探究楞次定律的實驗創新設計

(江蘇省天一中學,江蘇 無錫 214101)

1 引言

楞次定律用于判斷感應電流的方向,是教學的重點之一。在探究楞次定律的過程中,需要明確磁鐵的磁場方向,判斷磁通量如何變化,搞清線圈的繞向,然后根據電流表指針偏轉特點得出線圈中電流方向,引導學生探究得出感應電流產生了磁場,最后判斷出感應電流的磁場方向。面對如此多樣的因素以及它們之間的復雜關系,學生總結、理解、應用楞次定律有較大的難度。課本上的實驗既是本節課的引入實驗,也是本節課的探究實驗,實驗有三個難點:一是引入中介難,學生不容易想到感應電流產生的磁場;二是探究過程難，要關注的因素多、關系復雜;三是對“阻礙”的理解難。因此筆者利用創新實驗突破這三個難點。

2 引入實驗的創新設計

2.1 引入實驗的思考

課本上的引入實驗是復習第2節“探究感應電流的產生條件”,然后提出本節課研究的課題：在不同情況下感應電流有不同的方向,感應電流的方向受哪些因素的影響？有什么樣的規律？這樣的引入沒有新意，不能為接下來的探究實驗做好鋪墊。

圖1

2.2 引入實驗的創新設計

2.2.1 實驗目的

引出感應電流磁場這個概念,強化對原磁場、感應電流磁場方向的認識。

自制實驗裝置:如圖1所示，用漆包線繞成匝數為850匝的線圈,兩個反向并聯的紅色、藍色發光二極管接在線圈兩端,有一個按鈕可以控制兩個二極管是否同時短路,線圈固定在小車上。

2.2.2 實驗步驟

(1) 將磁鐵快速插入線圈和從線圈抽出,你能觀察到哪些現象,又能得出什么結論？

現象1:二極管發光,說明存在感應電流。

現象2:兩個二極管先后發光,則說明感應電流的方向是相反的，由此引入探究的具體課題:怎樣判定感應電流的方向？

現象3:小車運動(不太明顯),說明線圈與磁鐵之間有相互作用。

(2) 為了讓小車運動得更明顯,按下按鈕使兩個二極管短路,將強磁鐵快速插入和抽出線圈。由于二極管被短路,線圈中的電流增大，小車運動明顯，觀察現象后,提出如下問題。

問題1:小車由靜止到運動,受到了什么力?

問題2:根據你觀察到的現象：磁鐵與線圈之間排斥或者吸引,你能標出線圈兩端的N極、S極以及線圈中感應電流的方向嗎?

問題3:感應電流的磁場與原磁場的方向關系如何?

2.2.3 實驗評析

(1) 采用發光二極管發光的形式把隱性的感應電流更加直觀、清晰地展現出來。

(2) 利用二極管單向導電性顯示感應電流方向的不同。

(3) 學生對感應電流的磁場有了清晰的認識,為主動、深入探究楞次定律做好了鋪墊。

3 探究實驗的創新設計

3.1 探究實驗的思考

課本上的探究實驗如圖2所示,判斷線圈中感應電流方向的步驟是:(1) 明確線圈的繞向,做好標識線;(2) 借助一節干電池用試觸法確定電流表指針偏轉特點,綜合以上判斷得出線圈中電流方向。這個過程比較繁瑣、容易出錯,電流方向的得出比較困難。而且由于電流在線圈中是螺旋上升或者下降,用逆時針和順時針描述線圈中電流的方向也較難想到,不夠直觀、形象。實驗過程中靈敏電流計指針擺動較快,不方便觀察記錄,要關注的因素太多,學生探究的興趣不大。

圖2

3.2 探究實驗的創新設計

3.2.1 實驗裝置

利用數字化信息系統DIS進行探究實驗,把多匝線圈改成單匝線圈、靈敏電流計換成微電流傳感器。如果電流從紅色夾子流入、黑色夾子流出，電流為正值；如果相反,電流為負值。將微電流傳感器與單匝線圈相接,再通過數據采集器連在計算機上,通過計算機屏幕將電流的波形圖顯示出來(如圖3)。

圖3

3.2.2 實驗評價

(1) 若要用多匝線圈,明確線圈的繞向,做好標識線,對學生來講也是一件比較困難的事,若是用單匝線圈，可將這一問題簡單化。

(2) 多匝線圈改成單匝線圈,大大減少了判斷電流方向的困難,并且使它變得簡單、形象、具體,用逆時針和順時針描述電流的方向也很直觀、形象。

(3) 靈敏電流計指針擺動較快,不方便觀察記錄,而利用波形圖,可方便進行觀察、記錄、對比。

(4) 運用數字化實驗系統不僅能夠吸引學生的興趣,而且大大簡化了實驗操作過程,為接下來結論的總結、理解楞次定律節省了時間。

4 理解“阻礙”的實驗創新設計

4.1 對楞次定律本質的思考

楞次定律中“阻礙”的本質就是為了遵守能量守恒定律，我們可以借助實驗來幫助學生對楞次定律中能量的轉化有深刻的認識。

4.2 “落磁”實驗一

4.2.1 實驗裝置

制作了7個匝數均為850匝的線圈,并與紅、藍發光二極管連接,線圈間隔均勻分布在塑料管上(如圖4)。磁鐵在線圈中下落,觀察現象,可以得出什么結論？

圖4

圖5

4.2.2 實驗現象與評價

當強磁鐵在管中下落經過線圈的時候,紅、藍發光二極管會間隔閃爍,即表明有感應電流產生,且磁鐵進出線圈時的電流方向相反。有電流就有電能的產生,我們已經知道能量不會憑空產生,所以只能從能量轉化的角度來考慮,并且功是能量轉化的量度,通過這樣的情境可以使學生對電磁感應現象中能量的轉化有較深刻的理解。

4.3 “落磁”實驗二

4.3.1 實驗裝置

一根塑料管和一根銅管長度均為1m、粗細相同,兩個相同的小磁鐵同時在管口處釋放,看一看誰下落得快(如圖5)。

4.3.2 實驗現象與評價

磁鐵從塑料管上端放入管中，由靜止釋放,會看到磁鐵很快從管道下端出來,做自由落體運動;同樣把磁鐵放入銅管中,

要過很久才從管道出來。設置問題:是什么阻礙了小磁鐵的下落呢？從而進一步理解“阻礙”的涵義。

5 反思

(1) 自制教具的使用大大豐富了學生的感性認識,讓物理現象更加直觀、形象、生動地展示在學生面前,能夠激發學生的探究熱情,也能讓學生更好地理解楞次定律。本節課所用的一些實驗器件需要用3D打印機進行打印,體現了新技術在物理教學中的應用。

(2) 本節課體現了DIS在物理課堂教學中的優勢，單匝線圈產生的感應電流是很小的,借助微電流傳感器測量,可在電腦上顯示出波形圖。利用微電流傳感器大大地減少了實驗的干擾因素和難度,使感應電流的波形圖直觀地呈現給學生,方便學生對比分析,提高了課堂教學質量。