綜合運用物理科學(xué)方法探究感應(yīng)電流的方向

凌子屹+梁吉峰+夏偉寧

摘 要：聯(lián)用控制變量法和歸納法對人教社選修3-2《楞次定律》一節(jié)中的演示實驗過程中的感應(yīng)電流方向的探究過程進行了“重新”構(gòu)建和思維加工以求更加通暢而簡潔的得出楞次定律的內(nèi)容.首先就感應(yīng)電流產(chǎn)生的原因和效應(yīng)進行全面理論探究，也就是通過分析與綜合方法這一物理科學(xué)方法提出并確定探究性問題即探究原磁場的磁通量的變化與感應(yīng)電流的磁場的方向之間的關(guān)系；然后依次通過四步探究性小實驗，綜合運用控制變量法和部分歸納法、全部歸納法，在實驗探究結(jié)果的基礎(chǔ)上再進行科學(xué)想象和綜合歸納，最終自然生發(fā)而成楞次定律.

關(guān)鍵詞：楞次定律；探究；部分抵消變化說

作者簡介：梁吉峰（1970-），男，山東榮成，大學(xué)本科，特級教師，主要研究方向高中物理教學(xué)、物理奧賽輔導(dǎo).

人教社新課程高中物理選修3-2第3節(jié)《楞次定律》的主要內(nèi)容是探究感應(yīng)電流的方向.從總體上來說，探究過程最突出的特點就是涉及物理量多、情境復(fù)雜、規(guī)律隱蔽.近百年來，該實驗裝置和方案不曾改過.課本上主要是通過一個“中介”（感應(yīng)電流的磁場）來進行的，如圖1的照片（課本插圖），在這里我們不禁要問：為什么要提出這個“中介”？這個“中介”的提出是否有點突兀？另一方面，探究過程是不是涉及了過多的物理量？（從表格1可以窺見一斑）是否還可能有更加通暢而簡潔的思路呢？是否可以設(shè)計出一個由淺入深、環(huán)環(huán)相扣、層層遞進、總體思路更加通暢的并且易于學(xué)生理解和思悟的探究過程？

下面來做一個嘗試：首先進行理論探究，也就是通過分析與綜合方法提出探究性問題（原磁場的磁通量的變化與感應(yīng)電流的磁場的方向之間的關(guān)系）；然后設(shè)計探究性實驗，對探究的結(jié)果進行分析、總結(jié)和歸納最后得出楞次定律.

為了提出具體的探究問題，還是要先從本章第二節(jié)《探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件》開始回顧.

1 通過運用分析與綜合方法提出探究問題

探究感應(yīng)磁場的方向（感應(yīng)電流磁場的方向）與原磁場的磁通量變化（包括不同原磁場方向的所有相關(guān)情況）之間的關(guān)系.

在本章第二節(jié)我們已經(jīng)知道：當(dāng)磁鐵插入或者拔出線圈時，也就是穿過線圈的磁通量發(fā)生變化的時候，最終會在回路中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，這說明感應(yīng)電流與穿過閉合電路的磁通量的變化有關(guān).

因為最終產(chǎn)生了感應(yīng)電流，首先嘗試從感應(yīng)電流的產(chǎn)生原因這一角度入手來思考.

根據(jù)閉合電路的歐姆定律，所以感應(yīng)電流會使人聯(lián)想起電壓和電阻.不過馬上就會否定該種想法，因為上述物理概念和規(guī)律與本探究物理情境毫不相關(guān)，顯然這不是探究的方向.

下面嘗試從感應(yīng)電流的各種效應(yīng)方面入手探究.這包括機械效應(yīng)、熱效應(yīng)、磁效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng).稍加分析可知，可能我們可以從電流的磁效應(yīng)這一方面入手.

至此，我們的問題轉(zhuǎn)化為研究感應(yīng)電流的磁場的方向.

我們不僅又想起了磁鐵的磁場，因為要研究感應(yīng)電流的方向的問題，現(xiàn)在碰到了兩個磁場，自然就會想到研究這兩個磁場的方向之間有無關(guān)系.

前一節(jié)已經(jīng)告訴我們，要通過研究穿過閉合回路的磁通量的變化來研究.那么要探究的問題立刻浮出水面：原磁場和感應(yīng)電流磁場的磁通量的變化之間有無關(guān)系？

對于（電流或者磁場的）方向這一方面，我們不能輕易放棄，因為對于物理學(xué)科而言，方向至關(guān)重要.本節(jié)就是要探究出感應(yīng)電流的方向.

最終探究的問題進一步具體化為：探究感應(yīng)磁場的方向（感應(yīng)電流磁場的方向）與原磁場的磁通量變化（包括不同原磁場方向的所有相關(guān)情況）之間的關(guān)系.

2 建構(gòu)條形磁鐵——螺線管模型

通過對“條形磁鐵—螺線管”模型進行以下四步漸次復(fù)雜的實驗探究和分析，最終得出楞次定律的內(nèi)容.

下述前兩步探究將使用有共性的兩組相同實驗儀器，進行對比實驗探究.

2.1 探究感應(yīng)磁場的方向與Δ的正負的關(guān)系

探究一

如圖2所示，在本步所有的操作中，條形磁鐵的N極都在下方.分別將磁鐵的N極從上端向下插入和從螺線管中向上拔出，（根據(jù)安培定則由感應(yīng)電流的方向來判定感應(yīng)磁場的方向，下同）然后得到感應(yīng)磁場的方向.經(jīng)過分析判定，當(dāng)磁鐵插入螺線管（即（（（0）時，感應(yīng)磁場方向向上；當(dāng)磁鐵拔出螺線圈（即Δ<0）時，感應(yīng)磁場方向向下.

這說明：在原磁場方向相同的情況下，感應(yīng)磁場的方向與Δ的正負（也可以說是穿過螺線管的磁通量的變化）有關(guān).

2.2 探究感應(yīng)磁場的方向與原磁場的方向的關(guān)系

探究二

如圖3所示，分別將磁鐵的N極和S極都從上方向下插入螺線管，在操作過程中盡量保證穿過螺線管的磁通量的變化量的絕對值相等，觀察感應(yīng)磁場的方向.

經(jīng)過觀察分析可知，當(dāng)N極插入螺線管時，感應(yīng)磁場方向向上；當(dāng)S極插入螺線圈時，感應(yīng)磁場方向向下.

這說明，在磁通量的變化量的絕對值相等的情況下，感應(yīng)磁場的方向與原磁場方向有關(guān).

綜合以上兩步探究的結(jié)果，感應(yīng)磁場的方向與穿過螺線管的磁通量的變化量和原磁場的方向這兩個因素有關(guān).

2.3 綜合歸納得出“增反減同”的初步結(jié)果

探究三 重復(fù)并擴展探究二的操作步驟.

如圖4所示，將磁鐵的N極（和S極）從上方插入螺線管（都是插入）.當(dāng)N極向下插入螺線管（即Δ為正）時，原磁場方向向下，感應(yīng)磁場的方向向上；當(dāng)S極向下插入螺線管（即Δ為正）時，原磁場方向向上，感應(yīng)磁場的方向向下.

綜合上述兩步理論分析發(fā)現(xiàn)：不管是N極還是S極，只要插入螺線管，也就是說只要穿過螺線管的磁通量的絕對值在增加，感應(yīng)磁場的方向就與原磁場的方向相反.

下面繼續(xù)探究將N極和S極向上拔出螺線管的情況.當(dāng)N極向上拔出螺線管（即（（為負）時，原磁場方向向下，感應(yīng)磁場的方向向下；將磁鐵的S極向上拔出螺線管（即（（為負）時，原磁場方向向上，感應(yīng)磁場的方向向上.

歸納上述兩步可以發(fā)現(xiàn)：不管是N極還是S極，只要拔出螺線管，也就是說只要穿過螺線管的磁通量的絕對值在減小，感應(yīng)磁場的方向就與原磁場的方向相同.

將上述的兩大步再進一步歸納（即針對所有插拔情況）：上述每一種操作都滿足下述規(guī)律：當(dāng)（（為正時（磁通量的變化量增加），感應(yīng)磁場與原磁場方向相反；當(dāng)（（為負時（磁通量的變化量減少），感應(yīng)磁場與原磁場方向相同，也就是“增反減同”.

2.4 運用磁通量的形象標(biāo)識方式（磁感線的條數(shù)）進行科學(xué)想象.

怎樣理解“增反減同”的現(xiàn)象，這“又增又減”的表面是否隱藏著統(tǒng)一的物理本質(zhì)？下面繼續(xù)進行探究和思考.

探究四：如圖5所示，繼續(xù)分別將N極和S極插入和拔出螺線管，觀察感應(yīng)磁場的方向.

當(dāng)N極插入螺線圈時，原磁場方向向下，穿過螺線管的磁通量（下面用磁感線的條數(shù)來進行科學(xué)想象）增加，感應(yīng)磁場方向向上，由于二者方向相反，所以結(jié)果是抵消了一部分增加的磁通量，即方向相反的兩組磁感線相當(dāng)于減少了凈磁感線的條數(shù).“不讓磁通量增加”.

同理，當(dāng)N極拔出螺線圈時，螺線管的磁通量減小，感應(yīng)磁場方向向下，由于二者方向相同，所以結(jié)果是補償了一部分減少的磁通量，即方向相同的兩組磁感線的總體效果是： “不讓磁通量減少”.

將S極插入和拔出螺線管的情況與N極的相關(guān)情況類似，不再贅述.

總之，“不讓磁通量增加”和“不讓磁通量減小”，都是不想讓原來的磁通量發(fā)生變化的意思，看來“不想讓其變化”就是增反減同的共性.

考慮感應(yīng)磁場的強弱和原磁場的強弱之后，可以說：我們是用一種“部分抵消變化說”總結(jié)了“增反減同”的共性.

下面再從感應(yīng)電流的磁場的角度來思考，我們關(guān)心的問題是：到底感應(yīng)磁場在上述電磁感應(yīng)的過程中起到了什么作用？

上述的“部分抵消變化”事實上就是感應(yīng)電流的磁場阻礙了（不是完全阻止）原磁場磁通量的變化.

至此，我們得出最終結(jié)論：感應(yīng)電流的磁場總是要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，這就是楞次定律.楞次定律的核心，也是最需要大家記住的是“阻礙”二字.

綜觀楞次定律的整個探究過程，結(jié)合了雙向思維，先進行理論探究，也就是通過分析與綜合方法這一物理科學(xué)方法提出探究性問題（原磁場的磁通量的變化與感應(yīng)電流的磁場的方向之間的關(guān)系？）；緊接著通過四步層層遞進的探究性小實驗，綜合運用了控制變量法和部分歸納法、全部歸納法，最后在實驗探究的結(jié)果的基礎(chǔ)上再進一步進行科學(xué)想象和綜合歸納，最終自然生發(fā)而成楞次定律這一重要規(guī)律.整個探究過程是本節(jié)課的重點和難點.上述的探究過程一直貫穿著理論和實驗相結(jié)合的思想，彰顯了物理科學(xué)方法的巨大力量.

參考文獻：

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