《探究感应电流的产生条件》案例分析与评述

金晶

摘 要：本文以教材中常规案例为对比，介绍了《探究感应电流的产生条件》的一个现代技术案例，首先从信息技术和传统实验相结合以及非常规物理实验的运用两个角度进行理论分析，然后指出该案例的不足并提出自己的建议。

关键词：感应电流；产生条件；案例；信息技术；非常规实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）3-0073-5

1 案例介绍

《探究感应电流的产生条件》是“人教版”高中物理选修3-2第四章第二节的内容，在电磁学知识体系中占有很重要的位置。本节内容揭示了磁和电的内在联系，通过实验探究的方法归纳出了“磁生电”的规律，在教材中起到了承前启后的作用[1]。

1.1 常规案例

在教材编排中，本节主要是以初中已经学过的闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，产生感应电流（图1），问还有哪些情况可以产生感应电流，以此引入新课。

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图1 初中实验

然后进行两组实验，观察、记录实验现象。第一组实验是（图2），用导线将电流表并接在线圈两侧，把条形磁铁的一个磁极向线圈中插入、抽出或停在线圈中，通过观察电流表指针摆动方向来判断什么情况下产生了感应电流。第二组实验（图3）是模仿法拉第的实验，将线圈A通过变阻器和开关连接到电源上，线圈B的两端连接到电流表上，把线圈A装在线圈B的里面，改变开关和变阻器的状态，观察线圈B中是否产生感应电流，归纳实验结果，问能得出什么结论？

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图2 第一组实验

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图3 第二组实验

接下来进行分析论证。在上面进行的两组实验中，第一组是由于磁铁的插入和抽出，线圈中磁场变化，这种情况下产生感应电流；第二组实验是由于移动滑动变阻器滑片或改变开关状态，使得线圈A中电流迅速变化，通过线圈B的磁感应强度也在迅速变化，在这种情况下线圈B也有了感应电流。再对新课引入的实验分析，可以把它简化看作导体棒切割磁感线运动，使闭合导体回路包围的面积在变化，在这种情况下同样会产生感应电流。

归纳发现，产生感应电流的条件与磁场的变化有关系，与闭合导体回路包围的面积也有关系，最后以磁通量来描述产生感应电流的条件，得出结论。

1.2 现代技术案例

该教学设计案例的课题仍然是探究感应电流的产生条件，但是在设计上跟常规案例不同，可以说更加注重活动设计。总的来看，该案例可以分成3个部分。

第一部分包括两个小实验，分别是观察手摇式电筒发光情况（图4）和转动微风电扇扇叶（图5），使二极管发光，同时请学生体验电路中的电流。

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图4 手摇式手电筒 图5 微风电扇

（观察手摇式手电筒发光情况）

教师：转动摇杆前，闭合开关，让学生观察手电筒有无发光；断开开关，转动摇杆十多圈后，再闭合开关，让学生再次观察手摇式手电筒的发光情况。（别看这种手电筒很小巧，它在地质灾害等紧急情况下可大有用途，可以为灾区人民带来光明和希望。要知道它可是应急包中的必备物品哦！）

学生：观察转动摇杆前后手电筒亮度的变化。

（转动微风电扇扇叶，使二极管发光）

教师：平常的微风电扇除了能在夏天给我们消暑降温外，还能够“点亮”二极管。演示将微风电扇插头的两个金属片与发光二极管的两个引脚相接触。闭合开关，转动微风电扇的扇叶时，二极管发光。

教师：再请一位同学感受一下电路中的电流。让学生用手捏住微风电扇插头的两个金属片，提醒学生如果感到不适的话可以松开手中的插头。接着教师闭合开关、转动扇叶，学生会感到手部通过一阵微弱的电流。一个学生体验成功后，可以再让一两个学生体验一下。

在上面的两个实验做完之后，特别是在学生体验到转动的扇叶中会产生微弱的电流之后，教师联系在初中已经学习过的知识（图6）：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体会产生感应电流。我们要探究感应电流产生的条件，可如果我们没有导体棒和马蹄形磁铁，又怎么完成这个实验呢？由此展开本案例的第二部分“摇绳发电”。

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图6 探究感应电流的产生条件

我们可以利用无处不在的地磁场，用导线代替导体棒来切割地磁场发电。但是地磁场比较微弱，产生的感应电流可能比较小。为了捕捉这种微小的电流，我们需要使用微电流传感器（图7），它会将微弱的电流信号通过数据采集器传送到计算机中，最终显示在屏幕上。

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图7 微电流传感器

教师：向学生介绍能够检测微弱电流的DIS Lab微电流传感器和DIS数字软件分析系统。使学生认识到“摇绳发电”的可能性。

邀请学生参与“摇绳发电”的实验。（图8）

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图8 摇绳发电

教师：将微电流传感器接入数据采集器，并与长导线相连。数据采集器通过数据线接入计算机，选择DIS软件中的通用软件，并将显示方式选为“示波”，点击开始。如果回路中有微弱电流产生，数据采集器就会将微弱的电流信号传送到计算机中，经DIS软件处理后，电流随时间变化的图像就会呈现在计算机屏幕上。

请两位同学站上讲台，分别手持导线的一端，像跳长绳时甩绳的同学那样摇动导线，其他同学请仔细观察屏幕，结果发现屏幕上呈现出了随时间周期性变化的电流。（图9）

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图9 “摇绳发电”实验

教师：为什么摇动导线在回路中会产生电流呢？

学生：可能是速度变化……

可能是位置变化……

可能是面积变化……

“摇绳发电”这个实验来源于“人教版”高中物理教材（选修3-2）《探究感应电流的产生条件》这一节内容中的“做一做——摇绳能发电吗？”在教材中，是用一条大约10米长电线的两端连在一个灵敏电流表的两个接线柱上，形成闭合导体回路，两个同学迅速摇动这条电线，问：可以发电吗？两个同学沿哪个方向站立时，发电的可能性比较大？

利用DIS系统和微电流传感器来探究切割地磁场产生的感应电流比传统的摇绳发电，在实验设计上更加精进。

第三部分，教师让学生利用本节课所学知识对手摇式手电筒的发光原理和微风电扇使二极管发光的原理进行分析。案例最后给出了手摇式手电筒的内部结构（图10）和微风电扇的内部结构（图11），并提供简单的原理分析。

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图10 手摇式手电筒的内部结构

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图11 微风电扇的内部结构

手摇式手电筒的内部结构：用手摇动摇杆时，摇杆下端的永磁铁相对线圈运动（磁铁为转子，线圈为定子），线圈的磁通量发生变化，产生感应电流，给蓄电池充电。闭合开关时，小灯泡接入蓄电池放电电路，小灯泡发光。

微风电扇内部结构：闭合开关，转动微风电扇的扇叶时，磁体跟随扇叶一起相对线圈转动（磁体为转子，线圈为定子），线圈中的磁通量发生变化，导线中有感应电流产生，二极管发光。

2 理论分析

该现代技术案例与教材中的常规案例相比较，最明显的特点就是运用了DIS系统和传感器技术，测量和显示上都更加简单和直观。另一方面就是非常规实验的运用。在常规案例中，使用的实验器材是灵敏电流表、线圈、条形磁铁、滑动变阻器，等等；而在现代技术案例中，使用的则是像微风电扇、手摇式手电筒这样来源于生活的非常规实验器材。

下面将从这两个方面对现代技术案例进行理论分析。

2.1 信息技术与传统实验相结合

本案例中的第二部分，利用DIS系统和微电流传感器来探究“摇绳发电”的实验，就是利用信息技术来精进传统实验的效果。

传统实验中，是以10 m长的电线与灵敏电流表连接。如果以25 m长的导线，摇动时两人相距10 m，被摇动的绳长为15 m，进行室外实测，沿东西方向时，300 μA灵敏电流表左右摆动最大2至2.5格，且与摇绳速度有关[2]。使用这种方法来显示闭合电路中产生的感应电流，灵敏电流表的指针偏转太小，实验效果并不明显。如果减小绳子长度，使学生相距7至8 m沿东西站立，转动过程中最大半径为1 m，在不考虑导线阻值的情况下经过实际计算得到感应电流为2 μA左右，这么小的电流很难用灵敏电流表检测到[3]。如果将“一匝”变“多匝”，将这种微弱电流进行放大，例如：将120 m左右的导线绕成9匝，每匝长约13 m进行实验，这样能够增大实验效果，但是耗材较多，而且在教室有限的空间里晃荡，实施起来有一定的难度[4]。

这种情况下，在物理实验教学中引入DIS系统和传感器，就是非常有必要的。既能够满足开发新实验的需要，也能够满足改造老实验的需要[5]。DIS系统下的微电流传感器，可以测定1 μA以内的电流，使用3 m长的单匝电线便可进行实验，大大减小了对实验场地面积的要求，使得在教室内进行此实验成为可能。最重要的是，它能捕捉显示摇绳发电产生的微弱电流，用信息技术的手段将其放大，学生可观测到的效果明显。而且灵敏电流表只能显示产生的感应电流的大小和方向，如果摇绳速度改变，从灵敏电流表上并不能体现这种实时测量记录，而在DIS系统上显示的感应电流动态变化图像也有利于学生进一步记录和分析。

使用信息技术能够为物理实验测量带来翻天覆地的变化，显示上变得更加直观，而且往往更加简单方便，同时也容易激起学生的学习兴趣。当然，DIS实验系统也有一些不足的地方。在该案例中，学生虽然知道了利用DIS获取实验数据，但对于DIS在“实验数据是如何得到的”这个问题上存在比较大的困惑，实验要充分体验过程，才可以准确理解结果的物理意义。但是，让学生去理解DIS 的内部结构，显然是非常困难的，这样就很容造成学生的“知其然而不知其所以然”；而且，利用现代信息技术进行测量虽然可以准确描述物理量之间的定量关系，但是中间过程的省略会造成学生动手能力的缺乏[6]。但是无论如何，使用DIS系统进行物理实验教学都是一次教学手段上的革新，物理教师应该有针对性地使用，实现信息技术与物理教学的有效整合。

2.2 非常规物理实验的运用

非常规物理实验是相对于使用专门实验器材的常规物理实验而提出的概念，它是指利用学生熟悉的生活中易得的物品、材料、器具、人体或人体局部以及儿童玩具等开发进行的一类体现自创性、体验性、趣味性、简易性、生活化的物理实验教学活动[6]。从实验方式上来看，非常规物理实验常常采用比较灵活与简便的方式与形式[7]。

在该案例中，教师使用的两个实验：观察手摇式手电筒的亮度变化情况和微风电扇扇叶转动能使二极管发光，都是非常规物理实验的运用。这些实验器具都是来自于生活中，与厂制的专门化器材相比，虽然显得有点粗糙，但是在实际的物理教学中往往有其独特的教育价值。

2.2.1 非常规物理实验的体验性特点

非常规物理实验的实验器材一般都是取自于生活，比较容易得到，更加有利于学生去亲身体验和操作，而不用担心弄坏实验仪器而搞得小心翼翼。在案例的第一部分中，教师闭合开关，转动微风电扇扇叶，二极管发光，请同学感受一下电路中产生的电流，学生会感受到手部通过一阵微弱的电流，教师提醒学生如果感到不适可以松开手。学生看到微风电扇扇叶切割磁感线产生的感应电流可以使二极管发光，同时还亲身体验到了其中感应电流的存在，这种体验过程可以使学生更加容易理解感应电流，而不是虚幻的想象感应电流的存在。研究表明，对感受到的信息加工水平越深，保持越好。非常规物理实验的体验性特点无疑是促进知识保持的有效手段之一。

2.2.2 非常规物理实验的趣味性特点

非常规物理实验所使用的实验器材的本来用途都并非为实验而设，把这些东西运用到课堂中来，人为地赋予它新的用途，学生首先会感到新奇，引起学生的求知欲望。而且利用非常规实验器材做实验，相比常规实验，学习过程也不再枯燥乏味。探究感应电流的产生条件这节内容在“人教版”教材中使用的主要是线圈、灵敏电流表、滑动变阻器等正规器材，与该案例中使用的手摇式手电筒和微风电扇相比，就显得不那么生动有趣。但是，非正规物理实验的定性程度高，测量误差比较大，虽然用在课堂的引入和结尾部分都会起到良好的教学效果，但是它并不能完全取代常规物理实验精准度高的特点。

3 案例不足

现代技术案例《探究感应电流的产生条件》更加注重探究和活动设计，内容设计上相比传统案例也更加新颖，如果以此案例进行教学，无疑能够调动学生的学习兴趣和积极性，但与此同时也有一个很大的缺点，就是知识的铺陈很不到位。

从案例的第二部分“摇绳发电”的实验来看，数据采集器将微弱的电流信号传送到计算机上，经DIS软件处理后，电流随时间变化的图像就会呈现在计算机屏幕上。教师提问，为什么摇动导线能在回路中产生电流呢？学生猜想可能是由于速度、位置或面积变化等原因导致的。这个实验其实可以抽象成教材常规案例里作为新课引入的实验：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，产生感应电流。摇绳速度的变化影响的是产生感应电流的大小，在教室有限的空间内改变位置也并不能改变此处的地磁场大小，而根本决定是否产生感应电流的因素是摇绳引起的面积变化，即在磁场中的闭合导体回路的面积变化与产生感应电流的条件有关系。通过控制变量，观察屏幕上电流随时间变化的图像，可以定性地得出结论。但是，如果要探究通过线圈的磁场变化是否能够产生感应电流，这个“摇绳发电”的实验就很难做到了。

另外，在案例给出的手摇式手电筒和微风电扇内部结构中可以看出，两者都是磁体相对线圈运动，如果可以让学生直观地看到或理解通过线圈的磁场变化了而产生感应电流，那么就可以解决上面的问题，但是显然很难实现。而且案例最后让学生能够运用本节所学知识来解释手摇式手电筒和微风电扇的原理，本身就是不太合理的。因为，按照这样的设计，学生基本不太可能得出磁通量的变化是感应电流的产生条件的结论。

为了完善这个案例，同时又能保证其现代技术性和学生体验性，可以利用DIS系统将教材中的常规案例进行改进[8]，补充到该案例中来。

将导线弯成一个单匝线圈，并与微电流传感器相连接，微电流传感器与数据采集器和计算机连接，控制单匝线圈的位置和面积不变，用一个磁铁依次插入导线中、静止放在导线中、最后从导线中拿出来。如果回路中有微弱电流产生，数据采集器就会将微弱电流信号传送到计算机中，经过DIS软件处理，就会在屏幕上呈现出很短时间的感应电流图像。再结合“摇绳发电”的实验，归纳得出感应电流的产生条件。

教材中的常规案例虽然没有本文中介绍的现代技术案例特点分明，但是教学思路清晰，符合学生的认知，是常规教学中不可或缺的，两个案例各有优缺点，不可片面看待。

参考文献：

[1]宋海峰.问题引领 探究归纳——《探究感应电流的产生条件》教学设计[J].物理教学探讨，2012，30（8）：19—21.

[2]朱成相.摇绳发电的再设计[J].物理教师，2010，31（5）：19.

[3]陈林锋，傅兴锋.对开发“地磁场产生感应电流”的有趣实验可行性的讨论[J].物理教师，2005，26（11）：35.

[4]俞丽萍.DIS实验与传统实验比较的实践研究[J].中学物理，2012，30（17）：43—45.

[5]刘炳昇，陈杰.新课程理念下物理实验创新的问题（二）——实验技术的创新及其与传统实验手段的关系[J].教学仪器与实验，2006（2）：3—6.

[6]张伟，郭玉英，刘炳昇.非常规物理实验：有待深入开发的重要物理课程资源[J].物理教师，2005，26（9）：47—50.

[7]张伟，郭玉英.论“非常规”物理实验的教学地位[J].课程·教材·教法，2007，27（12）：51—55.

[8]彭聃龄.普通心理学[M].北京：北京师范大学出版社，2001.

（栏目编辑 邓 磊）