《楞次定律》教学设计和引导探究教学方法的运用

楞次定律是电磁感应规律的重要组成部分,它与法拉第电磁感应定律一样也是本章的一个教学重点,是分析和处理电磁感应现象问题的两个重要支柱之一.“楞次定律”涉及的物理量多,关系复杂.产生感应电流的原磁场与感应电流的磁场两者都处于同一线圈中,且感应电流的磁场总要阻碍原磁场的变化,它们之间既相互依赖又相互排斥.而大多数学生抽象思维和空间想象能力还不是很强,对物理知识的理解、判断、分析、推理常常表现出一定的主观性、片面性和表面性,所以在某些问题的理解上容易出差错.如果不明确指出各物理量之间的关系,使学生有一个清晰的思路,势必造成学生思路混乱,影响学生对该定律的理解,所以楞次定律是本章教学的难点.

本节课的主要任务是引导学生通过实验方法,经历探究过程解决“感应电流的方向与什么因素有关”、“有什么关系”两大问题,并总结出感应电流的方向所遵循的一般规律――楞次定律,物理本是一门生动形象的课程,应促进学生自主学习,让学生积极参与、乐于探究、勇于实验、勤于思考.通过多样化的教学方式,帮助学生学习物理知识与技能,培养其科学探究能力,使其逐步形成科学态度与科学精神.探究既是学生获取物理知识的重要方法,是学生学习和掌握新知识的重要途径,同时也是学生学习的重要内容,探究能力是物理课程的培养目标之一.学生通过经历与科学工作者进行科学探究的相似过程,学习物理知识与技能,体验科学探究的乐趣,学习科学家的研究方法,领悟科学的思想,提高科学素养.在楞次定律教学过程中,创造条件让学生经历科学探究过程,引导学生 “发现”这一规律,在探索的过程中培养学生的观察实验、动手实践操作能力、逻辑思维能力和创新思维能力.

本课利用“引导探究”式教学法,课堂教学设计是这样的：创设一个问题情景→学生讨论、猜想→设计实验→探 索实验→（将演示实验改变为学生自己做探索性实验）→分析实验现象→得出楞次定律→课堂讲练→课堂练习.本课教学中主要让学生动脑、动手、动口,引导他们自己得出楞次定律.这样处理不仅重视知识的获得,而且更重视学生获取知识的过程及方法,更加突出了学生的学习主动性,学生学得主动,学得积极.学生活动约占课时的12,课堂气氛比较活跃,真正体现了“教为主导,学为主体”的思想,发展了学生的思维能力、创造能力.“引导探究”式教学法,注重学生的独立钻研,着眼于创造性思维的培养,充分发挥学生的主动性.通过发现问题――分析问题（提出检测设）――创造性地解决问题等步骤去掌握知识,培养创新精神和实践能力.该教学法改变了传统课堂教学中由教师单向传递信息的做法,建立了师生之间、同学之间思维信息多边交流的新型关系.1 运用探究式教学方法,引导学生得出楞次定律的内容1.1 指出问题――如何能知道感应电流的方向（学生讨论）

学生一定说用右手定则就可知道,事实是用右手定则可以很容易给出金属棒ab在裸露的金属框架上作切割磁感线运动时感应电流的方向.

这时提出第二个问题,引导学生回顾产生感应电流的条件是什么?难道只有上面这种情况才有感应电流产生吗?显然不是.引导学生看桌上的实验器材,每两个学生桌上有实验器材：电流计、线圈、不同颜色的导线、条形磁铁.用它们能否产生感应电流.学生是可以设计出如图1所示的实验的,这样既复习了电磁感应现象产生的条件,也让学生亲眼看到利用磁场确实产生了感应电流,进一步巩固了前面所学的知识,而且引导学生看到磁体进出线圈时,电流计指针偏转方向不同,说明磁体进出线圈时产生电流方向相反,接着教师就提出这种情况下感应电流的方向如何判断呢?很显然右手定则无法判断这种情况下感应电流的方向.这时就可引出楞次定律的课题,激发学生学习兴趣,从而指出学好楞次定律的重要性和必要性.1.2 分组实验,探索研究――观察感应电流方向（可由电流计指针偏转方向知道）与磁通量变化（增大或减少）有什么关系

在此环节中,学生以两个人为一个小组,像科学家那样兴趣盎然地开始按拟定的方案实验,边做边想边记.教师巡视,注意他们设计是否合理,仪器使用是否得当,数据记录是否正确,做个别辅导.

学生在教师的指导下,自觉、主动地和教师、教材、同学、教具相互作用,进行信息交流,自我调节,形成了一种和谐亲密、积极参与的教学气氛,一个思维活跃、鼓励创新的环境.学生的思维在开放、发散中涨落,在求异、探索中又趋于有序；这培养了学生独立操作能力,发展了学生的思维能力、创造能力.1.3 综合分析,得出结论――引导学生得出楞次定律的内容

学生根据自己的实验结果,列表比较分析、归纳结论,以组为单位,推举代表发言.引导学生得出磁通量增加,感应电流的磁场方向与原磁场的方向相反,磁通量减小,感应电流的磁场方向与原磁场的方向相同.2 楞次定律的理解和应用

“楞次定律”的内容：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磁通量的变化.如何帮助学生正确理解和运用楞次定律,首先要帮助学生理解清楚下面几点：这几个方面也适用“引导探究”式教学法,提出问题（问题1：你所知道的磁通量变化有那些情况,举例说明；问题2：如何理解楞次定律中“阻碍”这个题的含义；问题3：怎么更好地运用 “楞次定律”判断感应电流方向）――学生讨论、学生发言――教师归纳总结.2.1 磁通量Φ的变化

磁通量的定义是：穿过某一面积的磁感线的条数,叫做穿过这个面积的磁通量,用符号Φ表示.磁通量的大小等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积,即Φ等于BS.所以磁通量Φ与磁场的磁感应强度B和通过磁场并垂直磁场方向的线圈面积S的大小有关,只要它们的乘积发生改变就说明磁通量发生了变化,变化不是增大就是减小,所以判断磁通量的变化就从这两方面去思考.

（1）磁场的磁感应强度B不变,改变的是通过磁场并垂直磁场方向的线圈面积S

常见的几种情况例如：①匀强磁场中闭合回路的一部分导体切割磁感线运动的情况,如图2所示,S的变化就是磁通量Φ的变化；②方形区域内为匀强磁场,在矩形线圈从左到右穿过磁场的整个过程中,如图3所示, S的变化是S变大――S不变――S变小的过程,磁通量Φ的变化同样是Φ变大――Φ不变――Φ变小的过程；③一个线圈在匀强磁场中绕轴转动的情况,有的情况下Φ不变,有的情况下Φ变大,有的情况下Φ变小,上课时教师可借助教室天花板和地板类比磁体的磁极,检测设它们一个是磁体的N极一个是磁体的S极,那么教室空间就有匀强磁场存在,然后借助课本类比线圈,不同情况就会得到不同结果,想象穿过课本类比线圈中磁感线条数的变化就可知磁通量的变化,学生直观好想象,理解非常清楚. （2）通过磁场并垂直磁场方向的线圈面积S不变,改变的是磁场的磁感应强度B

常见的几种情况例如：①通电直导线周围运动的闭合线圈,因通电直导线周围的磁感应强度B既与通电导线中电流大小和方向有关,也与跟导线的相对位置有关,总的来说,电流越大,导线周围的磁场的磁感应强度B越大,反之亦反；离导线距离越近磁感应强度B越大,越远越小.所以这种情况下通电导线电流的变化和线圈不同的运动情况,就决定了磁通量Φ的变化.如图4所示,若电流不变,线圈上下运动,则磁通量Φ不变化,若线圈向右远离通电导线,则磁通量Φ变小,若线圈向左靠近但不越过通电导线,则磁通量Φ变大,若线圈越过通电导线,因通电导线两边磁场方向相反,可分线圈相对通电导线的位置偏左,正中,偏右来分析,这是一种情况但在本节课可暂不分析,若导线中电流变化、线圈位置不变则磁通量Φ的变化规律和电流变化规律一致,若两者都变化则本节课暂不分析.②如图5所示,当下边线圈中电流变大时（开关关闭瞬间或滑线变阻器触头向右滑动减小电阻时）abcd线圈中磁场的磁感应强度变大,磁通量Φ变大,当下边线圈中电流变小时（开关打开瞬间或滑线变阻器触头向左滑动增大电阻时）abcd线圈中磁场的磁感应强度变小,磁通量Φ变小,③如图6所示,两种情况下当磁体向上运动时,线圈中磁场变弱,磁感应强度B变小,磁通量Φ变小；当磁体向下运动时,线圈中磁场变强,磁感应强度B变大,磁通量Φ变大.

（3）通过并垂直磁场方向的线圈面积S变化,磁场的磁感应强度B也发生变化,它们的乘积有可能增大,也可能减小,也有可能不变,这种情况的磁通量判断有点复杂,可暂不考虑.以上通过引导学生分析6种常见情况下的磁通量变化,可以帮助学生进一步理解电磁感应现象,理解磁通量的概念,磁通量的变化,安培定则的运用等重要概念,为帮助理解和运用楞次定律打下良好的基础.2.2 对“阻碍”二字的理解

要正确全面地理解“楞次定律”必须从“阻碍”二字上下功夫,这里起阻碍作用的是“感应电流的磁场”,它阻碍“原磁通量的变化”,不是阻碍原磁场,也不是阻碍原磁通量.不能认为“感应电流的磁场必然与原磁场方向相反”或“感应电流的方向必然和原来电流的流向相反”.所以“楞次定律”可理解为：当穿过闭合回路的磁通量增加时,相应感应电流（“增加的磁通量”所感应的电流）的磁场方向总是与原磁场方向相反；当穿过闭合回路的磁通量减小时,相应感应电流（“减小的磁通量”所感应的电流）的磁场方向总是与原磁场方向相同.另外“阻碍”不能理解为“阻止”,应认识到,原磁场是主动的,感应电流的磁场是被动的,原磁通量仍然要发生变化,阻止不了,而感应电流的磁场只是起阻碍作用而已.感应电流的磁场的存在只是削弱了穿过电路的总磁通量变化的快慢,而不会改变原磁场的变化特征和方向.例如：当增大感应电流的磁场时,原磁场也将在原方向上一直增大,只是增大得比没有感应电流的磁场时慢一点而已.如果磁通量变化被阻止,则感应电流就不会继续产生.无感应电流,就更谈不上“阻止”了.2.3 运用“楞次定律”判断感应电流方向的步骤

（1）确定原磁场的方向；

（2）判断原磁场线圈中磁通量的变化情况（增加或减少）；

（3）运用“楞次定律”确定感应电流的磁场方向,依“增反减同”确定；即磁通量增加,感应电流的磁场方向与原磁场的方向相反,磁通量减小,感应电流的磁场方向与原磁场的方向相同.

（4）利用安培定则确定感应电流的方向.

前面在学生发言的基础上归纳总结了几种常见情况下的磁通量Φ的变化,这时可引导学生运用“楞次定律”判断各种情况下的感应电流方向,教师引导,可让学生练习,也可让学生讲解.3 引导学生从能量转化的角度进一步理解“楞次定律”

“楞次定律”是能量转化和守恒定律在电磁运动中的体现,符合能量守恒定律,感应电流的磁场阻碍引起感应电流的原磁场的磁通量的变化,因此,为了维持原磁场磁通量的变化,就必须有动力作用,这种动力克服感应电流的磁场的阻碍作用做功,将其他形式的能转变为感应电流的电能,所以“楞次定律”中的阻碍过程,实质上就是能量转化的过程.

楞次定律可以有不同的表述方式,但各种表述的实质相同,楞次定律的实质是：产生感应电流的过程必须遵守能量守恒定律.下面分别就三种情况进行说明：

（1）如果感应电流在回路中产生的磁通量加强引起感应电流的原磁通变化,那么,一经出现感应电流,引起感应电流的磁通变化将得到加强,于是感应电流进一步增加,磁通变化也进一步加强等感应电流在如此循环过程中不断增加直至无限.这样,便可从最初磁通微小的变化中（并在这种变化停止以后）得到无限大的感应电流,这显然是违反能量守恒定律的.楞次定律指出这是不可能的,感应电流的磁通必须反抗引起它的磁通变化,感应电流具有的以及消耗的能量,必须从引起磁通变化的外界获取.要在回路中维持一定的感应电流,外界必须消耗一定的能量.如果磁通的变化是由外磁场的变化引起的,那么,要抵消从无到有地建立感应电流的过程中感应电流在回路中的磁通,以保持回路中有一定的磁通变化率,产生外磁场的电流就必须不断增加与之相应的能量,这只能从外界不断地补充.

（2）如果由组成回路的导体作切割磁感线运动而产生的感应电流在磁场中受的力（安培力）的方向与运动方向相同,那么,感应电流受到的磁场力就会加快导体切割磁感线的运动,从而又增大感应电流.如此循环,导体的运动将不断加速,动能不断增大,电流的能量和在电路中损耗的焦耳热都不断增大,却不需外界做功,这显然是违背能量守恒定律的.楞次定律指出这是不可能的,感应电流受到的安培力必须阻碍导体的运动,因此要维持导体以一定速度作切割磁感线运动,在回路中产生一定的感应电流,外界必然反抗作用于感应电流的安培力做功.

（3）如果发电机转子绕组上的感应电流的方向,与作同样转动的电动机转子绕组上的电流方向相同,那么发电机转子绕组一经转动,产生的感应电流立即成了电动机电流,绕组将加速转动,结果感应电流进一步加强,转动进一步加速.如此循环,这个机器既是发电机,可输出越来越大的电能,又是电动机,可以对外做功,而不花任何代价（除使转子最初的一动而外）,这显然是破坏能量守恒定律的永动机.楞次定律指出这是不可能的,发电机转子上的感应电流的方向应与转子作同样运动的电机电流的方向相反.

综上所述,楞次定律的任何表述,都是与能量守恒定律相一致的.概括各种表述“感应电流的效果总是反抗产生感应电流的原因”,其实质就是产生感应电流的过程必须遵守能量守恒定律.4 引导学生比较运用“楞次定律”和“右手定则”判断感应电流方向的区别

楞次定律可判断任何情况下产生的感应电流的方向,而右手定则只能判断金属棒在裸露的金属框架上作切割磁感线的运动时感应电流的方向.这种情况运用右手定则判断感应电流的方向简单、方便.所以右手定则判断感应电流的方向虽然有局限性但还是要学会运用的,具体判断感应电流的方向还是以楞次定律为主,它的应用广泛全面.

本文是我在多年楞次定律教学中的一些体会,只有引导学生主动参与到教学过程中,积极思考,主动动手探索,才能发展学生的思维能力、创造能力.才能让学生正确理解楞次定律,深刻理解感应电流方向与磁通量变化（增大或减少）的关系,才能更好地运用楞次定律解决实际问题,才能举一反三,由磁通量的变化判断闭合线圈中感应电流的方向,也可在已知感应电流的方向的情况下判断磁通量的变化.