楞次定律實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)*

李子浩 高 雯

(湛江第一中學(xué) 廣東 湛江 524038)

1 引言

為了更好地落實(shí)課標(biāo)在楞次定律實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的要求,在教學(xué)過程應(yīng)當(dāng)對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行深挖,同時(shí)對(duì)比新舊教材的差異,領(lǐng)會(huì)新課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)該部分內(nèi)容的要求,對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合．在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)真實(shí)的教學(xué)情境,如借助實(shí)物、動(dòng)作(活動(dòng))和圖像等,有助于讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究和思維加工,讓物理概念和規(guī)律內(nèi)化[1]．對(duì)學(xué)生來說,通過操作學(xué)具可以使抽象知識(shí)變得形象直觀,把動(dòng)作思維和形象思維有機(jī)結(jié)合起來．楞次定律的內(nèi)容較抽象,為了突破難點(diǎn)又讓學(xué)生更清楚本質(zhì),采用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)．通過感應(yīng)電流方向的探究,讓學(xué)生體驗(yàn)完整的探究過程,體會(huì)思想方法,培養(yǎng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)的能力及對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析、歸納總結(jié)的能力;通過楞次定律的不同表達(dá)形式,培養(yǎng)學(xué)生多角度認(rèn)識(shí)問題的能力和高度概括的能力．

楞次定律的內(nèi)容比較抽象,是高中物理教學(xué)的重點(diǎn),它為電磁感應(yīng)定律的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)．新舊教材都是通過靈敏電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)方向來顯示感應(yīng)電流的方向．通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象知道電流的流向與指針的偏轉(zhuǎn)方向有著一定的關(guān)系．若不分組實(shí)驗(yàn),只是通過演示實(shí)驗(yàn),只有少部分學(xué)生能清楚看到指針的偏轉(zhuǎn),達(dá)不到良好的教學(xué)效果．

2 新舊教材的異同

舊教材在“實(shí)驗(yàn)與探究”環(huán)節(jié)直接給出影響感應(yīng)電流方向的可能因素,然后探究電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)方向與通入電流方向的關(guān)系,接著探究影響感應(yīng)電流方向的因素．通過列表的方式,采用控制變量法探究磁通量變化、原磁場(chǎng)方向、線圈的繞向3個(gè)可能因素對(duì)感應(yīng)電流方向的影響,最后得出結(jié)論．

新教材對(duì)于該節(jié)內(nèi)容的編寫,相對(duì)舊教材有較大的變化．新教材在“實(shí)驗(yàn)與探究”環(huán)節(jié),根據(jù)問題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案,更符合認(rèn)知規(guī)律,由淺入深．在文字表述上,用“原磁場(chǎng)的方向”表示“磁極的朝向”,用“磁通量的變化”表示“磁極運(yùn)動(dòng)的方向”,將感應(yīng)電流的方向轉(zhuǎn)化為與磁場(chǎng)相關(guān)的描述——感應(yīng)電流磁場(chǎng)的方向．這些表述相比舊版教材的表述更直接明了．對(duì)于實(shí)驗(yàn)表格的文字說明,新版教材的文字表述更言簡(jiǎn)意賅．在實(shí)驗(yàn)結(jié)論的表述上,新版教材的描述更簡(jiǎn)明扼要．

新版教材新增了以下3點(diǎn):

其一,新增了流程圖,給出了電磁感應(yīng)現(xiàn)象中各物理量之間的邏輯關(guān)系;

其二,實(shí)驗(yàn)中對(duì)磁鐵受力分析的圖示,從功能關(guān)系上說明電能的由來,電能再轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．從能量的角度分析楞次定律,這部分內(nèi)能從其他形式的能量轉(zhuǎn)化過來,說明楞次定律是能量守恒定律在電磁現(xiàn)象中的體現(xiàn);

其三,問題更具開放性,主要體現(xiàn)在例題要求學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、寫出步驟和論證過程;還體現(xiàn)在課后練習(xí)的第3題是舊版教材的例題,但新版教材對(duì)原題進(jìn)行了改編,通過問題的引導(dǎo),讓學(xué)生體會(huì)到一題多變的特點(diǎn)．

雖然新版教材更貼近學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律,但“楞次定律”的內(nèi)容始終相對(duì)抽象．該定律在文字上,只是知道了感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與引起感應(yīng)電流的磁通量變化的關(guān)系,并沒有直接給出感應(yīng)電流的方向,只是蘊(yùn)含了判斷感應(yīng)電流方向的原則[2]．若要判斷感應(yīng)電流的方向,學(xué)生根據(jù)楞次定律先判斷出感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向,然后再由安培定則得出感應(yīng)電流的方向．對(duì)于該定律的理解是本節(jié)的重點(diǎn),也是難點(diǎn)．

為了突破重難點(diǎn),很多作者在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行創(chuàng)新,方法各異,特色紛呈.如利用發(fā)光二極管的單向?qū)щ娦詠盹@示感應(yīng)電流方向[3-4],也有的作者采用電流放大器對(duì)感應(yīng)電流進(jìn)行放大[5]．筆者認(rèn)為采用電流放大器對(duì)高中教師使用和學(xué)生理解都不切合實(shí)際．在查閱參考了大量的資料后,筆者決定采用5個(gè)紅色、5個(gè)綠色的發(fā)光二極管各自并聯(lián),嵌在二極管的電路符號(hào)上,形成箭頭形狀,再將兩個(gè)箭頭反向并聯(lián)起來,讓每個(gè)箭頭的指向就是二極管正接時(shí)的電流流向,如圖1所示．

圖1 楞次定律演示儀

由于感應(yīng)電流的方向就兩種可能,通過觀察本裝置中二極管的發(fā)光情況,就可以將電流方向直觀顯示出來．

3 楞次定律演示儀

3.1 實(shí)驗(yàn)器材

5個(gè)紅色二極管、5個(gè)綠色二極管(5 mm圓頭LED發(fā)光二極管,帶線20 cm,3 V)、1個(gè)電池盒(3 V)、1個(gè)線圈(2 800匝)、8個(gè)銣磁鐵(直徑20 mm×厚度10 mm)、一根條形磁鐵、導(dǎo)線若干、一塊PVC面板、一塊木板(基座)、強(qiáng)力膠水、電池盒．

3.2 制作方法

用長(zhǎng)約為55 cm、寬約為15 cm的木板作為底座,把長(zhǎng)約為45 cm、厚度約為1 cm、高約50 cm的PVC板用強(qiáng)力膠水粘在底座的中間．為了面板上的電路圖更形象,線圈、二極管采用打印并剪好再貼在面板上,用油性筆畫線代替導(dǎo)線將各用電器連通．電路的核心設(shè)計(jì)是在二極管的圖示位置,用電烙鐵焊5個(gè)小孔,方便插入二極管．將二極管的導(dǎo)線按如圖1所示的方式插在面板上,將5個(gè)同色二極管的導(dǎo)線先并聯(lián),再將并聯(lián)好的不同色的二極管反向并聯(lián)再接入電路中．在面板的右側(cè),固定一個(gè)3 V的電池盒,方便檢測(cè)二極管是否正常發(fā)光．在面板的左側(cè),連接線圈．

4 演示實(shí)驗(yàn)

4.1 檢驗(yàn)“發(fā)光二極管”裝置的可行性

用干電池接在“發(fā)光二極管”的兩端進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)．

當(dāng)二極管裝置上端接正極,下端接負(fù)極時(shí),紅色的二極管亮;反過來,當(dāng)二極管裝置下端接正極,上端接負(fù)極時(shí),綠色的二極管亮．通過“發(fā)光二極管”裝置的亮燈情況,可以將電流方向直觀顯示出來．

4.2 分組實(shí)驗(yàn)

按照?qǐng)D2中實(shí)驗(yàn)操作圖示進(jìn)行實(shí)驗(yàn),分別觀察以下4種情況:

(1)N極朝下,將強(qiáng)磁鐵插入線圈;

(2)N極朝下,將強(qiáng)磁鐵拔出線圈;

(3)S極朝下,將強(qiáng)磁鐵插入線圈;

(4)S極朝下,將強(qiáng)磁鐵拔出線圈.

記錄二極管的發(fā)光情況(感應(yīng)電流的方向),完成表1．

圖2 探究感應(yīng)電流方向的實(shí)驗(yàn)操作圖示

表1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄

4.3 分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

(1)讓學(xué)生觀察表1,能否發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流方向所遵循的規(guī)律．

(2)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向”與“原磁場(chǎng)方向”進(jìn)行對(duì)比．仔細(xì)觀察表格后,得出結(jié)論:當(dāng)原磁通量增加時(shí),兩個(gè)磁場(chǎng)的方向相反;原磁通量減少時(shí),兩個(gè)磁場(chǎng)的方向相同．簡(jiǎn)稱“增反減同”．由此,可以判定感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向,再結(jié)合安培定則,得出感應(yīng)電流的方向[6]．

4.4 楞次定律的應(yīng)用

再次引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比表格中感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)的方向:

(1)當(dāng)N或S極插入線圈時(shí),磁通量增加,線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流,此時(shí)通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相當(dāng)于條形磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng),且感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)的方向相反．根據(jù)同名磁極相互排斥,知線圈與磁體間相互排斥．

(2)當(dāng)N或S極拔出線圈時(shí),磁通量減小,線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流,且感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)的方向相同,根據(jù)異名磁極相互吸引,知線圈與磁體間相互吸引;得出楞次定律的另一種表述“來拒去留”．

4.5 驗(yàn)證“來拒去留”的效果

將線圈放在墊有隔板的電子秤(精度為0.1 g)上,按下去皮鍵,此時(shí)電子秤上的示數(shù)為零．在電子秤上放隔板的作用是為了減小磁場(chǎng)對(duì)電子秤中元件的影響．分析電子秤上的示數(shù)正負(fù)(示數(shù)為正值,表示線圈受到的作用力方向向下;示數(shù)為負(fù)值,表示線圈受到的作用力方向向上),便知強(qiáng)磁鐵與線圈間的作用力是吸引力還是排斥力,在直觀上感知“楞次定律”中的“阻礙”效果,驗(yàn)證過程如圖3所示．

4.6 實(shí)驗(yàn)拓展

對(duì)比磁鐵在有機(jī)玻璃管和鋁管中運(yùn)動(dòng)的快慢?說明理由．

圖3 驗(yàn)證“來拒去留”的實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)成本低,可視性好,實(shí)驗(yàn)操作性強(qiáng),可進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力．本實(shí)驗(yàn)的不足之處在于,強(qiáng)磁鐵插入線圈的這一過程不容易快速插入,導(dǎo)致此時(shí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流不夠大,二極管不夠亮．在利用“來拒去留”和結(jié)合牛頓第三定律分析線圈在電子秤上的示數(shù)正負(fù)反映力的方向時(shí),電子秤上顯示的讀數(shù)比較短暫,不能長(zhǎng)時(shí)間觀察．在實(shí)際操作中,可以通過拍攝后回放,進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析．