物理规律之探究式教学

　　1　设计思想
　　本节课采用探究式规律教学的形式，按照“魔术引题一提出问题一实验探究一规律总结一规律应用”的思路展开教学，从中尝试运用控制变量、实验归纳等科学方法，总结出历史上物理学家曾经得到的科学结论。主要的特色体现在以下几个方面：
　　(1)由魔术表演引题，揭密魔术结束，前后遥相呼应；新颖的演示实验穿梭于课堂的各个环节，尽显其能。
　　(2)采用半开放式的探究教学策略，给定实验器材，引导学生合作进行实验设计和操作，以及对实验现象的分析、讨论和总结。
　　(3)在对规律的总结过程中，留足时间让学生思考，表达自己的想法，在民主、宽松的氛围中实现“枯燥”规律的自然生成。
　　(4)充分利用学生的前认知，适时铺设台阶，解决新课疑难。
　　2　教材分析
　　“楞次定律”是人民教育出版社2005年出版的《物理(选修3—2)》(普通高中课程标准实验教材)第四章“电磁感应”中第三节的内容，主要内容包括：楞次定律的探究、理解和应用。
　　楞次定律是继牛顿三大定律、动能定理、能量守恒定律之后的又一个重要规律，它是力学和电学的融合，是高中阶段最为综合、最为抽象的一个规律。从某种意义上来说，楞次定律可称之为电磁学中的“惯性定律”或是电磁学中的“能量守恒定律”。
　　3　学情分析
　　对于高二的学生，虽然已经具备一定的探究学习的能力，但楞次定律是对他们多方位、多层次的全新考验。在面对电磁感应这一新课题中众多的物理量以及它们千丝万缕的联系时，学生不免有些手足无措。首先，在面对多个物理量的复杂关系时，学生不知从何去何从，看不透现象背后的物理本质，需要在老师不留痕迹的引导下，拨开云雾见月明；其次，对“阻碍”的理解不深刻，只流于表面，需要在具体的情景和生动的实验演示中加以理解和深化。
　　4　教学目标
　　(1)知识与技能：
　　①初步了解决定感应电流方向的因素；
　　②能区别原磁场与感应电流的磁场；
　　③理解楞次定律的内容和操作步骤，能运用楞次定律判断感应电流的方向。
　　(2)过程与方法：
　　①通过实验探究，培养学生的分析问题和总结归纳的能力；
　　②通过让学生尝试利用所学知识说明和解释生产、生活现象，发展学生逻辑说理和表达能力，以及创造性地解决实际问题的能力。
　　(3)情感与价值观：
　　学生在经历规律建立的过程中，体验和学习科学思维方法，形成科学态度和科学精神，提高科学素养。
　　5　重点难点
　　①由实验现象分析、归纳出感应电流的方向所遵循的规律
　　②楞次定律内容的理解和应用
　　6　教学过程
　　魔术引入
　　通过跳环魔术的生动表演，奇特的现象有效地调动学生的学习兴趣和探求新知识的欲望，自然地引入新课。
　　问题提出
　　回忆感应电流产生的条件，并给出一些实验装置(螺线管，条形磁铁，灵敏电流计，若干导线)，和学生一起完成产生感应电流实验装置的组装和测试，在测试中发现条形磁体的不同极在靠近和远离螺线管时，灵敏电流计的指针时而左偏，时而右偏，自然地聚集到本课的核心问题：感应电流的方向由哪些因素决定?遵循什么规律?
　　实验探究
　　(一)实验猜想
　　猜想是解决问题的前奏，科学的猜想能为问题解决指明方向，在此，引导学生依据已有的知识以及刚才的实验，进行有理有据地科学猜想是关键。
　　学生的猜想主要有以下几个方面：与磁体的运动方向有关，与磁体的磁极有关，与螺线管线圈的绕制有关，与磁通量及变化有关……这些的猜想是不是都有价值，值得我们一一研究，需要审核和筛选，最终提炼出两个主因素，即：与磁场方向有关，与磁通量的变化有关。
　　(二)实验过程
　　(1)实验准备
　　通过环环相扣的问题链，引导学生理清实验研究思路，解决实验设计中的具体问题，即：实验探究的方法、磁场和磁通量的变化如何控制、实验中需要观察和记录的现象、灵敏电流计指针偏转与电流流向的关系、实验的具体操作、实验电路的连接。
　　课堂实录
　　师：当我们要研究一个量与其他量之间的关系时，一般选用什么样的方法?
　　生：控制变量法。
　　师：那么，我们如何控制磁通量的变化和磁场的方向?磁场的方向如何控制?这里的磁场由谁来提供?
　　生：磁体!
　　师：其实除了磁体能够产生磁场外，在初中的时候我们也学过，还有谁也是能够产生磁场的?(为后面感应电流产生感应磁场作铺垫)
　　生：电流!
　　师：但是这里我们用磁体产生的磁场相对比较方便。我们如何控制磁通量的变化?
　　生：磁体向下运动，靠近磁体；磁体向上运动，远离磁体。
　　师：也就是说，我们在实验中需要进行这些操作：让条形磁铁的N极靠近和远离磁体，让条形磁铁的S极靠近和远离磁体，一共是四组操作。那么，在每一次操作过程中，我们需要观察和记录什么呢?
　　生：感应电流的方向、磁通量的变化、磁场的方向。
　　师：感应电流的方向由谁在帮我们检测?
　　生：灵敏电流计。
　　师：那么，当灵敏电流计的指针，左偏时，通过螺线管中的电流是从上往下流，还是从下往上流呢?看来我们需要先来检测一下灵敏电流计的指针偏转和电流流向的关系，怎么检测呢?如果有一个已知方向的电流，让它流过灵敏电流计，再看看指针是怎么偏转的就可以了‘。谁能提供已知方向的电流呢?
　　生：电源!
　　师：现在，我就来检测一下，我把灵敏电流计直接接在一节干电池上，能直接接吗?
　　生：不能!
　　师：需要一个保护电阻。我已经在这个表笔里面串联了一个电阻，大家看，它的体积很小，但容量却是很大的，有三千欧，所以，我们可以大胆地接上去。现在，我把电源的正极接在灵敏电流计的右接线柱上，电流就从右接线柱流进，大家观察指针的偏转情况——
　　生：右偏。
　　师：把电源两极换一下，电流从左接线柱流入，指针是?
　　生：左偏的。
　　师：我们来小结一下，当通过灵敏电流计的电流从左流进(左进)时，指针就左偏，当从右边流进时(右进)，指针就右偏。简单地说就是左进左偏，右进右偏。根据这样的规律，大家看这一电路中，当灵敏电流计的指针是左偏时，流过螺线管的电流是从上往下，还是从下往上?
　　生：从下往上。
　　师：那如果是俯视着看，是逆时针还是顺时针?
　　生：逆时针。
　　师：那么，当指针是右偏时，灵敏电流计中的电流就是?
　　生：顺时针。
　　师：好!接下来我们一起来连接电路，为了待会儿大家检测电流方向的方便以及我们研究的统一性，请大家都按这个电路图来进行连接。
　　(2)实验操作
　　教师在巡视、指导学生探究活动的过程中，留心观察学生活动的特别之处，巧妙、自然地引入感应电流表产生感应磁场的话题。
　　(三)实验归纳
　　(1)寻找感应电流方向与磁场方向、磁通量变化之间的关系
　　表格中记录的实验现象是多变的、复杂的，从中寻找感应电流的方向与两因素之间的关系，是对学生的巨大挑战，基本上无法独立完成。因此，需要大家通过讨论，群策群力，并且在教师适当的引导下逐步地逼近实验结论。
　　经过反复比较、分析、讨论，我们发现，当感应电流方向都为逆时针时：磁通量可以增加，也可以减小；磁场方向可以向下，也可以向上。当感应电流方向都为顺时针时：磁通量可以增加，也可以减小；磁场方向可以向上，也可以向下。说明感应电流的方向与磁场方向以及磁通量的变化之间并没有明确的关系。
　　(2)引入中介——感应磁场
　　当在寻找感应电流方向与磁场方向、磁通量变化的关系无果的情况下，学生深感“山穷水尽疑无路”，急需寻找一条新的出路一寻找感应磁场方向与两因素的关系；而这条路怎样出现在学生面前也是本节课一直以来有待突破的地方。这里，首先肯定感应电流方向与两因素有关系，然后探讨这个关系为什么这么难找的原因，从而对症下药；最后在学生前认知的基础上，逐步引导，自然而巧妙地引出感应磁场这一中介，终于见到“柳岸花明又一村”。
　　课堂实录
　　师：实验事实真实地告诉我们，感应电流的方向与磁场的方向、磁通量的、变化之间是一定有关系的，只是我们还没能找到而已，为什么这么难找呢?大家一起来看，感应电流方向要么顺时针，要么逆时针，总是在水平面上的；磁场方向要么向上，要么向下，总是在竖直方面上的，方向在两个不平面的两个物理量的关系相对要难找一点，那么，我们能不能把它们转化为同一方向上的呢?比如，把感应电流的方向转化为竖直方向上的某个相关量，有没有这样的物理量，它的方向是在竖直方向上的，又与感应电流方向有关?
　　生：磁场!
　　师：谁产生的磁场?
　　生：感应电流产生的磁场。
　　师：好!初中时我们学过电流能够产生磁场，感应电流也不例外，我们把感应电流产生的磁场叫作感应磁场，原来条形磁铁产生的磁场叫作原磁场。感应磁场的方向可以用什么定则判断?
　　生：右手螺旋定则。
　　师：根据右手螺旋定则，弯曲的四指指向电流方向，大拇指的方向就是磁场的方向，可以看到，感应磁场的方向是竖直方向的，而且与感应电流方向有关，看来，我们可以引入感应磁场这个物理量，以此作为中介来帮助我们找到感应电流方向与磁通量变化以及磁场方向间的关系。现在，我们的任务就是来寻找感应磁场与磁通量变化以及磁场方向的关系，我们还是从实验现象中去进行总结。
　　(3)寻找感应磁场方向与磁场方向、磁通量变化之间的关系
　　有了第一次分析表格的经历，再从表格所呈现的现象中分析总结感应磁场方向与两因素的关系就相对容易了，学生能够独立找到以下关系：当磁通量增加时，感应磁场与原磁场方向是相反的当磁通量减少时，感应磁场与原磁场方向是相同的。简单地说就是“增反减同”。
　　(四)理论演绎——楞次定律
　　“增反减同”是对实验表象的初浅归纳，我们需要挖掘其更深层的本质，从而形成一个科学的物理规律，为此，在这里设置了以下对话环节。
　　师：当磁通量增量时，感应磁场却与原磁场是相反的，那么感应磁场对磁通量的增加有什么影响吗?
　　生：阻碍!
　　师：当磁通量减少时，感应磁场却与原磁场是相同的，那么感应磁场对磁通量的增加有什么影响吗?
　　生：阻碍!
　　看来感应磁场是一个“叛逆”的磁场，它总是在阻碍磁通量的增加和减少，也就是说阻碍磁通量的变化。其实这个规律早在1853年，俄国的物理学家楞次就已经发现了，我们来看一下他的具体阐述：感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，这就是楞次定律。
　　楞次定律的本质是“阻碍”，对阻碍的准确理解很关键，通过三个串连的问题使学生明确：阻碍的对象是磁通量的变化，阻碍的方式是“增则反，减则同”，阻碍的效果是“延缓”了磁通量的变化。
　　规律应用
　　规律的应用是对规律理解的细化、活化和深化，在此，分三步走。
　　第一步：通过一个典型例题的示范，初步形成感应电流方向判断的一般步骤，从而细化对规律的具体操作。
　　第二步：在解决实际问题中活化对规律的理解。首先，通过对魔术的揭密，寻找到魔力的来源，初步体验电磁感应中的相互作用；然后，演示一个实验——在一辆铝制的小车上面固定一个铝环，置于水平轨道上，让超强磁体靠近和远离铝环，小车将被驱动。让学生在具体生动的情境中，不断地体会电磁感应中的相互作用力，以及这种力在生产生活中的应用，比如磁悬浮列车。
　　第三步：通过分析学生实验中磁体与产生感应电流的螺线管间的相互作用，归纳总结出这种相互作用力的特点——“近斥远吸”，体会“近斥远吸”的本质仍然是“阻碍”磁通量的变化，从而深化对规律的理解。
　　(栏目编辑　罗琬