“楞次定律”實驗創新與教學設計

劉璐婷 李豐果

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006；華南師范大學物理國家級實驗教學示范中心 廣東 廣州 510006)

“楞次定律”是高中物理教學的重點也是難點[1].但由于其很抽象，學生難以真正理解其本質，因此眾多學者從實驗設計和教學設計等方面進行了探討[2～4].在實驗改進上有學者直接在線圈上接入兩個發光二極管顯示電流方向[2]，也有學者用發光的箭頭模擬了感應電流方向和感應磁場方向[3]；在教學改進上一些學者先以來拒去留的力學現象歸納出感應磁場的方向規律，得出楞次定律，再定量驗證[4].筆者有幸參加了第六屆“華夏杯”全國物理教學創新大賽，參賽選題為“楞次定律”.改進了“楞次定律”的實驗設計，基于所改進的實驗完成了教學設計，實驗設計和教學比賽分別獲得研究生組實驗創新獎和一等獎，并被推薦為優秀教學進行展示.本文將對參賽實驗設計的創新性和教學設計進行詳細的闡述，以期對“楞次定律”的教學有一定的參考和指導.

1 實驗設計

關于楞次定律的實驗，多年來一直使用靈敏電流計或檢流計來顯示感應電流的方向，但由于電表結構的封閉性，感應電流方向顯示得不直觀[2]，此外指針偏轉過程中因慣性存在指針反偏現象[1]，從而導致學生在判斷感應電流方向時存在問題.近年來，隨著計算機輔助教學的迅速發展，在DISLab實驗室中用電流傳感器連接計算機也可以顯示電流方向[5]，但該方法的原理較為復雜，電流方向以數據、圖像的形式顯示在電腦上較為抽象，且一些學校并不具有這些設備.此外，部分學者利用二極管的單向導電性只用一個紅色和一個綠色的發光二極管就可以顯示電流的方向[2,6]，制作起來簡單，但由于二極管體積很小，演示現象不明顯.對于這一問題有學者進行了改進，使用多個發光二極管并聯成箭頭的形狀來顯示電流的方向，這一改進使實驗現象明顯，但由于線圈產生的感應電流較小不易使多個二極管發光，需要引入電流放大器或其他器材來放大感應電流[1,3,7]，可這樣會使演示裝置“化簡為繁”.

針對上述問題，筆者自制了如圖1所示的“楞次定律”演示儀來探究感應電流的方向規律.此裝置中，用33個紅色、33個綠色的發光二極管各自并聯成箭頭的形狀，將兩個箭頭反向并聯起來，以保證每個箭頭的指向就是這種二極管正接時的流向，電流有兩種可能的流向，所以這兩個箭頭就可以清楚、直觀地顯示電流的方向.裝置中沒有使用電流放大器，為了獲得更大的電流使發光二極管發光，采用兩種措施：一是在有機玻璃管上繞更多匝漆包線(線徑為0.17 mm，約3 000匝)，線圈的繞向在演示儀左側標出.二是用3個20 mm×10 mm的圓柱形銣磁鐵組成強磁鐵.為了便于操作，將強磁鐵吸在一個普通的條形磁鐵上進行在線圈中的插拔運動，這樣產生的感應電流就足以使二極管裝置發光.此外為了證明演示裝置的可行性，右側固定了兩個1.5 V的干電池，實驗前可以先將干電池接在二極管裝置兩端進行演示實驗，消除學生的疑慮.

圖1 自制“楞次定律”演示儀實物圖

由于該演示儀取材簡單，僅靠磁鐵與線圈產生的感應電流就能使多個發光二極管發光，因此更加直觀.下面介紹基于演示儀的“楞次定律”教學設計.

2 基于實驗的教學設計

2.1 趣味實驗 埋下伏筆

用自制“空心鋁管小車”實驗表演小魔術[8].

師：一般情況下怎樣可以讓小車運動起來呢？

生：用力推或用力拉小車.

師：你們如果既不用力推，也不用力拉，甚至不與小車接觸，可以讓小車運動起來嗎？

學生思考后表示不能，教師演示用“魔法棒”(被紙包著的磁鐵)插入或拔出空心鋁管，就讓小車運動了起來，如圖2所示.

圖2 “空心鋁管小車”實驗圖

師：“魔法棒”為什么可以讓小車運動起來？背后蘊含著什么物理奧秘呢？

設計意圖:“楞次定律”的一個難點是理解“阻礙”的作用，把鋁管固定在小車上，可以將磁體與導體間的“阻礙”效果顯示得更加明顯；磁鐵用紙包起來，給學生制造一個懸念.這個小實驗取材簡單，體現了“從生活走向物理”的新課程理念，還能激發學生的學習興趣和求知欲，把注意力轉向課堂.

2.2 實驗創新 啟發思維

在學習本節內容之前，學生已經知道了感應電流的方向與磁通量的變化和原磁場的方向這兩個因素有關，本節課主要探究在這兩個因素的影響下，感應電流的方向會遵循什么規律.首先引導學生設計創新實驗：

師：要想知道電流的方向如何，一般用什么器材檢測？

生：電流表或檢流計.

師：還有其他方法嗎？發光二極管可以嗎？為什么？

生：可以，因為二極管具有單向導電性.

師：電流有幾種可能的流向？

生：兩種.

師：那用兩種不同顏色的發光二極管，讓一種二極管檢測一個電流的方向，是不是就能解決問題？

向學生介紹如圖1所示的裝置上就將紅色、綠色兩種發光二極管各自拼接成一個箭頭的形狀，然后將兩個箭頭反向并聯起來，保證每個箭頭的指向是這種二極管正接時的流向.

為了向學生證明“發光二極管”裝置的可行性，先用一個干電池接在“發光二極管”裝置的兩端進行演示實驗，如圖3所示.

圖3 “發光二極管”裝置與干電池連接圖

師：當二極管裝置上端接正極，下端接負極時，哪個燈亮了？

生：紅色的燈亮了.

師：回路中的電流方向確實如紅色的箭頭所示吧？

學生表示贊同.

師：當二極管裝置下端接正極，上端接負極時，哪個燈亮了？

生：綠色的燈亮了.

師：這次回路中的電流方向又確實如綠色的箭頭所示吧？看來這個“發光二極管”裝置確實可以用來檢測電流的方向.

學生表示贊同.

評估方法：線路聯絡率（%）=不具備有效聯絡的線路條數/線路總條數，對聯絡率過低的情況進行原因分析，并與上一年10（20）千伏線路聯絡率實績值進行比對，對聯絡率降低的情況進行原因分析，提出解決建議和規劃方案。

設計意圖:“發光二極管”裝置通過箭頭的亮燈情況，就可以將電流方向直觀地顯示出來，學生一目了然，此外該裝置趣味性強，現象明顯，使學生的注意力高度集中.用干電池進行實驗，證明了裝置的可行性，消除了學生的疑慮，為接下來探究“感應電流方向規律”的實驗奠定了基礎.

通過之前的學習，學生已經知道磁鐵插入或拔出閉合線圈，可以產生感應電流，下面就用自制“楞次定律”演示儀進行實驗,探究感應電流的方向規律，實驗原理如圖4所示.磁鐵在線圈中的運動包括N極朝下插入、N極朝下拔出、S極朝下插入和S極朝下拔出這4種情況，分別進行4種情況下的演示實驗，實驗現象如圖5和圖6所示，同時記錄表1中各個物理量的情況.為方便記錄線圈上產生的感應電流方向，啟發學生統一從俯視觀察線圈，再根據繞向確定線圈上的感應電流方向.

圖4 “楞次定律”演示儀原理圖

圖5 磁鐵N極朝下插入線圈

圖6 磁鐵N極朝下拔出線圈

表1 探究感應電流方向規律實驗記錄表

設計意圖：自制“楞次定律”演示儀實驗現象明顯、直觀，方便學生觀察，具有啟發性.設計實驗表格時剛開始需要記錄的物理量不宜太多太復雜，只需要有“原磁場的方向”“磁通量的變化”和“感應電流的方向”這3個物理量，這樣會比較符合學生的認知規律.實驗探究過程使學生獲得了必要的感性知識和數據，為最后得出“感應電流方向規律”奠定基礎.

2.3 層層引導 發現規律

得到了4種情況下感應電流的方向后，先讓學生觀察從表1中能否發現感應電流方向所遵循的規律.

師：從實驗得出的表格(表1)中能看出感應電流方向所遵循的規律嗎？

學生思考后表示不能，這時教師再慢慢引出“感應磁場的方向”這個中介.

師：根據電流的磁效應，只要是電流，就會在它周圍產生感應磁場.那感應電流周圍是不是同樣也存在著感應磁場？

學生思考后表示同意.

師：那就順便來看看感應磁場的方向，同是磁場，還可以與原磁場的方向進行比較，說不定能發現點什么.有了感應電流的方向，如何判斷感應電流產生的磁場方向呢？

學生運用“右手螺旋定則”判斷出4種情況下感應電流產生的磁場方向，如表2所示.

表2 探究感應電流方向規律實驗記錄表

這時先讓學生觀察感應磁場與原磁場的方向關系，學生會發現這兩個磁場的方向一會兒相同，一會兒相反，然后教師繼續引導.

師：感應磁場與原磁場的方向什么時候相同？什么時候相反呢？

學生仔細觀察表格后得出：磁通量增加時，兩個磁場的方向相反；磁通量減少時，兩個磁場的方向相同.

師：磁通量在增加時，感應磁場總與原磁場方向相反，這樣是有利于磁通量的增加？還是阻礙了磁通量的增加呢？

生：阻礙了磁通量的增加.

師：那磁通量減少時，感應磁場總與原磁場方向相同，這樣是有利于磁通量的減少？還是阻礙了磁通量的減少呢？

生：阻礙了磁通量的減少.

師：既阻礙增加，又阻礙減少，是不是說明感應電流產生的磁場總要阻礙磁通量的變化呀？

學生表示贊同，這就得出了楞次定律的“雛形”.

為了將物理學史引入課堂，提供給學生物理規律的歷史背景，向學生介紹早在1833年，俄國科學家楞次做了大量實驗后就發現了這個規律，這就是楞次定律：感應電流具有這樣的方向，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[9].

設計意圖：在探究感應電流方向規律無果時再引入“感應磁場的方向”這個物理量，能讓學生感受到是“迫不得已”時才引入的，不是一上來就引入的.對實驗結果進行分析得出“楞次定律”是本節課的重點和難點，這個規律的得出如果單純靠學生的觀察和猜測容易“走偏”，抓不住重點，所以教師在這里的引導就顯得尤為重要，通過巧妙的引導，學生就能抓住問題的關鍵，清楚這個規律的來龍去脈.

2.4 轉換視角 拓展規律

為了拓寬學生的知識面，提高學生從不同角度分析問題的能力，對“楞次定律”繼續探討，這次主要從“磁體與導體間相對運動”這個角度來分析.

師：磁通量增加時，感應磁場總與原磁場方向相反，以磁鐵N極朝下的插入為例，兩個磁場的方向相反，會導致正對著的兩個磁極極性怎么樣(如圖7所示)？

圖7 磁鐵N極朝下插入線圈

生：會導致這兩個磁極的極性相同.

師：根據同名磁極相互排斥，這種排斥的作用是不是會阻礙磁鐵的插入？

學生思考后表示贊同.

師：那就說明感應電流產生的磁場阻礙了磁鐵的插入.

師：磁通量減少時，感應磁場總與原磁場方向相同，以磁鐵N極朝下的拔出為例，兩個磁場的方向相同，會導致正對著的兩個磁極極性怎么樣(如圖8所示)？

圖8 磁鐵N極朝下拔出線圈

生：會導致這兩個磁極的極性相反.

師：根據異名磁極相互吸引，這種吸引的作用是不是會阻礙磁鐵的拔出？

學生思考后表示贊同.

師：那就說明感應電流產生的磁場阻礙了磁鐵的拔出.既阻礙插入，又阻礙拔出，總的來說，就會發現感應電流產生的磁場總要阻礙磁體與導體之間的相對運動吧？

學生思考后表示贊同，教師向學生介紹這也是“楞次定律”的另一種表述形式，并可以把它概括為一句口訣：來拒去留.

設計意圖：分析磁體與導體間的相對運動，可以讓學生從宏觀上感受“阻礙”的作用，為揭秘課前“空心鋁管小車”實驗奠定基礎.從“楞次定律”的第一種表述入手過渡到第二種表述，由已知推未知，不僅使學生清楚了兩種表述之間的聯系與區別，完善了本節課的知識體系，此外對課本進行延伸拓展，加深了學生對本節知識的理解，開闊了學生的視野.

2.5 巧用規律 實驗揭秘

為了真正體現學以致用，啟發學生對課前的“空心鋁管小車”實驗現象進行解釋.這時可以將“魔法棒”拆開，發現是一塊磁鐵，空心鋁管是導體，就相當于一圈一圈的閉合線圈，通過本節課的學習，磁體與導體間的相對運動情況學生已經很清楚了，便可以分析出小車運動的原因.

師：當磁鐵插入鋁管時，小車朝哪里運動？為什么？

生：朝遠離磁鐵的方向運動，因為插入時鋁管產生的感應磁場會抗拒磁鐵的插入.

師：當磁鐵從鋁管中拔出時，小車朝哪里運動？為什么？

生：朝靠近磁鐵的方向運動，因為拔出時鋁管產生的感應磁場會挽留磁鐵的拔出.

師：所以通過磁鐵的插入或拔出鋁管，就可以讓空心鋁管小車運動起來了(如圖9所示).

圖9 “空心鋁管小車”實驗原理圖

設計意圖：讓學生對課前的實驗現象進行解釋，不僅做到了首尾呼應，而且提高了學生用所學知識解釋物理現象的能力，讓學生認識到物理學的價值，將理論運用到了實際.此外運用物理規律解釋物理現象，解決實際問題，能幫助學生建立解決問題的思路，獲得解決問題的正確方法，促進知識向能力的轉化，同時也使學生對本節內容能夠加深理解、鞏固知識[10].

3 總結

根據“楞次定律”教學難點和當前“楞次定律”演示實驗和教學設計的不足，設計完成了“楞次定律”的演示實驗裝置，并利用該演示實驗裝置完成了教學設計.該實驗裝置具有一定的創新性，教學實踐表明：實驗裝置可直觀演示感應電流的方向，通過巧妙設問和層層引導的教學設計，突破了教學難點，幫助學生更好地理解感應電流的方向規律.