巧用鋁環(huán)實(shí)驗(yàn) 突破楞次定律難點(diǎn)

(江蘇省高郵中學(xué),江蘇 揚(yáng)州 225600)

1 引言

圖1

鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,支架兩端分別固定著兩個(gè)鋁環(huán),其中一個(gè)鋁環(huán)封閉,另一個(gè)鋁環(huán)開(kāi)口。將條形磁鐵插入和抽出鋁環(huán),封閉鋁環(huán)會(huì)有明顯的相對(duì)運(yùn)動(dòng),而開(kāi)口鋁環(huán)幾乎不動(dòng)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便,效果明顯。但教師往往只用它作為新課的引入實(shí)驗(yàn),激發(fā)學(xué)生興趣,并沒(méi)有發(fā)揮出其應(yīng)有的功效。筆者深挖該實(shí)驗(yàn)的演示功能,以該實(shí)驗(yàn)為主線,突破楞次定律難點(diǎn),切實(shí)激活學(xué)生思維,將發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)落到實(shí)處。

2 學(xué)情分析

“楞次定律”是教科版高中物理選修3-2“電磁感應(yīng)”一章的內(nèi)容。該節(jié)實(shí)驗(yàn)復(fù)雜,概念抽象,一直是教學(xué)的難點(diǎn)。為此,筆者查閱了相關(guān)文獻(xiàn),對(duì)比多個(gè)優(yōu)秀教學(xué)設(shè)計(jì),其中雖然運(yùn)用了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法和教學(xué)手段,但課堂上學(xué)生的主動(dòng)參與度始終不盡人意,究其原因有兩點(diǎn):

(1) 學(xué)生對(duì)研究的概念或現(xiàn)象理解不到位。實(shí)驗(yàn)涉及的原磁場(chǎng)、回路內(nèi)磁通量的變化等物理概念較為抽象，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向不能直接觀察,需要運(yùn)用以前學(xué)過(guò)的磁場(chǎng)分布特點(diǎn)以及安培定則來(lái)判斷。

(2) 學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理或設(shè)計(jì)理解不到位。實(shí)驗(yàn)方案往往是教者直接告知,為什么這樣設(shè)計(jì)?如何來(lái)探究?探究什么?學(xué)生懵懵懂懂，被牽著鼻子跑,思維上很難與教者形成共鳴,探究性學(xué)習(xí)難以取得理想效果。

3 教學(xué)處理

如何讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中主動(dòng)與教者形成共鳴,甚至在探究中領(lǐng)先一步?在深入剖析楞次定律的教學(xué)后,我們發(fā)現(xiàn)若以“鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)”為主線設(shè)計(jì)整節(jié)課的教學(xué)流程,能起到課前啟發(fā)思考、課中助力突破、課后拓展知識(shí)應(yīng)用等多重功效。實(shí)踐表明：本節(jié)課的思路和設(shè)計(jì)能夠有效改變教師牽著學(xué)生走的局面,為學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)、思考提供契機(jī),收到了較好的教學(xué)效果。

3.1 不講先做，利用鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)引入課題

教師演示鋁環(huán)實(shí)驗(yàn),學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,直觀感知感應(yīng)電流的存在,自然引入探究實(shí)驗(yàn)。

師:磁鐵和鋁環(huán)沒(méi)有接觸,也不能吸引鋁環(huán)，為什么封閉的鋁環(huán)會(huì)有明顯的運(yùn)動(dòng)呢?

學(xué)生討論、思考。

生:在磁鐵靠近的過(guò)程中,鋁環(huán)內(nèi)的磁通量發(fā)生變化,封閉的鋁環(huán)能夠產(chǎn)生感應(yīng)電流。磁鐵的磁場(chǎng)對(duì)鋁環(huán)內(nèi)的電流有安培力的作用,所以鋁環(huán)運(yùn)動(dòng)。

師:你能看出鋁環(huán)內(nèi)感應(yīng)電流的方向嗎?

生:不能。

師：磁體靠近或遠(yuǎn)離鋁環(huán),產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向是一樣的嗎?對(duì)于感應(yīng)電流的方向,要能直觀地觀察到它，需要什么儀器?

圖2

生:電流計(jì)。

師:實(shí)際鋁環(huán)中的電流非常小,如何“放大”電流,以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的效果呢?

學(xué)生討論后，用線圈代替鋁環(huán)，由此想到應(yīng)用如圖2所示的探究實(shí)驗(yàn)裝置。

利用鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)引入探究實(shí)驗(yàn),起到了兩個(gè)效果：(1) 學(xué)生通過(guò)對(duì)鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、感知,形成了物理知覺(jué),引發(fā)了主動(dòng)思考,認(rèn)可感應(yīng)電流的存在,為接下來(lái)探究感應(yīng)電流的方向做好鋪墊;(2) 探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案是學(xué)生通過(guò)前面的實(shí)驗(yàn)推理得出,學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)思路會(huì)更加明了，知道回路是指線圈和電流計(jì)構(gòu)成的回路。雖然實(shí)驗(yàn)儀器看似復(fù)雜了,但實(shí)驗(yàn)原理和鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)完全相似。這與強(qiáng)加給學(xué)生的現(xiàn)成實(shí)驗(yàn)方案相比,更能夠?yàn)閷W(xué)生所接受。

3.2 邊做邊講，利用鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)有效突破難點(diǎn)

在探究“決定感應(yīng)電流方向的相關(guān)因素”這一教學(xué)環(huán)節(jié)上,出現(xiàn)了教學(xué)難點(diǎn)。筆者結(jié)合課本上實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)表格(如表1),以便有條理地記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

表1 探究影響感應(yīng)電流方向的相關(guān)因素

根據(jù)表格記錄,無(wú)法直接看出原磁場(chǎng)的方向,磁通量變化與感應(yīng)電流方向之間有什么關(guān)系,盡管教師花大力氣進(jìn)行引導(dǎo),學(xué)生也很難想到“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)”這個(gè)“中間橋梁”!但是利用鋁環(huán)實(shí)驗(yàn),可以輕松地突破難點(diǎn),讓學(xué)生的思維斷點(diǎn)自動(dòng)銜接,有四兩撥千斤之功效。

師:同學(xué)們,請(qǐng)回想一下剛才的鋁環(huán)實(shí)驗(yàn),磁鐵和鋁環(huán)并沒(méi)有直接接觸,為什么能產(chǎn)生相互作用?磁鐵對(duì)鋁環(huán)(電流)有力的作用,那磁鐵會(huì)受到反作用力嗎?這個(gè)作用力是怎樣產(chǎn)生的?誰(shuí)能把具體的作用過(guò)程描述一下?

生:磁鐵的靠近使鋁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。磁鐵的磁場(chǎng)對(duì)鋁環(huán)(電流)產(chǎn)生力的作用,使鋁環(huán)運(yùn)動(dòng)。鋁環(huán)中的感應(yīng)電流也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),這個(gè)磁場(chǎng)對(duì)磁體有反作用力(如圖3)。

圖3

師:既然磁鐵和電流是通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)相互作用的,那我們?cè)倏幢?,是不是遺漏了什么呢?學(xué)生豁然開(kāi)朗:要分析感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向！

教師給予肯定,并在上述表格中添加“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)”一欄,找到中間橋梁,進(jìn)而總結(jié)出楞次定律。

3.3 講了再做，利用鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步深化認(rèn)識(shí)

得出了楞次定律的結(jié)論后,以鋁環(huán)模型為例題,分析感應(yīng)電流的方向,以及鋁環(huán)和磁鐵的相互作用力(如圖4)。

圖4

師:磁鐵靠近時(shí),從左向右看,鋁環(huán)中感應(yīng)電流的方向如何?

生:從左向右看,鋁環(huán)中的感應(yīng)電流是逆時(shí)針?lè)较颉?/p>

師:磁鐵靠近時(shí)鋁環(huán)受力方向如何?磁鐵受力方向怎樣?

生:環(huán)形電流可以等效為小磁針,鋁環(huán)的左邊相當(dāng)于小磁針N極,同極相斥,鋁環(huán)受到向左的斥力,會(huì)后退。由牛頓第三定律,磁鐵受到向右的斥力。

師:如果磁鐵遠(yuǎn)離鋁環(huán)呢?鋁環(huán)中的感應(yīng)電流是什么方向?鋁環(huán)和磁鐵的受力又是怎樣的?

學(xué)生活動(dòng):(1) 反向分析,強(qiáng)化結(jié)論；(2) 動(dòng)手實(shí)驗(yàn),體驗(yàn)鋁環(huán)和磁鐵的相互作用,同時(shí)體會(huì)感應(yīng)電流產(chǎn)生的作用效果。

師:(磁鐵)你來(lái)了,我(鋁環(huán))體內(nèi)的磁通量越來(lái)越大,我推拒你,同時(shí)我向后退；(磁鐵)你走了,我的內(nèi)心逐漸空虛,我想挽留你,同時(shí)情不自禁地靠近你……如此“來(lái)拒去留”,鋁環(huán)想干什么?

生:想阻礙回路磁通量的變化！

師:真是相見(jiàn)時(shí)難別亦難！再難,總會(huì)相見(jiàn),再難,也要?jiǎng)e離!所以“阻礙”不是“阻止”。

教師板書：感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是阻礙回路內(nèi)原來(lái)磁場(chǎng)的磁通量的變化。

3.4 反向延伸，學(xué)以致用，激發(fā)興趣,讓物理回歸生活

圖5

師:從上面分析可知,鋁環(huán)對(duì)磁鐵的反作用力對(duì)磁鐵的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用。如果把裝置整體向左旋轉(zhuǎn)90度(如圖5)，讓磁鐵豎直下落,會(huì)作自由落體運(yùn)動(dòng)嗎?

生:下落應(yīng)該變慢。

師:如果要讓磁鐵下落更慢呢?

生:放多個(gè)鋁環(huán)。

師:如果讓磁鐵在鋁管中下落,猜一猜會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢?

演示實(shí)驗(yàn):磁鐵在鋁管中下落，與磁鐵在塑料管中的下落相對(duì)比。

師:這個(gè)實(shí)驗(yàn)給大家什么啟發(fā)?在實(shí)際生活中可以加以應(yīng)用嗎?

教師展示課外閱讀材料:磁力緩降裝置。請(qǐng)同學(xué)們課后思考：楞次定律還有哪些應(yīng)用?

現(xiàn)如今樓房越建越高,高樓逃生成了人們關(guān)心的問(wèn)題。一旦遇上火災(zāi)或其他突發(fā)性事故,住在高樓的家庭往往因?yàn)闃堑廓M窄、樓層高、電梯失靈等問(wèn)題,難以及時(shí)逃生，消防救援難度較大。為此,人們不斷尋找解決問(wèn)題的途徑，中建三局工程技術(shù)研究院開(kāi)發(fā)了一款磁力緩降高樓安全逃生裝置,它由高強(qiáng)磁鐵與非鐵磁性逃生軌道組成,導(dǎo)軌緊貼建筑外墻且垂直于地面,采用鋁管材料。這款磁力緩降高樓安全逃生裝置,據(jù)稱能讓人安全地從高層降至地面。該磁力緩降高樓安全逃生裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、無(wú)需電力、操作簡(jiǎn)易、可控、效率高,為高樓逃生提供了新途徑。

4 結(jié)語(yǔ)

整節(jié)課以鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)貫穿始末,學(xué)生先是利用自身知識(shí)儲(chǔ)備對(duì)實(shí)驗(yàn)信息進(jìn)行加工,形成了初步的物理感知；接著,將物理感知進(jìn)行內(nèi)化,通過(guò)思維活動(dòng),將物理感知上升為物理表象,隨著認(rèn)知沖突的發(fā)生,再通過(guò)認(rèn)知同化和順應(yīng)促進(jìn)認(rèn)知圖式的發(fā)展,進(jìn)而建構(gòu)物理概念與規(guī)律；最后引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用,體會(huì)楞次定律在生活中的應(yīng)用。學(xué)生不但學(xué)到了知識(shí),同時(shí)提高了主動(dòng)發(fā)現(xiàn)、探索的能力,增加了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和解決問(wèn)題的創(chuàng)新性。通過(guò)探究過(guò)程的體驗(yàn),學(xué)生也能感受到物理的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,激發(fā)他們的想象,獲得了學(xué)習(xí)的成就感，充分體現(xiàn)了鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值。