基于高中物理核心素養(yǎng)的科學(xué)探究
——以探究“楞次定律實驗”為例

(昆明市第三中學(xué) 云南 昆明 650500)

核心素養(yǎng)是個人終身發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)是指培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)具備的適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，高中物理核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責任4個方面[1].本文以科學(xué)探究楞次定律實驗為例，在教學(xué)中把物理核心素養(yǎng)真正落實到位.

楞次定律是高中物理電磁學(xué)知識的重點、難點，教學(xué)中一般按照教材的實驗設(shè)計進行演示實驗，通過G表的偏轉(zhuǎn)判斷感應(yīng)電流方向，得出感應(yīng)電流磁場的方向，再得出感應(yīng)電流磁場方向與原磁場的方向關(guān)系，從而驗證楞次定律.問題是：

(1)以往的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生對成品線圈的繞向一頭霧水;

(2)演示實驗的教學(xué)設(shè)計在教學(xué)中省時，但調(diào)動學(xué)生的積極性欠佳，部分學(xué)生處于被動接受狀態(tài);

(3)實驗過程對學(xué)生能力要求較高，實驗如果能夠從易到繁，更符合學(xué)生的認知規(guī)律，從而突破教學(xué)難點.

1 刺激認知 為科學(xué)探究做鋪墊

充分利用資源，自制線圈.

(1)準備材料

筆者提前網(wǎng)購好直徑0.4 mm的漆包銅導(dǎo)線1 kg;內(nèi)徑26 mm，厚度4 mm，外徑34 mm，高為12 cm的鋁管和銅管各一個；內(nèi)徑28 mm，厚度2 mm，外徑32 mm，高為3 cm的鋁管若干；起電電壓為1.8 V的黃色和紅色二極管若干；直徑為2 cm，高1 cm的圓柱形釹鐵硼強磁鐵若干.

(2)刺激認知

1)把平行板電容器的極板(鋁板)和絕緣板(塑料板)用白紙蒙起來，靠桌邊同高度傾斜放置，讓兩塊相同的直徑為2 cm，高1 cm的圓柱形釹鐵硼磁鐵分別從兩塊不同的板上同一高度滑下，讓學(xué)生觀察磁鐵的運動，猜測板的材質(zhì).

2)利用實驗室的3D打印機指導(dǎo)學(xué)生打印內(nèi)徑28 mm，厚度2 mm，外徑32 mm，高為3 cm和6 cm的塑料內(nèi)芯若干，利用學(xué)生的優(yōu)勢調(diào)動學(xué)生的積極性，同時許諾學(xué)生：探究實驗完成的好,可以獎勵學(xué)生用3D打印機打印自己喜歡的物件.

3)自制線圈

指導(dǎo)學(xué)生繞制不同型號的線圈(內(nèi)芯分別為鋁環(huán)和塑料，匝數(shù)分別為200匝和400匝)，高分別為3 cm和6 cm.

以上活動都是利用業(yè)余時間和學(xué)生一起完成，繞制線圈時故意把12 cm的鋁管和銅管放在容易引起學(xué)生注意的位置，同時圓柱形強磁鐵放在鋁管旁邊，好玩是學(xué)生的天性，有學(xué)生讓磁鐵從鋁管、銅管中下落，發(fā)現(xiàn)磁鐵下落較自由落體慢很多.學(xué)生熱情高漲，認真觀察和思考，為更好地探究楞次定律打下了很好的伏筆.

2 提出問題 引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗方案

(1)給出各種實驗儀器，有的是學(xué)生自己做的，有的是以前學(xué)生完成其他實驗用到的，如圖1所示(另外還給學(xué)生準備了透明膠帶).

(2)提出問題

1)哪些儀器可以測出電流的方向或通過什么儀器能知道電流的方向.

2)如何判斷二極管的正負極.

3)哪些物體具有磁性，電流和磁性物體之間是否具有力的作用.

4)產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是什么?

5)利用實驗桌上的儀器設(shè)計實驗方案，如何判斷感應(yīng)電流的方向?

圖1 實驗儀器

(3)教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計判斷感應(yīng)電流的實驗方案

雖然學(xué)生的實驗方案眾多，也有個別學(xué)生一頭霧水，但是也有部分學(xué)生能在有效的時間內(nèi)想出可行的方案，讓學(xué)生展示自己的方案，教師根據(jù)情況引導(dǎo)實施實驗.

1)學(xué)生讓一個圓柱形的強磁鐵從鋁管或銅管中下落，如圖2所示，根據(jù)磁鐵下落的運動明顯比塑料管中慢，說明鋁管中有感應(yīng)電流，根據(jù)初中所學(xué)同名磁極排斥得出鋁管兩端的磁性，再用初中所學(xué)的右手螺旋定則判斷感應(yīng)電流的方向.進一步引導(dǎo)學(xué)生如何驗證學(xué)生得到的電流方向正確，也就是引導(dǎo)學(xué)生找出證據(jù).

圖2 磁鐵從管中下落

2)學(xué)生把線圈和二極管串聯(lián)，讓3個(4個、5個、6個)圓柱形強磁鐵插入線圈，通過二極管是否亮判斷感應(yīng)電流方向.

有很少數(shù)的小組實驗中二極管亮了，讓學(xué)生適時展示成果.

問題1：有的小組無論如何操作二極管都不亮，學(xué)生茫然；讓學(xué)生尋求二極管不亮的原因，并給出解決方案.

問題2：當用萬用表的電壓檔和數(shù)字電壓表檢查磁鐵插入線圈時線圈兩端的電壓，發(fā)現(xiàn)電壓值非常小不超過0.3 V.

解決方案：提高磁鐵插入線圈的速度；增加匝數(shù)；把干電池和二極管串聯(lián)，保證達到二極管的起電電壓等等.

問題3：提高插入速度，當電壓表讀數(shù)達到0.3 V時，發(fā)現(xiàn)二極管微微的閃了一下.

疑惑：難道二極管的起電電壓不是1.8 V，還是測得不對?筆者介紹電壓傳感器，再用電壓傳感器測量電壓，顯示峰值最高到0.8 V(采樣頻率是20 Hz，開始忽視了有采樣頻率，更沒有意識到不同的采樣頻率，測量誤差有這么大).

增大采樣頻率到100 Hz，發(fā)現(xiàn)線圈兩端的電壓在二極管亮的時候已經(jīng)超過了1.8 V.

通過一系列的刺激，學(xué)生直呼眼見不一定為實，撥開云霧，興趣越來越濃.

3)利用驗證牛頓第二定律的裝置，學(xué)生用膠帶把線圈固定在小車上，線圈兩端和二極管相連構(gòu)成閉合電路，小車放在軌道上，當磁鐵插進或拔出時根據(jù)小車的運動判斷感應(yīng)電流的方向，用二極管驗證判斷是否正確,如圖3所示.問題：有的小組小車不動(線圈是塑料內(nèi)芯的不動)[2].

圖3 二極管驗證實驗

3 制造新的問題 尋找證據(jù)

筆者在學(xué)生給出方案的基礎(chǔ)上提升戰(zhàn)果，進行演示實驗，實驗電路圖如圖4所示[3].讓兩個二極管、兩個電源分別串聯(lián)成兩條支路(注意二極管和電源的極性，兩支路二極管的正、負極相反)，然后并在200匝的線圈兩端.

圖4 演示實驗電路圖

(1)問題：投影儀投影整個實驗過程，磁鐵插入線圈過程中，發(fā)現(xiàn)紅色和黃色(反向并聯(lián))二極管幾乎同時亮；磁鐵拔出線圈過程中，也發(fā)現(xiàn)紅色和黃色二極管幾乎同時亮；這時學(xué)生再次沉默，求助的目光投向教師.

(2)證據(jù)：把電壓傳感器的兩端接在線圈的兩端，通過示波器顯示整個過程的電壓隨時間變化的圖像.

1)一只手拿線圈，另一只手把磁鐵迅速插入和拔出線圈，由于3個磁鐵和線圈等高，都是3 cm，迅速插入時磁鐵已經(jīng)穿出了線圈，故意設(shè)置干擾因素，訓(xùn)練學(xué)生的觀察能力，刺激學(xué)生現(xiàn)有的原認知，讓學(xué)生觀察圖像，如圖5所示(開始，學(xué)生會誤以為正向是磁鐵插入線圈的圖像，負向是磁鐵從線圈中拔出的圖像).

圖5 磁鐵迅速插入和拔出線圈時電壓隨時間變化的圖像

2)分解動作重復(fù)上面實驗，圖像如圖6所示.

圖6 分解動作重復(fù)實驗圖像

4 解釋和交流

面對筆者環(huán)環(huán)相扣的問題，學(xué)生的積極性已經(jīng)被推向高潮，現(xiàn)場氣氛熱烈.還有好多學(xué)生不相信實驗事實，這時讓學(xué)生按照教師的演示實驗電路圖重新連接實驗器材完成實驗，自己驗證.

(1)組織學(xué)生討論，交流

(2)學(xué)生總結(jié)結(jié)論

1)磁通量增加時，感應(yīng)電流的磁場方向和原磁場方向相反，阻礙磁通量的增加.

2)磁通量減少時，感應(yīng)電流的磁場方向和原磁場方向相同，阻礙磁通量的減少.

3)得出楞次定律并引導(dǎo)學(xué)生用自己的語言理解楞次定律.①阻礙相對運動;②增反減同;③阻礙磁通量的變化;④產(chǎn)生感應(yīng)電流的過程是其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的過程.

(3)解釋問題

分解動作，可以發(fā)現(xiàn)磁鐵N極向下插入(磁鐵底部已經(jīng)穿出線圈底部)，磁通量向下先增大后減小，先紅色二極管亮，然后黃色二極管亮，分別對應(yīng)于圖6的第一段和第二段；磁鐵從線圈中拔出時依舊是磁通量向下先增大后減小，先紅色二極管亮，然后黃色二極管亮，分別對應(yīng)于圖6的第3段和第4段.

綜上所述，通過學(xué)生自己動手用3D打印機打印線圈內(nèi)芯和繞制線圈，培養(yǎng)學(xué)生的興趣，剔除線圈繞向不清楚的疑點，給出不同的線圈，筆者故意制造思維障礙，刺激學(xué)生的原認知，通過環(huán)環(huán)相扣的問題把學(xué)生引進問題鏈陷阱，要解決問題只有尋找證據(jù)，合作交流.科學(xué)探究的過程不但訓(xùn)練學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新，透過現(xiàn)象尋求本質(zhì)的科學(xué)論證和推理的科學(xué)思維能力，而且培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責任，同時通過電壓傳感器描繪的圖像為感應(yīng)電動勢大小的定性研究做好切實可行的鋪墊，科學(xué)思維進一步升華.

筆者和學(xué)生一起進行的科學(xué)探究楞次定律的實驗，以人為本，培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的能力，真正把核心素養(yǎng)落到實處.