yuǎn)離閉合鋁環(huán)時分別有什么現(xiàn)象呢？ 調(diào)換極性，S極靠近和遠(yuǎn)離閉合鋁環(huán)，結(jié)果是否相反呢？ 可謂是相見時難別也難，這個“來拒去留”現(xiàn)象請學(xué)生用楞次定律解釋。如果把鋁環(huán)做得很長，做成鋁管，這就是導(dǎo)入新課時的“魔戒”實驗，原來下落很慢的是磁性戒指，因為一直有阻礙，所以下落很慢。

拓展實驗3：分析電磁阻尼現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化——理解“電磁感應(yīng)符合能量守恒”

磁鐵上下振動，二極管交替發(fā)光了，產(chǎn)生了電能；磁鐵靠近和遠(yuǎn)離閉合鋁環(huán)，鋁環(huán)擺動了，增加了動能，這兩個電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能量是如何轉(zhuǎn)化呢？ 磁鐵上下振動后，把圖7中的開關(guān)K閉合，振動很快就停下來。請學(xué)生用楞次定律解釋如圖10所示的電磁阻尼現(xiàn)象。

拓展實驗4：分析電磁感應(yīng)的綜合應(yīng)用現(xiàn)象——理解“結(jié)果阻礙原因”

用如圖11所示的自制實驗裝置演示電磁感應(yīng)的綜合應(yīng)用現(xiàn)象（兩根銅管固定，另兩根銅管可自由滾動，當(dāng)磁鐵插入時銅管靠攏，磁鐵拔出時銅管分開），請學(xué)生用楞次定律分析這個“增縮減擴(kuò)”現(xiàn)象。理論分析很復(fù)雜，實驗演示很直觀，這個“增縮減擴(kuò)”現(xiàn)象也反映了楞次定律的更深層含義——結(jié)果阻礙原因。

通過上述四個拓展實驗的設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生從不同角度理解“阻礙”的內(nèi)涵，使學(xué)生深刻理解楞

次定律內(nèi)涵的多樣統(tǒng)一性（如圖12所示），幫助

實驗是物理學(xué)的基礎(chǔ)，實驗也是學(xué)物理的基礎(chǔ)。楞次定律的教學(xué)，可以運用實驗導(dǎo)入新課，運用實驗探究規(guī)律，運用實驗拓展應(yīng)用， 以實驗為基礎(chǔ)，以思維為中心，以問題為導(dǎo)引，促進(jìn)學(xué)生在實驗中動腦思考。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯 鄧 磊）endprint