基于高中物理核心素養的科學探究
——以探究“楞次定律實驗”為例

(昆明市第三中學 云南 昆明 650500)

核心素養是個人終身發展和可持續發展的基礎，學生發展核心素養是指培養學生應具備的適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，高中物理核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任4個方面[1].本文以科學探究楞次定律實驗為例，在教學中把物理核心素養真正落實到位.

楞次定律是高中物理電磁學知識的重點、難點，教學中一般按照教材的實驗設計進行演示實驗，通過G表的偏轉判斷感應電流方向，得出感應電流磁場的方向，再得出感應電流磁場方向與原磁場的方向關系，從而驗證楞次定律.問題是：

(1)以往的教學過程中發現部分學生對成品線圈的繞向一頭霧水;

(2)演示實驗的教學設計在教學中省時，但調動學生的積極性欠佳，部分學生處于被動接受狀態;

(3)實驗過程對學生能力要求較高，實驗如果能夠從易到繁，更符合學生的認知規律，從而突破教學難點.

1 刺激認知 為科學探究做鋪墊

充分利用資源，自制線圈.

(1)準備材料

筆者提前網購好直徑0.4 mm的漆包銅導線1 kg;內徑26 mm，厚度4 mm，外徑34 mm，高為12 cm的鋁管和銅管各一個；內徑28 mm，厚度2 mm，外徑32 mm，高為3 cm的鋁管若干；起電電壓為1.8 V的黃色和紅色二極管若干；直徑為2 cm，高1 cm的圓柱形釹鐵硼強磁鐵若干.

(2)刺激認知

1)把平行板電容器的極板(鋁板)和絕緣板(塑料板)用白紙蒙起來，靠桌邊同高度傾斜放置，讓兩塊相同的直徑為2 cm，高1 cm的圓柱形釹鐵硼磁鐵分別從兩塊不同的板上同一高度滑下，讓學生觀察磁鐵的運動，猜測板的材質.

2)利用實驗室的3D打印機指導學生打印內徑28 mm，厚度2 mm，外徑32 mm，高為3 cm和6 cm的塑料內芯若干，利用學生的優勢調動學生的積極性，同時許諾學生：探究實驗完成的好,可以獎勵學生用3D打印機打印自己喜歡的物件.

3)自制線圈

指導學生繞制不同型號的線圈(內芯分別為鋁環和塑料，匝數分別為200匝和400匝)，高分別為3 cm和6 cm.

以上活動都是利用業余時間和學生一起完成，繞制線圈時故意把12 cm的鋁管和銅管放在容易引起學生注意的位置，同時圓柱形強磁鐵放在鋁管旁邊，好玩是學生的天性，有學生讓磁鐵從鋁管、銅管中下落，發現磁鐵下落較自由落體慢很多.學生熱情高漲，認真觀察和思考，為更好地探究楞次定律打下了很好的伏筆.

2 提出問題 引導學生設計實驗方案

(1)給出各種實驗儀器，有的是學生自己做的，有的是以前學生完成其他實驗用到的，如圖1所示(另外還給學生準備了透明膠帶).

(2)提出問題

1)哪些儀器可以測出電流的方向或通過什么儀器能知道電流的方向.

2)如何判斷二極管的正負極.

3)哪些物體具有磁性，電流和磁性物體之間是否具有力的作用.

4)產生感應電流的條件是什么?

5)利用實驗桌上的儀器設計實驗方案，如何判斷感應電流的方向?

圖1 實驗儀器

(3)教師引導學生設計判斷感應電流的實驗方案

雖然學生的實驗方案眾多，也有個別學生一頭霧水，但是也有部分學生能在有效的時間內想出可行的方案，讓學生展示自己的方案，教師根據情況引導實施實驗.

1)學生讓一個圓柱形的強磁鐵從鋁管或銅管中下落，如圖2所示，根據磁鐵下落的運動明顯比塑料管中慢，說明鋁管中有感應電流，根據初中所學同名磁極排斥得出鋁管兩端的磁性，再用初中所學的右手螺旋定則判斷感應電流的方向.進一步引導學生如何驗證學生得到的電流方向正確，也就是引導學生找出證據.

圖2 磁鐵從管中下落

2)學生把線圈和二極管串聯，讓3個(4個、5個、6個)圓柱形強磁鐵插入線圈，通過二極管是否亮判斷感應電流方向.

有很少數的小組實驗中二極管亮了，讓學生適時展示成果.

問題1：有的小組無論如何操作二極管都不亮，學生茫然；讓學生尋求二極管不亮的原因，并給出解決方案.

問題2：當用萬用表的電壓檔和數字電壓表檢查磁鐵插入線圈時線圈兩端的電壓，發現電壓值非常小不超過0.3 V.

解決方案：提高磁鐵插入線圈的速度；增加匝數；把干電池和二極管串聯，保證達到二極管的起電電壓等等.

問題3：提高插入速度，當電壓表讀數達到0.3 V時，發現二極管微微的閃了一下.

疑惑：難道二極管的起電電壓不是1.8 V，還是測得不對?筆者介紹電壓傳感器，再用電壓傳感器測量電壓，顯示峰值最高到0.8 V(采樣頻率是20 Hz，開始忽視了有采樣頻率，更沒有意識到不同的采樣頻率，測量誤差有這么大).

增大采樣頻率到100 Hz，發現線圈兩端的電壓在二極管亮的時候已經超過了1.8 V.

通過一系列的刺激，學生直呼眼見不一定為實，撥開云霧，興趣越來越濃.

3)利用驗證牛頓第二定律的裝置，學生用膠帶把線圈固定在小車上，線圈兩端和二極管相連構成閉合電路，小車放在軌道上，當磁鐵插進或拔出時根據小車的運動判斷感應電流的方向，用二極管驗證判斷是否正確,如圖3所示.問題：有的小組小車不動(線圈是塑料內芯的不動)[2].

圖3 二極管驗證實驗

3 制造新的問題 尋找證據

筆者在學生給出方案的基礎上提升戰果，進行演示實驗，實驗電路圖如圖4所示[3].讓兩個二極管、兩個電源分別串聯成兩條支路(注意二極管和電源的極性，兩支路二極管的正、負極相反)，然后并在200匝的線圈兩端.

圖4 演示實驗電路圖

(1)問題：投影儀投影整個實驗過程，磁鐵插入線圈過程中，發現紅色和黃色(反向并聯)二極管幾乎同時亮；磁鐵拔出線圈過程中，也發現紅色和黃色二極管幾乎同時亮；這時學生再次沉默，求助的目光投向教師.

(2)證據：把電壓傳感器的兩端接在線圈的兩端，通過示波器顯示整個過程的電壓隨時間變化的圖像.

1)一只手拿線圈，另一只手把磁鐵迅速插入和拔出線圈，由于3個磁鐵和線圈等高，都是3 cm，迅速插入時磁鐵已經穿出了線圈，故意設置干擾因素，訓練學生的觀察能力，刺激學生現有的原認知，讓學生觀察圖像，如圖5所示(開始，學生會誤以為正向是磁鐵插入線圈的圖像，負向是磁鐵從線圈中拔出的圖像).

圖5 磁鐵迅速插入和拔出線圈時電壓隨時間變化的圖像

2)分解動作重復上面實驗，圖像如圖6所示.

圖6 分解動作重復實驗圖像

4 解釋和交流

面對筆者環環相扣的問題，學生的積極性已經被推向高潮，現場氣氛熱烈.還有好多學生不相信實驗事實，這時讓學生按照教師的演示實驗電路圖重新連接實驗器材完成實驗，自己驗證.

(1)組織學生討論，交流

(2)學生總結結論

1)磁通量增加時，感應電流的磁場方向和原磁場方向相反，阻礙磁通量的增加.

2)磁通量減少時，感應電流的磁場方向和原磁場方向相同，阻礙磁通量的減少.

3)得出楞次定律并引導學生用自己的語言理解楞次定律.①阻礙相對運動;②增反減同;③阻礙磁通量的變化;④產生感應電流的過程是其他形式的能轉化為電能的過程.

(3)解釋問題

分解動作，可以發現磁鐵N極向下插入(磁鐵底部已經穿出線圈底部)，磁通量向下先增大后減小，先紅色二極管亮，然后黃色二極管亮，分別對應于圖6的第一段和第二段；磁鐵從線圈中拔出時依舊是磁通量向下先增大后減小，先紅色二極管亮，然后黃色二極管亮，分別對應于圖6的第3段和第4段.

綜上所述，通過學生自己動手用3D打印機打印線圈內芯和繞制線圈，培養學生的興趣，剔除線圈繞向不清楚的疑點，給出不同的線圈，筆者故意制造思維障礙，刺激學生的原認知，通過環環相扣的問題把學生引進問題鏈陷阱，要解決問題只有尋找證據，合作交流.科學探究的過程不但訓練學生質疑創新，透過現象尋求本質的科學論證和推理的科學思維能力，而且培養了學生的科學態度與責任，同時通過電壓傳感器描繪的圖像為感應電動勢大小的定性研究做好切實可行的鋪墊，科學思維進一步升華.

筆者和學生一起進行的科學探究楞次定律的實驗，以人為本，培養學生適應終身發展和社會發展需要的能力，真正把核心素養落到實處.