探究楞次定律的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

(江蘇省天一中學(xué),江蘇 無(wú)錫 214101)

1 引言

楞次定律用于判斷感應(yīng)電流的方向,是教學(xué)的重點(diǎn)之一。在探究楞次定律的過(guò)程中,需要明確磁鐵的磁場(chǎng)方向,判斷磁通量如何變化,搞清線圈的繞向,然后根據(jù)電流表指針偏轉(zhuǎn)特點(diǎn)得出線圈中電流方向,引導(dǎo)學(xué)生探究得出感應(yīng)電流產(chǎn)生了磁場(chǎng),最后判斷出感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向。面對(duì)如此多樣的因素以及它們之間的復(fù)雜關(guān)系,學(xué)生總結(jié)、理解、應(yīng)用楞次定律有較大的難度。課本上的實(shí)驗(yàn)既是本節(jié)課的引入實(shí)驗(yàn),也是本節(jié)課的探究實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)有三個(gè)難點(diǎn):一是引入中介難,學(xué)生不容易想到感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng);二是探究過(guò)程難，要關(guān)注的因素多、關(guān)系復(fù)雜;三是對(duì)“阻礙”的理解難。因此筆者利用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)突破這三個(gè)難點(diǎn)。

2 引入實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 引入實(shí)驗(yàn)的思考

課本上的引入實(shí)驗(yàn)是復(fù)習(xí)第2節(jié)“探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”,然后提出本節(jié)課研究的課題：在不同情況下感應(yīng)電流有不同的方向,感應(yīng)電流的方向受哪些因素的影響？有什么樣的規(guī)律？這樣的引入沒(méi)有新意，不能為接下來(lái)的探究實(shí)驗(yàn)做好鋪墊。

圖1

2.2 引入實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

引出感應(yīng)電流磁場(chǎng)這個(gè)概念,強(qiáng)化對(duì)原磁場(chǎng)、感應(yīng)電流磁場(chǎng)方向的認(rèn)識(shí)。

自制實(shí)驗(yàn)裝置:如圖1所示，用漆包線繞成匝數(shù)為850匝的線圈,兩個(gè)反向并聯(lián)的紅色、藍(lán)色發(fā)光二極管接在線圈兩端,有一個(gè)按鈕可以控制兩個(gè)二極管是否同時(shí)短路,線圈固定在小車(chē)上。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 將磁鐵快速插入線圈和從線圈抽出,你能觀察到哪些現(xiàn)象,又能得出什么結(jié)論？

現(xiàn)象1:二極管發(fā)光,說(shuō)明存在感應(yīng)電流。

現(xiàn)象2:兩個(gè)二極管先后發(fā)光,則說(shuō)明感應(yīng)電流的方向是相反的，由此引入探究的具體課題:怎樣判定感應(yīng)電流的方向？

現(xiàn)象3:小車(chē)運(yùn)動(dòng)(不太明顯),說(shuō)明線圈與磁鐵之間有相互作用。

(2) 為了讓小車(chē)運(yùn)動(dòng)得更明顯,按下按鈕使兩個(gè)二極管短路,將強(qiáng)磁鐵快速插入和抽出線圈。由于二極管被短路,線圈中的電流增大，小車(chē)運(yùn)動(dòng)明顯，觀察現(xiàn)象后,提出如下問(wèn)題。

問(wèn)題1:小車(chē)由靜止到運(yùn)動(dòng),受到了什么力?

問(wèn)題2:根據(jù)你觀察到的現(xiàn)象：磁鐵與線圈之間排斥或者吸引,你能標(biāo)出線圈兩端的N極、S極以及線圈中感應(yīng)電流的方向嗎?

問(wèn)題3:感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)的方向關(guān)系如何?

2.2.3 實(shí)驗(yàn)評(píng)析

(1) 采用發(fā)光二極管發(fā)光的形式把隱性的感應(yīng)電流更加直觀、清晰地展現(xiàn)出來(lái)。

(2) 利用二極管單向?qū)щ娦燥@示感應(yīng)電流方向的不同。

(3) 學(xué)生對(duì)感應(yīng)電流的磁場(chǎng)有了清晰的認(rèn)識(shí),為主動(dòng)、深入探究楞次定律做好了鋪墊。

3 探究實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 探究實(shí)驗(yàn)的思考

課本上的探究實(shí)驗(yàn)如圖2所示,判斷線圈中感應(yīng)電流方向的步驟是:(1) 明確線圈的繞向,做好標(biāo)識(shí)線;(2) 借助一節(jié)干電池用試觸法確定電流表指針偏轉(zhuǎn)特點(diǎn),綜合以上判斷得出線圈中電流方向。這個(gè)過(guò)程比較繁瑣、容易出錯(cuò),電流方向的得出比較困難。而且由于電流在線圈中是螺旋上升或者下降,用逆時(shí)針和順時(shí)針描述線圈中電流的方向也較難想到,不夠直觀、形象。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中靈敏電流計(jì)指針擺動(dòng)較快,不方便觀察記錄,要關(guān)注的因素太多,學(xué)生探究的興趣不大。

圖2

3.2 探究實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

利用數(shù)字化信息系統(tǒng)DIS進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn),把多匝線圈改成單匝線圈、靈敏電流計(jì)換成微電流傳感器。如果電流從紅色夾子流入、黑色夾子流出，電流為正值；如果相反,電流為負(fù)值。將微電流傳感器與單匝線圈相接,再通過(guò)數(shù)據(jù)采集器連在計(jì)算機(jī)上,通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕將電流的波形圖顯示出來(lái)(如圖3)。

圖3

3.2.2 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

(1) 若要用多匝線圈,明確線圈的繞向,做好標(biāo)識(shí)線,對(duì)學(xué)生來(lái)講也是一件比較困難的事,若是用單匝線圈，可將這一問(wèn)題簡(jiǎn)單化。

(2) 多匝線圈改成單匝線圈,大大減少了判斷電流方向的困難,并且使它變得簡(jiǎn)單、形象、具體,用逆時(shí)針和順時(shí)針描述電流的方向也很直觀、形象。

(3) 靈敏電流計(jì)指針擺動(dòng)較快,不方便觀察記錄,而利用波形圖,可方便進(jìn)行觀察、記錄、對(duì)比。

(4) 運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅能夠吸引學(xué)生的興趣,而且大大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程,為接下來(lái)結(jié)論的總結(jié)、理解楞次定律節(jié)省了時(shí)間。

4 理解“阻礙”的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

4.1 對(duì)楞次定律本質(zhì)的思考

楞次定律中“阻礙”的本質(zhì)就是為了遵守能量守恒定律，我們可以借助實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助學(xué)生對(duì)楞次定律中能量的轉(zhuǎn)化有深刻的認(rèn)識(shí)。

4.2 “落磁”實(shí)驗(yàn)一

4.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

制作了7個(gè)匝數(shù)均為850匝的線圈,并與紅、藍(lán)發(fā)光二極管連接,線圈間隔均勻分布在塑料管上(如圖4)。磁鐵在線圈中下落,觀察現(xiàn)象,可以得出什么結(jié)論？

圖4

圖5

4.2.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與評(píng)價(jià)

當(dāng)強(qiáng)磁鐵在管中下落經(jīng)過(guò)線圈的時(shí)候,紅、藍(lán)發(fā)光二極管會(huì)間隔閃爍,即表明有感應(yīng)電流產(chǎn)生,且磁鐵進(jìn)出線圈時(shí)的電流方向相反。有電流就有電能的產(chǎn)生,我們已經(jīng)知道能量不會(huì)憑空產(chǎn)生,所以只能從能量轉(zhuǎn)化的角度來(lái)考慮,并且功是能量轉(zhuǎn)化的量度,通過(guò)這樣的情境可以使學(xué)生對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能量的轉(zhuǎn)化有較深刻的理解。

4.3 “落磁”實(shí)驗(yàn)二

4.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

一根塑料管和一根銅管長(zhǎng)度均為1m、粗細(xì)相同,兩個(gè)相同的小磁鐵同時(shí)在管口處釋放,看一看誰(shuí)下落得快(如圖5)。

4.3.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與評(píng)價(jià)

磁鐵從塑料管上端放入管中，由靜止釋放,會(huì)看到磁鐵很快從管道下端出來(lái),做自由落體運(yùn)動(dòng);同樣把磁鐵放入銅管中,

要過(guò)很久才從管道出來(lái)。設(shè)置問(wèn)題:是什么阻礙了小磁鐵的下落呢？從而進(jìn)一步理解“阻礙”的涵義。

5 反思

(1) 自制教具的使用大大豐富了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí),讓物理現(xiàn)象更加直觀、形象、生動(dòng)地展示在學(xué)生面前,能夠激發(fā)學(xué)生的探究熱情,也能讓學(xué)生更好地理解楞次定律。本節(jié)課所用的一些實(shí)驗(yàn)器件需要用3D打印機(jī)進(jìn)行打印,體現(xiàn)了新技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用。

(2) 本節(jié)課體現(xiàn)了DIS在物理課堂教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)，單匝線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流是很小的,借助微電流傳感器測(cè)量,可在電腦上顯示出波形圖。利用微電流傳感器大大地減少了實(shí)驗(yàn)的干擾因素和難度,使感應(yīng)電流的波形圖直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生,方便學(xué)生對(duì)比分析,提高了課堂教學(xué)質(zhì)量。