“楞次定律”教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

陳慶煒　張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院　廣東 廣州　510006)

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“楞次定律”教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

陳慶煒張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院廣東 廣州510006)

針對(duì)楞次定律教學(xué)中存在的問(wèn)題，依據(jù)物理教學(xué)的邏輯和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，對(duì)教材的思路進(jìn)行整合，以問(wèn)題引導(dǎo)結(jié)合實(shí)驗(yàn)探究使學(xué)生有效經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，從定性到定量得出楞次定律.

楞次定律科學(xué)探究教學(xué)設(shè)計(jì)

楞次定律是高中物理課程中最為抽象的一個(gè)物理規(guī)律，一直是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn).學(xué)習(xí)楞次定律是將物理知識(shí)、物理方法和物理本質(zhì)融為一體的學(xué)習(xí)過(guò)程，能培養(yǎng)學(xué)生觀察思考的學(xué)習(xí)習(xí)慣和抽象邏輯思維能力.傳統(tǒng)教學(xué)從條形磁鐵相對(duì)于螺線管運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生將“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)”作為“中介”，通過(guò)填表比較，歸納出楞次定律的表述[1].

這種教學(xué)安排涉及原磁場(chǎng)方向、磁通量的變化、感應(yīng)電流方向、線圈繞向等眾多變量，容易造成實(shí)驗(yàn)效果不直觀、思維鏈條過(guò)長(zhǎng)、教學(xué)邏輯不連續(xù)等教學(xué)困境[2].

為了擺脫以上教學(xué)困境，本教學(xué)設(shè)計(jì)先隱藏感應(yīng)電流，以“楞次小車(chē)”來(lái)拒去留的力學(xué)現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生歸納出感應(yīng)磁場(chǎng)的方向和原磁場(chǎng)的方向之間的定量關(guān)系，由此確定出感應(yīng)磁場(chǎng)的方向，得到楞次定律的“雛形”，根據(jù)右手螺旋定則，由感應(yīng)磁場(chǎng)的方向確定出感應(yīng)電流的方向，從而得到楞次定律的完整表述；再引導(dǎo)學(xué)生分析出感應(yīng)磁場(chǎng)的來(lái)源——感應(yīng)電流，完善楞次定律，最后引導(dǎo)學(xué)生利用電流數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行感應(yīng)電流方向的猜想和驗(yàn)證.教學(xué)過(guò)程中通過(guò)豐富有趣的演示實(shí)驗(yàn)，不僅暴露了學(xué)生的前概念，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，也體現(xiàn)了新課程物理來(lái)源于生活，又走向社會(huì)的教學(xué)理念.

1　情境設(shè)疑 引發(fā)猜想

學(xué)生對(duì)磁性球在鋁管中的運(yùn)動(dòng)存在錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)：鋁不屬于鐵鈷鎳材料，磁性球與鋁管不會(huì)相互吸引而應(yīng)該在鋁管中做自由落體運(yùn)動(dòng).學(xué)生還沒(méi)有關(guān)注到鋁管中由于磁通量變化產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)與磁性球有安培力的作用.通過(guò)磁性球和非磁性球在鋁管中下落速度的對(duì)比，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，導(dǎo)入新課.具體教學(xué)過(guò)程如下.

師：(關(guān)注物理常識(shí))能吸引磁鐵的材料有哪些？

生：鐵鈷鎳.

師:請(qǐng)對(duì)比磁性球和非磁性球在鋁管中下落的速度(演示落磁法實(shí)驗(yàn)如圖1)，磁性球下落為何變慢了？什么力在阻礙磁性球下落？

學(xué)生思考，產(chǎn)生疑惑.

圖1　鋁管對(duì)比實(shí)驗(yàn)

2　層層引導(dǎo) 規(guī)律探究

落磁法實(shí)驗(yàn)利用對(duì)比為學(xué)生提供感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)認(rèn)知沖突，通過(guò)等效替代法將鋁管替代成無(wú)數(shù)個(gè)閉合線圈，并將載著閉合線圈的小車(chē)(圖2)作為研究對(duì)象，在小車(chē)“來(lái)拒去留”的“傲嬌”表現(xiàn)下，引發(fā)學(xué)生對(duì)探究原磁場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)關(guān)系的好奇心，從而順利過(guò)渡到實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié).

圖2　楞次小車(chē)

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)小車(chē)實(shí)驗(yàn)配合多媒體動(dòng)畫(huà)演示引導(dǎo)學(xué)生歸納分析出楞次定律的“雛形”.緊接著引導(dǎo)學(xué)生猜想感應(yīng)磁場(chǎng)的來(lái)源，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證猜想，歸納出楞次定律的完整表述.教學(xué)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于先隱藏感應(yīng)電流方向、線圈繞向等諸多變量，只向?qū)W生呈現(xiàn)兩個(gè)磁場(chǎng)的相互作用，體現(xiàn)分離與控制變量的教學(xué)邏輯，符合物理實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)約直觀的要求，堅(jiān)持物理規(guī)律探究從定性到定量的原則.教具使用上，由于傳統(tǒng)的螺線管不能體現(xiàn)阻礙效果，靈敏電流計(jì)偏轉(zhuǎn)太快而難以保持現(xiàn)象等缺陷，采用載著閉合線圈的小車(chē)結(jié)合dislab電流數(shù)據(jù)采集器作為教具，將磁場(chǎng)方向以力的形式呈現(xiàn)，并在屏幕上呈現(xiàn)放大后的微弱電流，提高實(shí)驗(yàn)的直觀性和可信度.教學(xué)手段上，利用多媒體動(dòng)畫(huà)將抽象的物理量如感應(yīng)磁場(chǎng)、鋁管中的環(huán)形電流等直觀形象地呈現(xiàn)，提高學(xué)生習(xí)得知識(shí)、經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程的效率.具體教學(xué)過(guò)程如下.

師：當(dāng)磁鐵靠近和遠(yuǎn)離線圈時(shí)，線圈和磁鐵之間存在什么力？(演示楞次小車(chē)來(lái)拒去留的現(xiàn)象,如圖2，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行定性觀察)

生：排斥力，吸引力.

師：初中我們學(xué)過(guò)磁極規(guī)律是怎樣的？(回顧初中物理知識(shí))

生：磁極之間同性相斥，異性相吸.

師：通過(guò)排斥力、吸引力我們可以發(fā)現(xiàn)隨著磁鐵和線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)磁場(chǎng).運(yùn)用控制變量法，小組合作探究問(wèn)題，磁鐵靠近和遠(yuǎn)離線圈時(shí)，感應(yīng)磁場(chǎng)的方向是相同還是相反的？

生：控制磁場(chǎng)方向不變，當(dāng)磁鐵靠近和遠(yuǎn)離線圈時(shí)，感應(yīng)磁場(chǎng)的方向是不同的.

師：磁鐵靠近和遠(yuǎn)離線圈，表明線圈中的磁通量在變化.接下來(lái)我們探究感應(yīng)磁場(chǎng)的方向和原磁通量的變化之間的聯(lián)系.(利用小車(chē)來(lái)拒去留的力學(xué)現(xiàn)象結(jié)合多媒體動(dòng)畫(huà)將磁場(chǎng)方向可視化，引導(dǎo)得出N極靠近和遠(yuǎn)離的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，S極的實(shí)驗(yàn)可由學(xué)生分組探究獲得，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示).

表1　實(shí)驗(yàn)記錄表

師：分析表格的第2列和第3列，總結(jié)歸納磁通量的變化與感應(yīng)磁場(chǎng)和原磁場(chǎng)方向的聯(lián)系.

生：磁通量增加時(shí)，感應(yīng)磁場(chǎng)和原磁場(chǎng)方向相反；磁通量減少時(shí)，感應(yīng)磁場(chǎng)和原磁場(chǎng)方向相同.

師：以上聯(lián)系可歸納為增反減同.分析表格第2列和第4列，可得出什么規(guī)律？(可提示學(xué)生關(guān)注關(guān)鍵詞)

生：感應(yīng)磁場(chǎng)總是阻礙原磁通量的變化.

師：我們將增反減同和“阻礙”的效果歸納為楞次定律的“雛形”.因?yàn)槲覀冞€不清楚感應(yīng)磁場(chǎng)的來(lái)源.初中我們學(xué)過(guò)奧斯特發(fā)現(xiàn)了電會(huì)生？(引導(dǎo)學(xué)生回顧物理學(xué)史)

生：磁.

師：結(jié)合上節(jié)課感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件，我們知道穿過(guò)閉合線圈的磁通量發(fā)生變化時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流.那么感應(yīng)磁場(chǎng)是否是感應(yīng)電流通過(guò)電生磁產(chǎn)生的呢？請(qǐng)同學(xué)們小組討論，思考如何驗(yàn)證這一猜想.(培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題以及交流與合作的能力)

生：先假設(shè)猜想是成立的，通過(guò)剛才的結(jié)論結(jié)合右手螺旋定則可由感應(yīng)磁場(chǎng)判斷感應(yīng)電流的方向，再用電流計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證.一旦電流計(jì)的顯示方向與猜想的相同，則感應(yīng)磁場(chǎng)確實(shí)是感應(yīng)電流產(chǎn)生的.

師：電流表偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)瞬即逝，但我們可以用電流數(shù)據(jù)采集器將電流方向停留在電腦屏幕上.(介紹電流數(shù)據(jù)采集器如圖3的使用方法，顯示界面如圖4，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證)

圖3　數(shù)據(jù)采集器連接方法

圖4　數(shù)據(jù)采集器顯示界面

師：猜想得以驗(yàn)證，我們發(fā)現(xiàn)感應(yīng)磁場(chǎng)確實(shí)是感應(yīng)電流產(chǎn)生的.楞次于1834年概括各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果并得出結(jié)論：感應(yīng)電流總是有這樣的方向，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.這就是楞次定律的完整表述.

3　運(yùn)用規(guī)律 探尋本質(zhì)

3.1首尾呼應(yīng) 學(xué)以致用

圖5　落磁法動(dòng)畫(huà)圖示

通過(guò)flash動(dòng)畫(huà)(如圖5)展示磁性球在鋁管中下落的過(guò)程，對(duì)磁場(chǎng)方向、電流方向進(jìn)行可視化處理，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用楞次定律中感應(yīng)電流的磁場(chǎng)對(duì)原磁通量變化的“阻礙”效果，解釋磁性球所受阻力的來(lái)源.

3.2引入磁性阻尼擺 深化理解

利用小人蕩秋千的現(xiàn)象[如圖6，小人(綁著磁鐵)擺動(dòng)，需要很久才停下來(lái)；將小人放在鋁板上方，與鋁板沒(méi)有接觸，以同樣的角度使小人擺動(dòng)，發(fā)現(xiàn)很快就停下來(lái)]增加課堂的趣味性，并通過(guò)多媒體動(dòng)畫(huà)(如圖7)輔助學(xué)生利用楞次定律解釋小人擺動(dòng)變慢的原因，初步引入渦流的圖像，為之后渦流一節(jié)的學(xué)習(xí)提供感性認(rèn)識(shí).

圖6　磁性阻尼擺

圖7　磁性阻尼擺動(dòng)畫(huà)圖示

3.3楞次定律的本質(zhì)——能量守恒定律

一個(gè)實(shí)驗(yàn)理論形成后，我們常常要從理論上審視它，它不應(yīng)該和已有的理論相矛盾,否則，或者是過(guò)去的理論存在問(wèn)題，或者是這個(gè)實(shí)驗(yàn)有問(wèn)題.我們可以通過(guò)落磁法和磁性阻尼擺兩個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證楞次定律的本質(zhì)是能量守恒定律[1].具體的教學(xué)過(guò)程如下.

師：當(dāng)磁性球下落和帶磁鐵小人向下擺時(shí)，他們由于運(yùn)動(dòng)都具有什么能量？

生：動(dòng)能.

師：磁性球和帶磁鐵小人克服感應(yīng)電流的磁場(chǎng)力做功，動(dòng)能減少轉(zhuǎn)化為鋁管和鋁板中的電能.而電能最終會(huì)轉(zhuǎn)換成什么能量散發(fā)出去？

生：熱能.

師：因此球和小人機(jī)械能減少，電能增加，最終電能又轉(zhuǎn)換為熱能散失.因此從以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證楞次定律的本質(zhì)就是能量守恒定律，符合物理規(guī)律自洽的原則.

4　聯(lián)系社會(huì) 課后思考

利用圖片、動(dòng)畫(huà)等形式講解楞次定律在汽車(chē)電渦流緩速器和軍事上電磁炮的運(yùn)用及原理，將物理規(guī)律應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中，符合新課標(biāo)從生活走向物理，從物理走向社會(huì)(STS)的理念.并利用自制教具演示磁懸浮現(xiàn)象(如圖8，在線圈中通以36 V，50 Hz的交流電，可以使線圈在鋁板上面懸浮起來(lái))，提問(wèn)學(xué)生：為何通以交流電的線圈能在鋁板中懸浮起來(lái)？如何用楞次定律解釋這一現(xiàn)象？將此問(wèn)題留作課后思考題，通過(guò)小組討論和探究活動(dòng)，查閱資料，以小組為單位寫(xiě)一篇科學(xué)小論文，體驗(yàn)知識(shí)來(lái)源于實(shí)踐而又作用于實(shí)踐的辯證關(guān)系.

圖8　磁懸浮裝置

5　小結(jié)

本設(shè)計(jì)首先通過(guò)下落變慢的磁鐵設(shè)置懸念并引入課堂，以楞次小車(chē)來(lái)拒去留的力學(xué)現(xiàn)象為出發(fā)點(diǎn)，讓學(xué)生感受到感應(yīng)磁場(chǎng)的方向和原磁場(chǎng)的變化存在一定的聯(lián)系.繼而通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究的方法探究感應(yīng)磁場(chǎng)和原磁通的變化之間的方向關(guān)系并總結(jié)得出楞次定律的雛形.緊接著與上節(jié)課探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件形成呼應(yīng)，通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)猜想感應(yīng)磁場(chǎng)的來(lái)源是感應(yīng)電流，利用右手螺旋定則結(jié)合楞次定律由磁場(chǎng)變化方向判斷出電流的方向，并利用電流數(shù)據(jù)采集器電流方向進(jìn)行驗(yàn)證，最終證明感應(yīng)磁場(chǎng)是由感應(yīng)電流產(chǎn)生的，從而得到楞次定律的完整表述.整個(gè)思路時(shí)刻體現(xiàn)了新舊知識(shí)的聯(lián)系，注重知識(shí)的構(gòu)建過(guò)程，融匯了“建構(gòu)主義”中以“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的教學(xué)原則，讓學(xué)生通過(guò)體驗(yàn)、觀察、自主分析、聯(lián)系新舊知識(shí)，構(gòu)建起新知識(shí)的理念.

1人民教育出版社，課程教材研究所,物理課程教材開(kāi)發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理選修3-2.北京:人民教育出版社,2006.9～14

2邢紅軍,寧成,胡揚(yáng)洋. 楞次定律教學(xué)的高端備課. 中學(xué)物理教學(xué)參考,2013(04):18～20

陳慶煒(1995-)，男，在讀本科，物理學(xué)師范專(zhuān)業(yè).

指導(dǎo)教師：張軍朋(1963-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槲锢碚n程與教學(xué)論.

2016-06-09)