楞次定律雙管對(duì)比實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

潘天文 肖禹 呂華平

摘 要：本文介紹了對(duì)傳統(tǒng)楞次定律演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，將銅管切割成約5 cm長(zhǎng)一段的銅環(huán)，每個(gè)間隔約2 cm套在兩個(gè)相同的透明塑料管上，可以觀察到強(qiáng)磁鐵在銅管中的下落情況。用螺線管等效代替銅環(huán)，借助傳感器，將磁鐵在螺線管中的下落情況展示出來(lái)。

關(guān)鍵詞：楞次定律；雙管實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；傳感器

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（2018）9-0049-3

1 引 言

1834年俄國(guó)物理學(xué)家楞次得出這樣一個(gè)結(jié)論：感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。這也就是著名的楞次定律。目前演示楞次定律的裝置有很多種：

a.在各個(gè)版本的物理教材中，大多采用磁鐵插入和拔出線圈，利用電流表或者檢流計(jì)觀察感應(yīng)電流方向。這種實(shí)驗(yàn)方式現(xiàn)象直觀明顯，突出感應(yīng)電流的方向問(wèn)題，但是對(duì)于“阻礙”這一現(xiàn)象的演示不明顯。中學(xué)生抽象思維能力不完善，很容易對(duì)此產(chǎn)生錯(cuò)誤的理解。

b.楞次環(huán)演示儀：觀察磁鐵插入和拔出閉合金屬環(huán)以及不閉合金屬環(huán)時(shí)，整個(gè)裝置的偏轉(zhuǎn)狀況。該實(shí)驗(yàn)裝置能夠很好地演示出“阻礙”現(xiàn)象，但是卻無(wú)法展現(xiàn)金屬環(huán)中電流的方向，雖能激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但對(duì)于感應(yīng)電流方向規(guī)律的探究沒(méi)有很明顯的作用。

c.傳統(tǒng)雙管對(duì)比實(shí)驗(yàn)：通過(guò)演示磁鐵在塑料管與金屬管中的下落情況，讓學(xué)生知道磁鐵在金屬管中下落會(huì)受到阻力。但是，由于金屬管和透明管內(nèi)壁不同，而且金屬管不透明，學(xué)生很難想象出磁鐵在金屬管中到底是如何運(yùn)動(dòng)的。并且，傳統(tǒng)雙管實(shí)驗(yàn)也無(wú)法展現(xiàn)磁鐵下落時(shí)金屬管中感應(yīng)電流的變化。

為了解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的各種局限性問(wèn)題，我們基于傳統(tǒng)雙管實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的楞次定律演示儀，可以讓學(xué)生直接觀察到磁鐵在金屬管中的大致下落情況，并且借助傳感器展現(xiàn)電流的變化情況。

2 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成與設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

16 mm×6 mm釹鐵硼圓形磁片若干；長(zhǎng)1 m、內(nèi)徑2.4 cm、外徑3 cm的透明塑料管2個(gè)；長(zhǎng)約5 cm、內(nèi)徑3.1 cm、外徑3.5 cm的銅管14個(gè)；20 cm×30 cm×7 cm木質(zhì)底座一個(gè)；不銹鋼支架1套；螺線管1個(gè)；傳感器1套；導(dǎo)線若干；膠水若干。

2.2 裝置組裝

將銅環(huán)以約2 cm間隔套在其中一個(gè)透明塑料管上，用膠水固定，將兩個(gè)塑料管通過(guò)不銹鋼支架固定在底座上，將傳感器與螺線管相連。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1和圖2所示。

2.3 數(shù)據(jù)展現(xiàn)

理論上磁鐵的磁性越強(qiáng)磁鐵下落的越慢，但我們選擇的是磁片組合，磁性越強(qiáng)也就意味著重力越大。為了在演示實(shí)驗(yàn)中，使磁鐵在銅管中下落緩慢的現(xiàn)象明顯，演示效果達(dá)到最好，我們事先進(jìn)行了測(cè)試，下落時(shí)間的測(cè)試結(jié)果如表1所示，螺線管中產(chǎn)生感應(yīng)電流的大小和方向的結(jié)果如圖3所示。在下落時(shí)間差值一定的范圍內(nèi)，我們選擇磁鐵數(shù)量多的一組，這樣下落的磁鐵較大，更容易觀察。

3 課堂應(yīng)用

楞次定律在高中教學(xué)中既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，想讓學(xué)生真正掌握、細(xì)致了解這個(gè)物理規(guī)律，就要讓學(xué)生透過(guò)現(xiàn)象看到本質(zhì)，所以在教學(xué)設(shè)計(jì)中，該實(shí)驗(yàn)裝置分別以設(shè)置懸念和解決懸念的方式出現(xiàn)兩次。

3.1 作為懸念問(wèn)題放置在課堂的開(kāi)始

新課開(kāi)始之前，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磁鐵在銅管中下落變慢，這與學(xué)生已有的認(rèn)知產(chǎn)生沖突。學(xué)生知道自由下落的物體從相同高度下落用的時(shí)間應(yīng)該是相同的，在這樣一個(gè)認(rèn)知沖突下引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么磁鐵下落會(huì)變慢呢？誰(shuí)阻礙了它的運(yùn)動(dòng)？它是受到了什么性質(zhì)的阻力呢？讓學(xué)生在腦海中形成對(duì)于該問(wèn)題的模型建構(gòu)，有效培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力。通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，激發(fā)學(xué)生對(duì)于本節(jié)課的學(xué)習(xí)興趣和強(qiáng)烈的求知欲望，并能積極主動(dòng)地參與到課堂中來(lái)。 3.2 探究得出楞次定律后利用楞次定律解決懸念問(wèn)題

通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究得出楞次定律之后，如何讓學(xué)生理解“阻礙”的含義就是本節(jié)課的重點(diǎn)，同時(shí)也是難點(diǎn)內(nèi)容。新課標(biāo)提出物理教學(xué)應(yīng)該從“重結(jié)果，輕過(guò)程”向“重結(jié)果，更重過(guò)程”轉(zhuǎn)變，那么對(duì)于楞次定律中的“阻礙”的理解作為重難點(diǎn)也就不容置疑了。

我們用螺線管等效代替其中一塊銅管，以其中一個(gè)磁鐵下落為例，借助傳感器將電路中感應(yīng)電流的方向展現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)圖像（如圖4所示）發(fā)現(xiàn)，磁鐵從螺線管中下落產(chǎn)生了兩個(gè)方向相反的電流。其實(shí)，它就是一個(gè)磁鐵的插入和拔出過(guò)程，那也就是磁通量的增加和減少過(guò)程。學(xué)生通過(guò)剛剛學(xué)習(xí)的楞次定律，很容易就能得出無(wú)論是磁通量的增加，還是減少，都會(huì)受到阻礙作用這樣一個(gè)結(jié)論，那么無(wú)論是磁鐵進(jìn)入螺線管還是離開(kāi)螺線管都受阻力。所以在一個(gè)接著一個(gè)的銅管中也是一樣，整體表現(xiàn)就是下落變慢的過(guò)程。在這樣一個(gè)過(guò)程中，學(xué)生先從物理學(xué)的視角對(duì)該現(xiàn)象有了基本認(rèn)識(shí)，那么接下來(lái)對(duì)于楞次定律的本質(zhì)屬性的探究也會(huì)變得容易很多。

4 教學(xué)效果

4.1 實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比明顯

該雙管實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，能夠最大程度地體現(xiàn)差異性。在器材的處理上，選用銅管的原因是其相當(dāng)于密螺線管，而且內(nèi)阻較小，“阻礙”效果明顯。我們將銅管套在塑料管外，使得兩個(gè)管內(nèi)的環(huán)境是相同的，排除干擾。最值得一提的就是我們將銅管截成銅環(huán)，通過(guò)銅環(huán)與銅環(huán)之間的間隔學(xué)生可以觀察到磁鐵在銅管中下落的大致情況。

4.2 活躍學(xué)生思維，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

該實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)在于生動(dòng)有趣，富有懸念，我們可以充分利用這一點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的好奇心。課堂開(kāi)始的懸念問(wèn)題從學(xué)生已有的知識(shí)基礎(chǔ)和生活經(jīng)驗(yàn)入手，讓學(xué)生充分討論，大膽猜想，啟發(fā)式、討論式等教學(xué)方法的運(yùn)用，能夠控制學(xué)生的好奇心，激發(fā)求知欲，啟發(fā)學(xué)生思考問(wèn)題。創(chuàng)新正植根于這樣生動(dòng)活潑的思維活動(dòng)中。

4.3 培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)素養(yǎng)

該裝置可以充分利用物理實(shí)驗(yàn)的演示特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致入微的觀察能力。該裝置中銅環(huán)與銅環(huán)之間的間隔不大，學(xué)生的觀察就需要十分仔細(xì)。而且得到的電流波形圖是有差異存在的，正向電流與反向電流的峰值是不同的，雖不是本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容，但可以以此來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力。觀察是非常重要的科學(xué)品質(zhì)，在教學(xué)過(guò)程中我們既要教會(huì)學(xué)生細(xì)致地觀察實(shí)驗(yàn)儀器，更要要求他們細(xì)致入微地觀察操作的過(guò)程、實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)裝置都可以實(shí)現(xiàn)。學(xué)生的觀察和分析能力得到提升，嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)素養(yǎng)也就逐步形成。

4.4 培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和實(shí)踐能力

通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。本節(jié)課的教學(xué)中，該實(shí)驗(yàn)裝置我們?cè)O(shè)置其出現(xiàn)兩次，問(wèn)題情境的設(shè)置以及解決情境問(wèn)題的設(shè)置可以啟發(fā)學(xué)生慢慢學(xué)會(huì)自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，自己動(dòng)手解決問(wèn)題。物理學(xué)家海森堡說(shuō)過(guò)：“提出正確的問(wèn)題，往往等于解決了問(wèn)題的大半”。在不斷提出問(wèn)題、嘗試解決問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生的探究精神和實(shí)踐能力也就孕育而生。

4.5 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

通過(guò)科學(xué)推理、科學(xué)論證，用螺線管等效代替銅環(huán)探究感應(yīng)電流方向問(wèn)題，培養(yǎng)了學(xué)生分析問(wèn)題的能力。每一個(gè)銅環(huán)都相當(dāng)于螺線管，而螺線管中感應(yīng)電流可以通過(guò)傳感器展示出來(lái)，學(xué)生也就很容易分析出銅管中磁鐵下落變慢這一現(xiàn)象的原因了，從而對(duì)于“阻礙”的本質(zhì)也就很容易理解了。經(jīng)歷這樣的一個(gè)推理論證過(guò)程，學(xué)生的科學(xué)思維得到了很好的發(fā)展。

5 總 結(jié)

本文對(duì)傳統(tǒng)的雙管實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，并且在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)前后呼應(yīng)的方式演示，從表面現(xiàn)象深入實(shí)驗(yàn)原理，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力有著非常重要的意義。本實(shí)驗(yàn)方法在第六屆“東芝杯”全國(guó)理科生教學(xué)技能創(chuàng)新大賽中得到了評(píng)委專(zhuān)家的一致好評(píng)，榮獲“一等獎(jiǎng)”。

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