巧用铝环实验 突破楞次定律难点

(江苏省高邮中学,江苏 扬州 225600)

1 引言

图1

铝环实验装置如图1所示,支架两端分别固定着两个铝环,其中一个铝环封闭,另一个铝环开口。将条形磁铁插入和抽出铝环,封闭铝环会有明显的相对运动,而开口铝环几乎不动。该实验结构简单、操作方便,效果明显。但教师往往只用它作为新课的引入实验,激发学生兴趣,并没有发挥出其应有的功效。笔者深挖该实验的演示功能,以该实验为主线,突破楞次定律难点,切实激活学生思维,将发展学生的核心素养落到实处。

2 学情分析

“楞次定律”是教科版高中物理选修3-2“电磁感应”一章的内容。该节实验复杂,概念抽象,一直是教学的难点。为此,笔者查阅了相关文献,对比多个优秀教学设计,其中虽然运用了先进的实验方法和教学手段,但课堂上学生的主动参与度始终不尽人意,究其原因有两点:

(1) 学生对研究的概念或现象理解不到位。实验涉及的原磁场、回路内磁通量的变化等物理概念较为抽象，感应电流产生的磁场方向不能直接观察,需要运用以前学过的磁场分布特点以及安培定则来判断。

(2) 学生对实验原理或设计理解不到位。实验方案往往是教者直接告知,为什么这样设计?如何来探究?探究什么?学生懵懵懂懂，被牵着鼻子跑,思维上很难与教者形成共鸣,探究性学习难以取得理想效果。

3 教学处理

如何让学生在实验探究中主动与教者形成共鸣,甚至在探究中领先一步?在深入剖析楞次定律的教学后,我们发现若以“铝环实验”为主线设计整节课的教学流程,能起到课前启发思考、课中助力突破、课后拓展知识应用等多重功效。实践表明：本节课的思路和设计能够有效改变教师牵着学生走的局面,为学生的主动学习、思考提供契机,收到了较好的教学效果。

3.1 不讲先做，利用铝环实验引入课题

教师演示铝环实验,学生分析实验现象,直观感知感应电流的存在,自然引入探究实验。

师:磁铁和铝环没有接触,也不能吸引铝环，为什么封闭的铝环会有明显的运动呢?

学生讨论、思考。

生:在磁铁靠近的过程中,铝环内的磁通量发生变化,封闭的铝环能够产生感应电流。磁铁的磁场对铝环内的电流有安培力的作用,所以铝环运动。

师:你能看出铝环内感应电流的方向吗?

生:不能。

师：磁体靠近或远离铝环,产生的感应电流方向是一样的吗?对于感应电流的方向,要能直观地观察到它，需要什么仪器?

图2

生:电流计。

师:实际铝环中的电流非常小,如何“放大”电流,以增强实验的效果呢?

学生讨论后，用线圈代替铝环，由此想到应用如图2所示的探究实验装置。

利用铝环实验引入探究实验,起到了两个效果：(1) 学生通过对铝环实验现象的观察、感知,形成了物理知觉,引发了主动思考,认可感应电流的存在,为接下来探究感应电流的方向做好铺垫;(2) 探究实验的设计方案是学生通过前面的实验推理得出,学生对实验思路会更加明了，知道回路是指线圈和电流计构成的回路。虽然实验仪器看似复杂了,但实验原理和铝环实验完全相似。这与强加给学生的现成实验方案相比,更能够为学生所接受。

3.2 边做边讲，利用铝环实验有效突破难点

在探究“决定感应电流方向的相关因素”这一教学环节上,出现了教学难点。笔者结合课本上实验装置设计了实验表格(如表1),以便有条理地记录实验现象。

表1 探究影响感应电流方向的相关因素

根据表格记录,无法直接看出原磁场的方向,磁通量变化与感应电流方向之间有什么关系,尽管教师花大力气进行引导,学生也很难想到“感应电流的磁场”这个“中间桥梁”!但是利用铝环实验,可以轻松地突破难点,让学生的思维断点自动衔接,有四两拨千斤之功效。

师:同学们,请回想一下刚才的铝环实验,磁铁和铝环并没有直接接触,为什么能产生相互作用?磁铁对铝环(电流)有力的作用,那磁铁会受到反作用力吗?这个作用力是怎样产生的?谁能把具体的作用过程描述一下?

生:磁铁的靠近使铝环内产生感应电流。磁铁的磁场对铝环(电流)产生力的作用,使铝环运动。铝环中的感应电流也会产生磁场,这个磁场对磁体有反作用力(如图3)。

图3

师:既然磁铁和电流是通过磁场来相互作用的,那我们再看表1,是不是遗漏了什么呢?学生豁然开朗:要分析感应电流的磁场方向！

教师给予肯定,并在上述表格中添加“感应电流的磁场”一栏,找到中间桥梁,进而总结出楞次定律。

3.3 讲了再做，利用铝环实验进一步深化认识

得出了楞次定律的结论后,以铝环模型为例题,分析感应电流的方向,以及铝环和磁铁的相互作用力(如图4)。

图4

师:磁铁靠近时,从左向右看,铝环中感应电流的方向如何?

生:从左向右看,铝环中的感应电流是逆时针方向。

师:磁铁靠近时铝环受力方向如何?磁铁受力方向怎样?

生:环形电流可以等效为小磁针,铝环的左边相当于小磁针N极,同极相斥,铝环受到向左的斥力,会后退。由牛顿第三定律,磁铁受到向右的斥力。

师:如果磁铁远离铝环呢?铝环中的感应电流是什么方向?铝环和磁铁的受力又是怎样的?

学生活动:(1) 反向分析,强化结论；(2) 动手实验,体验铝环和磁铁的相互作用,同时体会感应电流产生的作用效果。

师:(磁铁)你来了,我(铝环)体内的磁通量越来越大,我推拒你,同时我向后退；(磁铁)你走了,我的内心逐渐空虚,我想挽留你,同时情不自禁地靠近你……如此“来拒去留”,铝环想干什么?

生:想阻碍回路磁通量的变化！

师:真是相见时难别亦难！再难,总会相见,再难,也要别离!所以“阻碍”不是“阻止”。

教师板书：感应电流的磁场总是阻碍回路内原来磁场的磁通量的变化。

3.4 反向延伸，学以致用，激发兴趣,让物理回归生活

图5

师:从上面分析可知,铝环对磁铁的反作用力对磁铁的运动起阻碍作用。如果把装置整体向左旋转90度(如图5)，让磁铁竖直下落,会作自由落体运动吗?

生:下落应该变慢。

师:如果要让磁铁下落更慢呢?

生:放多个铝环。

师:如果让磁铁在铝管中下落,猜一猜会发生什么现象呢?

演示实验:磁铁在铝管中下落，与磁铁在塑料管中的下落相对比。

师:这个实验给大家什么启发?在实际生活中可以加以应用吗?

教师展示课外阅读材料:磁力缓降装置。请同学们课后思考：楞次定律还有哪些应用?

现如今楼房越建越高,高楼逃生成了人们关心的问题。一旦遇上火灾或其他突发性事故,住在高楼的家庭往往因为楼道狭窄、楼层高、电梯失灵等问题,难以及时逃生，消防救援难度较大。为此,人们不断寻找解决问题的途径，中建三局工程技术研究院开发了一款磁力缓降高楼安全逃生装置,它由高强磁铁与非铁磁性逃生轨道组成,导轨紧贴建筑外墙且垂直于地面,采用铝管材料。这款磁力缓降高楼安全逃生装置,据称能让人安全地从高层降至地面。该磁力缓降高楼安全逃生装置结构简单、成本低、无需电力、操作简易、可控、效率高,为高楼逃生提供了新途径。

4 结语

整节课以铝环实验贯穿始末,学生先是利用自身知识储备对实验信息进行加工,形成了初步的物理感知；接着,将物理感知进行内化,通过思维活动,将物理感知上升为物理表象,随着认知冲突的发生,再通过认知同化和顺应促进认知图式的发展,进而建构物理概念与规律；最后引导学生学以致用,体会楞次定律在生活中的应用。学生不但学到了知识,同时提高了主动发现、探索的能力,增加了学习的主动性和解决问题的创新性。通过探究过程的体验,学生也能感受到物理的实际应用价值,激发他们的想象,获得了学习的成就感，充分体现了铝环实验的教学价值。