综合运用物理科学方法探究感应电流的方向

综合运用物理科学方法探究感应电流的方向综合运用物理科学办法探究感应电流的方向

作者简介：梁吉峰〔1970-〕，男，山东荣成，大学本科，特级教师，主要研究方向高中物理教学、物理奥赛辅导.

人教社新课程高中物理选修3-2第3节?楞次定律》的主要《热菔翘骄扛杏Φ缌鞯姆较《.从总体上来说，探究过程最突出的特点就是波及物理量多、情境复杂、规律隐蔽.近百年来，该实验装置和计划不曾改正.课本上主要是通过一个“中介〞〔感应电流的磁场〕来进行的，如图1的照片〔课本插图〕，在这里我们不禁要问：为什么要提出这个“中介〞？这个“中介〞的提出是否有点突兀？另一方面，探究过程是不是波及了过多的物理量？〔从表格1可以窥见一斑〕是否还可能有更加通畅而简洁的思路呢？是否可以设计出一个由浅入深、环环相扣、层层递进、总体思路更加通畅的并且易于学生理解和思悟的探究过程？

下面来做一个尝试：首先进行理论探究，也就是通过分析与综合办法提出探究性问题〔原磁场的磁通量的变化与感应电流的磁场的方向之间的关系〕；然后设计探究性实验，对探究的结果进行分析、总结和归纳最后得出楞次定律.

为了提出具体的探究问题，还是要先从本章第二节?探究感应电流的产生条件》开始回忆.

1通过运用分析与综合办法提出探究问题

探究感应磁场的方向〔感应电流磁场的方向〕与原磁场的磁通量变化〔包括不同原磁场方向的所有相关情况〕之间的关系.

在本章第二节我们已经知道：当磁铁插入或者拔出线圈时，也就是穿过线圈的磁通量发生变化的时候，最终会在回路中产生了感应电流，这表明感应电流与穿过闭合电路的磁通量的变化有关.

因为最终产生了感应电流，首先尝试从感应电流的产生原因这一角度入手来思考.

根据闭合电路的欧姆定律，所以感应电流会使人联想起电压和电阻.不过马上就会否认该种想法，因为上述物理概念和规律与本探究物理情境毫不相关，显然这不是探究的方向.

下面尝试从感应电流的各种效应方面入手探究.这包括机械效应、热效应、磁效应和化学效应.稍加分析可知，可能我们可以从电流的磁效应这一方面入手.

至此，我们的问题转化为研究感应电流的磁场的方向.

我们不仅又想起了磁铁的磁场，因为要研究感应电流的方向的问题，现在碰到了两个磁场，自然就会想到研究这两个磁场的方向之间有无关系.

前一节已经告诉我们，要通过研究穿过闭合回路的磁通量的变化来研究.则要探究的问题立刻浮出水面：原磁场和感应电流磁场的磁通量的变化之间有无关系？

对于〔电流或者磁场的〕方向这一方面，我们不能轻易放弃，因为对于物理学科而言，方向至关重要.本节就是要探究出感应电流的方向.

最终探究的问题进一步具体化为：探究感应磁场的方向〔感应电流磁场的方向〕与原磁场的磁通量变化〔包括不同原磁场方向的所有相关情况〕之间的关系.

2建构条形磁铁――螺线管模型

通过对“条形磁铁―螺线管〞模型进行下列四步渐次复杂的实验探究和分析，最终得出楞次定律的内容.

下述前两步探究将使用有共性的两组相同实验仪器，进行比照实验探究.

2.1探究感应磁场的方向与Δ的正负的关系

探究一

如图2所示，在本步所有的操作中，条形磁铁的N极都在下方.分别将磁铁的N极从上端向下插入和从螺线管中向上拔出，〔根据安培定那么由感应电流的方向来判定感应磁场的方向，下同〕然后得到感应磁场的方向.经过分析判定，当磁铁插入螺线管〔即〔〔〔0〕时，感应磁场方向向上；当磁铁拔出螺线圈〔即Δ这表明：在原磁场方向相同的情况下，感应磁场的方向与Δ的正负〔也可以说是穿过螺线管的磁通量的变化〕有关.

2.2探究感应磁场的方向与原磁场的方向的关系

探究二

如图3所示，分别将磁铁的N极和S极都从上方向下插入螺线管，在操作过程中尽量保证穿过螺线管的磁通量的变化量的绝对值相等，察看感应磁场的方向.

经过察看分析可知，当N极插入螺线管时，感应磁场方向向上；当S极插入螺线圈时，感应磁场方向向下.

这表明，在磁通量的变化量的绝对值相等的情况下，感应磁场的方向与原磁场方向有关.

综合以上两步探究的结果，感应磁场的方向与穿过螺线管的磁通量的变化量和原磁场的方向这两个因素有关.

2.3综合归纳得出“增反减同〞的初步结果

探究三重复并扩展探究二的操作步骤.

如图4所示，将磁铁的N极〔和S极〕从上方插入螺线管〔都是插入〕.当N极向下插入螺线管〔即Δ为正〕时，原磁场方向向下，感应磁场的方向向上；当S极向下插入螺线管〔即Δ为正〕时，原磁场方向向上，感应磁场的方向向下.

综合上述两步理论分析发现：不论是N极还是S极，只要插入螺线管，也就是说只要穿过螺线管的磁通量的绝对值在增加，感应磁场的方向就与原磁场的方向相反.

下面继续探究将N极和S极向上拔出螺线管的情况.当N极向上拔出螺线管〔即〔〔为负〕时，原磁场方向向下，感应磁场的方向向下；将磁铁的S极向上拔出螺线管〔即〔〔为负〕时，原磁场方向向上，感应磁场的方向向上.归纳上述两步可以发现：不论是N极还是S极，只要拔出螺线管，也就是说只要穿过螺线管的磁通量的绝对值在减小，感应磁场的方向就与原磁场的方向相同.

将上述的两大步再进一步归纳〔即针对所有插拔情况〕：上述每一种操作都满足下述规律：当〔〔为正时〔磁通量的变化量增加〕，感应磁场与原磁场方向相反；当〔〔为负时〔磁通量的变化量减少〕，感应磁场与原磁场方向相同，也就是“增反减同〞.

2.4运用磁通量的形象标识方式〔磁感线的条数〕进行科学想象.

怎样理解“增反减同〞的现象，这“又增又减〞的外表是否隐藏着统一的物理本质？下面继续进行探究和思考.

探究四：如图5所示，继续分别将N极和S极插入和拔出螺线管，察看感应磁场的方向.

当N极插入螺线圈时，原磁场方向向下，穿过螺线管的磁通量〔下面用磁感线的条数来进行科学想象〕增加，感应磁场方向向上，由于二者方向相反，所以结果是抵消了一局部增加的磁通量，即方向相反的两组磁感线相当于减少了净磁感线的条数.“不让磁通量增加〞.

同理，当N极拔出螺线圈时，螺线管的磁通量减小，感应磁场方向向下，由于二者方向相同，所以结果是补偿了一局部减少的磁通量，即方向相同的两组磁感线的总体效果是：“不让磁通量减少〞.

将S极插入和拔出螺线管的情况与N极的相关情况类似，不再赘述.

总之，“不让磁通量增加〞和“不让磁通量减小〞，都是不想让原来的磁通量发生变化的意思，看来“不想让其变化〞就是增反减同的共性.

考虑感《《磁场的强弱和原磁场的强弱之后，可以说：我们是用一种“局部抵消变化说〞总结了“增反减同〞的共性.

下面再从感应电流的磁场的角度来思考，我们关怀的问题是：到底感应磁场在上述电磁感应的过程中起到了什么作用？

上述的“局部抵消变化〞事实上就是感应电流的磁场妨碍了〔不是完全阻止〕原磁场磁通量的变化.

至此，我们得出最终结论：感应电流的磁场总是要妨碍引起感应电流的磁通量的变化，这就是楞次定律.楞次定律的核心，也是最需要大家记住的是“妨碍〞二字.

综观楞次定律的整个探究过程，结合了双向思维，先进行理论探究，也就是通过分析与综合办法这一物理科学办法提出探究性问题〔原磁场的磁通量的变化与感应电流的磁场的方