基于探究理念的“楞次定律”教學(xué)設(shè)計(jì)

王金文

(北京市第五中學(xué)分校 北京 100009)

尹德利

(北京市東方德才學(xué)校 北京 100025)

筆者在論文“基于探究理念的‘楞次定律’教材編寫(xiě)建議”(待發(fā)表)中用較大篇幅分析了楞次定律教學(xué)難的根源，一個(gè)與教科書(shū)的編寫(xiě)有關(guān)，另一個(gè)與以知識(shí)為中心的教學(xué)理念和教學(xué)評(píng)價(jià)有關(guān)，在此基礎(chǔ)上對(duì) “楞次定律”一節(jié)的教科書(shū)編寫(xiě)提出了自己的幾點(diǎn)粗淺建議．本文基于這一建議，對(duì)楞次定律的教學(xué)進(jìn)程作如下設(shè)計(jì)，力求體現(xiàn)課堂教學(xué)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由特殊到一般，從現(xiàn)象到本質(zhì)的認(rèn)知邏輯，為學(xué)生的合作探究搭設(shè)更多的臺(tái)階．

由于本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容增加了兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)和一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，因此基于探究理念的“楞次定律”的教學(xué)需要兩課時(shí)完成．其中，第1課時(shí)，探究導(dǎo)體棒切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向，得出右手定則，并從力和運(yùn)動(dòng)、功和能的角度分析導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)，初步建立“感應(yīng)電流的效果是阻礙導(dǎo)體棒(或閉合線圈)與磁鐵間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種‘阻礙’是能量守恒定律對(duì)電磁感應(yīng)的內(nèi)在要求”的認(rèn)識(shí)．第2課時(shí)，在初步認(rèn)識(shí)感應(yīng)電流的效果是“阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)”的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探究條形磁鐵插入、拔出閉合線圈的過(guò)程中感應(yīng)電流的方向以及感生電流方向的變化規(guī)律，得出楞次定律．

1 教學(xué)流程圖

教學(xué)流程圖如圖1所示.

圖1 教學(xué)流程

2 教學(xué)過(guò)程

1.1 第1課時(shí) 探究感應(yīng)電流的方向

(1) 復(fù)習(xí)感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探究感應(yīng)電流的方向．

(2)引導(dǎo)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)器材找出影響感應(yīng)電流方向的因素都有哪些？

(3)明確電流的方向與靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向的關(guān)系．

學(xué)生活動(dòng)：現(xiàn)在每個(gè)實(shí)驗(yàn)桌上都有一節(jié)舊的干電池，請(qǐng)同學(xué)們用試觸法確定電流方向與電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向的關(guān)系．

結(jié)論：電流“+”進(jìn)“右偏”， “—”進(jìn)“左偏”．

(4)小組合作探究閉合電路的部分導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)感應(yīng)電流方向的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)儀器連接的電路如圖2所示．

圖2 探究感應(yīng)電流方向的實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

教師指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)記錄單上畫(huà)出每種實(shí)驗(yàn)情境下的側(cè)視圖(圖3)或俯視圖(圖4)，做好實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄，并注意控制變量．建議學(xué)生按照?qǐng)D4的方式記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，因?yàn)橛虚]合回路，方便后面的分析．

圖3 側(cè)視圖

圖4 俯視圖

(5)引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)記錄，“發(fā)現(xiàn)”動(dòng)生電流方向的規(guī)律——右手定則．

感應(yīng)的電流方向與磁場(chǎng)方向、導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)方向都有關(guān)系．同學(xué)們能否找到一個(gè)像判斷安培力方向的左手定則那樣，找到一個(gè)既方便記憶又方便判斷感應(yīng)電流方向的定則呢？

(6)引導(dǎo)學(xué)生從力和運(yùn)動(dòng)的角度分析導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)情況．

導(dǎo)體棒切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)體棒處在磁場(chǎng)中，必然要受到安培力作用．請(qǐng)同學(xué)們判斷安培力的方向，并說(shuō)明它對(duì)導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)起什么作用？

說(shuō)明：通過(guò)本步驟，“阻礙作用”自然而然就出來(lái)了．如果沒(méi)有這個(gè)分析基礎(chǔ)，直接分析條形磁鐵插入、拔出閉合螺線管回路，感應(yīng)電流的阻礙作用學(xué)生就很難意識(shí)到，讓學(xué)生理解這種阻礙作用是阻礙穿過(guò)閉合線圈的磁通量的變化，困難就更大了．

(7)引導(dǎo)學(xué)生從功和能的角度分析電磁感應(yīng)現(xiàn)象．

安培力對(duì)導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)為什么是阻礙作用而不是推動(dòng)作用．如果是推動(dòng)作用會(huì)怎樣呢？

(8)揭示“阻礙”的本質(zhì)——能量轉(zhuǎn)化與守恒定律在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的具體體現(xiàn)．

在磁場(chǎng)方向不變時(shí)，導(dǎo)體棒所受安培力的方向是由感應(yīng)電流的方向決定的．因此安培力對(duì)導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)的阻礙作用也可以認(rèn)為是感應(yīng)電流對(duì)導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)的阻礙作用．因此，可以說(shuō)，感應(yīng)電流的方向是受能量守恒定律的約束．

(9)演示并解釋“楞次環(huán)實(shí)驗(yàn)”(圖5)．

圖5 楞次環(huán)實(shí)驗(yàn)

呈現(xiàn)“楞次環(huán)”實(shí)驗(yàn)裝置，先讓學(xué)生猜想：先后將條形磁鐵插入閉合鋁環(huán)和非閉合鋁環(huán)中，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象，然后教師演示“楞次環(huán)實(shí)驗(yàn)”，并讓學(xué)生思考、解釋這個(gè)現(xiàn)象．

1.2 第2課時(shí) 探究感應(yīng)電流的方向

1.2.1 探究條形磁鐵插入拔出閉合線圈過(guò)程中感應(yīng)電流的方向

(1)認(rèn)識(shí)右手定則的局限性，激發(fā)學(xué)生尋找較為普適的判斷方法

教師演示圖6的實(shí)驗(yàn)．問(wèn)：這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，感應(yīng)電流的方向能否用右手定則直接判斷呢？難度有點(diǎn)大，有必要尋找比右手定則更普適的判斷感應(yīng)電流方向的方法．

圖6 教師演示實(shí)驗(yàn)

(2)引導(dǎo)學(xué)生利用“感應(yīng)電流的效果阻礙導(dǎo)體與磁體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)”判斷．

1)按照?qǐng)D7的4種情況順序先完成甲、乙、丙3種情況下的實(shí)驗(yàn)記錄(注意在圖7上根據(jù)電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向標(biāo)出感應(yīng)電流的方向和閉合線圈的環(huán)繞方向)．

圖7 感應(yīng)電流的效果阻礙導(dǎo)體(線圈)與磁體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)

2)引導(dǎo)學(xué)生分析甲、乙、丙3種情況下感應(yīng)電流對(duì)磁鐵運(yùn)動(dòng)的影響，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)感應(yīng)電流阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)．

要求學(xué)生根據(jù)感應(yīng)電流的方向在圖7甲、乙、丙3個(gè)圖上標(biāo)出“通電”螺線管的N，S極，并說(shuō)明3種情況下“通電”螺線管對(duì)條形磁鐵的作用力方向及對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響．

3)根據(jù)感應(yīng)電流產(chǎn)生的效果總是“阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)”的思想在圖7丁的情形下標(biāo)出螺線管的N極、 S極，然后根據(jù)右手螺旋定則確定感應(yīng)電流的方向．并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的判斷．

1.2.2 探究判斷感應(yīng)電流方向的普適方法

(1)打破學(xué)生剛剛建立的認(rèn)知平衡，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探究更為普適的判斷感應(yīng)電流方向的方法．

提出問(wèn)題：在圖8所示的電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)或閉合的瞬間，我們觀察到線圈B回路中有感應(yīng)電流產(chǎn)生；閉合開(kāi)關(guān)以后，當(dāng)線圈A不動(dòng)，左右調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑片，線圈B中也有感應(yīng)電流產(chǎn)生．這個(gè)電流不是由于導(dǎo)體(線圈)與磁體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，而是由于磁場(chǎng)的變化產(chǎn)生的，這種電流叫作感生電流．感生電流的方向顯然不能用阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法來(lái)確定．那么有沒(méi)有更普適的方法來(lái)確定感應(yīng)電流的方向呢？

圖8 實(shí)驗(yàn)電路

(2)引導(dǎo)學(xué)生從磁通量變化的角度繼續(xù)分析圖7的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．

我們知道，感應(yīng)電流的產(chǎn)生是由于閉合回路中磁通量發(fā)生了變化．同學(xué)們能否從磁通量變化的角度分析感應(yīng)電流產(chǎn)生的效果呢？仍以圖7中4種情形為例進(jìn)行分析．請(qǐng)同學(xué)們?cè)诩住⒁?、丙、?種情況下的線圈中．分別用不同顏色的筆畫(huà)出條形磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁感線和感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁感線，并標(biāo)出其方向．注意尋找二者方向變化的規(guī)律．

從圖9中，學(xué)生很容易看出：條形磁鐵靠近線圈時(shí)，條形磁鐵的磁感線與感應(yīng)電流的磁場(chǎng)的磁感線方向相反；條形磁鐵離開(kāi)線圈時(shí)，條形磁鐵的磁感線與感應(yīng)電流的磁場(chǎng)磁感線方向相同．

圖9 條形磁鐵靠近或離開(kāi)線圈磁感線示意圖

教師追問(wèn)：條形磁鐵靠近或遠(yuǎn)離線圈時(shí)，穿過(guò)線圈的磁通量有什么變化？學(xué)生：條形磁鐵靠近線圈時(shí)，穿過(guò)線圈的磁通量增加；遠(yuǎn)離線圈時(shí)，穿過(guò)線圈的磁通量減少．

教師指出，為了總結(jié)的方便，我們把條形磁鐵的磁場(chǎng)稱為原磁場(chǎng)，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)稱為感應(yīng)磁場(chǎng)．于是，上面的實(shí)驗(yàn)規(guī)律換一種說(shuō)法就是：當(dāng)穿過(guò)閉合回路的磁通量增加時(shí)，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)方向相反；當(dāng)穿過(guò)閉合回路的磁通量減少時(shí)，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相同．為了方便記憶，我們將這句話概括為“增反減同”．

(3)引導(dǎo)學(xué)生分析導(dǎo)體棒切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)的方向是否滿足“增反減同”的規(guī)律．

這個(gè)規(guī)律是不是具有普遍性呢？請(qǐng)同學(xué)們繼續(xù)分析導(dǎo)體棒切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)的方向關(guān)系．如圖10所示．

圖10 導(dǎo)體切割磁感線的規(guī)律

注意提醒學(xué)生，從磁通量變化的角度分析感應(yīng)電流的方向，首先需要確定研究對(duì)象是哪個(gè)閉合回路，然后才能用右手螺旋定則確定感應(yīng)電流的方向或者感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向．

(4)研究雙螺線管電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)(圖8)中感生電流的方向是否滿足“增反減同”的規(guī)律．

讓學(xué)生連接好圖8所示的實(shí)驗(yàn)電路．注意弄清線圈A的環(huán)繞方向及勵(lì)磁電流的方向，線圈B的環(huán)繞方向及靈敏電流計(jì)的“+”“—”接線柱分別與線圈B的哪兩個(gè)接線柱連接．

將開(kāi)關(guān)閉合(線圈回路磁通量增加)，觀察電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)方向，并在線圈B上標(biāo)出感應(yīng)電流的方向．根據(jù)右手螺旋定則確定勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)(原磁場(chǎng))方向與感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)(感應(yīng)磁場(chǎng))的方向是否相反．

然后斷開(kāi)開(kāi)關(guān)(通過(guò)線圈的磁通量減少)，觀察電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)方向并在線圈B上標(biāo)出，然后確定感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向是否與原磁場(chǎng)方向相同．

(5)閉合開(kāi)關(guān)，移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，增大或減小流過(guò)線圈A的勵(lì)磁電流，注意觀察電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)方向，并在線圈B上標(biāo)出感應(yīng)電流的方向，再次確認(rèn)感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向是否滿足“增反減同”的規(guī)律．

(6)實(shí)驗(yàn)歸納．

不管是由于導(dǎo)體相對(duì)磁體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流還是磁場(chǎng)變化產(chǎn)生的感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)的方向都符合“增反減同”的規(guī)律，說(shuō)明這是個(gè)普遍規(guī)律．有了這個(gè)規(guī)律，一旦知道了原磁場(chǎng)的方向和回路磁通量的變化，我們就可以確定感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向，然后根據(jù)右手螺旋定則進(jìn)一步確定感應(yīng)電流的方向．

(7)深入認(rèn)識(shí)感應(yīng)電流的“阻礙”效果．

對(duì)于由導(dǎo)體和磁體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，其效果是阻礙導(dǎo)體與磁體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；對(duì)于由磁場(chǎng)的變化產(chǎn)生的感應(yīng)電流，其“阻礙”效果又該如何理解呢？原來(lái)，當(dāng)穿過(guò)閉合回路的磁通量增加時(shí)，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相反，這時(shí)感應(yīng)電流的磁場(chǎng)起到一個(gè)“抵消”作用，阻礙了磁通量的增加；而當(dāng)穿過(guò)閉合回路的磁通量減少時(shí)，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相同，這時(shí)感應(yīng)電流的磁場(chǎng)起到一個(gè)“補(bǔ)償”作用，阻礙了磁通量的減少．用一句話來(lái)概括，就是感應(yīng)電流的效果，總是阻礙磁通量的變化．需要注意的是，感應(yīng)電流的這種“阻礙”卻不是“阻止”，因?yàn)?，如果阻止了磁通量的變化，也就不?huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，這種阻礙作用也就不會(huì)發(fā)生．

(8)楞次定律的表述．引導(dǎo)學(xué)生閱讀教科書(shū)上關(guān)于楞次定律的表述內(nèi)容．

說(shuō)明：從動(dòng)生電流到感生電流，科學(xué)探究由淺入深，層層遞進(jìn)，降低了探究的“臺(tái)階”，破解了“楞次定律”教學(xué)的“老大難”問(wèn)題．探究過(guò)程中，“阻礙”一詞的得出顯得非常自然，“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)”這個(gè)中介也順勢(shì)而出．隨著探究的逐步深入，學(xué)生對(duì)感應(yīng)電流阻礙效果的認(rèn)識(shí)也由具體到抽象，由現(xiàn)象到本質(zhì)，越來(lái)越深刻．