基于物理学科核心素养的“楞次定律”创新教学设计

朱亚军

[摘   要]在新高考改革的背景下，中学物理教学必须与时俱进，教学设计和教学过程都要渗透物理核心素养的四个方面。文章以“楞次定律”教学设计和教学过程为例，探讨创新性教学设计。在实际教学中，教师可以自制实验器材，营造“鲜活、灵动、激趣、励志”的教学氛围，从而有效培养和提升学生的物理学科核心素养。

[关键词]楞次定律;核心素养;创新;教学设计

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2019）26-0036-03

目前，在全方位推进高考内容改革，逐步推进如图1所示的“一体·四层·四翼”高考评价体系的大背景下，中学物理教学必须紧紧围绕物理学科核心素养进行教学设计。

物理学科核心素养是学生在接受物理教育的过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的关键能力和必备品格。主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。

“楞次定律”是判断感应电流方向最重要的依据之一，不仅是“电磁感应”一章的重點，更是教学的难点，还是高考考查的热点。“楞次定律”的教学内容涉及物质观、运动观、能量观和相互作用观等物理观念。教学过程中教师应引导学生运用分析、推理和综合等方法进行科学思维，解决课堂中生成的问题;带领学生经历在真实情景中提出问题，形成猜测和假设，利用科学方法获取信息和处理信息，形成结论，以及对探究过程和结果进行交流、评估、反思的过程，培养学生诚信为本、求真务实的高尚品德和一丝不苟、实事求是的科学态度。

一、设计理念

设疑、研讨、探究、合作、建构、应用。

二、教学目标

1.回顾感应电流产生的条件，理解楞次定律和右手定则，能运用楞次定律和右手定则判断感应电流的方向。

2.经历实验、探究、分析、综合的过程，得出感应电流的方向与引起感应电流的磁通量的变化之间的关系，提高自主学习和合作探究的能力。

3.保持对科学探究的热情，培养勇于创新、乐于创新、善于创新的意识和能力，并逐步形成严谨踏实、实事求是的科学态度。

三、教学重点和难点

重点：理解和应用楞次定律。

难点：弄清以感应电流的磁场为“中介”确定感应电流方向的相关知识，理解楞次定律中“阻碍变化”的含义。

四、教学方法

启发研讨、探究建构教学。

五、教学器材

1个金属框（15 cm×20 cm），1块塑料板（30 cm×40 cm），2块强磁铁，相同规格的铜片2片（2 cm×2 cm），自制螺线管30个，条形磁铁30条，发光二极管（焊接有2个不同颜色的鳄鱼夹）60个，演示用螺线管1个，干电池和导线若干。

六、教学过程

1.温故知新，引入课题

【教学用具】一个矩形金属框，如图2所示。

【教师活动】

[引导提问]上一节课，我们学习了第2节“探究感应电流的产生条件”，请问：在图3所示的情形下，如何才能在矩形金属框ABCD中产生感应电流？

【学生活动】

[交流、讨论，提出方法]线圈水平向左、向右运动，线圈绕AB边旋转，线圈绕AD边旋转，线圈绕对角线AC旋转，线圈移出黑板平面，改变电流I的大小和方向，等等。

【教师活动】

根据学生的表述，教师在黑板前移动图2所示的矩形金属框，引导学生分析矩形金属框中磁通量是否变化，及如何变化。

[提出问题]如何判断矩形金属框中的电流方向？

引入课题——楞次定律。

2.设疑激趣，探究缘由

【教学用具】一块矩形塑料板（30 cm × 40 cm），2块强磁铁，相同规格的铜片2片（2 cm × 2 cm），如图4所示，其中铜片和塑料板的图片未按同一比例缩小。

[教师演示]上课之前，将强磁铁固定在塑料板背面的左侧中部。演示时，将塑料板正面朝向学生，倾斜放置，倾角大于75°，在没有强磁铁一侧的塑料板上部，从同一高度由静止并排同时释放铜片1、铜片2。观察铜片1、铜片2的运动情况。

发现铜片1、铜片2的运动情况相同，都做加速运动，几乎同时到达塑料板的底端。

改变铜片1、铜片2释放的位置，将铜片1置于有强磁铁一侧的塑料板上部，铜片2置于没有强磁铁一侧的塑料板上部，仍然从某一高度由静止并排同时释放铜片1、铜片2。发现铜片1慢于铜片2到达塑料板的底端。更换铜片1和铜片2释放的位置，重做实验，发现铜片2慢于铜片1到达塑料板的底端。

【学生活动】

[分析、讨论]虽然铜片1和铜片2完全相同，但两铜片释放的水平位置相距较远时，运动的情况不同，其中一种路径中的铜片明显受到了阻碍作用。

[学生猜测]塑料板的背面两侧有差异。

【教师活动】

[展示、提出问题]将塑料板的背面朝向学生，发现运动中铜片受到阻碍一侧的塑料板中部有磁铁。说明铜片经过磁铁附近的过程中受到了阻碍。

铜片在运动过程中为什么会受到阻碍作用呢？学完本节内容，即可明白其中的缘由。

【设计创新】

在许多资料和教学设计中，都是让磁铁分别从塑料管和铜管中下落，观察磁铁下落的快慢，发现磁铁在塑料管中运动的时间比较短，在铜管中运动的时间比较长，这也能说明磁铁在铜管中受到了阻碍作用，但并不够直观。

在本创新教学设计中，让学生真真切切地看到铜片在运动过程中确实受到了阻碍作用，好像有一只无形的手阻碍着铜片的运动。

3.分组实验，探究规律

【教学用具】发光二极管（焊接有2个不同颜色的鳄鱼夹）60个，自制螺线管30个，条形磁铁30条，演示用螺线管1个，干电池和导线若干，如图5所示。

环节1：回顾二极管的单向导电性。

【学生活动】

根据图6所示的电路图，连接实物图。先后闭合开关S，调节滑动变阻器接入电路的阻值，发现二极管1正向连接，能发光;二极管2反向连接，不发光。

【教师活动】

[演示实验]实验器材如图7所示。把条形磁铁的N极快速插入接有两个二极管的螺线管中，发现二极管a发光;迅速拔出条形磁铁的N极，看到二极管b发光。

把条形磁铁的S极快速插入接有两个二极管的螺线管中，发现二极管b发光;迅速拔出条形磁铁的S极，看到二极管a发光。

这是为什么呢？

【学生活动】

[学生思考、讨论]条形磁铁迅速插入或拔出的过程中，不同的二极管分别发光，说明此过程中螺线管相当于电源，且螺线管中的电流方向与条形磁铁的极性及运动方向有关。

环节2：探究螺线管中产生的电流方向与条形磁铁的极性及运动方向的关系。

【学生活动】

根据图8所示的实物图，借助两个发光二极管，利用自制的螺线管和条形磁铁探究条形磁铁N极迅速插入、拔出线圈过程中感应电流的方向，完成下列表格中的填空。

[N極 插入 拔出 原磁场方向 向下 向下 穿过回路磁通量的变化 增加 减少 感应电流方向（俯视） 感应电流磁场方向 ]

根据图9所示的实物图，借助两个发光二极管，利用自制的螺线管和条形磁铁探究条形磁铁S极插入、拔出线圈过程中感应电流的方向，完成下列表格中的填空。

[S极 插入 拔出 原磁场方向 向上 向上 穿过回路磁通量的变化 增加 减少 感应电流方向（俯视） 感应电流磁场方向 ]

环节3：对上述实验得到的结论进行综合分析，完成下列表格。

【学生活动】

[学生思考、讨论]

[磁极运动情形 N极插入 S极插入 N极拔出 S极拔出 磁通量的变化 增加 减少 原磁场的方向 向下 向上 向下 向上 感应电流I感的方向（俯视） 逆时针 顺时针 顺时针 逆时针 感应电流磁场方向 向上 向下 向下 向上 相互作用力 相斥 相吸 结 论 阻碍相对运动，阻碍原磁通量的变化。 ]

环节4：对上述表格中的结论进行归纳。

【学生活动】

[学生总结]感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的原磁通量的变化——楞次定律。

【教师活动】

[引导思考]对楞次定律中的“阻碍”如何理解：

（1）谁起阻碍作用？（2）阻碍什么？（3）如何阻碍？（4）阻碍效果怎样？

【学生活动】

[学生总结]（1）感应电流的磁场起阻碍作用;（2）阻碍引起感应电流的磁通量的变化;（3）阻碍方式为“增反减同”“来拒去留”;（4）阻碍不是相反，阻碍不是阻止，阻碍使磁通量的变化变慢。

楞次定律是能量守恒定律在电磁感应现象中的反映。

4.学以致用，解决问题

[例题1]请学生分析教材中的例题1（过程略）。

[例题2]试分析本课演示实验中铜片经过强磁铁时受到阻碍作用的原因。

【学生活动】

[学生分析]可用“来拒去留”来解释，当铜片接近强磁铁时，铜片中的磁通量增大，感应电流产生的磁场与原磁场方向相反，安培力阻碍铜片接近;当铜片离开强磁铁时，铜片中的磁通量减少，感应电流产生的磁场与原磁场方向相同，安培力阻碍铜片离开，故铜片经过强磁铁时会受到阻碍作用。

[例题3]如图10所示，在通入恒定电流I的长直导线附近有一个矩形线圈ABCD，线圈与导线始终在同一个平面内。线圈在导线的一侧左、右平移时，其中产生了A→B→C→D→A方向的电流。请判断：线圈在向哪个方向移动？

分析：通电长直导线在矩形线圈ABCD处的磁场方向垂直线圈平面向里，而感应电流产生的磁场方向垂直于线圈平面向外，两者方向相反，说明线圈移动时，磁通量在增加，因此，线框向左移。

【学生活动】

总结应用楞次定律判定感应电流方向的思路，如图11所示。

思考：如图12所示，闭合回路的一部分导体AB水平向右做切割磁感线运动时，怎样判断感应电流的方向？

【学生活动】

根据楞次定律可判断出导体AB中的电流方向为从A→B。

仔细观察磁场方向、导体运动方向和感应电流方向三者之间的关系，发现这三个方向两两相互垂直，由此可见，可用右手四手指所指的方向来记忆导线切割磁感线时产生的感应电流方向：伸开右手，使拇指与其余四指垂直，并且都与手掌在同一平面内;让磁感线从掌心进入，拇指指向导体运动的方向，四指所指的方向就是感应电流的方向——右手定则。

[例题4]应用右手定则分析教材中的例题2（过程略）。

5.本课小结，提炼升华

【学生活动】

楞次定律的本质：能量转化和守恒。

阻碍变化的形式：增反减同、来拒去留等。

完成教材“问题与练习”中的其他题目。

6.教学反思，日臻完美

课堂教学是培养和提升学生核心素养的主阵地。本节课教学设计的思路是：创设情境→激发兴趣→发现问题→提出问题→实验探究→总结规律→理解定律→应用定律。通过演示实验，探究实验及分析、交流、讨论和归纳，引导学生经历科学探究的过程，逐步理解、掌握楞次定律的内容，同时培养学生的学习兴趣，锻炼学生的操作能力、合作交流能力和分析综合能力，提高学生的学科素养和发散思维能力，培养学生的科学态度和科学精神。

本节课的教学内容和学生活动比较多，教师预设明显多于课堂生成，导致学生的主体性被部分弱化。

物理学科核心素养是物理教学的灵魂，亲历物理规律的发现过程是培养学生能力的关键。离开了物理学科核心素养和探究过程，物理教学就成了无源之水、无本之木，学生素养的培养也就成了镜中花、水中月。

（责任编辑 易志毅）