楞次定律實驗教學的創新設計*

李子浩 高 雯

(湛江第一中學 廣東 湛江 524038)

1 引言

為了更好地落實課標在楞次定律實驗教學中的要求,在教學過程應當對教材內容進行深挖,同時對比新舊教材的差異,領會新課程標準中對該部分內容的要求,對教學內容進行整合．在教學中創設真實的教學情境,如借助實物、動作(活動)和圖像等,有助于讓學生經歷科學探究和思維加工,讓物理概念和規律內化[1]．對學生來說,通過操作學具可以使抽象知識變得形象直觀,把動作思維和形象思維有機結合起來．楞次定律的內容較抽象,為了突破難點又讓學生更清楚本質,采用創新實驗進行教學．通過感應電流方向的探究,讓學生體驗完整的探究過程,體會思想方法,培養學生觀察實驗的能力及對實驗現象分析、歸納總結的能力;通過楞次定律的不同表達形式,培養學生多角度認識問題的能力和高度概括的能力．

楞次定律的內容比較抽象,是高中物理教學的重點,它為電磁感應定律的學習打下基礎．新舊教材都是通過靈敏電流計指針的偏轉方向來顯示感應電流的方向．通過實驗現象知道電流的流向與指針的偏轉方向有著一定的關系．若不分組實驗,只是通過演示實驗,只有少部分學生能清楚看到指針的偏轉,達不到良好的教學效果．

2 新舊教材的異同

舊教材在“實驗與探究”環節直接給出影響感應電流方向的可能因素,然后探究電流計指針的偏轉方向與通入電流方向的關系,接著探究影響感應電流方向的因素．通過列表的方式,采用控制變量法探究磁通量變化、原磁場方向、線圈的繞向3個可能因素對感應電流方向的影響,最后得出結論．

新教材對于該節內容的編寫,相對舊教材有較大的變化．新教材在“實驗與探究”環節,根據問題設計實驗探究方案,更符合認知規律,由淺入深．在文字表述上,用“原磁場的方向”表示“磁極的朝向”,用“磁通量的變化”表示“磁極運動的方向”,將感應電流的方向轉化為與磁場相關的描述——感應電流磁場的方向．這些表述相比舊版教材的表述更直接明了．對于實驗表格的文字說明,新版教材的文字表述更言簡意賅．在實驗結論的表述上,新版教材的描述更簡明扼要．

新版教材新增了以下3點:

其一,新增了流程圖,給出了電磁感應現象中各物理量之間的邏輯關系;

其二,實驗中對磁鐵受力分析的圖示,從功能關系上說明電能的由來,電能再轉化為內能．從能量的角度分析楞次定律,這部分內能從其他形式的能量轉化過來,說明楞次定律是能量守恒定律在電磁現象中的體現;

其三,問題更具開放性,主要體現在例題要求學生自行設計實驗、寫出步驟和論證過程;還體現在課后練習的第3題是舊版教材的例題,但新版教材對原題進行了改編,通過問題的引導,讓學生體會到一題多變的特點．

雖然新版教材更貼近學生的認知發展規律,但“楞次定律”的內容始終相對抽象．該定律在文字上,只是知道了感應電流的磁場與引起感應電流的磁通量變化的關系,并沒有直接給出感應電流的方向,只是蘊含了判斷感應電流方向的原則[2]．若要判斷感應電流的方向,學生根據楞次定律先判斷出感應電流的磁場方向,然后再由安培定則得出感應電流的方向．對于該定律的理解是本節的重點,也是難點．

為了突破重難點,很多作者在實驗上進行創新,方法各異,特色紛呈.如利用發光二極管的單向導電性來顯示感應電流方向[3-4],也有的作者采用電流放大器對感應電流進行放大[5]．筆者認為采用電流放大器對高中教師使用和學生理解都不切合實際．在查閱參考了大量的資料后,筆者決定采用5個紅色、5個綠色的發光二極管各自并聯,嵌在二極管的電路符號上,形成箭頭形狀,再將兩個箭頭反向并聯起來,讓每個箭頭的指向就是二極管正接時的電流流向,如圖1所示．

圖1 楞次定律演示儀

由于感應電流的方向就兩種可能,通過觀察本裝置中二極管的發光情況,就可以將電流方向直觀顯示出來．

3 楞次定律演示儀

3.1 實驗器材

5個紅色二極管、5個綠色二極管(5 mm圓頭LED發光二極管,帶線20 cm,3 V)、1個電池盒(3 V)、1個線圈(2 800匝)、8個銣磁鐵(直徑20 mm×厚度10 mm)、一根條形磁鐵、導線若干、一塊PVC面板、一塊木板(基座)、強力膠水、電池盒．

3.2 制作方法

用長約為55 cm、寬約為15 cm的木板作為底座,把長約為45 cm、厚度約為1 cm、高約50 cm的PVC板用強力膠水粘在底座的中間．為了面板上的電路圖更形象,線圈、二極管采用打印并剪好再貼在面板上,用油性筆畫線代替導線將各用電器連通．電路的核心設計是在二極管的圖示位置,用電烙鐵焊5個小孔,方便插入二極管．將二極管的導線按如圖1所示的方式插在面板上,將5個同色二極管的導線先并聯,再將并聯好的不同色的二極管反向并聯再接入電路中．在面板的右側,固定一個3 V的電池盒,方便檢測二極管是否正常發光．在面板的左側,連接線圈．

4 演示實驗

4.1 檢驗“發光二極管”裝置的可行性

用干電池接在“發光二極管”的兩端進行演示實驗．

當二極管裝置上端接正極,下端接負極時,紅色的二極管亮;反過來,當二極管裝置下端接正極,上端接負極時,綠色的二極管亮．通過“發光二極管”裝置的亮燈情況,可以將電流方向直觀顯示出來．

4.2 分組實驗

按照圖2中實驗操作圖示進行實驗,分別觀察以下4種情況:

(1)N極朝下,將強磁鐵插入線圈;

(2)N極朝下,將強磁鐵拔出線圈;

(3)S極朝下,將強磁鐵插入線圈;

(4)S極朝下,將強磁鐵拔出線圈.

記錄二極管的發光情況(感應電流的方向),完成表1．

圖2 探究感應電流方向的實驗操作圖示

表1 實驗現象記錄

4.3 分析實驗數據

(1)讓學生觀察表1,能否發現感應電流方向所遵循的規律．

(2)引導學生對“感應電流的磁場方向”與“原磁場方向”進行對比．仔細觀察表格后,得出結論:當原磁通量增加時,兩個磁場的方向相反;原磁通量減少時,兩個磁場的方向相同．簡稱“增反減同”．由此,可以判定感應電流的磁場方向,再結合安培定則,得出感應電流的方向[6]．

4.4 楞次定律的應用

再次引導學生對比表格中感應電流的磁場方向與原磁場的方向:

(1)當N或S極插入線圈時,磁通量增加,線圈產生感應電流,此時通電線圈產生的磁場相當于條形磁鐵產生的磁場,且感應電流的磁場方向與原磁場的方向相反．根據同名磁極相互排斥,知線圈與磁體間相互排斥．

(2)當N或S極拔出線圈時,磁通量減小,線圈產生感應電流,且感應電流的磁場方向與原磁場的方向相同,根據異名磁極相互吸引,知線圈與磁體間相互吸引;得出楞次定律的另一種表述“來拒去留”．

4.5 驗證“來拒去留”的效果

將線圈放在墊有隔板的電子秤(精度為0.1 g)上,按下去皮鍵,此時電子秤上的示數為零．在電子秤上放隔板的作用是為了減小磁場對電子秤中元件的影響．分析電子秤上的示數正負(示數為正值,表示線圈受到的作用力方向向下;示數為負值,表示線圈受到的作用力方向向上),便知強磁鐵與線圈間的作用力是吸引力還是排斥力,在直觀上感知“楞次定律”中的“阻礙”效果,驗證過程如圖3所示．

4.6 實驗拓展

對比磁鐵在有機玻璃管和鋁管中運動的快慢?說明理由．

圖3 驗證“來拒去留”的實驗

5 結束語

本創新實驗成本低,可視性好,實驗操作性強,可進行學生分組實驗,培養學生的科學探究能力．本實驗的不足之處在于,強磁鐵插入線圈的這一過程不容易快速插入,導致此時線圈產生的感應電流不夠大,二極管不夠亮．在利用“來拒去留”和結合牛頓第三定律分析線圈在電子秤上的示數正負反映力的方向時,電子秤上顯示的讀數比較短暫,不能長時間觀察．在實際操作中,可以通過拍攝后回放,進行數據的采集和分析．