“楞次定律”實驗創(chuàng)新與教學(xué)設(shè)計

劉璐婷 李豐果

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006；華南師范大學(xué)物理國家級實驗教學(xué)示范中心 廣東 廣州 510006)

“楞次定律”是高中物理教學(xué)的重點也是難點[1].但由于其很抽象，學(xué)生難以真正理解其本質(zhì)，因此眾多學(xué)者從實驗設(shè)計和教學(xué)設(shè)計等方面進行了探討[2～4].在實驗改進上有學(xué)者直接在線圈上接入兩個發(fā)光二極管顯示電流方向[2]，也有學(xué)者用發(fā)光的箭頭模擬了感應(yīng)電流方向和感應(yīng)磁場方向[3]；在教學(xué)改進上一些學(xué)者先以來拒去留的力學(xué)現(xiàn)象歸納出感應(yīng)磁場的方向規(guī)律，得出楞次定律，再定量驗證[4].筆者有幸參加了第六屆“華夏杯”全國物理教學(xué)創(chuàng)新大賽，參賽選題為“楞次定律”.改進了“楞次定律”的實驗設(shè)計，基于所改進的實驗完成了教學(xué)設(shè)計，實驗設(shè)計和教學(xué)比賽分別獲得研究生組實驗創(chuàng)新獎和一等獎，并被推薦為優(yōu)秀教學(xué)進行展示.本文將對參賽實驗設(shè)計的創(chuàng)新性和教學(xué)設(shè)計進行詳細(xì)的闡述，以期對“楞次定律”的教學(xué)有一定的參考和指導(dǎo).

1 實驗設(shè)計

關(guān)于楞次定律的實驗，多年來一直使用靈敏電流計或檢流計來顯示感應(yīng)電流的方向，但由于電表結(jié)構(gòu)的封閉性，感應(yīng)電流方向顯示得不直觀[2]，此外指針偏轉(zhuǎn)過程中因慣性存在指針反偏現(xiàn)象[1]，從而導(dǎo)致學(xué)生在判斷感應(yīng)電流方向時存在問題.近年來，隨著計算機輔助教學(xué)的迅速發(fā)展，在DISLab實驗室中用電流傳感器連接計算機也可以顯示電流方向[5]，但該方法的原理較為復(fù)雜，電流方向以數(shù)據(jù)、圖像的形式顯示在電腦上較為抽象，且一些學(xué)校并不具有這些設(shè)備.此外，部分學(xué)者利用二極管的單向?qū)щ娦灾挥靡粋€紅色和一個綠色的發(fā)光二極管就可以顯示電流的方向[2,6]，制作起來簡單，但由于二極管體積很小，演示現(xiàn)象不明顯.對于這一問題有學(xué)者進行了改進，使用多個發(fā)光二極管并聯(lián)成箭頭的形狀來顯示電流的方向，這一改進使實驗現(xiàn)象明顯，但由于線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流較小不易使多個二極管發(fā)光，需要引入電流放大器或其他器材來放大感應(yīng)電流[1,3,7]，可這樣會使演示裝置“化簡為繁”.

針對上述問題，筆者自制了如圖1所示的“楞次定律”演示儀來探究感應(yīng)電流的方向規(guī)律.此裝置中，用33個紅色、33個綠色的發(fā)光二極管各自并聯(lián)成箭頭的形狀，將兩個箭頭反向并聯(lián)起來，以保證每個箭頭的指向就是這種二極管正接時的流向，電流有兩種可能的流向，所以這兩個箭頭就可以清楚、直觀地顯示電流的方向.裝置中沒有使用電流放大器，為了獲得更大的電流使發(fā)光二極管發(fā)光，采用兩種措施：一是在有機玻璃管上繞更多匝漆包線(線徑為0.17 mm，約3 000匝)，線圈的繞向在演示儀左側(cè)標(biāo)出.二是用3個20 mm×10 mm的圓柱形銣磁鐵組成強磁鐵.為了便于操作，將強磁鐵吸在一個普通的條形磁鐵上進行在線圈中的插拔運動，這樣產(chǎn)生的感應(yīng)電流就足以使二極管裝置發(fā)光.此外為了證明演示裝置的可行性，右側(cè)固定了兩個1.5 V的干電池，實驗前可以先將干電池接在二極管裝置兩端進行演示實驗，消除學(xué)生的疑慮.

圖1 自制“楞次定律”演示儀實物圖

由于該演示儀取材簡單，僅靠磁鐵與線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流就能使多個發(fā)光二極管發(fā)光，因此更加直觀.下面介紹基于演示儀的“楞次定律”教學(xué)設(shè)計.

2 基于實驗的教學(xué)設(shè)計

2.1 趣味實驗 埋下伏筆

用自制“空心鋁管小車”實驗表演小魔術(shù)[8].

師：一般情況下怎樣可以讓小車運動起來呢？

生：用力推或用力拉小車.

師：你們?nèi)绻炔挥昧ν?，也不用力拉，甚至不與小車接觸，可以讓小車運動起來嗎？

學(xué)生思考后表示不能，教師演示用“魔法棒”(被紙包著的磁鐵)插入或拔出空心鋁管，就讓小車運動了起來，如圖2所示.

圖2 “空心鋁管小車”實驗圖

師：“魔法棒”為什么可以讓小車運動起來？背后蘊含著什么物理奧秘呢？

設(shè)計意圖:“楞次定律”的一個難點是理解“阻礙”的作用，把鋁管固定在小車上，可以將磁體與導(dǎo)體間的“阻礙”效果顯示得更加明顯；磁鐵用紙包起來，給學(xué)生制造一個懸念.這個小實驗取材簡單，體現(xiàn)了“從生活走向物理”的新課程理念，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，把注意力轉(zhuǎn)向課堂.

2.2 實驗創(chuàng)新 啟發(fā)思維

在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前，學(xué)生已經(jīng)知道了感應(yīng)電流的方向與磁通量的變化和原磁場的方向這兩個因素有關(guān)，本節(jié)課主要探究在這兩個因素的影響下，感應(yīng)電流的方向會遵循什么規(guī)律.首先引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計創(chuàng)新實驗：

師：要想知道電流的方向如何，一般用什么器材檢測？

生：電流表或檢流計.

師：還有其他方法嗎？發(fā)光二極管可以嗎？為什么？

生：可以，因為二極管具有單向?qū)щ娦?

師：電流有幾種可能的流向？

生：兩種.

師：那用兩種不同顏色的發(fā)光二極管，讓一種二極管檢測一個電流的方向，是不是就能解決問題？

向?qū)W生介紹如圖1所示的裝置上就將紅色、綠色兩種發(fā)光二極管各自拼接成一個箭頭的形狀，然后將兩個箭頭反向并聯(lián)起來，保證每個箭頭的指向是這種二極管正接時的流向.

為了向?qū)W生證明“發(fā)光二極管”裝置的可行性，先用一個干電池接在“發(fā)光二極管”裝置的兩端進行演示實驗，如圖3所示.

圖3 “發(fā)光二極管”裝置與干電池連接圖

師：當(dāng)二極管裝置上端接正極，下端接負(fù)極時，哪個燈亮了？

生：紅色的燈亮了.

師：回路中的電流方向確實如紅色的箭頭所示吧？

學(xué)生表示贊同.

師：當(dāng)二極管裝置下端接正極，上端接負(fù)極時，哪個燈亮了？

生：綠色的燈亮了.

師：這次回路中的電流方向又確實如綠色的箭頭所示吧？看來這個“發(fā)光二極管”裝置確實可以用來檢測電流的方向.

學(xué)生表示贊同.

評估方法：線路聯(lián)絡(luò)率（%）=不具備有效聯(lián)絡(luò)的線路條數(shù)/線路總條數(shù)，對聯(lián)絡(luò)率過低的情況進行原因分析，并與上一年10（20）千伏線路聯(lián)絡(luò)率實績值進行比對，對聯(lián)絡(luò)率降低的情況進行原因分析，提出解決建議和規(guī)劃方案。

設(shè)計意圖:“發(fā)光二極管”裝置通過箭頭的亮燈情況，就可以將電流方向直觀地顯示出來，學(xué)生一目了然，此外該裝置趣味性強，現(xiàn)象明顯，使學(xué)生的注意力高度集中.用干電池進行實驗，證明了裝置的可行性，消除了學(xué)生的疑慮，為接下來探究“感應(yīng)電流方向規(guī)律”的實驗奠定了基礎(chǔ).

通過之前的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道磁鐵插入或拔出閉合線圈，可以產(chǎn)生感應(yīng)電流，下面就用自制“楞次定律”演示儀進行實驗,探究感應(yīng)電流的方向規(guī)律，實驗原理如圖4所示.磁鐵在線圈中的運動包括N極朝下插入、N極朝下拔出、S極朝下插入和S極朝下拔出這4種情況，分別進行4種情況下的演示實驗，實驗現(xiàn)象如圖5和圖6所示，同時記錄表1中各個物理量的情況.為方便記錄線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向，啟發(fā)學(xué)生統(tǒng)一從俯視觀察線圈，再根據(jù)繞向確定線圈上的感應(yīng)電流方向.

圖4 “楞次定律”演示儀原理圖

圖5 磁鐵N極朝下插入線圈

圖6 磁鐵N極朝下拔出線圈

表1 探究感應(yīng)電流方向規(guī)律實驗記錄表

設(shè)計意圖：自制“楞次定律”演示儀實驗現(xiàn)象明顯、直觀，方便學(xué)生觀察，具有啟發(fā)性.設(shè)計實驗表格時剛開始需要記錄的物理量不宜太多太復(fù)雜，只需要有“原磁場的方向”“磁通量的變化”和“感應(yīng)電流的方向”這3個物理量，這樣會比較符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.實驗探究過程使學(xué)生獲得了必要的感性知識和數(shù)據(jù)，為最后得出“感應(yīng)電流方向規(guī)律”奠定基礎(chǔ).

2.3 層層引導(dǎo) 發(fā)現(xiàn)規(guī)律

得到了4種情況下感應(yīng)電流的方向后，先讓學(xué)生觀察從表1中能否發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流方向所遵循的規(guī)律.

師：從實驗得出的表格(表1)中能看出感應(yīng)電流方向所遵循的規(guī)律嗎？

學(xué)生思考后表示不能，這時教師再慢慢引出“感應(yīng)磁場的方向”這個中介.

師：根據(jù)電流的磁效應(yīng)，只要是電流，就會在它周圍產(chǎn)生感應(yīng)磁場.那感應(yīng)電流周圍是不是同樣也存在著感應(yīng)磁場？

學(xué)生思考后表示同意.

師：那就順便來看看感應(yīng)磁場的方向，同是磁場，還可以與原磁場的方向進行比較，說不定能發(fā)現(xiàn)點什么.有了感應(yīng)電流的方向，如何判斷感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向呢？

學(xué)生運用“右手螺旋定則”判斷出4種情況下感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向，如表2所示.

表2 探究感應(yīng)電流方向規(guī)律實驗記錄表

這時先讓學(xué)生觀察感應(yīng)磁場與原磁場的方向關(guān)系，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)這兩個磁場的方向一會兒相同，一會兒相反，然后教師繼續(xù)引導(dǎo).

師：感應(yīng)磁場與原磁場的方向什么時候相同？什么時候相反呢？

學(xué)生仔細(xì)觀察表格后得出：磁通量增加時，兩個磁場的方向相反；磁通量減少時，兩個磁場的方向相同.

師：磁通量在增加時，感應(yīng)磁場總與原磁場方向相反，這樣是有利于磁通量的增加？還是阻礙了磁通量的增加呢？

生：阻礙了磁通量的增加.

師：那磁通量減少時，感應(yīng)磁場總與原磁場方向相同，這樣是有利于磁通量的減少？還是阻礙了磁通量的減少呢？

生：阻礙了磁通量的減少.

師：既阻礙增加，又阻礙減少，是不是說明感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場總要阻礙磁通量的變化呀？

學(xué)生表示贊同，這就得出了楞次定律的“雛形”.

為了將物理學(xué)史引入課堂，提供給學(xué)生物理規(guī)律的歷史背景，向?qū)W生介紹早在1833年，俄國科學(xué)家楞次做了大量實驗后就發(fā)現(xiàn)了這個規(guī)律，這就是楞次定律：感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化[9].

設(shè)計意圖：在探究感應(yīng)電流方向規(guī)律無果時再引入“感應(yīng)磁場的方向”這個物理量，能讓學(xué)生感受到是“迫不得已”時才引入的，不是一上來就引入的.對實驗結(jié)果進行分析得出“楞次定律”是本節(jié)課的重點和難點，這個規(guī)律的得出如果單純靠學(xué)生的觀察和猜測容易“走偏”，抓不住重點，所以教師在這里的引導(dǎo)就顯得尤為重要，通過巧妙的引導(dǎo)，學(xué)生就能抓住問題的關(guān)鍵，清楚這個規(guī)律的來龍去脈.

2.4 轉(zhuǎn)換視角 拓展規(guī)律

為了拓寬學(xué)生的知識面，提高學(xué)生從不同角度分析問題的能力，對“楞次定律”繼續(xù)探討，這次主要從“磁體與導(dǎo)體間相對運動”這個角度來分析.

師：磁通量增加時，感應(yīng)磁場總與原磁場方向相反，以磁鐵N極朝下的插入為例，兩個磁場的方向相反，會導(dǎo)致正對著的兩個磁極極性怎么樣(如圖7所示)？

圖7 磁鐵N極朝下插入線圈

生：會導(dǎo)致這兩個磁極的極性相同.

師：根據(jù)同名磁極相互排斥，這種排斥的作用是不是會阻礙磁鐵的插入？

學(xué)生思考后表示贊同.

師：那就說明感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場阻礙了磁鐵的插入.

師：磁通量減少時，感應(yīng)磁場總與原磁場方向相同，以磁鐵N極朝下的拔出為例，兩個磁場的方向相同，會導(dǎo)致正對著的兩個磁極極性怎么樣(如圖8所示)？

圖8 磁鐵N極朝下拔出線圈

生：會導(dǎo)致這兩個磁極的極性相反.

師：根據(jù)異名磁極相互吸引，這種吸引的作用是不是會阻礙磁鐵的拔出？

學(xué)生思考后表示贊同.

師：那就說明感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場阻礙了磁鐵的拔出.既阻礙插入，又阻礙拔出，總的來說，就會發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場總要阻礙磁體與導(dǎo)體之間的相對運動吧？

學(xué)生思考后表示贊同，教師向?qū)W生介紹這也是“楞次定律”的另一種表述形式，并可以把它概括為一句口訣：來拒去留.

設(shè)計意圖：分析磁體與導(dǎo)體間的相對運動，可以讓學(xué)生從宏觀上感受“阻礙”的作用，為揭秘課前“空心鋁管小車”實驗奠定基礎(chǔ).從“楞次定律”的第一種表述入手過渡到第二種表述，由已知推未知，不僅使學(xué)生清楚了兩種表述之間的聯(lián)系與區(qū)別，完善了本節(jié)課的知識體系，此外對課本進行延伸拓展，加深了學(xué)生對本節(jié)知識的理解，開闊了學(xué)生的視野.

2.5 巧用規(guī)律 實驗揭秘

為了真正體現(xiàn)學(xué)以致用，啟發(fā)學(xué)生對課前的“空心鋁管小車”實驗現(xiàn)象進行解釋.這時可以將“魔法棒”拆開，發(fā)現(xiàn)是一塊磁鐵，空心鋁管是導(dǎo)體，就相當(dāng)于一圈一圈的閉合線圈，通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，磁體與導(dǎo)體間的相對運動情況學(xué)生已經(jīng)很清楚了，便可以分析出小車運動的原因.

師：當(dāng)磁鐵插入鋁管時，小車朝哪里運動？為什么？

生：朝遠(yuǎn)離磁鐵的方向運動，因為插入時鋁管產(chǎn)生的感應(yīng)磁場會抗拒磁鐵的插入.

師：當(dāng)磁鐵從鋁管中拔出時，小車朝哪里運動？為什么？

生：朝靠近磁鐵的方向運動，因為拔出時鋁管產(chǎn)生的感應(yīng)磁場會挽留磁鐵的拔出.

師：所以通過磁鐵的插入或拔出鋁管，就可以讓空心鋁管小車運動起來了(如圖9所示).

圖9 “空心鋁管小車”實驗原理圖

設(shè)計意圖：讓學(xué)生對課前的實驗現(xiàn)象進行解釋，不僅做到了首尾呼應(yīng)，而且提高了學(xué)生用所學(xué)知識解釋物理現(xiàn)象的能力，讓學(xué)生認(rèn)識到物理學(xué)的價值，將理論運用到了實際.此外運用物理規(guī)律解釋物理現(xiàn)象，解決實際問題，能幫助學(xué)生建立解決問題的思路，獲得解決問題的正確方法，促進知識向能力的轉(zhuǎn)化，同時也使學(xué)生對本節(jié)內(nèi)容能夠加深理解、鞏固知識[10].

3 總結(jié)

根據(jù)“楞次定律”教學(xué)難點和當(dāng)前“楞次定律”演示實驗和教學(xué)設(shè)計的不足，設(shè)計完成了“楞次定律”的演示實驗裝置，并利用該演示實驗裝置完成了教學(xué)設(shè)計.該實驗裝置具有一定的創(chuàng)新性，教學(xué)實踐表明：實驗裝置可直觀演示感應(yīng)電流的方向，通過巧妙設(shè)問和層層引導(dǎo)的教學(xué)設(shè)計，突破了教學(xué)難點，幫助學(xué)生更好地理解感應(yīng)電流的方向規(guī)律.