汪慧琴

(江苏省苏州第一中学校,江苏 苏州 215000)

关于楞次定律教学的思考

汪慧琴

(江苏省苏州第一中学校,江苏 苏州 215000)

本文分析了“楞次定律”实验探究教学中普遍存在的问题,澄清了电磁感应现象中的各个物理量之间的逻辑关系,从而提出“楞次定律”的实验探究教学的设计和建议．

感应电流的磁场； 逻辑关系； 展示探究的过程和方法； 应用楞次定律的思维过程和方式．

楞次定律的教学,是高中物理的教学难点．笔者连续观摩了各个层次高中物理教师(特级教师、高级教师和一级教师)的课堂教学和高端教学展示,期望在教学一线的实践中,寻找到有关楞次定律实验探究教学的好方案和好思路,以利于在物理教学中培养高中学生的核心素养．

1 楞次定律实验探究教学中存在的主要问题

楞次定律实验探究教学,可归纳为两大类实验探究的范围．一是基于人教版高中物理选修3-2的实验探究基础； 二是基于上海科技教育出版社高中物理选修3-2的实验探究基础.

案例1.建立在人教版高中物理选修3-2实验探究基础上的教学案例．

人教版教材实验内容：

图1 记录实验情况的草图

在前面实验中，我们通过磁铁跟闭合电路之间的相对运动来改变穿过闭合电路的磁通量.条形磁铁的N极或S极插入闭合线圈时，线圈内磁通量增加，抽出时，线圈内磁通量减少.

现在重复这个实验，不过这次不是研究感应电流的产生条件，而是用草图记录感应电流的方向、磁铁的极性和运动方向，以便从中找出它们之间的关系.

建议在纸上画出几个类似的草图，分别标出不同情况下磁铁的N、S极，磁极的运动方向，感应电流的方向.为了判断感应电流的方向，事先要弄清线圈导线的绕向及电流方向、指针摆动的方向与电流表的红、黑接线柱的关系.

在实验探究的教学中,教师以不同形式,或事先设计好实验记录卡1的表格(见表1),或引导学生设计实验记录卡1,然后让学生根据实验探究填写现象和结果,最后寻找到感应电流的磁场跟原磁场的方向关系,即“增反减同”．

评析: 案例1实验探究的最大功绩,是揭示了电磁感应现象中,各个物理量之间的逻辑关系．但是,教学中普遍存在着以下问题.

(1) 感应电流的磁场问题.每次在这样教学中,笔者总会特别关注授课教师是根据什么,如何引导学生想到要去寻找感应电流的磁场方向．到目前为止,还没有获得一个令人满意的解答．有些教师根本没有思考和涉及这个问题．

感应电流的磁场及其方向,在本实验中,是一个看不见、摸不着、无法感知的隐形角色．也就是说,实验记录卡1中的第4行,记录的内容根本就不是实验的结果．笔者认为,这个问题是本实验探究的一个结症．

(2) 失去了真正探究的价值.授课教师可能没有意识到,在没有明确为什么要去寻找感应电流磁场的前提下,这样的教学,其实是教师事先预设了实验路径,让学生循规蹈矩,依葫芦画瓢,知其然不知其所以然,失去了实验探究的真正价值．

图2 探究感应电流方向的实验

(3) 感应电流磁场的角色定位出现了偏差.关于感应电流磁场在探究感应电流方向的过程中,是一个什么角色?人教版教材高中教材阐述它是一个“中介”角色,笔者认为这种描述存在逻辑上的问题．退一步说,虽然加了引号,对教师和学生也起了误导作用．

案例2.建立在上海科技教育出版社高中物理选修3-2实验探究基础上的教学案例.

沪科版教材实验探究内容：

实验装置如图2所示，用细线悬挂一个很轻的铝环，铝环可以自由摆动.

请观察：

当条形磁铁的一极(如图2中的N极)向铝环靠近时，会出现什么现象？

当条形磁铁离开铝环时，又会发生什么现象？

请将你的观察结果记录下来.

实验表明： 条形磁铁的N极移近铝环时，铝环被排斥； 条形磁铁的N极离开铝环时，铝环被吸引.

铝环是非铁磁性物体，它怎么会被磁铁排斥和吸引的呢？

下面是一位教师的“楞次定律”市级公开课导学案的实验记录卡，见表2.

表2 实验记录卡2

评析: 案例2实验探究的最大功绩是让我们直观体验、认识了感应电流磁场的存在．但是,实际教学中仍存在着问题.

(1) 从实验记录卡2表格纵向看,各个探究环节中,物理量之间的逻辑关系是倒置的．我们没有引导学生思考:为什么要将因果倒置?学生只能按部就班,依葫芦画瓢了．

(2)实验探究2的方案,没有解决我们为什么不直接寻找感应电流方向,而绕道到感应电流磁场的方向．

根据人类认识的一般规律,思维和行动的指向总是直奔主题,直接测量或寻找待解物理量跟哪些因素相关联．而实验探究2为什么要绕道,要从感应电流磁场的方向来间接判定感应电流方向．这是一个认识过程的方法论问题．

在人类认识史上,这个问题纠结了很长一段时间,我们现在不能回避这个结症问题．笔者认为,这是楞次定律实验探究教学中有待解决的一个根本问题．我们应该比较完整地展示人类研究这个问题的过程和方法．

(3) 各个物理量之间的逻辑关系不清晰．在实际教学中,存在方方面面的问题,甚至有些名师,在教学中逻辑思路都不够清晰,思维的脉络绕来绕去,把学生绕在云里雾里．

正确认识感应电流磁场的逻辑地位,是探究、认识楞次定律的核心内容．我们教学中要花力气来突破这一点．所以,笔者认为有必要跟大家一起理清原磁场B0、磁通量Φ变化、感应电流Ii和感应电流磁场Bi的逻辑关系．

2 “楞次定律”实验探究教学设计和建议

在《普通高中物理课程标准(修订稿)》中,已经把探究感应电流方向确定为高中理科生必做实验．“楞次定律”的实验探究教学,笔者认为应该注意3个方面的问题:第一,揭示电磁感应现象的逻辑关系;第二,展现楞次定律的探索、发现过程;第三,利用楞次定律判断感应电流方向的思维方式．

2.1 教学设计：探究感应电流的方向——楞次定律

在“探究感应电流产生条件”的几个实验探究中,我们观察了不同情况下感应电流方向的不一样．实验让我们直接地感受到,感应电流的方向跟磁场方向、磁通量的变化相关联．

那么,感应电流的方向是由这两个因素直接决定的吗?其中蕴含什么规律?

实验探究1： 感应电流的方向跟哪些因素有直接关系?

图3是“探究感应电流产生条件”的实验探究中的实验记录,请完成如下探究:

(1) 感应电流方向跟磁场方向关系;

(2) 感应电流方向跟磁通量的增加/减少的关系;

(3) 寻找电磁感应现象中感应电流Ii与原磁场B0、磁通量Φ之间的逻辑关系.

图3 实验探究1现象记录

分别把甲与丙,乙与丁两情形对比,我们发现相同的磁场方向,却产生了相反方向的感应电流．而在甲与丁和乙与丙情形中,不同方向的磁场,却产生了相同方向的感应电流．

探究结论1:磁场方向不直接决定感应电流方向．

分别对比甲与乙、丙与丁两情形,都是磁通量增加/减少,产生了相反方向的感应电流．而甲与丁、乙与丙两情形,磁通量变化不同,却产生了相同方向感应电流．

探究结论2:磁通量的变化也不直接决定感应电流方向．

图4 电磁感应中的逻辑关系

在本实验中,我们不难发现,因原磁场B0的存在,由相对运动产生磁通量Φ的变化,产生了感应电流Ii．他们之间的逻辑关系如图4所示．

那么,到底哪些因素直接决定了感应电流的方向?

评析：实验探究结果跟预期相反，但却有非常高的科学价值，它指引我们另辟蹊径，达成目标.

实验探究2： 感受、发现感应电流的磁场Bi.

图5 探究实验2原理

我们把实验探究1中的线圈,简化为一个直径大约50mm的单匝铝环,用双细线悬挂起来,铝环可以在空中自由摆动(如图5所示)．

探究1：先后把强磁体棒插入、拔出铝环,观察会出现什么现象．

实验表明:磁体插入时,铝环跟磁体相斥,磁体拔出时铝环跟磁体相吸．

探究2： 磁体和铝环为什么能够产生相互作用?说明铝环周围存在什么物质?

说明铝环周围空间存在另外一种磁场Bi．磁体的磁场B0通过这个磁场Bi跟铝环产生了相互作用．

探究3： 铝环周围空间的磁场Bi是从哪里来的?

在磁体运动过程中,由于磁通量的变化,铝环中产生感应电流Ii,是感应电流在周围产生了磁场Bi．

图6 感应电流磁场的逻辑地位

4个物理量之间的逻辑关系,如图6主线所示．

评析： 此时引入感应电流的磁场Bi，从方框示意图4的主脉路可看出，在逻辑关系上，感应电流的磁场，不是什么“中介”，在电磁感应现象的逻辑关系中，直接对原磁场的磁通量变化产生影响，确立了电磁感应现象中能量的转化和守恒关系.

探究4： 你能感受到感应电流的磁场方向跟原磁场方向有什么关系?

磁通量增加时,铝环跟磁体相互排斥,说明感应电流的磁场Bi方向跟磁体磁场B0方向相反;磁通量减少时,铝环跟磁体相互吸引,说明感应电流的磁场Bi跟磁体磁场B0方向相同，如图7所示，即简述为“增反减同”．

a 磁铁靠近铝环

b 磁铁离开铝环

结论:原磁场B0的方向和磁通量Φ的变化两个因素共同决定了感应电流磁场Bi的方向.

探究5：你能够判断铝环中的感应电流方向吗?

根据安培定则,伸出右手,由逆向思维,我们可以判定铝环中的感应电流方向．在图7所示插入磁体N极时,形成左视的逆时针方向感应电流,拔出磁体N极时,形成左视的顺时针方向的感应电流．

探究6：Bi与B0的“增反减同”具有普遍性吗?

在实验探究1中,根据实验记录的感应电流方向,判断出感应电流磁场方向,看看是否满足“增反减同”．

探究7： 感应电流的磁场Bi在电磁感应现象中起了什么作用?

当穿过铝环磁通量增加时,感应电流的磁场Bi与原磁场B0方向相反,阻碍了磁通量增加的进程．当穿过铝环磁通量减少时,感应电流的磁场Bi与原磁场B0方向一致,阻碍了磁通量减少进程．从此角度来看,感应电流的磁场Bi对磁通量的变化所起的作用是一致的,都是阻碍作用．

在“探究感应电流产生条件” 的3个实验探究中都表明:感应电流的磁场Bi总是阻碍原磁场B0的磁通量的变化．

大量实验探究表明:感应电流具有这样的方向,即感应电流产生的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化，这就是楞次定律

2.2 理论探究： 怎样利用楞次定律判断感应电流方向

对“探究感应电流产生条件”中3个实验探究逐一分析,试一试是否也可以采用先判定感应电流的磁场方向,后判定感应电流的方向的方法来判断．如果可以,请概括出判定感应电流方向的一般规律．

师生讨论，概括出判定感应电流方向的思维过程(如图8).

图8 楞次定律应用思维过程示意图

2.3 对两个实验探究的地位和作用的评价

实验探究2具有如下优势: (1) 让学生直接感知感应电流磁场的存在; (2) 让学生直接感知感应电流磁场方向跟原磁场方向、磁通量变化的关系; (3) 获得利用楞次定律判断感应电流方向的一般规律．

在教学实践中,部分教师可能出于教学时间的限制,只采用实验探究2,摒弃实验探究1．

甚至有部分教师认实验探究1是多此一举．笔者认为,首先,我们要回答为什么要先找感应电流的磁场方向,后判定电流的方向这个关键性问题．也就是说,感应电流磁场的地位为什么如此重要和突出,探究2没有说服力．

另外,在实验探究2中,虽然我们能够直接感知感应电流的磁场跟原磁场方向、磁通量变化的关系,但是,主角感应电流却是隐含的,我们不能用测量或其他什么方法,直接感知它的存在和它的方向．直接上来就这样做,有违人类探究未知量的一般规律．

人类探究未知量的一般规律,总是首先考虑用最直接、最简单的测量方式来进行．也就是说,要探究感应电流的方向,总是直接用电流表来测定,看看哪些因素直接影响感应电流的方向,并寻求出它们直接的关联．只有在此路不通的时候,人们才会另辟蹊径,想方设法绕过去．这就是实验探究1的价值所在,它展现了人类探索未知世界的一般思维过程和方法,它给了我们下一步研究的方向和启示．实验探究1对学生掌握探究过程与方法,对培养学生的科学态度,起到无法替代的作用．

笔者认为,两个实验探究合璧,成为一个整体,相互补充、相互印证,在有限的教学时间内,既展现了人类探究感应电流方向的思维过程和研究方法,又回答了为什么在楞次定律中,要把逻辑关系倒置,利用感应电流磁场方向,判断感应电流方向．这样做,具有比较强的说服力,让我们课堂的探究活动充满灵动和生命力,具有真正科学探究的价值．

2017-01-18)