楞次定律双管对比实验的改进

潘天文 肖禹 吕华平

摘 要：本文介绍了对传统楞次定律演示实验的改进，将铜管切割成约5 cm长一段的铜环，每个间隔约2 cm套在两个相同的透明塑料管上，可以观察到强磁铁在铜管中的下落情况。用螺线管等效代替铜环，借助传感器，将磁铁在螺线管中的下落情况展示出来。

关键词：楞次定律；双管实验；实验改进；传感器

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）9-0049-3

1 引 言

1834年俄国物理学家楞次得出这样一个结论：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场方向总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。这也就是著名的楞次定律。目前演示楞次定律的装置有很多种：

a.在各个版本的物理教材中，大多采用磁铁插入和拔出线圈，利用电流表或者检流计观察感应电流方向。这种实验方式现象直观明显，突出感应电流的方向问题，但是对于“阻碍”这一现象的演示不明显。中学生抽象思维能力不完善，很容易对此产生错误的理解。

b.楞次环演示仪：观察磁铁插入和拔出闭合金属环以及不闭合金属环时，整个装置的偏转状况。该实验装置能够很好地演示出“阻碍”现象，但是却无法展现金属环中电流的方向，虽能激起学生的学习兴趣，但对于感应电流方向规律的探究没有很明显的作用。

c.传统双管对比实验：通过演示磁铁在塑料管与金属管中的下落情况，让学生知道磁铁在金属管中下落会受到阻力。但是，由于金属管和透明管内壁不同，而且金属管不透明，学生很难想象出磁铁在金属管中到底是如何运动的。并且，传统双管实验也无法展现磁铁下落时金属管中感应电流的变化。

为了解决传统实验存在的各种局限性问题，我们基于传统双管实验进行了改进。改进后的楞次定律演示仪，可以让学生直接观察到磁铁在金属管中的大致下落情况，并且借助传感器展现电流的变化情况。

2 实验装置构成与设计

2.1 实验材料

16 mm×6 mm钕铁硼圆形磁片若干；长1 m、内径2.4 cm、外径3 cm的透明塑料管2个；长约5 cm、内径3.1 cm、外径3.5 cm的铜管14个；20 cm×30 cm×7 cm木质底座一个；不锈钢支架1套；螺线管1个；传感器1套；导线若干；胶水若干。

2.2 装置组装

将铜环以约2 cm间隔套在其中一个透明塑料管上，用胶水固定，将两个塑料管通过不锈钢支架固定在底座上，将传感器与螺线管相连。实验装置图如图1和图2所示。

2.3 数据展现

理论上磁铁的磁性越强磁铁下落的越慢，但我们选择的是磁片组合，磁性越强也就意味着重力越大。为了在演示实验中，使磁铁在铜管中下落缓慢的现象明显，演示效果达到最好，我们事先进行了测试，下落时间的测试结果如表1所示，螺线管中产生感应电流的大小和方向的结果如图3所示。在下落时间差值一定的范围内，我们选择磁铁数量多的一组，这样下落的磁铁较大，更容易观察。

3 课堂应用

楞次定律在高中教学中既是重点也是难点，想让学生真正掌握、细致了解这个物理规律，就要让学生透过现象看到本质，所以在教学设计中，该实验装置分别以设置悬念和解决悬念的方式出现两次。

3.1 作为悬念问题放置在课堂的开始

新课开始之前，我们通过实验发现磁铁在铜管中下落变慢，这与学生已有的认知产生冲突。学生知道自由下落的物体从相同高度下落用的时间应该是相同的，在这样一个认知冲突下引导学生思考：为什么磁铁下落会变慢呢？谁阻碍了它的运动？它是受到了什么性质的阻力呢？让学生在脑海中形成对于该问题的模型建构，有效培养了学生的科学思维能力。通过物理实验创设问题情境，激发学生对于本节课的学习兴趣和强烈的求知欲望，并能积极主动地参与到课堂中来。 3.2 探究得出楞次定律后利用楞次定律解决悬念问题

通过实验探究得出楞次定律之后，如何让学生理解“阻碍”的含义就是本节课的重点，同时也是难点内容。新课标提出物理教学应该从“重结果，轻过程”向“重结果，更重过程”转变，那么对于楞次定律中的“阻碍”的理解作为重难点也就不容置疑了。

我们用螺线管等效代替其中一块铜管，以其中一个磁铁下落为例，借助传感器将电路中感应电流的方向展现出来。通过图像（如图4所示）发现，磁铁从螺线管中下落产生了两个方向相反的电流。其实，它就是一个磁铁的插入和拔出过程，那也就是磁通量的增加和减少过程。学生通过刚刚学习的楞次定律，很容易就能得出无论是磁通量的增加，还是减少，都会受到阻碍作用这样一个结论，那么无论是磁铁进入螺线管还是离开螺线管都受阻力。所以在一个接着一个的铜管中也是一样，整体表现就是下落变慢的过程。在这样一个过程中，学生先从物理学的视角对该现象有了基本认识，那么接下来对于楞次定律的本质属性的探究也会变得容易很多。

4 教学效果

4.1 实验效果对比明显

该双管实验作为一个对比实验，能够最大程度地体现差异性。在器材的处理上，选用铜管的原因是其相当于密螺线管，而且内阻较小，“阻碍”效果明显。我们将铜管套在塑料管外，使得两个管内的环境是相同的，排除干扰。最值得一提的就是我们将铜管截成铜环，通过铜环与铜环之间的间隔学生可以观察到磁铁在铜管中下落的大致情况。

4.2 活跃学生思维，培养创新能力

该实验装置的特点在于生动有趣，富有悬念，我们可以充分利用这一点，激发学生强烈的好奇心。课堂开始的悬念问题从学生已有的知识基础和生活经验入手，让学生充分讨论，大胆猜想，启发式、讨论式等教学方法的运用，能够控制学生的好奇心，激发求知欲，启发学生思考问题。创新正植根于这样生动活泼的思维活动中。

4.3 培养学生严谨细致的科学素养

该装置可以充分利用物理实验的演示特点，培养学生细致入微的观察能力。该装置中铜环与铜环之间的间隔不大，学生的观察就需要十分仔细。而且得到的电流波形图是有差异存在的，正向电流与反向电流的峰值是不同的，虽不是本节课的学习内容，但可以以此来培养学生的观察能力。观察是非常重要的科学品质，在教学过程中我们既要教會学生细致地观察实验仪器，更要要求他们细致入微地观察操作的过程、实验的现象、实验的结果，本实验装置都可以实现。学生的观察和分析能力得到提升，严谨细致的科学素养也就逐步形成。

4.4 培养学生的探究精神和实践能力

通过巧妙设计实验方法，培养学生发现问题、解决问题的能力。本节课的教学中，该实验装置我们设置其出现两次，问题情境的设置以及解决情境问题的设置可以启发学生慢慢学会自己发现问题，自己动手解决问题。物理学家海森堡说过：“提出正确的问题，往往等于解决了问题的大半”。在不断提出问题、尝试解决问题的过程中，学生的探究精神和实践能力也就孕育而生。

4.5 培养学生的科学思维

通过科学推理、科学论证，用螺线管等效代替铜环探究感应电流方向问题，培养了学生分析问题的能力。每一个铜环都相当于螺线管，而螺线管中感应电流可以通过传感器展示出来，学生也就很容易分析出铜管中磁铁下落变慢这一现象的原因了，从而对于“阻碍”的本质也就很容易理解了。经历这样的一个推理论证过程，学生的科学思维得到了很好的发展。

5 总 结

本文对传统的双管实验装置进行改进，并且在教学过程中通过前后呼应的方式演示，从表面现象深入实验原理，对于培养学生的创新能力有着非常重要的意义。本实验方法在第六届“东芝杯”全国理科生教学技能创新大赛中得到了评委专家的一致好评，荣获“一等奖”。

参考文献：

[1]孙阿明，沈云，吴琪娉.落磁法演示楞次定律实验中磁环运动规律的探究[J].大学物理实验，2014，27（2）：49-51.

[2]庄明伟，余志文，梁爽，等.双管对比式楞次定律演示装置[J].物理实验，2010，30（6）：23-24.

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