“楞次定律”教学的创新设计

陈庆炜　张军朋

(华南师范大学物理与电信工程学院　广东 广州　510006)



“楞次定律”教学的创新设计

陈庆炜张军朋

(华南师范大学物理与电信工程学院广东 广州510006)

针对楞次定律教学中存在的问题，依据物理教学的逻辑和学生的认知规律，对教材的思路进行整合，以问题引导结合实验探究使学生有效经历科学探究过程，从定性到定量得出楞次定律.

楞次定律科学探究教学设计

楞次定律是高中物理课程中最为抽象的一个物理规律，一直是教学的重点和难点.学习楞次定律是将物理知识、物理方法和物理本质融为一体的学习过程，能培养学生观察思考的学习习惯和抽象逻辑思维能力.传统教学从条形磁铁相对于螺线管运动的实验出发，引导学生将“感应电流的磁场”作为“中介”，通过填表比较，归纳出楞次定律的表述[1].

这种教学安排涉及原磁场方向、磁通量的变化、感应电流方向、线圈绕向等众多变量，容易造成实验效果不直观、思维链条过长、教学逻辑不连续等教学困境[2].

为了摆脱以上教学困境，本教学设计先隐藏感应电流，以“楞次小车”来拒去留的力学现象，引导学生归纳出感应磁场的方向和原磁场的方向之间的定量关系，由此确定出感应磁场的方向，得到楞次定律的“雏形”，根据右手螺旋定则，由感应磁场的方向确定出感应电流的方向，从而得到楞次定律的完整表述；再引导学生分析出感应磁场的来源——感应电流，完善楞次定律，最后引导学生利用电流数据采集器进行感应电流方向的猜想和验证.教学过程中通过丰富有趣的演示实验，不仅暴露了学生的前概念，引发学生的认知冲突，也体现了新课程物理来源于生活，又走向社会的教学理念.

1　情境设疑 引发猜想

学生对磁性球在铝管中的运动存在错误认识：铝不属于铁钴镍材料，磁性球与铝管不会相互吸引而应该在铝管中做自由落体运动.学生还没有关注到铝管中由于磁通量变化产生的感应电流会与磁性球有安培力的作用.通过磁性球和非磁性球在铝管中下落速度的对比，引发学生的认知冲突，导入新课.具体教学过程如下.

师：(关注物理常识)能吸引磁铁的材料有哪些？

生：铁钴镍.

师:请对比磁性球和非磁性球在铝管中下落的速度(演示落磁法实验如图1)，磁性球下落为何变慢了？什么力在阻碍磁性球下落？

学生思考，产生疑惑.

图1　铝管对比实验

2　层层引导 规律探究

落磁法实验利用对比为学生提供感性认识，激发认知冲突，通过等效替代法将铝管替代成无数个闭合线圈，并将载着闭合线圈的小车(图2)作为研究对象，在小车“来拒去留”的“傲娇”表现下，引发学生对探究原磁场和感应磁场关系的好奇心，从而顺利过渡到实验探究环节.

图2　楞次小车

实验中通过小车实验配合多媒体动画演示引导学生归纳分析出楞次定律的“雏形”.紧接着引导学生猜想感应磁场的来源，设计实验方案验证猜想，归纳出楞次定律的完整表述.教学设计的创新点在于先隐藏感应电流方向、线圈绕向等诸多变量，只向学生呈现两个磁场的相互作用，体现分离与控制变量的教学逻辑，符合物理实验简约直观的要求，坚持物理规律探究从定性到定量的原则.教具使用上，由于传统的螺线管不能体现阻碍效果，灵敏电流计偏转太快而难以保持现象等缺陷，采用载着闭合线圈的小车结合dislab电流数据采集器作为教具，将磁场方向以力的形式呈现，并在屏幕上呈现放大后的微弱电流，提高实验的直观性和可信度.教学手段上，利用多媒体动画将抽象的物理量如感应磁场、铝管中的环形电流等直观形象地呈现，提高学生习得知识、经历科学探究过程的效率.具体教学过程如下.

师：当磁铁靠近和远离线圈时，线圈和磁铁之间存在什么力？(演示楞次小车来拒去留的现象,如图2，引导学生对现象进行定性观察)

生：排斥力，吸引力.

师：初中我们学过磁极规律是怎样的？(回顾初中物理知识)

生：磁极之间同性相斥，异性相吸.

师：通过排斥力、吸引力我们可以发现随着磁铁和线圈的相对运动，线圈产生一个感应磁场.运用控制变量法，小组合作探究问题，磁铁靠近和远离线圈时，感应磁场的方向是相同还是相反的？

生：控制磁场方向不变，当磁铁靠近和远离线圈时，感应磁场的方向是不同的.

师：磁铁靠近和远离线圈，表明线圈中的磁通量在变化.接下来我们探究感应磁场的方向和原磁通量的变化之间的联系.(利用小车来拒去留的力学现象结合多媒体动画将磁场方向可视化，引导得出N极靠近和远离的实验数据，S极的实验可由学生分组探究获得，实验结果如表1所示).

表1　实验记录表

师：分析表格的第2列和第3列，总结归纳磁通量的变化与感应磁场和原磁场方向的联系.

生：磁通量增加时，感应磁场和原磁场方向相反；磁通量减少时，感应磁场和原磁场方向相同.

师：以上联系可归纳为增反减同.分析表格第2列和第4列，可得出什么规律？(可提示学生关注关键词)

生：感应磁场总是阻碍原磁通量的变化.

师：我们将增反减同和“阻碍”的效果归纳为楞次定律的“雏形”.因为我们还不清楚感应磁场的来源.初中我们学过奥斯特发现了电会生？(引导学生回顾物理学史)

生：磁.

师：结合上节课感应电流产生的条件，我们知道穿过闭合线圈的磁通量发生变化时，线圈会产生感应电流.那么感应磁场是否是感应电流通过电生磁产生的呢？请同学们小组讨论，思考如何验证这一猜想.(培养学生分析和解决问题以及交流与合作的能力)

生：先假设猜想是成立的，通过刚才的结论结合右手螺旋定则可由感应磁场判断感应电流的方向，再用电流计进行验证.一旦电流计的显示方向与猜想的相同，则感应磁场确实是感应电流产生的.

师：电流表偏转转瞬即逝，但我们可以用电流数据采集器将电流方向停留在电脑屏幕上.(介绍电流数据采集器如图3的使用方法，显示界面如图4，并引导学生进行实验验证)

图3　数据采集器连接方法

图4　数据采集器显示界面

师：猜想得以验证，我们发现感应磁场确实是感应电流产生的.楞次于1834年概括各种实验结果并得出结论：感应电流总是有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化.这就是楞次定律的完整表述.

3　运用规律 探寻本质

3.1首尾呼应 学以致用

图5　落磁法动画图示

通过flash动画(如图5)展示磁性球在铝管中下落的过程，对磁场方向、电流方向进行可视化处理，引导学生运用楞次定律中感应电流的磁场对原磁通量变化的“阻碍”效果，解释磁性球所受阻力的来源.

3.2引入磁性阻尼摆 深化理解

利用小人荡秋千的现象[如图6，小人(绑着磁铁)摆动，需要很久才停下来；将小人放在铝板上方，与铝板没有接触，以同样的角度使小人摆动，发现很快就停下来]增加课堂的趣味性，并通过多媒体动画(如图7)辅助学生利用楞次定律解释小人摆动变慢的原因，初步引入涡流的图像，为之后涡流一节的学习提供感性认识.

图6　磁性阻尼摆

图7　磁性阻尼摆动画图示

3.3楞次定律的本质——能量守恒定律

一个实验理论形成后，我们常常要从理论上审视它，它不应该和已有的理论相矛盾,否则，或者是过去的理论存在问题，或者是这个实验有问题.我们可以通过落磁法和磁性阻尼摆两个实验验证楞次定律的本质是能量守恒定律[1].具体的教学过程如下.

师：当磁性球下落和带磁铁小人向下摆时，他们由于运动都具有什么能量？

生：动能.

师：磁性球和带磁铁小人克服感应电流的磁场力做功，动能减少转化为铝管和铝板中的电能.而电能最终会转换成什么能量散发出去？

生：热能.

师：因此球和小人机械能减少，电能增加，最终电能又转换为热能散失.因此从以上两个实验可以验证楞次定律的本质就是能量守恒定律，符合物理规律自洽的原则.

4　联系社会 课后思考

利用图片、动画等形式讲解楞次定律在汽车电涡流缓速器和军事上电磁炮的运用及原理，将物理规律应用于实践当中，符合新课标从生活走向物理，从物理走向社会(STS)的理念.并利用自制教具演示磁悬浮现象(如图8，在线圈中通以36 V，50 Hz的交流电，可以使线圈在铝板上面悬浮起来)，提问学生：为何通以交流电的线圈能在铝板中悬浮起来？如何用楞次定律解释这一现象？将此问题留作课后思考题，通过小组讨论和探究活动，查阅资料，以小组为单位写一篇科学小论文，体验知识来源于实践而又作用于实践的辩证关系.

图8　磁悬浮装置

5　小结

本设计首先通过下落变慢的磁铁设置悬念并引入课堂，以楞次小车来拒去留的力学现象为出发点，让学生感受到感应磁场的方向和原磁场的变化存在一定的联系.继而通过实验探究的方法探究感应磁场和原磁通的变化之间的方向关系并总结得出楞次定律的雏形.紧接着与上节课探究感应电流产生的条件形成呼应，通过问题引导猜想感应磁场的来源是感应电流，利用右手螺旋定则结合楞次定律由磁场变化方向判断出电流的方向，并利用电流数据采集器电流方向进行验证，最终证明感应磁场是由感应电流产生的，从而得到楞次定律的完整表述.整个思路时刻体现了新旧知识的联系，注重知识的构建过程，融汇了“建构主义”中以“教师为主导，学生为主体”的教学原则，让学生通过体验、观察、自主分析、联系新旧知识，构建起新知识的理念.

1人民教育出版社，课程教材研究所,物理课程教材开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-2.北京:人民教育出版社,2006.9～14

2邢红军,宁成,胡扬洋. 楞次定律教学的高端备课. 中学物理教学参考,2013(04):18～20

陈庆炜(1995-)，男，在读本科，物理学师范专业.

指导教师：张军朋(1963-)，男，教授，硕士生导师，主要研究方向为物理课程与教学论.

2016-06-09)