“楞次定律”教学案例分析

李 萍

(江苏省梅村高级中学,江苏 无锡 214000)

1 引言

“楞次定律”是“电磁感应”一章教学的重点和难点,是研究电磁感应问题的基石。楞次定律涉及的因素多(磁场方向、磁通量的变化、线圈绕向、电流方向等)、关系复杂，其规律性比较隐蔽,抽象性和概括性很强。《普通高中物理课程标准(实验稿)》要求：“通过探究,理解楞次定律。”教材上一节内容是探究感应电流的产生条件,本节接着探究感应电流的方向，其中感应电流的产生条件很直观,学生容易理解和掌握,但感应电流方向的判断则需要通过实验探究,总结出一般规律——楞次定律。

2 教学目标

(1) 理解楞次定律的内容,能运用楞次定律判断感应电流方向,解答有关问题。

(2) 体验楞次定律实验的探究过程,提高分析、归纳、概括及表述的能力。

(3) 感受科学家对规律的研究过程,学习他们对工作严肃认真、不怕困难的科学态度。

3 教学重、难点

教学重点:进行实验设计，总结实验结果。

教学难点：对楞次定律的理解。

4 教学过程

4.1 复习回顾

师:产生感应电流的条件是什么？

生:穿过闭合电路的磁通量发生变化。

案例分析:引导学生回忆产生感应电流的条件,为研究感应电流的方向做好知识准备。

4.2 新课引入

教师播放课前录制好的视频《爱因斯坦实验室》:怎样隔空推动小车？

(1) 用“气功”隔空推小车，小车不动。

学生思考：用什么方法可以隔空推动小车？

案例分析:尝试用“气功”隔空推小车,对学生来说比较好玩,可活跃课堂气氛。

(2) 使用两根条形磁铁，小车上放一根,手里拿一根,使同名磁极靠近，学生发现:小车被隔空推动了(如图1)。

图1

案例分析:条形磁铁同名磁极相斥是学生所熟知的物理原理,说明要做到隔空推小车并不困难，同时为解释后面的实验现象做铺垫。

图2

(3) 使用一根条形磁铁(其上加一个强磁铁)和一个铝环，铝环放在小车上,把磁铁靠近铝环,学生观察到小车被推动了(如图2),但看不清是不是隔空的。

(4) 播放磁铁靠近铝环时的慢镜头,证明磁铁没有顶着铝环走,是隔空的(如图3)。

图3

学生们发现:小车真的被隔空推动了。

案例分析:现场演示很难清晰观察到,所以事先录制好实验视频,学生通过慢镜头的回放,清楚地看到了小车被隔空推动的神奇现象。

(5) 对比使用两根条形磁铁、使用一根条形磁铁(其上加一个强磁铁)和一个铝环这两种方法,使用磁铁和铝环实验时，不仅磁铁靠近铝环时能使小车前进,而且磁铁远离铝环时还能使小车后退。

学生观察现象:磁铁靠近,小车前进；磁铁远离,小车后退(如图4)。

图4

案例分析:通过对比实验,激发学生思考问题，产生探究的欲望。

教师现场提供带线圈的小车,让学生来体验,磁铁靠近线圈时能否使小车前进,磁铁远离线圈时能否使小车后退。同时,教师利用iPad结合AirServer投屏软件将学生的操作细节投影到大屏幕上。

案例分析:利用iPad的相机功能，结合AirServer投屏软件,可以将学生的操作细节投影到大屏幕上,让坐在后排的学生更清楚地观察实验现象。与传统的投影仪相比,此法更具灵活性,可以多角度观察,而且不受空间的限制。

教师引导学生分析“磁铁靠近铝环时小车前进,磁铁远离铝环时小车后退”的实验现象，得出结论:磁铁靠近铝环时铝环受到斥力,磁铁远离铝环时铝环受到引力,磁铁靠近、远离铝环时铝环中产生的感应电流的方向不同。

案例分析:从现象出发,基于现有的知识储备,找寻物理现象背后的规律,从而做进一步的探究。

4.3 新课教学

师：你们认为感应电流的方向可能与哪些因素有关？

教师引导学生结合《爱因斯坦实验室》视频中的实验进行思考与分析，注意到感应电流的磁场可以与小车上放置的条形磁铁的磁场相类比。

生:可能与磁通量的变化、原磁场、感应电流的磁场有关。

(1) 教师介绍实验器材:灵敏电流表、线圈、条形磁铁和导线，教师让学生思考实验方法。

生:将条形磁铁插入、拔出线圈时，观察灵敏电流表指针的偏转方向,得出感应电流的方向,同时记录磁通量的变化、原磁场、感应电流的磁场,再分析它们之间的关系。

案例分析:学生已经知道将条形磁铁插入、拔出线圈时，线圈中会产生感应电流,而本节课更关注的是感应电流的方向,因此可以通过灵敏电流表指针的偏转方向得出感应电流的方向,从而研究它与什么因素有关。

(2) 教师引导学生观察线圈的绕向,引导学生找出灵敏电流表中指针偏转方向和电流方向的关系。教师提醒学生做实验时统一将红色导线的一端接在线圈的上面的接线柱上,另一端接在电流表的红色接线柱上；黑色导线的一端接在线圈的下面的接线柱上,另一端接在电流表的黑色接线柱上。

学生观察线圈的绕向,思考灵敏电流表中指针偏转方向和电流方向的关系，按照要求连接电流表和线圈。

案例分析:统一接线方法可以使全班同学的实验结果一致,若灵敏电流表指针左偏,说明线圈中感应电流的方向为逆时针(俯视),便于后面的讨论、分析。

(3) 教师引导学生设计实验表格(如表1),要记录原磁场的方向、磁通量的变化、感应电流的磁场方向和感应电流的方向(俯视)。其中,感应电流的磁场方向可以根据感应电流的方向，利用右手螺旋定则判断。教师引导学生在研究感应电流的方向与这些因素的关系时,应多做几组实验,便于找出规律。

表1 探究影响感应电流方向的因素

(4) 教师在学生做实验的时候在教室内巡视,对学生遇到的问题进行及时指导。学生做完实验后,教师将一组学生的实验记录表格投影到大屏幕上,引导学生分析，得出结论：当线圈中磁通量增加时,线圈中感应电流的磁场方向与原磁场的方向相反；当线圈中磁通量减少时,感应电流的磁场方向与原磁场的方向相同。

案例分析:利用iPad,将学生的实验记录表格拍照插入PPT中,在分析表格时可以利用“添加墨迹”功能在表格上作一些注释和说明，再利用AirServer投屏软件将其投影到大屏幕上。与传统的投影仪相比,此方式将教师从讲台的位置上解放出来,教师可以走到学生中间,更好地与学生交流,拉近师生间的距离。

最后学生总结得出结论：线圈中感应电流的磁场方向与原磁场的方向的关系是“增反减同”,即感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。

对楞次定律的理解：(1) 明确各物理量之间的关系;(2) 正确理解“磁通量的变化”;(3) 正确理解“阻碍”的含义，谁在阻碍？是感应电流的磁场。阻碍什么？阻碍引起感应电流的原磁场磁通量的变化。如何阻碍？方式是“增反减同”。结果如何？结果是阻碍原磁场的磁通量的变化。

案例分析:楞次定律的关键词是“阻碍”,只有深刻理解“阻碍”的含义,才能准确地把握楞次定律的实质。这里教师通过“问题链”帮助学生理解“阻碍”的含义，并用图5说明应用楞次定律判定感应电流方向的思路。

图5

4.4 学以致用

(1) 教师引导学生回忆《爱因斯坦实验室》视频中的实验结果,磁铁靠近、远离铝环时铝环中产生的感应电流的方向不同。现在,应用楞次定律去判断条形磁铁N极靠近铝环时，铝环中产生的感应电流的方向。

学生应用楞次定律分析:条形磁铁N极靠近铝环→穿过铝环的磁通量增加→(应用楞次定律)铝环中产生的感应电流的磁场阻碍磁通量的增加，感应电流的磁场方向向左→(利用右手螺旋定则)确定感应电流的方向。

案例分析:首尾呼应,实战演练,加深学生对楞次定律的理解。

(2) 再用DIS实验验证感应电流的方向，用带缺口的铝环代替小车上的铝环,由于该铝环中产生的感应电流较小,因此将该铝环连接在微电流传感器上,微电流传感器通过数据采集器将采集到的电流信息实时呈现在计算机上，教师利用iPad结合AirServer投屏软件将实验装置投影到大屏幕上。

依次将条形磁铁的N极插入、拔出铝环,观察铝环中产生的感应电流的方向(如图6)，学生能清晰地看到:当条形磁铁的N极插入铝环时,铝环中产生的感应电流方向为正；当条形磁铁的N极拔出铝环时,铝环中产生的感应电流方向为负。

图6

案例分析:DIS实验系统具有数据采集快、精度高、测量准确的特点。带缺口的铝环中产生的感应电流较小,用灵敏电流表测不出来,因此设计用DIS系统来测量,利用iPad的相机功能结合AirServer投屏软件,可以将实验装置投影到大屏幕上,让坐在后排的学生更清楚地观察DIS实验的组成和连接方式。