发掘教材资源探寻规律本质体验科学方法[文档资料]

发掘教材资源探寻规律本质体验科学方法 本文档格式为 WORD,感谢你的阅读。 人教版高中物理教科书物理选修 3-2 第 11 页在介绍楞次定律时有这样一段旁白：一个实验结论形成后，我们常常需要从理论上审视它，它不应该跟已有的理论相矛盾 .否则，或者是过去的理论存在问题，或者是做这个实验时出了差错 .这也是一种形式的评估 .学习到这里，学生都很想知道从什么理论角度来审视楞次定律，从而对楞次定律进行评估 .本文从楞次定律的三种表现形式入手，带领学生探寻楞次定律的本质 ，从而让学生体验科学方法的奥妙，形成正确的科学价值观 . 1 楞次定律的三种表现形式 俄国物理学家楞次在电磁学领域作出了杰出贡献，他在安培电动力学和法拉第电磁感应现象研究的基础上，结合大量实验事实提出：感应电流方向具有这样的特征，即感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化 .一般而言楞次定律有三种典型表现形式，通过对三种典型表现形式的分析，可以深刻体会楞次定律的含义 . 1.1 增反减同 当穿过闭合回路的磁通量发生变化时，可以用 “ 增反减同 ” 判断感应电流的磁场与原磁场 方向之间的关系 .当原磁通量增加时，感应电流的磁场要阻碍原磁通量增加，方向与原磁场方向相反；当原磁通量减小时，感应电流的磁场要阻碍原磁通量减小，方向与原磁场方向相同 . 例题 1 如图 1 所示，水平放置的长方形线圈 abcd，在条形磁铁 N 极附近竖直下落，从图中的位置 经过位置 到位置 ，位置 和 都很靠近 . 在这个过程中，线圈中感应电流 A.沿 abcd 流动 B.沿 dcba 流动 C.由 到 是沿 abcd 流动，由 到 是沿 dcba 流动 D.由 到 是沿 dcba 流动，由 到 是沿 abcd 流动 思路分析本题考查用楞次定律对闭合回路中感应电流方向的判断 .关键是要分析清楚矩形线圈由位置 到位置 和由位置 到位置 两过程中，穿过线圈的磁感应线方向相反 .由条形磁铁的磁感应线分布可知，线圈经过位置 时磁通量为零，线圈从位置 到位置 的过程中，磁通量向上且大小在减小，线圈从位置 到位置 ，磁通量向下且大小在增加，根据楞次定律可知感应电流的磁场方向向上，所以线圈中感应电流方向应该沿 abcd 流动 . 点评明确穿过闭合回路的磁通量向什么方向怎样变化，然后根据 “ 增反减同 ” 判断感应电流磁场的方向 ，再根据右手螺旋定则得到感应电流的方向 . 1.2 来拒去留 当导体与磁场发生相对运动的情形时，可以用 “ 来拒去留 ” 判断导体中感应电流在磁场中受到的安培力对导体运动的影响 .当导体靠近磁场时，安培力阻碍导体靠近磁场；当导体远离磁场时，安培力阻碍导体离开磁场 . 例题 2 如图 2 所示，粗糙水平桌面上放置一质量为 m的金属长方形线圈 .当一竖直放置的条形磁铁快速从线圈中轴线 AB 正上方经过时，如果线圈始终不动，则线圈受到水平桌面的支持力 FN 以及线圈在水平方向运动趋势的正确判断是 A.FN 先小 于 mg 后大于 mg，运动趋势向左 B.FN 先大于 mg 后小于 mg，运动趋势向左 C.FN 先小于 mg 后大于 mg，运动趋势向右 D.FN 先大于 mg 后小于 mg，运动趋势向右 思路分析条形磁铁向右通过线圈过程中，从条形磁铁相对线圈运动角度看，水平方向先靠近再远离，因此条形磁铁与线圈水平方向上先相互排斥再相互吸引；竖直方向同样是先靠近再远离，同理在竖直方向上条形磁铁与线圈先相互排斥再相互吸引 .因此线圈受到水平桌面的支持力 FN 先大于mg 后小于 mg，水平方向运动趋势始终向右 . 点评 “ 来拒去留 ” 反映了磁体与线圈之间发生相对运动时，感应电流受到的安培力对相对运动的阻碍作用 .是一种很巧妙的解题技巧 . 1.3 增缩减扩 当穿过闭合回路的磁感应强度发生变化时，可以用“ 增缩减扩 ” 判断闭合回路有效面积的变化趋势 .当磁感应强度增强时，闭合回路的有效面积有缩小趋势阻碍磁通量的增加；当磁感应强度减弱时闭合回路的有效面积有增大趋势阻碍磁通量的减小 . 例题 3 如图 3 所示， ab 是一个可以绕垂直于纸面的轴O 自由转动的闭合长方形导线框，当滑动变阻器 R 的滑片从左向右滑动过程中，试判断 线框 ab 的运动情况是 A.保持静止不动 B.逆时针转动 C.顺时针转动 D.发生转动，由于不明确电源极性，无法确定转动方向 思路分析由图示电路，当滑动变阻器的滑片向右滑动时，电路中的电阻增大，电流减弱，则穿过闭合导线框 ab 的磁通量将减小，根据楞次定律，线框 ab 将顺时针转动，使得与磁感应线垂直的投影面积增大，从而增大穿过线圈的磁通量，以阻碍原磁通量的减小 .此题与电源的极性是否明确无关 . 点评 “ 增缩减扩 ” 巧妙地反映了磁感应强度发生变化时，线圈有效面积变化的趋势，体现了楞次定律 “ 阻碍 ” 的深意 . 2 从能量守恒定律角度审视楞次定律 能量守恒定律是自然界的普适规律，对自然科学有着极其重要的指导性作用 .楞次定律的本质可以理解为能量守恒定律在电磁现象中的具体表现 .感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的原磁场磁通量的变化，为了维持原磁场磁通量的变化，就必须存在外部作用，这种外部作用将克服感应电流的磁场阻碍做功，从而将其他形式的能量转化为感应电流的电能，因此楞次定律中阻碍从本质上反映的是能量转化与守恒的过程 . 2.1 磁场变化引起感生电动势 如图 4 所示，原磁 场磁感应强度 B 向上增加，根据楞次定律可知感应电流的磁场方向向下，阻碍原磁场磁通量的增加 .如果感应电流产生的磁场方向向上，引起感应电流的原磁场磁通量变化将得到加强，那么一旦出现感应电流，原磁场磁通量变化将加强并进一步增加产生的感应电流，感应电流又将使得原磁场磁通量变化加强，如此循环感应电流不断增加，最终趋向于无穷大 .如果上述过程能够成立，那么只需开始提供一个微小的磁通量变化便可以得到无限大的感应电流，这显然是违背能量守恒定律的 .楞次定律指明感应电流的磁场必然阻碍原磁通量的变化，感应电流具有的能量通过这种阻碍作 用从外界获取 .如果线圈中要维系感应电流的存在，那么原磁场磁通量就必须保持一定的变化率，具体可以分为两种情形讨论，若原磁场磁通量以一定的变化率减小，则磁场能转变为感应电流具有的能量；若原磁场磁通量以一定的变化率增加，则外界提供能量转变为增加的磁场能和感应电流具有的能量 . 2.2 导体棒切割磁感应线引起动生电动势 如图 5 所示，导体棒 MN 以初速度 v0 沿光滑平行导轨PP 和 QQ 向右运动，导体棒切割磁感应产生的感应电流方向由 NM ，导体棒受到的安培力方向向左，与运动方向相反，导体棒做减速运动直至静 止，在此过程中导体棒动能转变为回路中产生的焦耳热，遵循能量守恒定律 .如果导体棒中的感应电流方向由 MN ，则导体棒受到的安培力方向向右，导体棒做加速运动使得产生的感应电流增加，从而安培力继续增大，如此循环导体棒将不断加速，动能持续增加直至无穷大，同时电路中产生的焦耳热也不断增加，然而在此过程中外界并没有提供能量，如果上述假设成立，那么只需给导体棒一个很小的初动能，导体棒最终将获得无限大的动能，这显然是违背能量守恒定律的 .因此楞次定律表明导体棒受到的安培力必然是阻碍导体棒相对磁场运动的，从而将外界能量转变为回路 中的焦耳热 .同理如果导体棒 MN 在外力 F 作用下由静止开始向右运动，感应电流受到的安培力仍然向左阻碍导体棒相对磁场的运动，根据牛顿第二定律可以得出导体棒将做加速度减小的加速运动，最终达到稳定速度做匀速运动 .在此过程中外力做正功将外界能量转变为导体棒的动能和回路中产生的焦耳热，依然遵循能量守恒定律 . 2.3 闭合线圈在匀强磁场中转动 闭合线圈在匀强磁场中匀速转动是交流发电机的基本原理，线圈在转动过程中将产生正弦式感应电流，楞次定律表明线圈中的感应电流在磁场中受到的安培力方向与转动 方向相反，阻碍线圈相对磁场的转动 .如果安培力方向与转动方向一致，那么同样只需提供线圈一个很小的初始动能，在安培力作用下线圈转动将越来越快，产生的感应电流越来越大，安培力越来越大，如此循环线圈转动将持续加快直至无穷大而不需要外界提供能量，很显然这也是违背能量守恒定律的 .事实上安培力应阻碍线圈转动，因此为了维持线圈匀速转动，必然需要外界提供驱动力克服安培力做功，从而将外界能量转变为线圈中产生感应电流的能量 . 综合上述问题表明：楞次定律的各种表现形式最终都与能量守恒定律相一致 .所以楞次定律的理论实质就是 产生感应电流的过程都必须遵循能量守恒定律，是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体表现 . 3 对楞次定律表现形式的哲学思考 楞次定律所表现出的感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的原磁通量变化，可以从系统论角度进行哲学理解 .如果把楞次定律的研究对象 (闭合线圈 )作为一个系统，该系统与外界会通过各种方式发生交互，从而处于一种相对稳定的平衡状态 .系统的稳定性原理指出，在外界作用下系统具有一定的自我稳定能力，能够在一定范围内自我调节从而保持和恢复原来的有序状态、保持和恢复原有的结构和功能 .当外界环境发生 变化导致系统平衡状态被打破时，系统应具有 “ 阻碍 ” 引起平衡状态改变的因素，从而维持一种趋向于原有平衡状态的趋势 .在楞次定律中，对于闭合线圈这一系统来讲，“ 穿过闭合线圈的磁通量变化 ” 是外界对系统产生的影响，“ 感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的原磁通量变化 ” 则是系统自我调节具有阻碍引起系统平衡改变的因素，从而维持原有平衡状态的具体体现 .结合法拉第电磁感应定律可以看出，磁通量的变化率越大即外界影响越强烈，那么系统产生的阻碍因素即感应电流的磁场则越强 . “ 系统具有阻碍引起系统平衡状态改变的因素 ” ，这种哲 学关系不仅在楞次定律中有所体现，从系统论角度进行哲学思考的方式，已经得到了当代科学家们的广泛认同，在自然科学、人文和社会科学中都得到了广泛应用，它改变了人类认识世界的科学图景 .比如 19 世纪 80 年代法国化学家勒夏特列发现的勒夏特列原理：在一个已经达到平衡的化学反应中，如果影响平衡的条件发生改变，平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动 .上升到系统论的哲学高度该原理与楞次定律所阐述的哲学逻辑惊人地相似，平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动即 “ 系统将产生阻碍引起系统平衡状态改变的因素 ”. 这种逻辑关系或许是自然界一种最 根本的特性，任何一个系统如果不产生阻碍引起系统平衡状态改变的因素，这个系统就永远不会达到新的平衡状态，外界引起的系统改变将不断地持续进行下去，那么一切自然现象、社会现象都将失去原有的平衡趋向于无序，这样看来楞次定律具有这样的表现形式绝非偶然 . 新课程理念倡导从物理走向社会，培养学生正确的科学态度、科学方法和科学价值观，为学生的终身发展打下