汪慧琴

(江蘇省蘇州第一中學(xué)校,江蘇 蘇州 215000)

關(guān)于楞次定律教學(xué)的思考

汪慧琴

(江蘇省蘇州第一中學(xué)校,江蘇 蘇州 215000)

本文分析了“楞次定律”實驗探究教學(xué)中普遍存在的問題,澄清了電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的各個物理量之間的邏輯關(guān)系,從而提出“楞次定律”的實驗探究教學(xué)的設(shè)計和建議．

感應(yīng)電流的磁場； 邏輯關(guān)系； 展示探究的過程和方法； 應(yīng)用楞次定律的思維過程和方式．

楞次定律的教學(xué),是高中物理的教學(xué)難點．筆者連續(xù)觀摩了各個層次高中物理教師(特級教師、高級教師和一級教師)的課堂教學(xué)和高端教學(xué)展示,期望在教學(xué)一線的實踐中,尋找到有關(guān)楞次定律實驗探究教學(xué)的好方案和好思路,以利于在物理教學(xué)中培養(yǎng)高中學(xué)生的核心素養(yǎng)．

1 楞次定律實驗探究教學(xué)中存在的主要問題

楞次定律實驗探究教學(xué),可歸納為兩大類實驗探究的范圍．一是基于人教版高中物理選修3-2的實驗探究基礎(chǔ)； 二是基于上?？萍冀逃霭嫔绺咧形锢磉x修3-2的實驗探究基礎(chǔ).

案例1.建立在人教版高中物理選修3-2實驗探究基礎(chǔ)上的教學(xué)案例．

人教版教材實驗內(nèi)容：

圖1 記錄實驗情況的草圖

在前面實驗中，我們通過磁鐵跟閉合電路之間的相對運動來改變穿過閉合電路的磁通量.條形磁鐵的N極或S極插入閉合線圈時，線圈內(nèi)磁通量增加，抽出時，線圈內(nèi)磁通量減少.

現(xiàn)在重復(fù)這個實驗，不過這次不是研究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件，而是用草圖記錄感應(yīng)電流的方向、磁鐵的極性和運動方向，以便從中找出它們之間的關(guān)系.

建議在紙上畫出幾個類似的草圖，分別標(biāo)出不同情況下磁鐵的N、S極，磁極的運動方向，感應(yīng)電流的方向.為了判斷感應(yīng)電流的方向，事先要弄清線圈導(dǎo)線的繞向及電流方向、指針擺動的方向與電流表的紅、黑接線柱的關(guān)系.

在實驗探究的教學(xué)中,教師以不同形式,或事先設(shè)計好實驗記錄卡1的表格(見表1),或引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗記錄卡1,然后讓學(xué)生根據(jù)實驗探究填寫現(xiàn)象和結(jié)果,最后尋找到感應(yīng)電流的磁場跟原磁場的方向關(guān)系,即“增反減同”．

評析: 案例1實驗探究的最大功績,是揭示了電磁感應(yīng)現(xiàn)象中,各個物理量之間的邏輯關(guān)系．但是,教學(xué)中普遍存在著以下問題.

(1) 感應(yīng)電流的磁場問題.每次在這樣教學(xué)中,筆者總會特別關(guān)注授課教師是根據(jù)什么,如何引導(dǎo)學(xué)生想到要去尋找感應(yīng)電流的磁場方向．到目前為止,還沒有獲得一個令人滿意的解答．有些教師根本沒有思考和涉及這個問題．

感應(yīng)電流的磁場及其方向,在本實驗中,是一個看不見、摸不著、無法感知的隱形角色．也就是說,實驗記錄卡1中的第4行,記錄的內(nèi)容根本就不是實驗的結(jié)果．筆者認(rèn)為,這個問題是本實驗探究的一個結(jié)癥．

(2) 失去了真正探究的價值.授課教師可能沒有意識到,在沒有明確為什么要去尋找感應(yīng)電流磁場的前提下,這樣的教學(xué),其實是教師事先預(yù)設(shè)了實驗路徑,讓學(xué)生循規(guī)蹈矩,依葫蘆畫瓢,知其然不知其所以然,失去了實驗探究的真正價值．

圖2 探究感應(yīng)電流方向的實驗

(3) 感應(yīng)電流磁場的角色定位出現(xiàn)了偏差.關(guān)于感應(yīng)電流磁場在探究感應(yīng)電流方向的過程中,是一個什么角色?人教版教材高中教材闡述它是一個“中介”角色,筆者認(rèn)為這種描述存在邏輯上的問題．退一步說,雖然加了引號,對教師和學(xué)生也起了誤導(dǎo)作用．

案例2.建立在上海科技教育出版社高中物理選修3-2實驗探究基礎(chǔ)上的教學(xué)案例.

滬科版教材實驗探究內(nèi)容：

實驗裝置如圖2所示，用細線懸掛一個很輕的鋁環(huán)，鋁環(huán)可以自由擺動.

請觀察：

當(dāng)條形磁鐵的一極(如圖2中的N極)向鋁環(huán)靠近時，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

當(dāng)條形磁鐵離開鋁環(huán)時，又會發(fā)生什么現(xiàn)象？

請將你的觀察結(jié)果記錄下來.

實驗表明： 條形磁鐵的N極移近鋁環(huán)時，鋁環(huán)被排斥； 條形磁鐵的N極離開鋁環(huán)時，鋁環(huán)被吸引.

鋁環(huán)是非鐵磁性物體，它怎么會被磁鐵排斥和吸引的呢？

下面是一位教師的“楞次定律”市級公開課導(dǎo)學(xué)案的實驗記錄卡，見表2.

表2 實驗記錄卡2

評析: 案例2實驗探究的最大功績是讓我們直觀體驗、認(rèn)識了感應(yīng)電流磁場的存在．但是,實際教學(xué)中仍存在著問題.

(1) 從實驗記錄卡2表格縱向看,各個探究環(huán)節(jié)中,物理量之間的邏輯關(guān)系是倒置的．我們沒有引導(dǎo)學(xué)生思考:為什么要將因果倒置?學(xué)生只能按部就班,依葫蘆畫瓢了．

(2)實驗探究2的方案,沒有解決我們?yōu)槭裁床恢苯訉ふ腋袘?yīng)電流方向,而繞道到感應(yīng)電流磁場的方向．

根據(jù)人類認(rèn)識的一般規(guī)律,思維和行動的指向總是直奔主題,直接測量或?qū)ふ掖馕锢砹扛男┮蛩叵嚓P(guān)聯(lián)．而實驗探究2為什么要繞道,要從感應(yīng)電流磁場的方向來間接判定感應(yīng)電流方向．這是一個認(rèn)識過程的方法論問題．

在人類認(rèn)識史上,這個問題糾結(jié)了很長一段時間,我們現(xiàn)在不能回避這個結(jié)癥問題．筆者認(rèn)為,這是楞次定律實驗探究教學(xué)中有待解決的一個根本問題．我們應(yīng)該比較完整地展示人類研究這個問題的過程和方法．

(3) 各個物理量之間的邏輯關(guān)系不清晰．在實際教學(xué)中,存在方方面面的問題,甚至有些名師,在教學(xué)中邏輯思路都不夠清晰,思維的脈絡(luò)繞來繞去,把學(xué)生繞在云里霧里．

正確認(rèn)識感應(yīng)電流磁場的邏輯地位,是探究、認(rèn)識楞次定律的核心內(nèi)容．我們教學(xué)中要花力氣來突破這一點．所以,筆者認(rèn)為有必要跟大家一起理清原磁場B0、磁通量Φ變化、感應(yīng)電流Ii和感應(yīng)電流磁場Bi的邏輯關(guān)系．

2 “楞次定律”實驗探究教學(xué)設(shè)計和建議

在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(修訂稿)》中,已經(jīng)把探究感應(yīng)電流方向確定為高中理科生必做實驗．“楞次定律”的實驗探究教學(xué),筆者認(rèn)為應(yīng)該注意3個方面的問題:第一,揭示電磁感應(yīng)現(xiàn)象的邏輯關(guān)系;第二,展現(xiàn)楞次定律的探索、發(fā)現(xiàn)過程;第三,利用楞次定律判斷感應(yīng)電流方向的思維方式．

2.1 教學(xué)設(shè)計：探究感應(yīng)電流的方向——楞次定律

在“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件”的幾個實驗探究中,我們觀察了不同情況下感應(yīng)電流方向的不一樣．實驗讓我們直接地感受到,感應(yīng)電流的方向跟磁場方向、磁通量的變化相關(guān)聯(lián)．

那么,感應(yīng)電流的方向是由這兩個因素直接決定的嗎?其中蘊含什么規(guī)律?

實驗探究1： 感應(yīng)電流的方向跟哪些因素有直接關(guān)系?

圖3是“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件”的實驗探究中的實驗記錄,請完成如下探究:

(1) 感應(yīng)電流方向跟磁場方向關(guān)系;

(2) 感應(yīng)電流方向跟磁通量的增加/減少的關(guān)系;

(3) 尋找電磁感應(yīng)現(xiàn)象中感應(yīng)電流Ii與原磁場B0、磁通量Φ之間的邏輯關(guān)系.

圖3 實驗探究1現(xiàn)象記錄

分別把甲與丙,乙與丁兩情形對比,我們發(fā)現(xiàn)相同的磁場方向,卻產(chǎn)生了相反方向的感應(yīng)電流．而在甲與丁和乙與丙情形中,不同方向的磁場,卻產(chǎn)生了相同方向的感應(yīng)電流．

探究結(jié)論1:磁場方向不直接決定感應(yīng)電流方向．

分別對比甲與乙、丙與丁兩情形,都是磁通量增加/減少,產(chǎn)生了相反方向的感應(yīng)電流．而甲與丁、乙與丙兩情形,磁通量變化不同,卻產(chǎn)生了相同方向感應(yīng)電流．

探究結(jié)論2:磁通量的變化也不直接決定感應(yīng)電流方向．

圖4 電磁感應(yīng)中的邏輯關(guān)系

在本實驗中,我們不難發(fā)現(xiàn),因原磁場B0的存在,由相對運動產(chǎn)生磁通量Φ的變化,產(chǎn)生了感應(yīng)電流Ii．他們之間的邏輯關(guān)系如圖4所示．

那么,到底哪些因素直接決定了感應(yīng)電流的方向?

評析：實驗探究結(jié)果跟預(yù)期相反，但卻有非常高的科學(xué)價值，它指引我們另辟蹊徑，達成目標(biāo).

實驗探究2： 感受、發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流的磁場Bi.

圖5 探究實驗2原理

我們把實驗探究1中的線圈,簡化為一個直徑大約50mm的單匝鋁環(huán),用雙細線懸掛起來,鋁環(huán)可以在空中自由擺動(如圖5所示)．

探究1：先后把強磁體棒插入、拔出鋁環(huán),觀察會出現(xiàn)什么現(xiàn)象．

實驗表明:磁體插入時,鋁環(huán)跟磁體相斥,磁體拔出時鋁環(huán)跟磁體相吸．

探究2： 磁體和鋁環(huán)為什么能夠產(chǎn)生相互作用?說明鋁環(huán)周圍存在什么物質(zhì)?

說明鋁環(huán)周圍空間存在另外一種磁場Bi．磁體的磁場B0通過這個磁場Bi跟鋁環(huán)產(chǎn)生了相互作用．

探究3： 鋁環(huán)周圍空間的磁場Bi是從哪里來的?

在磁體運動過程中,由于磁通量的變化,鋁環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電流Ii,是感應(yīng)電流在周圍產(chǎn)生了磁場Bi．

圖6 感應(yīng)電流磁場的邏輯地位

4個物理量之間的邏輯關(guān)系,如圖6主線所示．

評析： 此時引入感應(yīng)電流的磁場Bi，從方框示意圖4的主脈路可看出，在邏輯關(guān)系上，感應(yīng)電流的磁場，不是什么“中介”，在電磁感應(yīng)現(xiàn)象的邏輯關(guān)系中，直接對原磁場的磁通量變化產(chǎn)生影響，確立了電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能量的轉(zhuǎn)化和守恒關(guān)系.

探究4： 你能感受到感應(yīng)電流的磁場方向跟原磁場方向有什么關(guān)系?

磁通量增加時,鋁環(huán)跟磁體相互排斥,說明感應(yīng)電流的磁場Bi方向跟磁體磁場B0方向相反;磁通量減少時,鋁環(huán)跟磁體相互吸引,說明感應(yīng)電流的磁場Bi跟磁體磁場B0方向相同，如圖7所示，即簡述為“增反減同”．

a 磁鐵靠近鋁環(huán)

b 磁鐵離開鋁環(huán)

結(jié)論:原磁場B0的方向和磁通量Φ的變化兩個因素共同決定了感應(yīng)電流磁場Bi的方向.

探究5：你能夠判斷鋁環(huán)中的感應(yīng)電流方向嗎?

根據(jù)安培定則,伸出右手,由逆向思維,我們可以判定鋁環(huán)中的感應(yīng)電流方向．在圖7所示插入磁體N極時,形成左視的逆時針方向感應(yīng)電流,拔出磁體N極時,形成左視的順時針方向的感應(yīng)電流．

探究6：Bi與B0的“增反減同”具有普遍性嗎?

在實驗探究1中,根據(jù)實驗記錄的感應(yīng)電流方向,判斷出感應(yīng)電流磁場方向,看看是否滿足“增反減同”．

探究7： 感應(yīng)電流的磁場Bi在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中起了什么作用?

當(dāng)穿過鋁環(huán)磁通量增加時,感應(yīng)電流的磁場Bi與原磁場B0方向相反,阻礙了磁通量增加的進程．當(dāng)穿過鋁環(huán)磁通量減少時,感應(yīng)電流的磁場Bi與原磁場B0方向一致,阻礙了磁通量減少進程．從此角度來看,感應(yīng)電流的磁場Bi對磁通量的變化所起的作用是一致的,都是阻礙作用．

在“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件” 的3個實驗探究中都表明:感應(yīng)電流的磁場Bi總是阻礙原磁場B0的磁通量的變化．

大量實驗探究表明:感應(yīng)電流具有這樣的方向,即感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，這就是楞次定律

2.2 理論探究： 怎樣利用楞次定律判斷感應(yīng)電流方向

對“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件”中3個實驗探究逐一分析,試一試是否也可以采用先判定感應(yīng)電流的磁場方向,后判定感應(yīng)電流的方向的方法來判斷．如果可以,請概括出判定感應(yīng)電流方向的一般規(guī)律．

師生討論，概括出判定感應(yīng)電流方向的思維過程(如圖8).

圖8 楞次定律應(yīng)用思維過程示意圖

2.3 對兩個實驗探究的地位和作用的評價

實驗探究2具有如下優(yōu)勢: (1) 讓學(xué)生直接感知感應(yīng)電流磁場的存在; (2) 讓學(xué)生直接感知感應(yīng)電流磁場方向跟原磁場方向、磁通量變化的關(guān)系; (3) 獲得利用楞次定律判斷感應(yīng)電流方向的一般規(guī)律．

在教學(xué)實踐中,部分教師可能出于教學(xué)時間的限制,只采用實驗探究2,摒棄實驗探究1．

甚至有部分教師認(rèn)實驗探究1是多此一舉．筆者認(rèn)為,首先,我們要回答為什么要先找感應(yīng)電流的磁場方向,后判定電流的方向這個關(guān)鍵性問題．也就是說,感應(yīng)電流磁場的地位為什么如此重要和突出,探究2沒有說服力．

另外,在實驗探究2中,雖然我們能夠直接感知感應(yīng)電流的磁場跟原磁場方向、磁通量變化的關(guān)系,但是,主角感應(yīng)電流卻是隱含的,我們不能用測量或其他什么方法,直接感知它的存在和它的方向．直接上來就這樣做,有違人類探究未知量的一般規(guī)律．

人類探究未知量的一般規(guī)律,總是首先考慮用最直接、最簡單的測量方式來進行．也就是說,要探究感應(yīng)電流的方向,總是直接用電流表來測定,看看哪些因素直接影響感應(yīng)電流的方向,并尋求出它們直接的關(guān)聯(lián)．只有在此路不通的時候,人們才會另辟蹊徑,想方設(shè)法繞過去．這就是實驗探究1的價值所在,它展現(xiàn)了人類探索未知世界的一般思維過程和方法,它給了我們下一步研究的方向和啟示．實驗探究1對學(xué)生掌握探究過程與方法,對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度,起到無法替代的作用．

筆者認(rèn)為,兩個實驗探究合璧,成為一個整體,相互補充、相互印證,在有限的教學(xué)時間內(nèi),既展現(xiàn)了人類探究感應(yīng)電流方向的思維過程和研究方法,又回答了為什么在楞次定律中,要把邏輯關(guān)系倒置,利用感應(yīng)電流磁場方向,判斷感應(yīng)電流方向．這樣做,具有比較強的說服力,讓我們課堂的探究活動充滿靈動和生命力,具有真正科學(xué)探究的價值．

2017-01-18)