一个关于楞次定律的教学模型

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  物理学是研究自然界中物质的基本结构和物体运动的学科。由于物质世界的复杂性,要想细致、准确地研究自然现象,就不可避免地要对现象进行思维的抽象及概括,物理是高中学生普遍反应比较难学的一门学科,传统物理教学模式受到越来越多的挑战。为了方便地研究物理问题和探讨事物的本质,人们通过构建物理理想模型来解决相关问题,而作为科学抽象与概括结果的理想模型,在高中物理教学应用中,其合理的构建将对学生正确分析和解决物理问题产生直接影响。 在物理学研究及学习中,物理模型法就提供了这样一种解决问题的方法,把实际问题进行抽象整理后建构成简单的模型,使问题得以简化解决。物理模型是物理思维加工的产物,是在物理学习过程中知识情景的再现及创造。近年来,模型在高中物理教学中受到越来越多的关注,物理模型对于提高学生成绩具有很大作用。
  【关键词】教学模型;物理学;楞次定律
  我们一再向学生强调建模!所以老师们也会注意到,物理教学过程也极大地依赖于选取合适的教学模型,敦促教学过程具体化和形象化,以期取得良好的教学效果。比如我们开讲速度的合成,多会搬出小船渡河这个模型(如图1),分析运动的合成、分运动的独立性、最短的渡河时间、最短的渡河行程、船的静水速小于水速时的处理方法、并进行一番例如水速变化之类的发散性讨论;如果开讲速度的分解,则常会搬出岸上用绳拉小船的模型(如图2),去领会“实际运动的速度是合速度、按产生何种效果去定分速度”的原则;它们不但现场起了很好的作用,而且会经久不衰,一直予我们以示范作用。
  同样,我们来看一看一个关于楞次定律的教学模型,是否也能起到一定的作用?
  1 模型例举
  这里我们看看图3所示模型,是否能对楞次定律的教学起到一个综合性的启示。
  假设有这样一个磁场,它在水平方向强度不变,而竖直方向强度和方向均有变化。一导体框abcd在外力作用下,始终在此平面内沿虚线运动,请判定对导体框的以下说法正确与否:
  A,在位置Ⅰ有逆时针方向感应电流
  B,在位置Ⅱ感应电流产生的安培力竖直向上
  C,在位置Ⅲ感应电流产生的安培力在速度的反方向上
  D,在位置Ⅳ感应电流的方向与位置Ⅱ相反
  E,在位置Ⅴ感应电流产生的安培力与位置Ⅰ相反
  F,如果要保持导体框沿虚线作匀速运动,则全过程所加外力必须竖直向上
  2 模型使用建议:
  对选项A关于位置Ⅰ或再加上位置Ⅴ,可对楞次定律本身——感应电流产生的磁场,总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化——作一个训练,把其中的四个步骤厘清,再将选项D拿进来作比较,起一个巩固的作用。
  而对楞次定律,我们通常会进一步强调它的广义叙述:“感应电流產生的效果,总是要反抗引起感应电流的原因。”这是因为考虑到“原因”和“结果”的一连串性,如原因A导致原因B再导致原因C(闭合电路的磁通量发生改变),产生效果D(感应电流)进一步产生效果E再产生效果F等,那么我们可以把效果中的任一个与原因中的任一个直接挂起钩来,却跳过了中间的环节,从而达到简约的目的。例如图4,当条磁(但不明确是哪一极在前)沿轴心线向导体圆环靠近时,要判定圆环的运动趋向,按部就班的做法是:假定是N极朝前,导体圆环中的原磁场方向沿轴心线向内——靠近,导体圆环中的磁通量增加——以楞次定律裁定感应电流产生的磁场方向指向外——用安培定则判定感应电流的方向为(正视)逆时针——找有代表性的微元电流,用左手定则判定安培力的作用方向——认定导体圆环应该向内侧摆动——现把条磁的极性反过来,重复一遍上述过程,最后得出结论导体圆环总是向内侧摆动。我们把要求的圆环运动情况作为最终的“效果”,它一定反抗开初的第一原因“靠近”,所以必定向内侧逃逸,也无须管它是N极还是S极去靠近,其简约程度可试而知。
  作为应用,同学们可能会“正确地”把选项E否认掉,但你不必直接戳穿他们的思维基础——安培力和运动方向相反——而重点先去讨论选项B和C,因为通常“效果”反抗“原因”,会把选项C选拔出来。
  这就是楞次定律的再一次提升:我们退回来,让导线框只沿水平方向运动,大家就会清楚地发现,线框中并无磁通量的变化,也就不会产生感应电流,也就无所谓“反抗”之类;只有线框在竖直方向运动,方才会有感应电流而产生的所谓效果,所以我们追究的真正“原因”,是线框竖直向下的分运动,而不是实际运动的本身!那么反抗的“原因”也只能是它,所以安培力应该是竖直向上而不是在斜虚线上。
  然后再可以讨论选项F和E,把这一提升巩固起来。
  如果你想牛刀小试一下,不妨把一个常规的例题变式:匀强磁场在水平方向,一个底边水平导线框通常是垂直磁场进入,现在改为“在恒定外力作用下,如图与水平方向成θ斜向进入”,试分析安培力的方向、进入过程如要保持匀速运动,除导线框的重力以外的那个外力就如何施加?
  在高中阶段所开设的众多课程之中,大多数学生认为物理是较为复杂的一门课程,这种现象的产生导致教师采用的传统教学模式受到了来自于多方面的挑战。随着这几年学科进程的进一步发展,模型这一教学方法在实际教学的过程之中受到了更多的关注,它的出现对于学生物理成绩的提高有很大的帮助,进而也能锻炼学生思维方面的能力,本文通过楞次定律中的问题建立模型进行阐述,希望对学生有所帮助。
  作者单位
  浙江省诸暨荣怀学校 浙江省绍兴市 312000
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