“楞次定律”教學的創新設計

陳慶煒　張軍朋

(華南師范大學物理與電信工程學院　廣東 廣州　510006)

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“楞次定律”教學的創新設計

陳慶煒張軍朋

(華南師范大學物理與電信工程學院廣東 廣州510006)

針對楞次定律教學中存在的問題，依據物理教學的邏輯和學生的認知規律，對教材的思路進行整合，以問題引導結合實驗探究使學生有效經歷科學探究過程，從定性到定量得出楞次定律.

楞次定律科學探究教學設計

楞次定律是高中物理課程中最為抽象的一個物理規律，一直是教學的重點和難點.學習楞次定律是將物理知識、物理方法和物理本質融為一體的學習過程，能培養學生觀察思考的學習習慣和抽象邏輯思維能力.傳統教學從條形磁鐵相對于螺線管運動的實驗出發，引導學生將“感應電流的磁場”作為“中介”，通過填表比較，歸納出楞次定律的表述[1].

這種教學安排涉及原磁場方向、磁通量的變化、感應電流方向、線圈繞向等眾多變量，容易造成實驗效果不直觀、思維鏈條過長、教學邏輯不連續等教學困境[2].

為了擺脫以上教學困境，本教學設計先隱藏感應電流，以“楞次小車”來拒去留的力學現象，引導學生歸納出感應磁場的方向和原磁場的方向之間的定量關系，由此確定出感應磁場的方向，得到楞次定律的“雛形”，根據右手螺旋定則，由感應磁場的方向確定出感應電流的方向，從而得到楞次定律的完整表述；再引導學生分析出感應磁場的來源——感應電流，完善楞次定律，最后引導學生利用電流數據采集器進行感應電流方向的猜想和驗證.教學過程中通過豐富有趣的演示實驗，不僅暴露了學生的前概念，引發學生的認知沖突，也體現了新課程物理來源于生活，又走向社會的教學理念.

1　情境設疑 引發猜想

學生對磁性球在鋁管中的運動存在錯誤認識：鋁不屬于鐵鈷鎳材料，磁性球與鋁管不會相互吸引而應該在鋁管中做自由落體運動.學生還沒有關注到鋁管中由于磁通量變化產生的感應電流會與磁性球有安培力的作用.通過磁性球和非磁性球在鋁管中下落速度的對比，引發學生的認知沖突，導入新課.具體教學過程如下.

師：(關注物理常識)能吸引磁鐵的材料有哪些？

生：鐵鈷鎳.

師:請對比磁性球和非磁性球在鋁管中下落的速度(演示落磁法實驗如圖1)，磁性球下落為何變慢了？什么力在阻礙磁性球下落？

學生思考，產生疑惑.

圖1　鋁管對比實驗

2　層層引導 規律探究

落磁法實驗利用對比為學生提供感性認識，激發認知沖突，通過等效替代法將鋁管替代成無數個閉合線圈，并將載著閉合線圈的小車(圖2)作為研究對象，在小車“來拒去留”的“傲嬌”表現下，引發學生對探究原磁場和感應磁場關系的好奇心，從而順利過渡到實驗探究環節.

圖2　楞次小車

實驗中通過小車實驗配合多媒體動畫演示引導學生歸納分析出楞次定律的“雛形”.緊接著引導學生猜想感應磁場的來源，設計實驗方案驗證猜想，歸納出楞次定律的完整表述.教學設計的創新點在于先隱藏感應電流方向、線圈繞向等諸多變量，只向學生呈現兩個磁場的相互作用，體現分離與控制變量的教學邏輯，符合物理實驗簡約直觀的要求，堅持物理規律探究從定性到定量的原則.教具使用上，由于傳統的螺線管不能體現阻礙效果，靈敏電流計偏轉太快而難以保持現象等缺陷，采用載著閉合線圈的小車結合dislab電流數據采集器作為教具，將磁場方向以力的形式呈現，并在屏幕上呈現放大后的微弱電流，提高實驗的直觀性和可信度.教學手段上，利用多媒體動畫將抽象的物理量如感應磁場、鋁管中的環形電流等直觀形象地呈現，提高學生習得知識、經歷科學探究過程的效率.具體教學過程如下.

師：當磁鐵靠近和遠離線圈時，線圈和磁鐵之間存在什么力？(演示楞次小車來拒去留的現象,如圖2，引導學生對現象進行定性觀察)

生：排斥力，吸引力.

師：初中我們學過磁極規律是怎樣的？(回顧初中物理知識)

生：磁極之間同性相斥，異性相吸.

師：通過排斥力、吸引力我們可以發現隨著磁鐵和線圈的相對運動，線圈產生一個感應磁場.運用控制變量法，小組合作探究問題，磁鐵靠近和遠離線圈時，感應磁場的方向是相同還是相反的？

生：控制磁場方向不變，當磁鐵靠近和遠離線圈時，感應磁場的方向是不同的.

師：磁鐵靠近和遠離線圈，表明線圈中的磁通量在變化.接下來我們探究感應磁場的方向和原磁通量的變化之間的聯系.(利用小車來拒去留的力學現象結合多媒體動畫將磁場方向可視化，引導得出N極靠近和遠離的實驗數據，S極的實驗可由學生分組探究獲得，實驗結果如表1所示).

表1　實驗記錄表

師：分析表格的第2列和第3列，總結歸納磁通量的變化與感應磁場和原磁場方向的聯系.

生：磁通量增加時，感應磁場和原磁場方向相反；磁通量減少時，感應磁場和原磁場方向相同.

師：以上聯系可歸納為增反減同.分析表格第2列和第4列，可得出什么規律？(可提示學生關注關鍵詞)

生：感應磁場總是阻礙原磁通量的變化.

師：我們將增反減同和“阻礙”的效果歸納為楞次定律的“雛形”.因為我們還不清楚感應磁場的來源.初中我們學過奧斯特發現了電會生？(引導學生回顧物理學史)

生：磁.

師：結合上節課感應電流產生的條件，我們知道穿過閉合線圈的磁通量發生變化時，線圈會產生感應電流.那么感應磁場是否是感應電流通過電生磁產生的呢？請同學們小組討論，思考如何驗證這一猜想.(培養學生分析和解決問題以及交流與合作的能力)

生：先假設猜想是成立的，通過剛才的結論結合右手螺旋定則可由感應磁場判斷感應電流的方向，再用電流計進行驗證.一旦電流計的顯示方向與猜想的相同，則感應磁場確實是感應電流產生的.

師：電流表偏轉轉瞬即逝，但我們可以用電流數據采集器將電流方向停留在電腦屏幕上.(介紹電流數據采集器如圖3的使用方法，顯示界面如圖4，并引導學生進行實驗驗證)

圖3　數據采集器連接方法

圖4　數據采集器顯示界面

師：猜想得以驗證，我們發現感應磁場確實是感應電流產生的.楞次于1834年概括各種實驗結果并得出結論：感應電流總是有這樣的方向，即感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化.這就是楞次定律的完整表述.

3　運用規律 探尋本質

3.1首尾呼應 學以致用

圖5　落磁法動畫圖示

通過flash動畫(如圖5)展示磁性球在鋁管中下落的過程，對磁場方向、電流方向進行可視化處理，引導學生運用楞次定律中感應電流的磁場對原磁通量變化的“阻礙”效果，解釋磁性球所受阻力的來源.

3.2引入磁性阻尼擺 深化理解

利用小人蕩秋千的現象[如圖6，小人(綁著磁鐵)擺動，需要很久才停下來；將小人放在鋁板上方，與鋁板沒有接觸，以同樣的角度使小人擺動，發現很快就停下來]增加課堂的趣味性，并通過多媒體動畫(如圖7)輔助學生利用楞次定律解釋小人擺動變慢的原因，初步引入渦流的圖像，為之后渦流一節的學習提供感性認識.

圖6　磁性阻尼擺

圖7　磁性阻尼擺動畫圖示

3.3楞次定律的本質——能量守恒定律

一個實驗理論形成后，我們常常要從理論上審視它，它不應該和已有的理論相矛盾,否則，或者是過去的理論存在問題，或者是這個實驗有問題.我們可以通過落磁法和磁性阻尼擺兩個實驗驗證楞次定律的本質是能量守恒定律[1].具體的教學過程如下.

師：當磁性球下落和帶磁鐵小人向下擺時，他們由于運動都具有什么能量？

生：動能.

師：磁性球和帶磁鐵小人克服感應電流的磁場力做功，動能減少轉化為鋁管和鋁板中的電能.而電能最終會轉換成什么能量散發出去？

生：熱能.

師：因此球和小人機械能減少，電能增加，最終電能又轉換為熱能散失.因此從以上兩個實驗可以驗證楞次定律的本質就是能量守恒定律，符合物理規律自洽的原則.

4　聯系社會 課后思考

利用圖片、動畫等形式講解楞次定律在汽車電渦流緩速器和軍事上電磁炮的運用及原理，將物理規律應用于實踐當中，符合新課標從生活走向物理，從物理走向社會(STS)的理念.并利用自制教具演示磁懸浮現象(如圖8，在線圈中通以36 V，50 Hz的交流電，可以使線圈在鋁板上面懸浮起來)，提問學生：為何通以交流電的線圈能在鋁板中懸浮起來？如何用楞次定律解釋這一現象？將此問題留作課后思考題，通過小組討論和探究活動，查閱資料，以小組為單位寫一篇科學小論文，體驗知識來源于實踐而又作用于實踐的辯證關系.

圖8　磁懸浮裝置

5　小結

本設計首先通過下落變慢的磁鐵設置懸念并引入課堂，以楞次小車來拒去留的力學現象為出發點，讓學生感受到感應磁場的方向和原磁場的變化存在一定的聯系.繼而通過實驗探究的方法探究感應磁場和原磁通的變化之間的方向關系并總結得出楞次定律的雛形.緊接著與上節課探究感應電流產生的條件形成呼應，通過問題引導猜想感應磁場的來源是感應電流，利用右手螺旋定則結合楞次定律由磁場變化方向判斷出電流的方向，并利用電流數據采集器電流方向進行驗證，最終證明感應磁場是由感應電流產生的，從而得到楞次定律的完整表述.整個思路時刻體現了新舊知識的聯系，注重知識的構建過程，融匯了“建構主義”中以“教師為主導，學生為主體”的教學原則，讓學生通過體驗、觀察、自主分析、聯系新舊知識，構建起新知識的理念.

1人民教育出版社，課程教材研究所,物理課程教材開發中心.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-2.北京:人民教育出版社,2006.9～14

2邢紅軍,寧成,胡揚洋. 楞次定律教學的高端備課. 中學物理教學參考,2013(04):18～20

陳慶煒(1995-)，男，在讀本科，物理學師范專業.

指導教師：張軍朋(1963-)，男，教授，碩士生導師，主要研究方向為物理課程與教學論.

2016-06-09)