以實驗為依據(jù)研究物理教材習題

(江蘇省海州高級中學，江蘇 南通 222062)

查看今年各地高考物理試題可以發(fā)現(xiàn)，有些試題是以教材習題為基礎改編而來的，可見教師應該在平時教學中應重視并用心鉆研教材習題。筆者研讀教材后發(fā)現(xiàn)有些習題不夠嚴謹，值得商榷。下文以人教版物理選修3-2第四章第三節(jié)課后“問題與練習”中的兩道題為例，并依托實驗進行說明。

1 由思考不夠全面造成的問題

1.1 習題呈現(xiàn)

例1：如圖1所示，在水平放置的條形磁鐵的N極附近，一個閉合線圈向下運動并始終保持水平。在位置B，N極附近的磁感線正好與線圈平面平行。試判斷線圈在位置A、B、C時感應電流的方向。

圖1

教師教學用書中的解釋為：由于線圈在條形磁鐵的N極附近，所以可以認為從A到B的過程中，線圈中向上的磁通量減小，根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生的感應電流的磁場要阻礙磁通量的減少，即感應電流的磁場方向與原磁場相同，再根據(jù)右手螺旋定則可知感應電流的方向，從上向下看為逆時針方向。

從B到C的過程中，線圈中向下的磁通量增加，根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生的感應電流的磁場要阻礙磁通量的增加，即感應電流的磁場方向與原磁場相反，再根據(jù)右手螺旋定則可知感應電流的方向，從上向下看也為逆時針方向。

1.2 實驗探索

線圈在運動時產(chǎn)生的感應電流很小，筆者用DIS(數(shù)字化信息系統(tǒng))的微電流傳感器來測量。為了方便判定線圈中感應電流方向，把線圈固定在鐵架臺上；為了更好地控制磁鐵運動，把豎直方向的運動改為水平方向的運動。由于磁鐵運動快慢不影響線圈中產(chǎn)生的感應電流的方向，所以把磁鐵固定在小車上，調(diào)整導軌的高度，使小車在導軌上勻速滑動。如圖2所示，調(diào)節(jié)好實驗裝置，使用傳感器進行實驗，得到的電流圖像如圖3所示。

圖2

圖3

由圖3可知：當磁鐵勻速經(jīng)過線圈的過程中，線圈產(chǎn)生的感應電流的方向并不像教師教學用書中的解釋那樣是不變的。分析其原因，當磁鐵離線圈較遠時，線圈中的磁通量較小，當磁鐵靠近線圈時，線圈中的磁通量增加，根據(jù)楞次定律，從左向右看可判斷感應電流為逆時針方向。但當磁鐵N極附近的磁感線與線圈平面快平行的一小段距離內(nèi)，磁通量快速減少，根據(jù)楞次定律，從左向右看可判斷感應電流為順時針方向。當磁鐵N極附近的磁感線越過線圈平面的一小段距離內(nèi)，線圈中的磁通量反向且增加，根據(jù)楞次定律，從左向右看可判斷感應電流還是順時針方向。隨著磁鐵的遠離，線圈中的反向磁通量減少，根據(jù)楞次定律，從左向右看可判斷感應電流為逆時針方向。

1.3 反思和建議

該習題所涉及的知識點為楞次定律，意在用楞次定律判斷閉合回路中產(chǎn)生的感應電流的方向。教師在教學時很多都是按教師教學用書中的解釋處理，對線圈中產(chǎn)生的感應電流的方向沒有仔細考慮，所以我們教師平時對教材還是要具有懷疑的精神。這個習題中線圈內(nèi)的磁通量變化對于教師來說是比較難講解清楚的，學生可能也不好理解，達不到練習目的，建議教科書刪除此題。

2 由題意不嚴謹造成的問題

2.1 習題呈現(xiàn)

例2：圖4中的A和B都是鋁環(huán)，環(huán)A是閉合的，環(huán)B是斷開的，橫梁可以繞中間的支點轉(zhuǎn)動。用磁鐵的任意一極去接近A環(huán)，會產(chǎn)生什么現(xiàn)象?把磁鐵從A環(huán)移開，會發(fā)生什么現(xiàn)象？磁極移近或遠離B環(huán)時，又會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？解釋產(chǎn)生的現(xiàn)象。

圖4

教師教學用書中的解釋為：用磁鐵的任一極(如N極)接近A環(huán)時，穿過A環(huán)中的磁通量增加，根據(jù)楞次定律，A環(huán)中將產(chǎn)生感應電流，阻礙磁鐵與A環(huán)接近，A環(huán)將遠離磁鐵；同理，當磁鐵遠離A環(huán)時，A環(huán)中產(chǎn)生感應電流的方向?qū)⒆璧KA環(huán)與磁鐵遠離，A環(huán)將靠近磁鐵。

由于B環(huán)是斷開的，無論磁極移近或遠離B環(huán)，都不會在B環(huán)中形成感應電流，所以B環(huán)將不移動。

2.2 實驗探索

2.2.1 實驗一：用實驗室配備的鋁環(huán)和條形磁鐵

把鋁環(huán)架在支架上，用條形磁鐵來進行實驗演示。實驗中發(fā)現(xiàn)A、B兩環(huán)都不動。分析其原因：條形磁鐵的磁性不夠強，在靠近或遠離A環(huán)時產(chǎn)生的感應電流比較弱，在阻力作用下A環(huán)不動；B環(huán)是斷開的，更加不會動。

2.2.2 實驗二：用實驗室配備的鋁環(huán)和強磁鐵

如圖5所示，同樣把鋁環(huán)架在支架上，用強磁鐵來進行實驗演示，實驗中發(fā)現(xiàn)A、B兩環(huán)都會動。分析其原因：強磁鐵的磁性較強，在靠近A環(huán)時產(chǎn)生的感應電流將阻礙A環(huán)與磁鐵接近；在離開A環(huán)時產(chǎn)生的感應電流將阻礙A環(huán)與磁鐵遠離。由于B環(huán)的寬度為1.60cm、厚度為1mm左右，可以看作塊狀導體，在強磁鐵靠近或遠離B環(huán)時，環(huán)臂上還是產(chǎn)生了的感應電流(渦流)，也會產(chǎn)生阻礙磁鐵接近或遠離的作用，B環(huán)也會動。

圖5

圖6

2.2.3 實驗三：自制銅環(huán)和強磁鐵

要達到教師教學用書中實驗現(xiàn)象描述的情況，關(guān)鍵是減弱B環(huán)中產(chǎn)生的渦流，使磁鐵靠近或遠離B環(huán)時，B環(huán)不動。為此，筆者用硬導線自制了一個銅環(huán)，并把其架在支架上，用強磁鐵來進行實驗演示，如圖6所示，實驗中發(fā)現(xiàn)A環(huán)動，B環(huán)不動，實驗現(xiàn)象符合教師教學用書中的解釋。

2.3 反思和建議

該習題所涉及的知識點為楞次定律的應用，意在說明磁通量變化在閉合回路中產(chǎn)生的感應電流引起的安培力對物體的阻礙作用。如果教師在教學中只展示實驗一或?qū)嶒灦蜁屛覀兊慕虒W陷入困境，實驗三可以讓我們的教學順利開展，或許三個實驗一起展示，逐步推進，學生對知識的理解會更加深刻。教師要重視實驗教學過程中出現(xiàn)的一些問題，多思考，多動手，會有更多收獲。

教科書中的原題所配圖是平面圖，無法顯示A、B環(huán)的寬度，對此，筆者提出兩條建議：(1) 在教科書中明確說明A、B環(huán)都是寬度很窄的鋁環(huán)；(2) 教師在演示實驗時，最好采用類似本文中使用的自制環(huán)，實驗效果會更好。