以实验为依据研究物理教材习题

(江苏省海州高级中学，江苏 南通 222062)

查看今年各地高考物理试题可以发现，有些试题是以教材习题为基础改编而来的，可见教师应该在平时教学中应重视并用心钻研教材习题。笔者研读教材后发现有些习题不够严谨，值得商榷。下文以人教版物理选修3-2第四章第三节课后“问题与练习”中的两道题为例，并依托实验进行说明。

1 由思考不够全面造成的问题

1.1 习题呈现

例1：如图1所示，在水平放置的条形磁铁的N极附近，一个闭合线圈向下运动并始终保持水平。在位置B，N极附近的磁感线正好与线圈平面平行。试判断线圈在位置A、B、C时感应电流的方向。

图1

教师教学用书中的解释为：由于线圈在条形磁铁的N极附近，所以可以认为从A到B的过程中，线圈中向上的磁通量减小，根据楞次定律，线圈中产生的感应电流的磁场要阻碍磁通量的减少，即感应电流的磁场方向与原磁场相同，再根据右手螺旋定则可知感应电流的方向，从上向下看为逆时针方向。

从B到C的过程中，线圈中向下的磁通量增加，根据楞次定律，线圈中产生的感应电流的磁场要阻碍磁通量的增加，即感应电流的磁场方向与原磁场相反，再根据右手螺旋定则可知感应电流的方向，从上向下看也为逆时针方向。

1.2 实验探索

线圈在运动时产生的感应电流很小，笔者用DIS(数字化信息系统)的微电流传感器来测量。为了方便判定线圈中感应电流方向，把线圈固定在铁架台上；为了更好地控制磁铁运动，把竖直方向的运动改为水平方向的运动。由于磁铁运动快慢不影响线圈中产生的感应电流的方向，所以把磁铁固定在小车上，调整导轨的高度，使小车在导轨上匀速滑动。如图2所示，调节好实验装置，使用传感器进行实验，得到的电流图像如图3所示。

图2

图3

由图3可知：当磁铁匀速经过线圈的过程中，线圈产生的感应电流的方向并不像教师教学用书中的解释那样是不变的。分析其原因，当磁铁离线圈较远时，线圈中的磁通量较小，当磁铁靠近线圈时，线圈中的磁通量增加，根据楞次定律，从左向右看可判断感应电流为逆时针方向。但当磁铁N极附近的磁感线与线圈平面快平行的一小段距离内，磁通量快速减少，根据楞次定律，从左向右看可判断感应电流为顺时针方向。当磁铁N极附近的磁感线越过线圈平面的一小段距离内，线圈中的磁通量反向且增加，根据楞次定律，从左向右看可判断感应电流还是顺时针方向。随着磁铁的远离，线圈中的反向磁通量减少，根据楞次定律，从左向右看可判断感应电流为逆时针方向。

1.3 反思和建议

该习题所涉及的知识点为楞次定律，意在用楞次定律判断闭合回路中产生的感应电流的方向。教师在教学时很多都是按教师教学用书中的解释处理，对线圈中产生的感应电流的方向没有仔细考虑，所以我们教师平时对教材还是要具有怀疑的精神。这个习题中线圈内的磁通量变化对于教师来说是比较难讲解清楚的，学生可能也不好理解，达不到练习目的，建议教科书删除此题。

2 由题意不严谨造成的问题

2.1 习题呈现

例2：图4中的A和B都是铝环，环A是闭合的，环B是断开的，横梁可以绕中间的支点转动。用磁铁的任意一极去接近A环，会产生什么现象?把磁铁从A环移开，会发生什么现象？磁极移近或远离B环时，又会产生什么现象？解释产生的现象。

图4

教师教学用书中的解释为：用磁铁的任一极(如N极)接近A环时，穿过A环中的磁通量增加，根据楞次定律，A环中将产生感应电流，阻碍磁铁与A环接近，A环将远离磁铁；同理，当磁铁远离A环时，A环中产生感应电流的方向将阻碍A环与磁铁远离，A环将靠近磁铁。

由于B环是断开的，无论磁极移近或远离B环，都不会在B环中形成感应电流，所以B环将不移动。

2.2 实验探索

2.2.1 实验一：用实验室配备的铝环和条形磁铁

把铝环架在支架上，用条形磁铁来进行实验演示。实验中发现A、B两环都不动。分析其原因：条形磁铁的磁性不够强，在靠近或远离A环时产生的感应电流比较弱，在阻力作用下A环不动；B环是断开的，更加不会动。

2.2.2 实验二：用实验室配备的铝环和强磁铁

如图5所示，同样把铝环架在支架上，用强磁铁来进行实验演示，实验中发现A、B两环都会动。分析其原因：强磁铁的磁性较强，在靠近A环时产生的感应电流将阻碍A环与磁铁接近；在离开A环时产生的感应电流将阻碍A环与磁铁远离。由于B环的宽度为1.60cm、厚度为1mm左右，可以看作块状导体，在强磁铁靠近或远离B环时，环臂上还是产生了的感应电流(涡流)，也会产生阻碍磁铁接近或远离的作用，B环也会动。

图5

图6

2.2.3 实验三：自制铜环和强磁铁

要达到教师教学用书中实验现象描述的情况，关键是减弱B环中产生的涡流，使磁铁靠近或远离B环时，B环不动。为此，笔者用硬导线自制了一个铜环，并把其架在支架上，用强磁铁来进行实验演示，如图6所示，实验中发现A环动，B环不动，实验现象符合教师教学用书中的解释。

2.3 反思和建议

该习题所涉及的知识点为楞次定律的应用，意在说明磁通量变化在闭合回路中产生的感应电流引起的安培力对物体的阻碍作用。如果教师在教学中只展示实验一或实验二就会让我们的教学陷入困境，实验三可以让我们的教学顺利开展，或许三个实验一起展示，逐步推进，学生对知识的理解会更加深刻。教师要重视实验教学过程中出现的一些问题，多思考，多动手，会有更多收获。

教科书中的原题所配图是平面图，无法显示A、B环的宽度，对此，笔者提出两条建议：(1) 在教科书中明确说明A、B环都是宽度很窄的铝环；(2) 教师在演示实验时，最好采用类似本文中使用的自制环，实验效果会更好。