“探究感应电流的产生条件”实验教学难点的突破

(北京交通大学附属中学，北京 100081)

1 引言

人教版高中物理3-2第四章“电磁感应”，具有综合性强、概括度高的特点。如果说静电场和磁场的相关知识是电磁学的基础，那么电磁感应无疑是电磁学的核心。电磁感应涉及的内容广泛，既联系了电与磁，又用到了受力分析、能量转化等诸多力学思想方法，同时概念、规律又很抽象，学生对此缺乏直观的感受。故而“探究感应电流的产生条件”的实验在本章起着至关重要的作用，做好实验，可以更好地帮助学生实现思维进阶。这一节实验课是学生理解电磁联系的基础，同时是学生基于初中认知进一步认识电磁感应现象的纽带。针对该教学难点，教师们都会以实验作为研究问题的突破口，但是如何充分利用实验，突破教学难点，却是见仁见智，本人做了如下实验教学尝试，较好地突破了教学难点。

2 实验仪器改进的动因

本节课利用教材推荐的实验(如图1、图2)，让学生进行实验探究，然后老师引领学生进行归纳总结，得出结论。但是，在利用该实验器材进行课堂教学以及实验探究的过程中，出现了一些和实验设计目标相冲突的地方。

图1

2.1 电路较为复杂

图2中的电路有两个线圈，两个回路，还有一个滑动变阻器，连接电路本身就给学生造成了很大的困扰，耗时多、线路乱，学生的关注点不容易放在对实验现象的分析上，给学生增加了不必要的负担。

2.2 现象较为凌乱

学生在操作过程中，的确能观察到感应电流的产生，但产生电流的方式有多种，如磁铁与小线圈中铁芯的插入拔出、开关的闭合和断开等，如果再加上不能产生感应电流的操作，如转动线圈等，因在学生的大脑中塞入了太多信息而产生混乱。虽然可以通过整理归纳，得出最后的结论，但占用课堂时间较长。本节课知识本身思维难度较高，同时具有抽象难理解的特点，倘若能把现象精简一些，可更加突出本节课的主题。

2.3 分析情景单一

虽然实验现象看似眼花缭乱，但分析到最后，老师和学生都惊奇地发现，无论是磁铁的插拔，还是电流的变化等，最终会归结到“磁感应强度变化”上来。感应电流的产生条件是“闭合回路中的磁通量发生变化”，教材上推荐的实验没有包含闭合回路的面积发生变化的情形，更无法归纳出磁通量的变化，使最终结论的得出比较生硬。如果磁感应强度发生变化的同时，回路的面积也发生改变，但只要磁通量不变，回路中就无法产生感应电流，教材中的实验也无法验证。

3 优化教材实验，形成认知冲突，实现思维进阶

基于上述分析，笔者对教材中的3个实验进行了优化，很好地突破了教学难点。

3.1 利用励磁线圈产生磁场，简化实验场景

励磁线圈内部的磁场可以看作匀强磁场，用励磁线圈来替代条形磁铁、小线圈、滑动变阻器、学生电源等，简化了实验场景，但教材上推荐实验的功能都能实现，比如可以通过改变励磁电流来改变磁场大小。

抽象的磁场学生看不见、摸不到，可以在励磁线圈内部放上小磁针，演示通电前(如图3)、后(如图4)小磁针的变化情况，使学生能更直观地感受到磁场的存在，并且我们通过小磁针N极所指的方向，判断出励磁线圈内部磁场的方向，画出磁感线。在这个过程中，复习了电流周围存在磁场的知识，通过电生磁的实验现象把“电”和“磁”联系起来。学生容易反过来问：“磁能否生电？怎样才能生电？”本节课的引入就比较自然。

图4

3.2 实验教学中的难点突破

笔者在教学中，力争通过实验教学引导学生思考，自然地归纳总结出感应电流的产生条件。学习前学生对于感应电流产生条件的认识，仅限于初中所学的“导体切割磁感线产生感应电流”，“导体切割磁感线一定能产生感应电流吗？导体不切割磁感线能产生感应电流吗？感应电流产生的本质到底是什么？”对于这些问题学生并没有认识。为了能够更好地突破学生思维的难点，实现学生学习的进阶，笔者首先在教学中，提出了上述问题，使学生处于认知冲突的状态，再利用实验不断推进学生的思维，实现难点的突破。

3.2.1 学生自主探究，建立“产生感应电流”和“磁感应强度变化”之间的关系

用漆包线绕成一个圆环，和灵敏电流计串联形成回路。这样磁场和回路二者泾渭分明，学生比较容易区分二者的角色，为后面的探究扫清了不必要的障碍。

为了回答“导体切割磁感线一定能产生感应电流吗”，首先让该圆环在磁场中垂直磁感线平动，学生发现切割磁感线不一定产生感应电流，颠覆了初中的“切割磁感线就能产生感应电流”的认知，说明切割不是产生感应电流的条件。

为了回答“导体不切割磁感线能产生感应电流吗”，可以将圆环悬在磁场中不动，避免“切割”的情形，改变励磁电流、闭合和断开开关等，都可以产生感应电流。然后引导学生思考：“感应电流的产生，与什么的变化有关呢？”这时，学生能够得出结论：电路中电流的改变。但是从“电流的变化”，进一步分析出“磁感应强度的变化”，是教学中的一个难点。学生已经在前面建立了励磁线圈内部磁场的模型，当改变线圈中的电流时，学生能够分析出电流周围磁场发生了改变。因此能够得出：当磁感应强度发生变化时，会产生感应电流。

学生打破了初中的“切割”与“产生感应电流”之间的直接联系，体会了产生感应电流的其他方式，然后再通过整理归纳，比较容易建立起“磁感应强度变化”和“产生感应电流”之间的关系。

3.2.2 创设情境，建立“产生感应电流”和“回路面积发生变化”之间的关系

在本节课的教学中，另一个难点是找到面积变化对感应电流产生的影响。我们在励磁线圈内部的磁场中垂直场的方向放上线圈，然后快速捏扁线圈，让学生观察，有无感应电流产生。虽然这种情形仍属切割之列，但通过前面的实验，学生已经不再把切割磁感线和能否产生感应电流相联系，而是直观地看到线圈面积发生了变化。在这个过程中，完成了使学生从初中“导体切割磁感线”的认知，进阶为对“闭合回路面积”的理解，实现了知识学习上的进阶。

3.2.3 通过实验，建立“产生感应电流”和“磁通量发生变化”之间的连接

在前面的教学中，学生能够得出感应电流的产生与磁感应强度的变化或闭合回路面积的变化有关，但到底与什么有关？学生不难归纳出：“磁通量的变化”是产生感应电流的原因。到了这一步，有思维活跃的学生提出：有没有可能让磁感应强度变，面积变，但同时二者的乘积，即磁通量不变呢？如果能实现，能否验证回路中没有感应电流呢？针对这一问题，笔者又设计了如下实验：同时改变磁感应强度和线圈面积，观察实验现象。

图5

如图5所示，主要器材是一个圆柱形磁铁、以它的一条磁感线绕中轴旋转一周所形成的喇叭型塑料体。将线圈放置在曲面下端，然后沿着曲面自下而上靠近磁铁，此时磁感应强度增大，但是线圈面积在减小，二者都在变化，但穿过塑料体内的磁感线条数并没有变，也就是磁通量没有变化，学生观察灵敏电流计的指针，发现没有感应电流产生，建立了“产生感应电流”和“磁通量发生变化”之间的连接。

4 结语

在本节课中，笔者首先打破了“切割”与“产生感应电流”的连接，学生通过探究和猜测，建立了“磁感应强度发生改变”“回路面积发生改变”与“产生感应电流”的连接。通过最后一个实验，学生又发现：这样的连接仍旧不是充分的。初中物理中的“切割”可认为是本节课“面积改变”中的一个特例，而“面积改变”又是“磁通量改变”中的一种情形，学生通过一次又一次打破旧知，实现了能力提升和学习进阶。