用知识维指导楞次定律的教学

一、引言

自高中新课程实施以来,中学物理的探究性教学研究一直如火如荼地进行,并在实践和理论方面都有了很大的进展。郭玉英提出了探究一建构式教学设计模型,对物理学本质(包括科学探究)、概念转变教学策略、情境认知与学习理论以及系统教学设计理论进行了理论分析,把教学中的科学探究和知识的建构有机统一起来。这种教学模型围绕焦点问题展开,用知识维来指导科学探究过程,使学生在探究过程中自觉地建构合理的知识体系。本文运用v形图对楞次定律的发现过程进行分析,并用来指导楞次定律的探究一建构式教学设计。

二、用v形图分析楞次定律的发现过程

1.V形图

高文(Bob Gowin)教授在1977年开发出了v形图(veeDiagramming),提供了了解知识结构及其形成过程的方法,定义了知识结构产生过程中涉及的12个要素及其关系。(如图1所示)

2.楞次定律发现所基于的物理成就

楞次研究了法拉第对电磁感应现象的说明,把法拉第的说明与安培的电动力学理论结合在一起,提出了确定感应电流方向的基本判据。

1)法拉第对电磁感应现象的发现

法拉第坚信康德的哲学思想,认为自然界各种基本力是可以相互转化的。

1831年8月29日,法拉第做了第一个成功的电磁感应实验。他用一个软铁圆环,环上绕两个互相绝缘的线圈A和B,线圈A和电池连接,线圈B用一导线连通,导线下面平行放置一只小磁针,充当检验电流通过的指示器。接着他用木料做A、B线圈的芯子,增大电池组,发现仍然有感应,得出结论说明电磁感应只和电流的变化有关。

1831年10月17日,法拉第用条形磁铁插入线圈,发现在条形磁铁插入和拔出的瞬间,线圈会产生感应电流。

2)安培的电动力学理论

1820年4月,奥斯特在一次讲演中把导线和磁针平行放置,在电池接通的一瞬间,磁针有轻微晃动,奥斯特从而发现电流具有磁效应。

安培从1820年开始,做了一系列的实验和理论研究,进行数学推导,得到了普遍的电动力公式,定量地研究了电流之间的相互作用。

电动力学公式与牛顿的万有引力定律很像,安培依照力学的理论体系,创建了电动力学。

3.楞次定律

1833年,楞次提出了确定感生电流方向的定律。后人把这个定律称为“楞次定律”。这一定律说明电磁现象也是符合能量守恒和转换定律的。许多类似的定则(如安培、法拉第、麦克斯韦的)都只有纯粹的几何内容,而楞次定律却描述了某种动力学规律。用楞次的话来讲,其内容为:“设一金属导体在一电流或一磁体附近运动,则在金属导体内部将会产生电流,电流的方向是这样的:如果导体原来是静止的,它会使导体产生一运动,正好与该导体现在的运动方向相反,如果该导体在静止时有向该方向或其反方向运动的可能的话。”

4.楞决定律发现过程的v形图

焦点问题:引起感应电流的磁通量的变化和感应电流磁场的方向之间有什么关系?

在安培发现电磁感应现象,即“磁生电”后,楞次就在思考这个问题,磁能生电,那么磁生电过程中,一定有规律可循,而之前安培建立的电动力学理论,即找出了电流之间相互作用的规律,楞次引用安培的方法对电磁感应现象进行分析。

世界观:世界是物质的,物质的运动是永恒的,且不断发展变化,这种发展变化的过程是有规律的,而这些变化的规律是可以认识的。

辨证唯物主义是人类哲学和科学发展的最高成果,爱因斯坦认为“哲学是全部科学研究之母”。

认识论:真理来源于实践,又反作用于实践。辨证唯物主义时空观。

传统物理学认为,物系都具有惯性,一切运动变化都是在外力推动下被动发生的。外力决定物系的变化,不用考虑物系本身的结构和功能。

于连元提出了物系的“自适应性”,其中第一原理为广义楞次原理,即相对稳定的系统受到外界作用时,总能通过可能发生的一切变化,协调一致,从而尽可能有效地抵制或减弱外界作用的直接效果。

理论:设一金属导体在一电流或一磁体附近运动,则在金属导体内部将会产生电流,电流的方向是这样的:如果导体原来是静止的,它会使导体产生一运动,正好与该导体现在的运动方向相反,如果该导体在静止时有向该方向或其反方向运动的可能的话。

1847年,赫姆霍兹发表了《论能量守恒》,第一个在数学基础上建立了普遍意义的能量守恒定律,在楞次定律的教学中,最后总结时可以用能量守恒定律对楞次定律进行分析,开拓学生的视野。

为了回答焦点问题,须用实验来进行探究。焦点问题有三个要素:磁通量、感应电流磁场、前两个要素之间的关系。磁铁的插入和拔出可以使线圈内的磁通量产生变化,从电流计指针的偏转方向可以看出感应电流的方向,通过对这个实验的分析就可以解决焦点问题,即两者之间存在何种关系。

三、利用楞次定律V形图指导教学设计

1.教学设计思路

v形图的左侧描述了世界观、认识论、理论、结构要素、概念之间的层次关系,右侧描述了从回答知识问题到获取新知识的操作过程。楞次定律的探究建构式教学主要运用知识维为理论指导来进行设计。

2.教学步骤

1)创设问题情境,提出焦点问题

教师把线圈与演示电流计相连,在拔出和插入磁铁的瞬间,电流计指针摆动,学生已经知道线圈内磁通量发生变化时会产生感应电流。教师设置问题。

a)磁铁插入和拔出时,电流计指针的偏转方向?

b)磁铁换另一极,插入和拔出时,电流计指针的偏转方向?

学生通过演示实验可以发现,电流计指针的偏转方向是不一样的。学生回答出问题后,教师再提问。

a)磁铁插入拔出时,线圈内什么发生变化?

b)电流计指针有偏转,表明电路中有电流,我们把它叫做感应电流,指针偏转方向不一样,表明什么?

学生通过上一节课的知识可以回答出磁铁插入拔出时,线圈内的磁通量发生了变化,电流计指针偏转方向不一样,表明感应电流的方向不一样。

教师再次引导,我们要探究的不是实验的表面现象,而是从现象发掘本质,我们通过研究磁铁的插入拔出和电流计指针偏转方向的关系可以得出什么结论呢?由此提出焦点问题:引起感应电流的磁通量的变化和感应电流磁场的方向之间有什么关系?

2)围绕焦点问题进行探究

教师组织学生进行分组实验,在学生做实验前,教师先界定一下实验的目的及应观察的物理量。本实验研究的是磁通量的变化如何影响感应电流的方向。这里有两个要观察的量:磁通量和感应磁场的方向。

a)如何判断感应磁场的方向。

需观察的量:指针偏转方向。

得出中间量:感应电流的方向。

想知道的量:感应磁场的方向。

b)如何判断磁通量的变化。

需观察的量:磁铁插入或拔出及其磁极。

想知道的量:磁通量的变化。

学生确定要观察的量后开始进行分组实验,画出电路图。设计表格。

3)引导学生总结归纳,得出楞次定律,明晰概念

通过实验得出来的结论,引导学生探究磁通量的变化和感应磁场方向之间的关系。由学生做出来的表格可推论出感应磁场起着延缓磁通量改变的作用。

那么,所得出的实验结果就可以用以下的句子表述出来,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,这也就是我们这节课要学习的楞次定律。

4)扩展与思考,建立理论

以上所得出的结论是根据磁铁在线圈中插入和抽出的实验得出来的结论,如果通过开关通断来改变磁通量,感应电流的方向也遵循同样的规律吗?

(用通电流的线圈代替磁铁同样遵循楞次定律)

能量方面的思考。在实验过程中,电路中产生感应电流,产生了电能,那么电能是从哪里来的呢?从能量守恒的角度来看,必定有其它形式的能减少,是什么能减少呢?或者说,是什么外力对磁铁一线圈这个系统做功呢?

(手通过克服磁场的力做功给了电路电能,手的动能减少)

通过能量守恒对楞次定律反证。

四、结束语

教学中使用v形图分析楞次定律的发现过程来指导楞次定律的探究建构式教学,有助于学生按原有的知识结构来把握物理知识,引起学生的兴趣。

在探究一建构式教学中,要以问题为中心展开教学。在本次教学中,首先确定了教学的目标,再根据学生现有的认知情况确定焦点问题,预期学生在探究中会遇到的理解困难,引导学生围绕焦点问题展开探究活动,在实际教学中,这样的教学安排取得了较好的成效。