一道教材習(xí)題的實驗探究和反思

新課程改革以全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為核心，重視物理過程與方法，突出科學(xué)探究，把科學(xué)探究和科學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)放在同等重要地位。相應(yīng)地，新教材也就增加了科學(xué)探究的內(nèi)容。教材中“問題與練習(xí)”的一些習(xí)題就極具探究性。物理是實驗事實為基礎(chǔ)的學(xué)科，一切理論都要能經(jīng)受實踐的檢驗，教材所編的“問題與練習(xí)”也不例外。在教學(xué)實踐中，一道教材習(xí)題引起了筆者的重視，特地進行了實驗探究。

1 教材原題及解析

（1）“人教版”教材物理選修3-2第13頁“問題與練習(xí)”第4題，原題如下：

4.如圖4.3-11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時感慶電流的方向。

（2）物理選修3-2教師教學(xué)用書第21頁的解析：

答：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少，根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的磁場要阻礙磁通量的減少，即感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向相同，再根據(jù)右手螺旋定則可知感應(yīng)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(yīng)電流的磁場要阻礙磁通量的增加，即感應(yīng)電流的磁場與原磁場方向相反，再根據(jù)右手螺旋定則可知感應(yīng)電流的方向，從上向下看也為逆時針方向。

2 實驗探究及結(jié)論

2.1 習(xí)題淺析

這是一道用楞次定律分析感應(yīng)電流方向的問題，應(yīng)用楞次定律判斷感應(yīng)電流方向一般依據(jù)四個步驟：①確定原磁場方向（B原方向）；②確定原磁場形成的磁通量的變化（增或減）；③運用楞次定律確定感應(yīng)磁場方向（B感方向）；④由感應(yīng)磁場方向（B感方向）運用安培定則（右手螺旋定則）判定感應(yīng)電流方向（I感方向）。

教師教學(xué)用書的解析基本符合四個步驟要求，只是步驟②中原磁場形成的磁通量的變化的認識我覺得存在一定誤區(qū)。磁場可用磁感線形象描述，線條的疏密表示磁場的弱強。磁通量可形象看成穿過某面積磁感線的條數(shù)。題目中閉合線圈的磁通量變化要兼顧磁感的疏密和線圈面積與磁感線方向的關(guān)系，而且要經(jīng)得住實驗探究和檢驗。

2.2 實驗探究

為了自我釋疑，筆者進行了如下實驗探究：

（1）認識條形磁鐵的磁場：磁鐵外部磁感線從N極散開，收聚于S極。

如人教版初中物理八年級下冊（2005年10月版）第58頁圖9.2-2和第59頁圖9.2-3：

圖9.2-2圖9.2-3

（2）猜想與假設(shè)：根據(jù)條形磁鐵N極附近磁場的磁感線，題目中線圈經(jīng)過A、B、C位置的過程中，我們可作出如下猜想和假設(shè)。

①線圈從A位置到B位置，由遠及近，磁感線由疏到密，線圈內(nèi)磁通量在增大，接近B位置，磁通量最大，到B位置磁通量迅速減速小為0。

②線圈從B位置到C位置，磁場方向和磁通量變化情況剛好與上面相反，線圈內(nèi)磁通量先迅速增至最大，線圈再由近及遠，磁感線由密到疏，磁通量隨之減小。

（3）實驗探究及結(jié)論

實驗表明，閉合電路內(nèi)磁通量的增減變化會在電路內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，用0刻度在表盤中央的靈敏電流表可顯示感應(yīng)電流方向。為了驗證上述猜想與假設(shè)，我們利用物理選修3-2第5頁的圖4.2-2進行實驗探究。圖4.2-2

①驗證線圈由A位置到B位置：

實驗ⅰ：磁鐵N極由A位置向B位置插入線圈，線圈內(nèi)磁通量增大，表針向右擺動；由B位置向A位置抽出線圈，線圈磁通量減少，表針向左擺動。（如圖1）

實驗ⅱ：線圈由A位置到接近B位置，表針向右擺動；再略向下到B位置，表針向左擺動（擺幅略小）（如圖2）

實驗結(jié)論：對比實驗ⅰ和實驗ⅱ，線圈由A位置到接近B位置，磁通量在增大，到B位置磁通量迅速減少。實驗結(jié)果符合猜想與假設(shè)。

②驗證線圈由B位置到C位置：

實驗ⅲ：磁鐵N極由C位置向B位置插入線圈，圈線磁通量（方向和實驗ⅰ相反），磁通量增大，表針向左擺動；由B位置向C位置抽出線圈，線圈磁通量減少，表針向右擺動。（如圖3）

實驗ⅳ：線圈由B位置略向下時，表針先向左擺動（擺幅略小），線圈繼續(xù)向下到C位置，擺針向左擺動。（如圖4）

實驗結(jié)論：對比實驗ⅲ和實驗ⅳ，線圈由B位置略向下，線圈磁通量迅速增大，之后線圈繼續(xù)向C運動，磁通量逐漸減少。實驗結(jié)果符合猜想與假設(shè)。

③實驗說明：在實驗中筆者自制了和習(xí)題類似的線圈做實驗，得到相同的實驗結(jié)果，只是表針偏轉(zhuǎn)極小。后改用一個大線圈進行實驗，和上面實驗圖形類似，實驗效果非常明顯。

3 總結(jié)、反思與拓展

（1）總結(jié)：通過實驗探究，線圈在條形磁鐵N極附近由A→B→C的運動過程中，由于磁感線分布的影響，線圈內(nèi)的磁通量相應(yīng)經(jīng)歷了先增大，后減少，再增大，再減少的變化過程。因而教師用書對習(xí)題的解答只考慮了線圈在B附近的磁通量變化情況而得出解答結(jié)論。在實驗中，B位置附近的變化過程是很短暫的，實驗不太明顯，有點難觀察，反而在A→B和B→C的過程中實驗現(xiàn)象極為明顯。習(xí)題由于研究的是磁鐵的N極附近，結(jié)合實驗現(xiàn)象，完整回答應(yīng)是：

由于線圈在條形磁鐵的N極附近，從A到B的過程中，線圈中向上的磁通量先增加后減少，根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的磁場要阻礙磁通量的變化，即感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向先相反后相同，再根據(jù)右手螺旋定則可知感應(yīng)電流的方向，從上向下看為先順時針后逆時針方向。

從B到C的過程中，線圈中向下的磁通量先增加后減少，根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的磁場要阻礙磁通量的變化，即感應(yīng)電流的磁場與原磁場方向先相反后相同，再根據(jù)右手螺旋定則可知感應(yīng)電流的方向，從上向下看為先逆時針方向后順時針方向。

（2）反思：物理學(xué)是一門與自然、生活、技術(shù)進步和社會發(fā)展有著最廣泛聯(lián)系的科學(xué)。新課程改革將“科學(xué)探究”列入了課程標(biāo)準(zhǔn)。而科學(xué)探究與物理實驗既有聯(lián)系又有區(qū)別，科學(xué)探究包括實驗探和理論探究。而實驗是科學(xué)探究的重要手段之一，在科學(xué)教育中要重視實驗教學(xué)。筆者在這里只是選了一道習(xí)題進行實驗探究。教材中的好多問題與習(xí)題都源于理論和生活，我們要從書本走向生活，創(chuàng)造條件，積極進行實驗探究，引導(dǎo)學(xué)生與大自然去“對話”。

（3）拓展：為了使教材習(xí)題表述更加準(zhǔn)確，教材的習(xí)題應(yīng)指明A、C位置靠近B位置，而不應(yīng)僅只是“N極附近”。和教材習(xí)題類似的題目，在好多資料上都出現(xiàn)過。如青海人民出版社出版的《高考領(lǐng)航》物理選修3-2第10頁第6題和中國少年兒童出版社出版的《教材解析》高中物理選修3-2第13頁例題2，但這些題目都明確指定了研究位置是在B位置附近。

(欄目編輯王柏廬)

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