綜合運用物理科學方法輔助探究感應電流的方向——聯用控制變量法和歸納法對感應電流方向探究過程的再思考

2021-02-15 物理學習研究

   《楞次定律》這節課主要是探究感應電流的方向。從總體上來說,探究過程最突出的特點就是涉及物理量多、情境複雜、規律隱蔽。課本上主要是通過一個「中介」(感應電流的磁場)來進行的,如下面圖1中的照片(課本插圖),在這裡我們不禁要問:為什麼要提出這麼一個「中介」呢?這個「中介」的提出是否有點突兀?另一方面,探究過程是不是涉及了過多的物理量?大家從下面的表格1還可以窺見一斑。那麼是否可以設計出一個由淺入深、環環相扣、層層遞進、總體思路更加通暢的並且易於學生理解和思悟的探究過程呢?


表格一

下面我們來做一個嘗試。我們準備採用先進行理論探究,也就是通過分析與綜合方法提出探究性問題(原磁場的磁通量的變化與感應電流的磁場的方向之間的關係?),再設計探究性實驗,對探究的結果進行分析、總結和歸納最後得出楞次定律。

為了提出具體的探究問題,還是要先從本章第二節《探究感應電流的產生條件》開始回顧。

下面我們展示詳盡的分析過程:

一、【通過運用分析與綜合方法提出探究問題:探究感應磁場的方向(感應電流磁場的方向)與原磁場的磁通量變化(包括不同原磁場方向的所有相關情況)之間的關係。

在本章第二節我們已經知道:當磁鐵插入或者拔出線圈時,也就是穿過線圈的磁通量發生變化的時候,最終在迴路中產生了感應電流,這說明感應電流與穿過閉合電路的磁通量的變化有關。

    因為最終產生了感應電流,所以首先嘗試從感應電流的產生原因這一角度入手來思考。根據閉合電路歐姆定律I=E/(R+r),所以感應電流會使人聯想起電壓和電阻。不過馬上就會否定該種想法,因為上述物理概念和規律與本探究物理情境毫不相關,顯然這不是我們探究的方向。

    下面嘗試從感應電流的各種效應方面入手探究。這包括機械效應、熱效應、磁效應和化學效應。稍加分析可知,可能我們可以從電流的磁效應這一方面入手。

  至此,我們的問題轉化為研究感應電流的磁場的方向。我們不僅又想起了磁鐵的磁場,

     因為要研究的(感應電流的)方向問題,現在碰到了兩個磁場,我們自然就會想到研究這兩個磁場的方向之間的關係。

前一節已經告訴我們,要通過研究穿過閉合迴路的磁通量的變化來研究。那麼要探究的問題立刻浮出水面:原磁場和感應電流磁場的磁通量的變化之間的關係?

    對於(電流或者磁場的)方向這一方面,我們不能輕易的放棄,因為對於物理學科而言,方向至關重要。本節就是要探究出感應電流的方向。

   最終探究的問題進一步具體化為:探究感應磁場的方向(感應電流磁場的方向)與原磁場的磁通量變化(包括不同原磁場方向的所有相關情況)之間的關係。

二、【通過對「條形磁鐵—螺線管」模型進行以下四步漸次複雜的實驗探究和分析,最終得出楞次定律的內容

下述前兩步探究將使用有共性的兩組相同實驗儀器,進行對比實驗探究。

1.探究感應磁場的方向與磁通量變化的正負的關係

[探究一]

如圖2所示,在本步所有的操作中,條形磁鐵的N 極都在下方。分別將磁鐵的N 極從上端向下插入和從螺線管中向上拔出,(根據安培定則由感應電流的方向來判定感應磁場的方向,下同)然後得到感應磁場的方向。經過分析判定,當磁鐵插入螺線管時,感應磁場方向向上;當磁鐵拔出螺線圈時,感應磁場方向向下。

這說明:在原磁場方向相同的情況下,感應磁場的方向與穿過螺線管的磁通量的變化有關。

2.探究感應磁場的方向與原磁場的方向的關係

[探究二]

如圖3所示,分別將磁鐵的N 極和S 極都從上方向下插入螺線管,在操作過程中儘量保證穿過螺線管的磁通量的變化量的絕對值相等,觀察感應磁場的方向。

經過觀察分析可知,當S 極插入螺線圈時,感應磁場方向向下;當N極插入螺線管時,感應磁場方向向上。這說明,在磁通量的變化量的絕對值相等的情況下,感應磁場的方向與原磁場方向有關。

    綜合以上兩步探究的結果,感應磁場的方向與穿過螺線管的磁通量的變化量和原磁場的方向這兩個因素有關。

3.綜合歸納得出「增反減同」的初步結果。

[探究三]

下面重複並擴展探究二的操作步驟:

 如圖4所示,分別將磁鐵的N極和S極從上方插入螺線管。當S 極向下插入螺線管時,原磁場方向向上,感應磁場的方向向下;當N極向下插入螺線管時,原磁場方向向下,感應磁場的方向向上。

     綜合上述兩步發現:不管是N 極還是S 極,只要插入螺線管,即只要穿過螺線管的磁通量的絕對值在增加,感應磁場的方向就與原磁場的方向相反。下面繼續探究將N 極和S 極向上拔出螺線管的情況。當N 極向上拔出螺線管時,原磁場方向向下,感應磁場的方向向下;將磁鐵的S 極向上拔出螺線管時,原磁場方向向上,感應磁場的方向向上。

    歸納上述兩步可以發現:不管是N 極還是S 極,只要拔出螺線管,也就是說只要穿過螺線管的磁通量的絕對值在減小,感應磁場的方向就與原磁場的方向相同。

   將上述的兩大步再進一步歸納(即針對所有插拔情況):上述每一種操作都滿足下述規律:當磁通量的變化量增加,感應磁場與原磁場方向相反;當磁通量的變化量減少,感應磁場與原磁場方向相同,也就是「增反減同」。

4.[探究四]  

運用磁通量的形象標識方式(磁感線的條數)進行科學想像(實驗和理論同時探究),適時提出「部分抵消變化說」,繼續歸納,最終找到規律。

下一步的問題是:怎樣來理解「增反減同」的現象,這「又增又減」的表面是否藏著統一的物理本質?下面繼續進行探究和思考。

    如圖5所示,繼續分別將N 極和S 極插入和拔出螺線管,觀察感應磁場的方向。

當N 極插入螺線圈時,原磁場方向向下,穿過螺線管的磁通量(下面用磁感線的條數來進行科學想像)增加,感應磁場方向向上,由於二者方向相反,所以結果是抵消了一部分增加的磁通量,即方向相反的兩組磁感線相當於減少了淨磁感線的條數。「不讓磁通量增加」!

同理,當N 極拔出螺線圈時,螺線管的磁通量減小,感應磁場方向向下,由於二者方向相同,所以結果是補償了一部分減少的磁通量,即方向相同的兩組磁感線的總體效果是: 「不讓磁通量減少」!(備註:上述提到了淨磁通,此處是否需要提一下)


將S 極插入和拔出螺線管的情況與N 極的相關情況類似,不再贅述。

     總之,「不讓磁通量增加」和「不讓磁通量減小」,都是不想讓原來的磁通量發生變化的意思,看來「不想讓其變化」就是增反減同的共性。

考慮感應磁場的強弱和原磁場的強弱之後,可以說,我們是用一種「部分抵消變化說」總結了「增反減同」的共性。


下面我們再從感應電流的磁場的角度來思考,我們關心的問題是,到底感應磁場在上述電磁感應的過程中起到了一個什麼作用?

上述的「部分抵消變化」事實上就是感應電流的磁場阻礙了(不是完全阻止)原磁場磁通量的變化。

至此,我們得出最終結論:感應電流的磁場總是要阻礙引起感應電流的磁通量的變化,這就是楞次定律。楞次定律的核心,最需要大家記住的也是「阻礙」二字。

綜觀楞次定律的整個探究過程,結合了雙向思維,先進行理論探究,也就是通過分析與綜合方法這一物理科學方法提出探究性問題(原磁場的磁通量的變化與感應電流的磁場的方向之間的關係?);緊接著通過四個探究性小實驗,綜合運用了控制變量法和部分歸納法、全部歸納法,最後在實驗探究結果的基礎上再進一步進行科學想像和綜合歸納,最終自然生發而成楞次定律。整個探究過程是本節課的重點和難點(如下表所示)。上述的探究過程一直貫穿著理論和實驗相結合的思想,彰顯了物理科學方法的巨大力量。

表格2

     楞次定律探究過程


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作者:梁吉峰,北航實驗學校特級教師,海澱名師工作室物理學科導師

校對:王紅娥、羅迪

編輯:馮子龍

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