“楞次定律”一課中的習(xí)題教學(xué)的設(shè)計(jì)

許忠艷 陳曉斌

(輝南縣第一中學(xué) 吉林 通化 135100)

對(duì)楞次定律的理解與活化，不是一蹴而就的．采用適當(dāng)?shù)姆绞?，把“抽象”隱含的內(nèi)容“具體”顯化，能讓學(xué)生能透過(guò)形式多樣的“表象”洞察共同遵循的“規(guī)律”，使他們靈活地應(yīng)用楞次定律解決一些復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題．

下面就習(xí)題教學(xué)談下自己的實(shí)際做法．

1 問(wèn)題緣起——表述的“抽象”

(新課標(biāo)版教材)楞次定律的表述：“感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化．” 定律中因果關(guān)系表述簡(jiǎn)明扼要，但過(guò)于抽象，學(xué)生剛開始學(xué)習(xí)時(shí)不容易真正理解“阻礙”兩字的內(nèi)涵．

2 優(yōu)化策略——“抽象”譯成“直觀”

把定律的內(nèi)容從書中的一種抽象表述“翻譯”為幾種直觀形象的表述．根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，在習(xí)題教學(xué)中設(shè)計(jì)了層層遞近、全方位應(yīng)用認(rèn)知優(yōu)化教學(xué)策略，從不同角度全面體會(huì)定律中“阻礙”二字的內(nèi)涵，在潛移默化中促進(jìn)物理意識(shí)的形成，達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)的目的．

2.1 “增反減同”——確定感應(yīng)電流的方向

對(duì)感應(yīng)電流方向的確定方法簡(jiǎn)化為“增反減同”，是課本中的實(shí)驗(yàn)總結(jié)的高度概括．

“增反”是指在磁通量增加時(shí)，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相反；“減同”是指在磁通量減少時(shí)感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相同．這樣表述使學(xué)生易于理解和操作．

【例1】如圖1，磁場(chǎng)垂直于紙面，磁感應(yīng)強(qiáng)度在豎直方向均勻分布，水平方向非均勻分布．一銅制圓環(huán)用絲線懸掛于O點(diǎn)，將圓環(huán)拉至位置a后無(wú)初速釋放，在圓環(huán)從a擺向b的過(guò)程中

A.感應(yīng)電流方向先逆時(shí)針后順時(shí)針再逆時(shí)針

B.感應(yīng)電流方向一直是逆時(shí)針

C.安培力方向始終與速度方向相反

D.安培力方向始終沿水平方向

圖1

解析：圓環(huán)從a擺向b的過(guò)程中，磁通量先增加、穿越分界線時(shí)先減小后反向增加、穿過(guò)后反向減小，由“增反減同”可知選項(xiàng)A正確；再由電流方向與有效長(zhǎng)度的方向(始終是豎直方向)，可知選項(xiàng)D正確．

圖2

【例2】如圖2所示的電路中，電源的電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻為r，電感L的電阻不計(jì)，電阻R的阻值大于燈泡D的阻值，在t=0時(shí)刻閉合開關(guān)S，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，在t=t1時(shí)刻斷開S，下列表示A，B兩點(diǎn)間電壓UAB隨時(shí)間t變化的圖像中，正確的是圖3中的

圖3

解析：開關(guān)閉合瞬間，線圈由于自感對(duì)電流有阻礙作用，但線圈的阻礙逐漸減小，并聯(lián)電路總電阻逐漸減小，電壓UAB逐漸減??；開關(guān)閉合后再斷開瞬間，因?yàn)殡娏髟跍p少，由“增反減同”可知，線圈的感應(yīng)電流與原電流方向相同，L，R，D形成回路，燈泡的電流與原電流方向相反，并逐漸減小到零，選B．

點(diǎn)評(píng)：自感現(xiàn)象從阻礙自身電流變化的角度，進(jìn)一步說(shuō)明了“阻礙”的 “鐵面無(wú)私”，這正說(shuō)明楞次定律的普適性．“增反”指原電流增加時(shí)，感應(yīng)電流與原電流方向相反，“減同”指原電流減少時(shí)，感應(yīng)電流與原電流方向相同．

2.2 “近斥遠(yuǎn)吸”——判斷相對(duì)運(yùn)動(dòng)的受力

“近斥遠(yuǎn)吸”是“增反減同”在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的具體表現(xiàn)形式，用起來(lái)很方便直觀．

【例3】如圖4所示，矩形閉合金屬線圈放置在固定的水平薄板上，有一塊蹄形磁鐵如圖所示置于水平薄板的正下方(磁極間距略大于矩形線圈的寬度．)當(dāng)磁鐵全部勻速向右通過(guò)線圈時(shí)，線圈始終靜止不動(dòng)，那么線圈受到薄板摩擦力的方向和線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流的方向(從上向下看)是

圖4

A．摩擦力方向一直向左

B．摩擦力方向先向左、后向右

C．感應(yīng)電流的方向順時(shí)針→逆時(shí)針→逆時(shí)針→順時(shí)針

D．感應(yīng)電流的方向順時(shí)針→逆時(shí)針

解析：用常規(guī)的方式：先確定電流方向，再由安培力的方向確定摩擦力方向是很繁瑣的．

相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的受力問(wèn)題，利用“近斥遠(yuǎn)吸”來(lái)判斷顯得簡(jiǎn)潔.在磁鐵向右運(yùn)動(dòng)靠近線圈時(shí)因?yàn)椤敖狻?，線圈受到斥力有向右的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，所受靜摩擦力向左；在磁鐵向右遠(yuǎn)離線圈時(shí)因?yàn)?“遠(yuǎn)吸”，線圈受到引力仍有向右的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，所受靜摩擦力仍向左，選項(xiàng)A正確；判斷電流方向則根據(jù)“增反減同”進(jìn)行：向右運(yùn)動(dòng)時(shí)磁通量先增加再減少，過(guò)了線圈的正下方，磁場(chǎng)反向、磁通量仍然先增加再減少，選項(xiàng)C正確．則正確答案為選項(xiàng)A，C．

2.3 “增縮減擴(kuò)”——判斷回路面積的變化趨勢(shì)

在閉合回路中的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路的面積會(huì)有相應(yīng)的變化或變化趨勢(shì)，以實(shí)際行動(dòng)——“增縮減擴(kuò)”來(lái)阻礙磁通量的變化，為判斷一些問(wèn)題提供了簡(jiǎn)潔明了的手段．這種“增縮減擴(kuò)”，實(shí)際是通過(guò)回路導(dǎo)體中感應(yīng)電流所受的安培力來(lái)實(shí)現(xiàn)的．

【例4】如圖5所示，光滑導(dǎo)軌MN水平放置，兩根導(dǎo)體棒平行放于導(dǎo)軌上，形成一個(gè)閉合回路，當(dāng)一條形磁鐵從上方下落(未達(dá)導(dǎo)軌平面)的過(guò)程中，導(dǎo)體P，Q的運(yùn)動(dòng)情況是

圖5

A．P，Q互相靠擾

B．P，Q互相遠(yuǎn)離

C．磁鐵的加速度仍為g

D．磁鐵的加速度小于g

解析：下降過(guò)程中，穿過(guò)閉合回路的磁通量增加，由“增縮減擴(kuò)”可知線圈面積縮小，選項(xiàng)A對(duì)；由“近斥遠(yuǎn)吸”可知，有磁鐵受向上的磁場(chǎng)力，加速度小于g，選項(xiàng)D對(duì)．

2.4 洞察“阻礙”——能的轉(zhuǎn)化與守恒的體現(xiàn)

楞次定律的實(shí)質(zhì)是能的轉(zhuǎn)化與守恒定律在各種電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的具體反映：要產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象就必須克服這個(gè)“阻礙”作用，消耗其他形式的能量，而得到電能．

【例5】如圖6所示，空間分布著水平方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)區(qū)域的水平寬度d=0.4 m，豎直方向足夠長(zhǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.5 T．正方形線框PQMN邊長(zhǎng)L=0.4 m，質(zhì)量m=0.2 kg，電阻R=0.1 Ω，開始時(shí)放在光滑絕緣水平板上“Ⅰ”位置，現(xiàn)用一水平向右的恒力F=0.8 N拉線框，使其向右穿過(guò)磁場(chǎng)區(qū)，最后到達(dá)“Ⅱ”位置(MN邊恰好出磁場(chǎng))．設(shè)線框平面在運(yùn)動(dòng)中始終保持在豎直平面內(nèi)，PQ邊剛進(jìn)入磁場(chǎng)后線框恰好做勻速運(yùn)動(dòng)．試求：

(1)線框進(jìn)入磁場(chǎng)前運(yùn)動(dòng)的距離d．

(2)上述整個(gè)過(guò)程中線框內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱．

(3)若線框PQ邊剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)突然撤去絕緣板，線框在空中運(yùn)動(dòng)，則線框離開磁場(chǎng)時(shí)速度多大?線框內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱又為多大?

圖6

解析：線框進(jìn)入磁場(chǎng)的過(guò)程中磁通量發(fā)生變化，由“近斥遠(yuǎn)吸”可知阻礙線框相對(duì)運(yùn)動(dòng)的安培力與F等大反向；在克服安培力做功的過(guò)程中，消耗其他形式的能力而得到電能．安掊力做功是電能和其他形式能之間轉(zhuǎn)化的“橋梁”．

(1)線框在磁場(chǎng)中勻速運(yùn)動(dòng)，則

F安=F

又

聯(lián)立解得

由動(dòng)能定理得

解得

d=0.5 m

(2)由能量守恒定律，可知

Q=2Fd=2×0.8×0.4 J=0.64 J

(3)撤去絕緣板后，線框在磁場(chǎng)中水平方向所受合力為零，豎直方向只受重力，因此，線框在穿越磁場(chǎng)過(guò)程做平拋運(yùn)動(dòng)．

水平方向

代入數(shù)據(jù)得

豎直方向

vy=gt=4 m/s

撤去絕緣板前后，線框產(chǎn)生熱量相同，即

Q′=Q=0.64 J

點(diǎn)評(píng)：通過(guò)電磁感應(yīng)各種具體表現(xiàn)的多元化問(wèn)題，洞察其“能的轉(zhuǎn)化與守恒”的實(shí)質(zhì)，把對(duì)楞次定律認(rèn)識(shí)提高到更高的能量層面，有利于從整體上把握解題的思路與技巧．

2.5 拓展延伸——電磁驅(qū)動(dòng)與阻尼

教材中的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)繞圈中產(chǎn)生的“反電動(dòng)勢(shì)”“電磁阻尼”與“電磁驅(qū)動(dòng)”等問(wèn)題都是“阻礙”的具體表現(xiàn)，這些例子表面看起來(lái)是不同，但實(shí)質(zhì)都是一樣的，即通過(guò)阻礙來(lái)實(shí)現(xiàn)其他形式的能量與電能之間的轉(zhuǎn)化．

通過(guò)習(xí)題的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使學(xué)生的認(rèn)知經(jīng)歷了從“抽象”到“具體”的應(yīng)用與體驗(yàn)過(guò)程，從多元化的角度澄清“阻礙”一詞的物理內(nèi)涵，促進(jìn)學(xué)生對(duì)定律內(nèi)容的深層次理解．學(xué)生只有通過(guò)實(shí)例增長(zhǎng)見識(shí)，才能逐漸形成物理意識(shí)，進(jìn)而能夠靈活、快速、準(zhǔn)確地解決一些實(shí)際問(wèn)題．

參考文獻(xiàn)

1 趙凱華,張維善.新概念高中物理(第二冊(cè)).北京：人民教育出版社，2006