楞次定律的创新演示实验

洪华标

（广东梅县东山中学，广东梅州 514011）

目前大部分教材中探究感应电流方向的楞次定律演示实验是这样做的：利用磁铁插入和拔出线圈,通过观察电流表指针的偏转方向来确定感应电流的方向，进而来判断感应电流的磁场方向,从而分析得出楞次定律。

笔者认为原有实验存在以下不足：（1）利用电流表的偏转方向来判断感应电流方向既复杂又抽象。（2）磁铁插入和拔出线圈时指针发生偏转，但很快又会回摆，容易造成学生的混淆，不清楚指针的摆向。（3）实验记录表设计复杂不利于实验探究。

为解决上述问题，我们开发了一套新的楞次定律演示实验的示教板。

1 制作示教板

（1）设计装置图，见图 1。

图1 装置图

（2）制作流程。

①制作示教板框架。将长90cm宽68cm的方木板作为底板，在木板上用螺丝固定铝塑板材。

②制作引入实验：将铜管和玻璃管用玻璃胶粘在示教板右上角，让两者处于同一高度，如图1所示。

③制作螺线管。我们利用红蓝二极管的发光情况来确定感应电流方向。由于发光二极管的发光电压需要3V，利用普通的条形磁铁和螺旋管产生的电动势达不到这个电压。为了增大感应电动势，我们有目的地增大线圈匝数，用铜线按顺序地绕在线圈，一共绕了5000匝，在线圈上标示缠绕方向，然后用焊锡固定，留出两根接线柱，螺线管安装在铝塑板上。

④圆柱形钕铁硼超强磁铁。为了增大感应电动势，演示实验我们采用了圆柱形钕铁硼超强磁铁 （比普通磁铁强10倍左右）。

⑤制作二极管电路。红、蓝2个LED灯二极管分别焊在铝塑板上，LED灯并联反接，用导线与螺线管连接，形成闭合回路，绘制电路图，如图1所示。LED灯并联反接，由于二极管有单向导电性，每次磁铁插入和拔出线圈时产生的感应电流只能使其中一只二极管发光。由于我们绕制了5000匝的线圈，当强磁铁插入和拔出线圈时，产生了足够大的电压，能使二极管正常发光。

2 引入实验

使用示教板进行教学时，我们首先演示铜管对比实验：让两个磁铁同时开始在玻璃管和铜管下落，要求学生观察两者下落是否一样快。学生可以观察到实验现象是：磁铁在铜管中下落较慢。在教学时，我们可以适时向学生抛出问题：磁铁为什么在玻璃管和铜管中下落不一样快呢？在引起学生的浓厚兴趣时，我们可以及时引入新课：要回答这个问题，我们要学习一种判断感应电流方向的普遍规律：楞次定律。

3 探究实验

教学过程中我们要引导学生猜想可能影响感应电流方向的因素：磁铁的运动方向、磁场的方向、磁通量的增减等等，然后根据学生的猜想进行引导梳理，帮助学生分析确定可探讨的因素，并设计记录表格。

教师实验时提出问题：如何确定感应电流的方向呢？学生经过探讨，教师要适时给予点拨，让学生知道由于二极管有单向导电性，每次磁铁插入和拔出线圈产生的感应电流只能使其中一只二极管发光，可以根据二极管发光颜色判断感应电流的方向。

图2

表1

图3

当强磁铁N极插入螺线管时，蓝色二极管发光，如图2所示，原磁场方向向下，穿过线圈的磁通量增加，产生了感应电流，感应电流从蓝色二极管正极进入使其发光，线圈中的感应电流方向（俯视看）为逆时针。

当强磁铁N极向上拔出螺线管时，红色二极管发光，如图3所示，原磁场方向向下，穿过线圈的磁通量减少，产生了感应电流，感应电流从红色二极管正极进入使其发光，线圈中的感应电流方向（俯视看）为顺时针。

同理，线圈当强磁铁S极插入或者拔出螺旋管时，根据二极管的发光情况可以判断感应电流的方向。我们演示实验过程中，要求学生填写表1前三列。

4 引导中介，深入探究

问题引入：可以根据上面的实验结果概括出感应电流的方向与磁通量变化的关系吗?

当学生会发现仅仅根据以上结果很难概括出感应电流与磁通量的变化的关系。那要怎么样才能找出它们的关系呢？可以找一个中介做一个桥梁。这个中介就是感应电流的磁场。感应电流的磁场方向既跟感应电流的方向有联系,又跟引起磁通量变化的磁场有关系。

蓝色二极管发光时，线圈中的感应电流方向（俯视看）为逆时针，由右手螺旋定律则知感应电流的磁场向上；红色二极管发光时，线圈中的感应电流方向（俯视看）为顺时针，由右手螺旋定律则知感应电流的磁场向下。把表1补充填写完整。

5 归纳分析，得出结论

根据上面的探究结果，我们可以和学生一起分析归纳：原磁通增加，则感应电流磁场与原磁场相反，有阻碍变大作用。原磁通减少，则感应电流磁场与原磁场相同，有阻碍变小作用，即表现出“增反减同”，并将此概括为“阻碍变化”，由此我们可以得出判断感应电流方向的规律：感应电流具有这样的方向，就是感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁场的磁通量的变化，这就是楞次定律。

6 定律的理解和应用

在教学中，我们还要从以下两方面阐述楞次定律中“阻碍”两字的含义：（1）从阻碍磁通量变化看：谁起阻碍作用?——感应电流的磁场。阻碍什么?——原磁场磁通量的变化。如何阻碍?——“增反减同”。阻碍的结果?——不是阻止、不是相反，是延缓了变化的过程。（2）从相对运动看，感应电流的磁场总是阻碍相对运动，体现出“来拒去留”。在铜管（可视为很多线圈叠加而成）中，由于强磁铁的下落产生感应电流，随即产生磁场，由楞次定律可知感应电流产生的磁场会阻碍磁铁下落，而磁铁在玻璃管中下落不能产生感应电流，造成磁铁在铜管中下落时间比较长。通过解说既能使学生明白铜管对比实验的实验原理，又能让学生享受学以致用的喜悦。

7 实验创新之处

我们认为这款楞次定律的演示装置主要有以下创新之处：（1）利用发光二极管的单向导电性能快速确定感应电流的方向。强磁铁进出螺线管时根据不同颜色发光二极管的发光情况能快速确定感应电流的方向，进而判断原磁场和感应电流磁场的方向，验证了楞次定律，避免了利用电流表的偏转方向来判断感应电流方向的繁琐过程。（2）红、蓝色二极管发光亮度高，实验现象明显，能极大地引起学生的注意力，实验演示效果好。（3）引入实验现象对比明显，磁铁在铜管中下落要比在玻璃管中下落得慢，与学生两个铁球同时落地的经验相矛盾，能较好地引起学生的学习兴趣,激发学生的探究热情。（4）示教板把演示实验从平面走向立体，实验操作简单，实用便捷，演示效果好。