積極踐行核心素養(yǎng) 創(chuàng)新探究楞次定律

江蘇省寶應(yīng)中學(xué)(225800) 曾憲龍 李芳芳

在教育部制定的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中，楞次定律屬于選擇性必修2模塊的內(nèi)容。在選擇性必修2模塊的內(nèi)容要求中表述為“探究影響感應(yīng)電流方向的因素，理解楞次定律”，在選擇性必修2模塊的學(xué)業(yè)要求中有這樣的表述“會(huì)做探究影響感應(yīng)電流方向的因素等實(shí)驗(yàn)”“能正確操作實(shí)驗(yàn)器材，獲得可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律，進(jìn)而通過(guò)歸納形成簡(jiǎn)潔的、具有普遍意義的結(jié)論”[1]。楞次定律是電磁感應(yīng)的核心規(guī)律，是教學(xué)中的重難點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)成為公開(kāi)課、賽課的經(jīng)典課題。在常規(guī)教學(xué)中許多教師不愿意突破以往的教學(xué)習(xí)慣，因此對(duì)本節(jié)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)不易。在新課標(biāo)要求下，踐行核心素養(yǎng)的教學(xué)理念深入人心，再加上新的實(shí)驗(yàn)儀器DIS設(shè)備的引入，筆者對(duì)本節(jié)課的結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，教學(xué)效果得以顯著提升。

學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教學(xué)設(shè)計(jì)首先要尊重學(xué)生認(rèn)知的一般規(guī)律：由特殊到一般，由易到難。所以，筆者將右手定則提到楞次定律之前，即先由實(shí)驗(yàn)得出右手定則，方便學(xué)生理解物理情境并形成物理概念，使學(xué)生建立能夠判斷出感應(yīng)電流方向的信心，然后在此基礎(chǔ)上去探究楞次定律。探究過(guò)程中精準(zhǔn)把脈學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，全方位體現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本節(jié)課的目的是探究感應(yīng)電流方向的規(guī)律，為了達(dá)到目的，首先應(yīng)確定微電流傳感器采集到的數(shù)據(jù)的正負(fù)與流入傳感器的電流方向之間的關(guān)系，在此使用“試觸法”。具體實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)論：電流從微電流傳感器紅色夾子流入，采集的數(shù)據(jù)為正值，反之為負(fù)。

圖1 試觸法示意圖

這樣設(shè)計(jì)的理由有以下3點(diǎn)：①因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)為本節(jié)課的開(kāi)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，安排學(xué)生參與“暖場(chǎng)”，有利于構(gòu)建專(zhuān)注、和諧的課堂氣氛；②因?yàn)槲㈦娏鱾鞲衅鞯牧砍踢^(guò)小(只有10 μA)，需要串聯(lián)105Ω數(shù)量級(jí)的電阻，很多實(shí)驗(yàn)室并沒(méi)有這種電阻，而人體的電阻恰好在這個(gè)數(shù)量級(jí)上；③讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中感受人體作為導(dǎo)體，并可以估測(cè)出自身的電阻，了解安全用電等知識(shí)。

2 精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究

2.1 探究右手定則

2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該用導(dǎo)體棒切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，但由于示教電表靈敏度不夠，以往許多教師用多匝線(xiàn)圈來(lái)代替。這樣做實(shí)驗(yàn)效果雖然明顯，但是實(shí)驗(yàn)器材復(fù)雜化了，變相增加了探究難度。如果使用DIS微電流傳感器來(lái)測(cè)電流，如圖2所示，實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)明，結(jié)果顯示清晰，有利于快速準(zhǔn)確得出結(jié)論。

圖2 導(dǎo)體棒切割磁感線(xiàn)

2.1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)記錄如圖3所示(其他3種情形圖示未畫(huà)出)。

圖3 導(dǎo)體棒切割磁感線(xiàn)實(shí)驗(yàn)記錄

2.1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

師：觀(guān)察數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)反映了磁感應(yīng)強(qiáng)度方向、導(dǎo)體棒切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向和感應(yīng)電流方向這三個(gè)量之間的方向關(guān)系，這三者具有什么樣的關(guān)系呢？

生：三者空間垂直。

師：(啟發(fā))在磁場(chǎng)的學(xué)習(xí)中，我們有沒(méi)有見(jiàn)過(guò)這樣的空間垂直關(guān)系？

生：判斷安培力的方向時(shí)，曾經(jīng)見(jiàn)過(guò)這樣的關(guān)系。

師：(類(lèi)比)我們?cè)?jīng)用什么簡(jiǎn)潔的辦法表達(dá)這種關(guān)系呢？

生：左手定則。

師：請(qǐng)同學(xué)們用左手定則來(lái)試一試。有什么發(fā)現(xiàn)？

生：(疑惑)很困難，好像總是與手指的指向相反。

師：換成右手試試呢？

2.1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

至此，右手定則已經(jīng)躍然于嘴邊，教師需用規(guī)范的語(yǔ)言表達(dá)右手定則的操作過(guò)程。經(jīng)歷了探究過(guò)程，學(xué)生已經(jīng)找到了一種判斷感應(yīng)電流方向的方法，大大增強(qiáng)了學(xué)生繼續(xù)探究下去的信心，學(xué)生的思維正處于活躍期。教師趁機(jī)拋出下一個(gè)問(wèn)題：在導(dǎo)體沒(méi)有運(yùn)動(dòng)而是由于磁場(chǎng)變化發(fā)生電磁感應(yīng)的情況中，如何判定感應(yīng)電流的方向呢？

2.2 探究楞次定律

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中，探究楞次定律的裝置如圖4(a)所示，為了使示教電表的指針有明顯的轉(zhuǎn)動(dòng)，往往需要選擇匝數(shù)很多的線(xiàn)圈。這樣會(huì)給學(xué)生帶來(lái)一個(gè)難點(diǎn)：“線(xiàn)圈繞向”，造成思維鏈條過(guò)長(zhǎng)不利于探究。筆者的解決方案是用單匝線(xiàn)框替代多匝線(xiàn)圈，從而避免了“線(xiàn)圈繞向”這一難點(diǎn)。但是單匝線(xiàn)框產(chǎn)生的感應(yīng)電流很小，需要將示教電表?yè)Q成微電流傳感器，如圖4(b)所示。

圖4 探究楞次定律示意圖

2.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 4種情形下感應(yīng)電流的方向

2.2.3 基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的生長(zhǎng)性探究

(1)第1次生長(zhǎng)

師：觀(guān)察表格，你能發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流的方向有什么規(guī)律嗎？

生1：N極插入和S極拔出產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向一致，都為逆時(shí)針?lè)较?。S極插入和N極拔出產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向一致，都為順時(shí)針?lè)较颉?/p>

師：這位同學(xué)發(fā)現(xiàn)的規(guī)律可以作為我們判斷感應(yīng)電流方向的依據(jù)嗎？

生2：(思考)可以，只要知道這4種情形的1種，就可以推理出另外3種情形。

師：這位同學(xué)推理能力很強(qiáng)，但是你的前提是先得知道某一種情形。

總結(jié)出的規(guī)律只是4種現(xiàn)象之間的相互關(guān)系，所以不便于廣泛應(yīng)用。如果你能透過(guò)這4種現(xiàn)象，找到它們的共同特點(diǎn)，或許可以得到更一般的規(guī)律。繼續(xù)追問(wèn)，產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因是什么？

生：磁通量的變化。

師：請(qǐng)?jiān)诒?下面增加一行，然后將磁通量的變化情況填入表中。

教師的啟發(fā)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，找到第1個(gè)生長(zhǎng)點(diǎn)，保證探究活動(dòng)得以繼續(xù)，這種由現(xiàn)象逐層接近本質(zhì)的思考方法，下面將會(huì)多次使用。

(2)第2次生長(zhǎng)

師：繼續(xù)觀(guān)察思考，能發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流的方向與磁通量的變化之間的規(guī)律嗎？

生：好像沒(méi)有特定關(guān)系，看不出來(lái)有什么規(guī)律。

師：(提示)實(shí)驗(yàn)中是什么原因引起磁通量的變化呢？

生：是線(xiàn)圈中磁場(chǎng)的變化引起的。

師：于是，我們發(fā)現(xiàn)了一條邏輯線(xiàn)索：磁場(chǎng)變化——導(dǎo)致磁通量變化——產(chǎn)生感應(yīng)電流。我們剛才想要尋找感應(yīng)電流的方向與磁通量變化的關(guān)系，現(xiàn)在可轉(zhuǎn)化為尋找感應(yīng)電流的方向與線(xiàn)圈中的磁場(chǎng)方向之間的關(guān)系。

探究活動(dòng)中，如果教師直接給出答案，讓學(xué)生按照答案填表，表面上看探究很順利，實(shí)際上是偽探究，會(huì)失去培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究思維的機(jī)遇。

師：我們需要在剛才“生長(zhǎng)式表格”的下面再加一行，并將磁場(chǎng)方向填入其中。

(3)第3次生長(zhǎng)

填寫(xiě)完成后學(xué)生更加找不到感應(yīng)電流方向的規(guī)律，思維再次受阻。此時(shí)有部分學(xué)生會(huì)出現(xiàn)焦躁情緒，想要放棄探究，急于翻書(shū)直接獲取答案。為了緩解學(xué)生緊張情緒并將學(xué)生注意力保持在探究活動(dòng)上，這里插入一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)示意圖如圖5所示。為什么磁鐵插入閉合鋁環(huán)時(shí)會(huì)引起鋁環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)？這正是因?yàn)榇盆F的磁場(chǎng)和感應(yīng)電流的磁場(chǎng)之間發(fā)生相互作用力，使閉合鋁環(huán)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。從而引出“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)”這個(gè)“隱藏量”。這是本課探究時(shí)最困難的地方，學(xué)生很難想到借助“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)”這個(gè)概念。通過(guò)一個(gè)小實(shí)驗(yàn)?zāi)茌p松化解這一難題，為解釋看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，順勢(shì)引出了隱藏的物理概念，這一案例充分說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的重要作用[2]。

圖5 磁鐵插入鋁環(huán)引起轉(zhuǎn)動(dòng)

有了前兩次表格生長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生已經(jīng)會(huì)自覺(jué)地在“生長(zhǎng)式表格”下面再加一行，先運(yùn)用右手螺旋定則得出感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向，并填入所加的一行。需要提醒學(xué)生的是，為了區(qū)分條形磁鐵的磁場(chǎng)和感應(yīng)電流的磁場(chǎng)這兩個(gè)磁場(chǎng)，應(yīng)將表格第四行的“磁場(chǎng)方向”改為“原磁場(chǎng)方向”(見(jiàn)表2)。

師：再次觀(guān)察表格，能找到感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向之間的關(guān)系嗎？

生：時(shí)而相同，時(shí)而相反，好像還是沒(méi)有特定規(guī)律。

師：何時(shí)相同，何時(shí)相反？

生：當(dāng)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，當(dāng)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。

表2 生長(zhǎng)式逐層探究楞次定律表格

師：說(shuō)的太好了，我們可以把這種關(guān)系簡(jiǎn)化為四個(gè)字“增反減同”。現(xiàn)在我們已經(jīng)將原本4個(gè)不同的現(xiàn)象歸納為“增反”和“減同”兩類(lèi)，再進(jìn)一步提煉，可用更簡(jiǎn)單的語(yǔ)言來(lái)概括這兩類(lèi)不同現(xiàn)象的相同之處(請(qǐng)同學(xué)們討論交流)。

生：(提示)增加——就“相反”，減少——就“相同”，說(shuō)明感應(yīng)電流的磁場(chǎng)產(chǎn)生什么樣的效果呢？

生：(齊聲回答)阻礙原磁場(chǎng)的磁通量的變化。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

探究至此，楞次定律的內(nèi)容已經(jīng)呼之欲出，規(guī)范表達(dá)定律內(nèi)容，并補(bǔ)充說(shuō)明楞次發(fā)現(xiàn)這條規(guī)律的艱難歷程，學(xué)生自然會(huì)感同身受，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的目的。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效策略

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)要追求創(chuàng)新，與重、難點(diǎn)切合度高是有效的先決條件。實(shí)驗(yàn)的選擇要有趣、新穎、可靠、參與度高。實(shí)驗(yàn)排列的順序應(yīng)由易到難，由淺入深，由具體到抽象，由定性到定量，由現(xiàn)象到本質(zhì)。試觸時(shí)人體充當(dāng)電阻的實(shí)驗(yàn)可以提高參與感，提升實(shí)驗(yàn)認(rèn)可度，既吸引了眼球又普及了科學(xué)常識(shí)，還能為自感教學(xué)中的“千人振”實(shí)驗(yàn)埋下伏筆。讓條形磁鐵插入圓環(huán)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在探究的最困難處，不僅能引出隱藏量——感應(yīng)電流的磁場(chǎng)，還能緩和緊張的氣氛，為接下來(lái)的總結(jié)歸納積蓄力量，以便學(xué)生用最專(zhuān)注的狀態(tài)達(dá)到最深的思維維度。這樣，短期內(nèi)學(xué)生能深刻全面理解楞次定律，遠(yuǎn)期可以讓學(xué)生對(duì)這堂課終身難忘，真正體現(xiàn)了核心素養(yǎng)中科學(xué)探究和終身學(xué)習(xí)的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任要求。