“楞次定律”教學(xué)案例分析

李 萍

(江蘇省梅村高級(jí)中學(xué),江蘇 無錫 214000)

1 引言

“楞次定律”是“電磁感應(yīng)”一章教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn),是研究電磁感應(yīng)問題的基石。楞次定律涉及的因素多(磁場(chǎng)方向、磁通量的變化、線圈繞向、電流方向等)、關(guān)系復(fù)雜，其規(guī)律性比較隱蔽,抽象性和概括性很強(qiáng)?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn)稿)》要求：“通過探究,理解楞次定律?！苯滩纳弦还?jié)內(nèi)容是探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件,本節(jié)接著探究感應(yīng)電流的方向，其中感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件很直觀,學(xué)生容易理解和掌握,但感應(yīng)電流方向的判斷則需要通過實(shí)驗(yàn)探究,總結(jié)出一般規(guī)律——楞次定律。

2 教學(xué)目標(biāo)

(1) 理解楞次定律的內(nèi)容,能運(yùn)用楞次定律判斷感應(yīng)電流方向,解答有關(guān)問題。

(2) 體驗(yàn)楞次定律實(shí)驗(yàn)的探究過程,提高分析、歸納、概括及表述的能力。

(3) 感受科學(xué)家對(duì)規(guī)律的研究過程,學(xué)習(xí)他們對(duì)工作嚴(yán)肅認(rèn)真、不怕困難的科學(xué)態(tài)度。

3 教學(xué)重、難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn):進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

教學(xué)難點(diǎn)：對(duì)楞次定律的理解。

4 教學(xué)過程

4.1 復(fù)習(xí)回顧

師:產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是什么？

生:穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化。

案例分析:引導(dǎo)學(xué)生回憶產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件,為研究感應(yīng)電流的方向做好知識(shí)準(zhǔn)備。

4.2 新課引入

教師播放課前錄制好的視頻《愛因斯坦實(shí)驗(yàn)室》:怎樣隔空推動(dòng)小車？

(1) 用“氣功”隔空推小車，小車不動(dòng)。

學(xué)生思考：用什么方法可以隔空推動(dòng)小車？

案例分析:嘗試用“氣功”隔空推小車,對(duì)學(xué)生來說比較好玩,可活躍課堂氣氛。

(2) 使用兩根條形磁鐵，小車上放一根,手里拿一根,使同名磁極靠近，學(xué)生發(fā)現(xiàn):小車被隔空推動(dòng)了(如圖1)。

圖1

案例分析:條形磁鐵同名磁極相斥是學(xué)生所熟知的物理原理,說明要做到隔空推小車并不困難，同時(shí)為解釋后面的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做鋪墊。

圖2

(3) 使用一根條形磁鐵(其上加一個(gè)強(qiáng)磁鐵)和一個(gè)鋁環(huán)，鋁環(huán)放在小車上,把磁鐵靠近鋁環(huán),學(xué)生觀察到小車被推動(dòng)了(如圖2),但看不清是不是隔空的。

(4) 播放磁鐵靠近鋁環(huán)時(shí)的慢鏡頭,證明磁鐵沒有頂著鋁環(huán)走,是隔空的(如圖3)。

圖3

學(xué)生們發(fā)現(xiàn):小車真的被隔空推動(dòng)了。

案例分析:現(xiàn)場(chǎng)演示很難清晰觀察到,所以事先錄制好實(shí)驗(yàn)視頻,學(xué)生通過慢鏡頭的回放,清楚地看到了小車被隔空推動(dòng)的神奇現(xiàn)象。

(5) 對(duì)比使用兩根條形磁鐵、使用一根條形磁鐵(其上加一個(gè)強(qiáng)磁鐵)和一個(gè)鋁環(huán)這兩種方法,使用磁鐵和鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)，不僅磁鐵靠近鋁環(huán)時(shí)能使小車前進(jìn),而且磁鐵遠(yuǎn)離鋁環(huán)時(shí)還能使小車后退。

學(xué)生觀察現(xiàn)象:磁鐵靠近,小車前進(jìn)；磁鐵遠(yuǎn)離,小車后退(如圖4)。

圖4

案例分析:通過對(duì)比實(shí)驗(yàn),激發(fā)學(xué)生思考問題，產(chǎn)生探究的欲望。

教師現(xiàn)場(chǎng)提供帶線圈的小車,讓學(xué)生來體驗(yàn),磁鐵靠近線圈時(shí)能否使小車前進(jìn),磁鐵遠(yuǎn)離線圈時(shí)能否使小車后退。同時(shí),教師利用iPad結(jié)合AirServer投屏軟件將學(xué)生的操作細(xì)節(jié)投影到大屏幕上。

案例分析:利用iPad的相機(jī)功能，結(jié)合AirServer投屏軟件,可以將學(xué)生的操作細(xì)節(jié)投影到大屏幕上,讓坐在后排的學(xué)生更清楚地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。與傳統(tǒng)的投影儀相比,此法更具靈活性,可以多角度觀察,而且不受空間的限制。

教師引導(dǎo)學(xué)生分析“磁鐵靠近鋁環(huán)時(shí)小車前進(jìn),磁鐵遠(yuǎn)離鋁環(huán)時(shí)小車后退”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出結(jié)論:磁鐵靠近鋁環(huán)時(shí)鋁環(huán)受到斥力,磁鐵遠(yuǎn)離鋁環(huán)時(shí)鋁環(huán)受到引力,磁鐵靠近、遠(yuǎn)離鋁環(huán)時(shí)鋁環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向不同。

案例分析:從現(xiàn)象出發(fā),基于現(xiàn)有的知識(shí)儲(chǔ)備,找尋物理現(xiàn)象背后的規(guī)律,從而做進(jìn)一步的探究。

4.3 新課教學(xué)

師：你們認(rèn)為感應(yīng)電流的方向可能與哪些因素有關(guān)？

教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合《愛因斯坦實(shí)驗(yàn)室》視頻中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行思考與分析，注意到感應(yīng)電流的磁場(chǎng)可以與小車上放置的條形磁鐵的磁場(chǎng)相類比。

生:可能與磁通量的變化、原磁場(chǎng)、感應(yīng)電流的磁場(chǎng)有關(guān)。

(1) 教師介紹實(shí)驗(yàn)器材:靈敏電流表、線圈、條形磁鐵和導(dǎo)線，教師讓學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)方法。

生:將條形磁鐵插入、拔出線圈時(shí)，觀察靈敏電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向,得出感應(yīng)電流的方向,同時(shí)記錄磁通量的變化、原磁場(chǎng)、感應(yīng)電流的磁場(chǎng),再分析它們之間的關(guān)系。

案例分析:學(xué)生已經(jīng)知道將條形磁鐵插入、拔出線圈時(shí)，線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,而本節(jié)課更關(guān)注的是感應(yīng)電流的方向,因此可以通過靈敏電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向得出感應(yīng)電流的方向,從而研究它與什么因素有關(guān)。

(2) 教師引導(dǎo)學(xué)生觀察線圈的繞向,引導(dǎo)學(xué)生找出靈敏電流表中指針偏轉(zhuǎn)方向和電流方向的關(guān)系。教師提醒學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)統(tǒng)一將紅色導(dǎo)線的一端接在線圈的上面的接線柱上,另一端接在電流表的紅色接線柱上；黑色導(dǎo)線的一端接在線圈的下面的接線柱上,另一端接在電流表的黑色接線柱上。

學(xué)生觀察線圈的繞向,思考靈敏電流表中指針偏轉(zhuǎn)方向和電流方向的關(guān)系，按照要求連接電流表和線圈。

案例分析:統(tǒng)一接線方法可以使全班同學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,若靈敏電流表指針左偏,說明線圈中感應(yīng)電流的方向?yàn)槟鏁r(shí)針(俯視),便于后面的討論、分析。

(3) 教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表格(如表1),要記錄原磁場(chǎng)的方向、磁通量的變化、感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向和感應(yīng)電流的方向(俯視)。其中,感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向可以根據(jù)感應(yīng)電流的方向，利用右手螺旋定則判斷。教師引導(dǎo)學(xué)生在研究感應(yīng)電流的方向與這些因素的關(guān)系時(shí),應(yīng)多做幾組實(shí)驗(yàn),便于找出規(guī)律。

表1 探究影響感應(yīng)電流方向的因素

(4) 教師在學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候在教室內(nèi)巡視,對(duì)學(xué)生遇到的問題進(jìn)行及時(shí)指導(dǎo)。學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后,教師將一組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)記錄表格投影到大屏幕上,引導(dǎo)學(xué)生分析，得出結(jié)論：當(dāng)線圈中磁通量增加時(shí),線圈中感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)的方向相反；當(dāng)線圈中磁通量減少時(shí),感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)的方向相同。

案例分析:利用iPad,將學(xué)生的實(shí)驗(yàn)記錄表格拍照插入PPT中,在分析表格時(shí)可以利用“添加墨跡”功能在表格上作一些注釋和說明，再利用AirServer投屏軟件將其投影到大屏幕上。與傳統(tǒng)的投影儀相比,此方式將教師從講臺(tái)的位置上解放出來,教師可以走到學(xué)生中間,更好地與學(xué)生交流,拉近師生間的距離。

最后學(xué)生總結(jié)得出結(jié)論：線圈中感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)的方向的關(guān)系是“增反減同”,即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。

對(duì)楞次定律的理解：(1) 明確各物理量之間的關(guān)系;(2) 正確理解“磁通量的變化”;(3) 正確理解“阻礙”的含義，誰在阻礙？是感應(yīng)電流的磁場(chǎng)。阻礙什么？阻礙引起感應(yīng)電流的原磁場(chǎng)磁通量的變化。如何阻礙？方式是“增反減同”。結(jié)果如何？結(jié)果是阻礙原磁場(chǎng)的磁通量的變化。

案例分析:楞次定律的關(guān)鍵詞是“阻礙”,只有深刻理解“阻礙”的含義,才能準(zhǔn)確地把握楞次定律的實(shí)質(zhì)。這里教師通過“問題鏈”幫助學(xué)生理解“阻礙”的含義，并用圖5說明應(yīng)用楞次定律判定感應(yīng)電流方向的思路。

圖5

4.4 學(xué)以致用

(1) 教師引導(dǎo)學(xué)生回憶《愛因斯坦實(shí)驗(yàn)室》視頻中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,磁鐵靠近、遠(yuǎn)離鋁環(huán)時(shí)鋁環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向不同?，F(xiàn)在,應(yīng)用楞次定律去判斷條形磁鐵N極靠近鋁環(huán)時(shí)，鋁環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向。

學(xué)生應(yīng)用楞次定律分析:條形磁鐵N極靠近鋁環(huán)→穿過鋁環(huán)的磁通量增加→(應(yīng)用楞次定律)鋁環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的磁場(chǎng)阻礙磁通量的增加，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向向左→(利用右手螺旋定則)確定感應(yīng)電流的方向。

案例分析:首尾呼應(yīng),實(shí)戰(zhàn)演練,加深學(xué)生對(duì)楞次定律的理解。

(2) 再用DIS實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證感應(yīng)電流的方向，用帶缺口的鋁環(huán)代替小車上的鋁環(huán),由于該鋁環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流較小,因此將該鋁環(huán)連接在微電流傳感器上,微電流傳感器通過數(shù)據(jù)采集器將采集到的電流信息實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上，教師利用iPad結(jié)合AirServer投屏軟件將實(shí)驗(yàn)裝置投影到大屏幕上。

依次將條形磁鐵的N極插入、拔出鋁環(huán),觀察鋁環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向(如圖6)，學(xué)生能清晰地看到:當(dāng)條形磁鐵的N極插入鋁環(huán)時(shí),鋁環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向?yàn)檎?；?dāng)條形磁鐵的N極拔出鋁環(huán)時(shí),鋁環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向?yàn)樨?fù)。

圖6

案例分析:DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集快、精度高、測(cè)量準(zhǔn)確的特點(diǎn)。帶缺口的鋁環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流較小,用靈敏電流表測(cè)不出來,因此設(shè)計(jì)用DIS系統(tǒng)來測(cè)量,利用iPad的相機(jī)功能結(jié)合AirServer投屏軟件,可以將實(shí)驗(yàn)裝置投影到大屏幕上,讓坐在后排的學(xué)生更清楚地觀察DIS實(shí)驗(yàn)的組成和連接方式。