楞次定律实验教学的创新设计*

李子浩 高 雯

(湛江第一中学 广东 湛江 524038)

1 引言

为了更好地落实课标在楞次定律实验教学中的要求,在教学过程应当对教材内容进行深挖,同时对比新旧教材的差异,领会新课程标准中对该部分内容的要求,对教学内容进行整合．在教学中创设真实的教学情境,如借助实物、动作(活动)和图像等,有助于让学生经历科学探究和思维加工,让物理概念和规律内化[1]．对学生来说,通过操作学具可以使抽象知识变得形象直观,把动作思维和形象思维有机结合起来．楞次定律的内容较抽象,为了突破难点又让学生更清楚本质,采用创新实验进行教学．通过感应电流方向的探究,让学生体验完整的探究过程,体会思想方法,培养学生观察实验的能力及对实验现象分析、归纳总结的能力;通过楞次定律的不同表达形式,培养学生多角度认识问题的能力和高度概括的能力．

楞次定律的内容比较抽象,是高中物理教学的重点,它为电磁感应定律的学习打下基础．新旧教材都是通过灵敏电流计指针的偏转方向来显示感应电流的方向．通过实验现象知道电流的流向与指针的偏转方向有着一定的关系．若不分组实验,只是通过演示实验,只有少部分学生能清楚看到指针的偏转,达不到良好的教学效果．

2 新旧教材的异同

旧教材在“实验与探究”环节直接给出影响感应电流方向的可能因素,然后探究电流计指针的偏转方向与通入电流方向的关系,接着探究影响感应电流方向的因素．通过列表的方式,采用控制变量法探究磁通量变化、原磁场方向、线圈的绕向3个可能因素对感应电流方向的影响,最后得出结论．

新教材对于该节内容的编写,相对旧教材有较大的变化．新教材在“实验与探究”环节,根据问题设计实验探究方案,更符合认知规律,由浅入深．在文字表述上,用“原磁场的方向”表示“磁极的朝向”,用“磁通量的变化”表示“磁极运动的方向”,将感应电流的方向转化为与磁场相关的描述——感应电流磁场的方向．这些表述相比旧版教材的表述更直接明了．对于实验表格的文字说明,新版教材的文字表述更言简意赅．在实验结论的表述上,新版教材的描述更简明扼要．

新版教材新增了以下3点:

其一,新增了流程图,给出了电磁感应现象中各物理量之间的逻辑关系;

其二,实验中对磁铁受力分析的图示,从功能关系上说明电能的由来,电能再转化为内能．从能量的角度分析楞次定律,这部分内能从其他形式的能量转化过来,说明楞次定律是能量守恒定律在电磁现象中的体现;

其三,问题更具开放性,主要体现在例题要求学生自行设计实验、写出步骤和论证过程;还体现在课后练习的第3题是旧版教材的例题,但新版教材对原题进行了改编,通过问题的引导,让学生体会到一题多变的特点．

虽然新版教材更贴近学生的认知发展规律,但“楞次定律”的内容始终相对抽象．该定律在文字上,只是知道了感应电流的磁场与引起感应电流的磁通量变化的关系,并没有直接给出感应电流的方向,只是蕴含了判断感应电流方向的原则[2]．若要判断感应电流的方向,学生根据楞次定律先判断出感应电流的磁场方向,然后再由安培定则得出感应电流的方向．对于该定律的理解是本节的重点,也是难点．

为了突破重难点,很多作者在实验上进行创新,方法各异,特色纷呈.如利用发光二极管的单向导电性来显示感应电流方向[3-4],也有的作者采用电流放大器对感应电流进行放大[5]．笔者认为采用电流放大器对高中教师使用和学生理解都不切合实际．在查阅参考了大量的资料后,笔者决定采用5个红色、5个绿色的发光二极管各自并联,嵌在二极管的电路符号上,形成箭头形状,再将两个箭头反向并联起来,让每个箭头的指向就是二极管正接时的电流流向,如图1所示．

图1 楞次定律演示仪

由于感应电流的方向就两种可能,通过观察本装置中二极管的发光情况,就可以将电流方向直观显示出来．

3 楞次定律演示仪

3.1 实验器材

5个红色二极管、5个绿色二极管(5 mm圆头LED发光二极管,带线20 cm,3 V)、1个电池盒(3 V)、1个线圈(2 800匝)、8个铷磁铁(直径20 mm×厚度10 mm)、一根条形磁铁、导线若干、一块PVC面板、一块木板(基座)、强力胶水、电池盒．

3.2 制作方法

用长约为55 cm、宽约为15 cm的木板作为底座,把长约为45 cm、厚度约为1 cm、高约50 cm的PVC板用强力胶水粘在底座的中间．为了面板上的电路图更形象,线圈、二极管采用打印并剪好再贴在面板上,用油性笔画线代替导线将各用电器连通．电路的核心设计是在二极管的图示位置,用电烙铁焊5个小孔,方便插入二极管．将二极管的导线按如图1所示的方式插在面板上,将5个同色二极管的导线先并联,再将并联好的不同色的二极管反向并联再接入电路中．在面板的右侧,固定一个3 V的电池盒,方便检测二极管是否正常发光．在面板的左侧,连接线圈．

4 演示实验

4.1 检验“发光二极管”装置的可行性

用干电池接在“发光二极管”的两端进行演示实验．

当二极管装置上端接正极,下端接负极时,红色的二极管亮;反过来,当二极管装置下端接正极,上端接负极时,绿色的二极管亮．通过“发光二极管”装置的亮灯情况,可以将电流方向直观显示出来．

4.2 分组实验

按照图2中实验操作图示进行实验,分别观察以下4种情况:

(1)N极朝下,将强磁铁插入线圈;

(2)N极朝下,将强磁铁拔出线圈;

(3)S极朝下,将强磁铁插入线圈;

(4)S极朝下,将强磁铁拔出线圈.

记录二极管的发光情况(感应电流的方向),完成表1．

图2 探究感应电流方向的实验操作图示

表1 实验现象记录

4.3 分析实验数据

(1)让学生观察表1,能否发现感应电流方向所遵循的规律．

(2)引导学生对“感应电流的磁场方向”与“原磁场方向”进行对比．仔细观察表格后,得出结论:当原磁通量增加时,两个磁场的方向相反;原磁通量减少时,两个磁场的方向相同．简称“增反减同”．由此,可以判定感应电流的磁场方向,再结合安培定则,得出感应电流的方向[6]．

4.4 楞次定律的应用

再次引导学生对比表格中感应电流的磁场方向与原磁场的方向:

(1)当N或S极插入线圈时,磁通量增加,线圈产生感应电流,此时通电线圈产生的磁场相当于条形磁铁产生的磁场,且感应电流的磁场方向与原磁场的方向相反．根据同名磁极相互排斥,知线圈与磁体间相互排斥．

(2)当N或S极拔出线圈时,磁通量减小,线圈产生感应电流,且感应电流的磁场方向与原磁场的方向相同,根据异名磁极相互吸引,知线圈与磁体间相互吸引;得出楞次定律的另一种表述“来拒去留”．

4.5 验证“来拒去留”的效果

将线圈放在垫有隔板的电子秤(精度为0.1 g)上,按下去皮键,此时电子秤上的示数为零．在电子秤上放隔板的作用是为了减小磁场对电子秤中元件的影响．分析电子秤上的示数正负(示数为正值,表示线圈受到的作用力方向向下;示数为负值,表示线圈受到的作用力方向向上),便知强磁铁与线圈间的作用力是吸引力还是排斥力,在直观上感知“楞次定律”中的“阻碍”效果,验证过程如图3所示．

4.6 实验拓展

对比磁铁在有机玻璃管和铝管中运动的快慢?说明理由．

图3 验证“来拒去留”的实验

5 结束语

本创新实验成本低,可视性好,实验操作性强,可进行学生分组实验,培养学生的科学探究能力．本实验的不足之处在于,强磁铁插入线圈的这一过程不容易快速插入,导致此时线圈产生的感应电流不够大,二极管不够亮．在利用“来拒去留”和结合牛顿第三定律分析线圈在电子秤上的示数正负反映力的方向时,电子秤上显示的读数比较短暂,不能长时间观察．在实际操作中,可以通过拍摄后回放,进行数据的采集和分析．