探究楞次定律的实验创新设计

(江苏省天一中学,江苏 无锡 214101)

1 引言

楞次定律用于判断感应电流的方向,是教学的重点之一。在探究楞次定律的过程中,需要明确磁铁的磁场方向,判断磁通量如何变化,搞清线圈的绕向,然后根据电流表指针偏转特点得出线圈中电流方向,引导学生探究得出感应电流产生了磁场,最后判断出感应电流的磁场方向。面对如此多样的因素以及它们之间的复杂关系,学生总结、理解、应用楞次定律有较大的难度。课本上的实验既是本节课的引入实验,也是本节课的探究实验,实验有三个难点:一是引入中介难,学生不容易想到感应电流产生的磁场;二是探究过程难，要关注的因素多、关系复杂;三是对“阻碍”的理解难。因此笔者利用创新实验突破这三个难点。

2 引入实验的创新设计

2.1 引入实验的思考

课本上的引入实验是复习第2节“探究感应电流的产生条件”,然后提出本节课研究的课题：在不同情况下感应电流有不同的方向,感应电流的方向受哪些因素的影响？有什么样的规律？这样的引入没有新意，不能为接下来的探究实验做好铺垫。

图1

2.2 引入实验的创新设计

2.2.1 实验目的

引出感应电流磁场这个概念,强化对原磁场、感应电流磁场方向的认识。

自制实验装置:如图1所示，用漆包线绕成匝数为850匝的线圈,两个反向并联的红色、蓝色发光二极管接在线圈两端,有一个按钮可以控制两个二极管是否同时短路,线圈固定在小车上。

2.2.2 实验步骤

(1) 将磁铁快速插入线圈和从线圈抽出,你能观察到哪些现象,又能得出什么结论？

现象1:二极管发光,说明存在感应电流。

现象2:两个二极管先后发光,则说明感应电流的方向是相反的，由此引入探究的具体课题:怎样判定感应电流的方向？

现象3:小车运动(不太明显),说明线圈与磁铁之间有相互作用。

(2) 为了让小车运动得更明显,按下按钮使两个二极管短路,将强磁铁快速插入和抽出线圈。由于二极管被短路,线圈中的电流增大，小车运动明显，观察现象后,提出如下问题。

问题1:小车由静止到运动,受到了什么力?

问题2:根据你观察到的现象：磁铁与线圈之间排斥或者吸引,你能标出线圈两端的N极、S极以及线圈中感应电流的方向吗?

问题3:感应电流的磁场与原磁场的方向关系如何?

2.2.3 实验评析

(1) 采用发光二极管发光的形式把隐性的感应电流更加直观、清晰地展现出来。

(2) 利用二极管单向导电性显示感应电流方向的不同。

(3) 学生对感应电流的磁场有了清晰的认识,为主动、深入探究楞次定律做好了铺垫。

3 探究实验的创新设计

3.1 探究实验的思考

课本上的探究实验如图2所示,判断线圈中感应电流方向的步骤是:(1) 明确线圈的绕向,做好标识线;(2) 借助一节干电池用试触法确定电流表指针偏转特点,综合以上判断得出线圈中电流方向。这个过程比较繁琐、容易出错,电流方向的得出比较困难。而且由于电流在线圈中是螺旋上升或者下降,用逆时针和顺时针描述线圈中电流的方向也较难想到,不够直观、形象。实验过程中灵敏电流计指针摆动较快,不方便观察记录,要关注的因素太多,学生探究的兴趣不大。

图2

3.2 探究实验的创新设计

3.2.1 实验装置

利用数字化信息系统DIS进行探究实验,把多匝线圈改成单匝线圈、灵敏电流计换成微电流传感器。如果电流从红色夹子流入、黑色夹子流出，电流为正值；如果相反,电流为负值。将微电流传感器与单匝线圈相接,再通过数据采集器连在计算机上,通过计算机屏幕将电流的波形图显示出来(如图3)。

图3

3.2.2 实验评价

(1) 若要用多匝线圈,明确线圈的绕向,做好标识线,对学生来讲也是一件比较困难的事,若是用单匝线圈，可将这一问题简单化。

(2) 多匝线圈改成单匝线圈,大大减少了判断电流方向的困难,并且使它变得简单、形象、具体,用逆时针和顺时针描述电流的方向也很直观、形象。

(3) 灵敏电流计指针摆动较快,不方便观察记录,而利用波形图,可方便进行观察、记录、对比。

(4) 运用数字化实验系统不仅能够吸引学生的兴趣,而且大大简化了实验操作过程,为接下来结论的总结、理解楞次定律节省了时间。

4 理解“阻碍”的实验创新设计

4.1 对楞次定律本质的思考

楞次定律中“阻碍”的本质就是为了遵守能量守恒定律，我们可以借助实验来帮助学生对楞次定律中能量的转化有深刻的认识。

4.2 “落磁”实验一

4.2.1 实验装置

制作了7个匝数均为850匝的线圈,并与红、蓝发光二极管连接,线圈间隔均匀分布在塑料管上(如图4)。磁铁在线圈中下落,观察现象,可以得出什么结论？

图4

图5

4.2.2 实验现象与评价

当强磁铁在管中下落经过线圈的时候,红、蓝发光二极管会间隔闪烁,即表明有感应电流产生,且磁铁进出线圈时的电流方向相反。有电流就有电能的产生,我们已经知道能量不会凭空产生,所以只能从能量转化的角度来考虑,并且功是能量转化的量度,通过这样的情境可以使学生对电磁感应现象中能量的转化有较深刻的理解。

4.3 “落磁”实验二

4.3.1 实验装置

一根塑料管和一根铜管长度均为1m、粗细相同,两个相同的小磁铁同时在管口处释放,看一看谁下落得快(如图5)。

4.3.2 实验现象与评价

磁铁从塑料管上端放入管中，由静止释放,会看到磁铁很快从管道下端出来,做自由落体运动;同样把磁铁放入铜管中,

要过很久才从管道出来。设置问题:是什么阻碍了小磁铁的下落呢？从而进一步理解“阻碍”的涵义。

5 反思

(1) 自制教具的使用大大丰富了学生的感性认识,让物理现象更加直观、形象、生动地展示在学生面前,能够激发学生的探究热情,也能让学生更好地理解楞次定律。本节课所用的一些实验器件需要用3D打印机进行打印,体现了新技术在物理教学中的应用。

(2) 本节课体现了DIS在物理课堂教学中的优势，单匝线圈产生的感应电流是很小的,借助微电流传感器测量,可在电脑上显示出波形图。利用微电流传感器大大地减少了实验的干扰因素和难度,使感应电流的波形图直观地呈现给学生,方便学生对比分析,提高了课堂教学质量。