浙江 李志豪

物理復(fù)習(xí)教學(xué)的主要任務(wù)，是引導(dǎo)學(xué)生對(duì)學(xué)過(guò)的知識(shí)進(jìn)行梳理、重構(gòu)、整合，使學(xué)生的學(xué)習(xí)水平得到提升。而使這一目標(biāo)得以達(dá)成的有效途徑，是引導(dǎo)學(xué)生置身于問(wèn)題情境中，通過(guò)對(duì)物理問(wèn)題的分析和討論，實(shí)現(xiàn)知識(shí)與能力的再提高。因此，科學(xué)有效地設(shè)置物理問(wèn)題，是提高物理復(fù)習(xí)教學(xué)效益的重要保證。我們不妨以“楞次定律”這一知識(shí)點(diǎn)的復(fù)習(xí)教學(xué)為例進(jìn)行探討。

“楞次定律”解決的是電磁感應(yīng)方向的問(wèn)題，涉及的知識(shí)主要有右手定則、楞次定律的基礎(chǔ)表述、楞次定律的特殊表述及其能量解釋。學(xué)生在之前的新課學(xué)習(xí)中，一般都局限于對(duì)右手定則、楞次定律的基礎(chǔ)表述的初步理解和簡(jiǎn)單應(yīng)用，還不具備一定的融合能力，學(xué)習(xí)水平還停留在單一結(jié)構(gòu)層面上(理解知識(shí)的含義或知識(shí)的某一方面)和多元結(jié)構(gòu)水平上(能聯(lián)系多個(gè)孤立事件，但不會(huì)融合)。而將多元結(jié)構(gòu)融合在一起，必須通過(guò)復(fù)習(xí)教學(xué)，使學(xué)生正確區(qū)別右手定則和楞次定律，并將楞次定律的基礎(chǔ)表述推廣拓展到特殊表述，使學(xué)生可以從能量守恒的角度來(lái)解釋電磁感應(yīng)現(xiàn)象。從而實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)水平向關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平(能將多個(gè)事件聯(lián)系起來(lái)，掌握多個(gè)規(guī)律的綜合應(yīng)用)和抽象結(jié)構(gòu)水平(能將知識(shí)抽象、擴(kuò)展后進(jìn)行應(yīng)用)的轉(zhuǎn)化。

1.知識(shí)梳理

通過(guò)設(shè)置相關(guān)問(wèn)題，喚醒學(xué)生之前的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，并對(duì)之前的認(rèn)知進(jìn)行補(bǔ)漏。

【問(wèn)題1】如圖1所示，A線(xiàn)圈中通有逆時(shí)針?lè)较虻碾娏鱅，放于A線(xiàn)圈外的B導(dǎo)體環(huán)的a、b兩端用導(dǎo)線(xiàn)連一電流計(jì)G。試判斷當(dāng)A線(xiàn)圈中電流I減弱時(shí)，B導(dǎo)體環(huán)中的感應(yīng)電流方向。

圖1

【分析要點(diǎn)】①確定研究對(duì)象：B導(dǎo)體環(huán)與電流計(jì)G所圍成的閉合回路；②明確原磁場(chǎng)及其方向：A線(xiàn)圈中電流在所選回路中的磁場(chǎng)方向垂直紙面向內(nèi)；③明確原磁通量的變化情況：減??；④判斷感應(yīng)電流I感在所在回路中的磁場(chǎng)B感的方向：由楞次定律可知B感的方向垂直紙面向內(nèi)；⑤判斷感應(yīng)電流I感的方向：由安培定則可知回路中I感的方向?yàn)閎→G→a→b，故B環(huán)中的感應(yīng)電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较颉?/p>

【設(shè)計(jì)意圖】①回顧楞次定律的基本內(nèi)容；②梳理應(yīng)用楞次定律判斷感應(yīng)電流方向的方法和基本步驟；③澄清一些問(wèn)題。比如：楞次定律的研究對(duì)象是什么？(本問(wèn)題中容易選取B導(dǎo)體環(huán)所圍的回路為研究對(duì)象而導(dǎo)致錯(cuò)誤，從而暴露學(xué)生理解上存在的缺陷)，什么是原磁場(chǎng)？感應(yīng)電流的磁場(chǎng)阻礙原磁通量的變化的含義是什么？感應(yīng)電流在何處的磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)同向？等等。

2.知識(shí)關(guān)聯(lián)

理清相關(guān)或相近知識(shí)間的相互聯(lián)系，深化對(duì)物理概念和物理規(guī)律的正確理解，增強(qiáng)認(rèn)知結(jié)構(gòu)中知識(shí)聯(lián)系的緊密性和區(qū)分度，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)水平向關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平的提升。

【問(wèn)題2】如圖2所示，長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)MN中通有電流I，導(dǎo)線(xiàn)框abcd處于導(dǎo)線(xiàn)MN所在的平面內(nèi)。試分別用楞次定律或右手定則判斷下列情況下導(dǎo)線(xiàn)框abcd中的感應(yīng)電流方向：

圖2

(1)當(dāng)電流I增大，導(dǎo)線(xiàn)框分別處在圖中①②③位置時(shí)；

(2)導(dǎo)線(xiàn)框從①位置移向③的過(guò)程中。

【分析要點(diǎn)】本問(wèn)題涉及動(dòng)生和感生兩種形式的感應(yīng)電流，前者楞次定律和右手定則均適用，而后者只能用楞次定律，所以分析時(shí)要著重引導(dǎo)學(xué)生對(duì)兩者作出正確合理的選用。

(1)電流I增大時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流屬于感生電流，只能選用楞次定律判斷出導(dǎo)線(xiàn)框處在①②③位置時(shí)的感生電流方向分別為順時(shí)針、無(wú)電流、逆時(shí)針?lè)较颉?/p>

(2)導(dǎo)線(xiàn)框從①位置移向③位置的過(guò)程中產(chǎn)生的感應(yīng)電流是因?qū)w切割磁感線(xiàn)而產(chǎn)生的感應(yīng)電流，可引導(dǎo)學(xué)生分別用楞次定律和右手定則兩種方法進(jìn)行判斷。分析時(shí)必須注意以下三點(diǎn)：①由于整個(gè)過(guò)程中磁通量的變化情況各個(gè)階段有所不同，因此要分階段進(jìn)行分析；②用楞次定律判斷時(shí)，研究的對(duì)象是一個(gè)回路，對(duì)應(yīng)的是一個(gè)過(guò)程；而右手定則研究的是一段切割磁感線(xiàn)的導(dǎo)體(本問(wèn)題中是ad和bc兩段導(dǎo)體)，對(duì)應(yīng)的是瞬時(shí)感應(yīng)電流；③用右手定則判斷時(shí)，應(yīng)先分別判斷出ad、bc兩段導(dǎo)體中的感應(yīng)電流方向，再根據(jù)它們所處磁場(chǎng)的強(qiáng)弱情況比較兩者感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，由此推斷出整個(gè)線(xiàn)框中的感應(yīng)電流方向。答案為：先順時(shí)針、后逆時(shí)針、再順時(shí)針?lè)较颉?/p>

【設(shè)計(jì)意圖】①使學(xué)生正確區(qū)別右手定則與楞次定律的適用場(chǎng)合、研究對(duì)象、判斷方法以及針對(duì)的是過(guò)程還是瞬時(shí)等方面的不同；②讓學(xué)生體驗(yàn)用右手定則與楞次定律判斷感應(yīng)電流方向的難易情況，學(xué)會(huì)對(duì)右手定則與楞次定律的正確選用。

【問(wèn)題3】如圖3所示，當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)框P從磁鐵的N極正上方沿直線(xiàn)平移到S極正上方的過(guò)程中，導(dǎo)線(xiàn)框P中產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向。

圖3

【分析要點(diǎn)】應(yīng)使學(xué)生明確這是一個(gè)磁場(chǎng)分布情況較為復(fù)雜的情境，產(chǎn)生的是動(dòng)生電流。若選用右手定則判斷，因各段切割磁感線(xiàn)的導(dǎo)體不僅所處磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向各不相同，且隨導(dǎo)線(xiàn)框位置的改變而發(fā)生改變，而難以作出正確的判斷。因此，應(yīng)選用楞次定律判斷導(dǎo)線(xiàn)框中感應(yīng)電流的方向。為此，須畫(huà)出磁鐵上方導(dǎo)線(xiàn)框P經(jīng)過(guò)路徑內(nèi)的磁感線(xiàn)分布圖，由此便可以看出整個(gè)移動(dòng)過(guò)程中穿過(guò)P的原磁通量的變化情況為前后兩個(gè)階段不同。對(duì)線(xiàn)框P經(jīng)過(guò)磁鐵中點(diǎn)上方前、后兩個(gè)階段分別運(yùn)用楞次定律判斷出其中的感應(yīng)電流方向均為俯視逆時(shí)針?lè)较颉?/p>

【設(shè)計(jì)意圖】①在原磁場(chǎng)分布情況較為復(fù)雜的情況下，如何靈活地選用楞次定律和右手定則，是學(xué)生中普遍存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)上述問(wèn)題的意圖，就是要通過(guò)剖析選用右手定則判斷時(shí)會(huì)遇到的麻煩和選用楞次定律的優(yōu)勢(shì)所在，從揭示選用規(guī)律的本質(zhì)出發(fā)，幫助學(xué)生提高靈活選用物理規(guī)律解決問(wèn)題的能力；②使學(xué)生通過(guò)畫(huà)出磁感線(xiàn)的分布圖，清楚地展示復(fù)雜磁場(chǎng)磁通量的變化情況，從而形成通過(guò)畫(huà)示意圖幫助分析問(wèn)題的良好習(xí)慣；③明確當(dāng)涉及的過(guò)程中磁通量變化有多種情況時(shí)，應(yīng)分階段進(jìn)行分析。

3.知識(shí)拓展

將物理知識(shí)擴(kuò)展后進(jìn)行應(yīng)用，豐富學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)水平向抽象水平的提升。

【問(wèn)題4】如圖4所示，同一閉合鐵芯上繞有兩個(gè)線(xiàn)圈L1、L2，L1兩端接一電容器C，L2與兩不計(jì)電阻的平行導(dǎo)軌相連，導(dǎo)軌處于一垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，則當(dāng)放在導(dǎo)軌上的導(dǎo)體棒ab向左加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容器C的哪個(gè)極板帶正電？右邊導(dǎo)軌M、N兩端的電勢(shì)哪點(diǎn)高？

圖4

【分析要點(diǎn)】引導(dǎo)學(xué)生弄清：①ab棒向左加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，在該棒中產(chǎn)生了逐漸增大的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，對(duì)于ab棒和L2線(xiàn)圈組成的回路，ab棒是提供感應(yīng)電流的電源。而在線(xiàn)圈L1中則產(chǎn)生的是感生電動(dòng)勢(shì)，它是提供電容器充電的電源。②分別選用右手定則和楞次定律判斷ab棒和L1中(設(shè)想電容器C兩極板短接時(shí))的感應(yīng)電流方向，再根據(jù)電路知識(shí)確定出a、b(以及導(dǎo)軌M、N)兩端電勢(shì)的高低情況和電容器C兩極板的帶電情況。答案為N端電勢(shì)高，電容器C的上極板帶正電。

【設(shè)計(jì)意圖】本題設(shè)計(jì)了涉及兩種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的情境，其意圖是通過(guò)分析討論使學(xué)生明確：①結(jié)合電路的知識(shí)，將楞次定律和右手定則，拓展到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中電勢(shì)高低問(wèn)題的判斷；②正確區(qū)別運(yùn)用楞次定律和右手定則判斷電勢(shì)高低在適用場(chǎng)合、研究的對(duì)象及判斷方法等方面的異同；③弄清動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)與感生電動(dòng)勢(shì)分別產(chǎn)生于回路的哪一部分。

4.知識(shí)提升

從特殊到一般，從具體到抽象，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理知識(shí)理解層次的進(jìn)一步提升。

【問(wèn)題5】如圖5所示，甲中導(dǎo)體棒ab向右做切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；乙中線(xiàn)框M在磁場(chǎng)B中轉(zhuǎn)動(dòng)；丙中導(dǎo)體圓環(huán)N在逐漸增強(qiáng)的磁場(chǎng)B中；丁中導(dǎo)體圓環(huán)P處在通有逐漸減弱的電流I的磁場(chǎng)中。試分析甲中的導(dǎo)體棒ab、乙中線(xiàn)框M、丙中導(dǎo)體圓環(huán)N、丁中導(dǎo)體圓環(huán)P中產(chǎn)生的感應(yīng)電流受原磁場(chǎng)安培力的方向，并由此總結(jié)感應(yīng)電流與原磁場(chǎng)作用的效果有什么共同特點(diǎn)。

甲

乙

丙

丁

【分析要點(diǎn)】先運(yùn)用右手定則或楞次定律判斷出感應(yīng)電流方向，然后由左手定則判斷出原磁場(chǎng)對(duì)產(chǎn)生感應(yīng)電流的導(dǎo)體所施加的安培力F的方向，由此分析原磁場(chǎng)與感應(yīng)電流相互作用的結(jié)果對(duì)引起產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因總是起阻礙作用。在此基礎(chǔ)上，從能量的角度進(jìn)行分析，得出上述現(xiàn)象是能量守恒運(yùn)用于電磁感應(yīng)的必然結(jié)果。其分析過(guò)程可用下面的框圖表示：

【設(shè)計(jì)意圖】借助于動(dòng)生和感生電流的幾種具體情境，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生就感應(yīng)電流與原磁場(chǎng)作用的效果情況進(jìn)行分析，由此總結(jié)得出楞次定律的另一種更具有普遍意義的表述：感應(yīng)電流與原磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果總是阻礙產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因。從而實(shí)現(xiàn)楞次定律的物理內(nèi)涵由特殊到一般的飛躍。

【問(wèn)題6】圖中M是一個(gè)可以繞垂直于紙面的軸O轉(zhuǎn)動(dòng)的閉合矩形導(dǎo)線(xiàn)框，A、B為兩個(gè)繞在鐵芯上的相同線(xiàn)圈，A、B與電源、滑動(dòng)變阻器連成一個(gè)閉合電路而通有電流，則當(dāng)滑動(dòng)變阻器觸頭P右移時(shí)

( )

圖6

A.如果兩線(xiàn)圈繞向相同，M將從圖示位置逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)

B.如果兩線(xiàn)圈繞向相反，M不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)

C.如果兩線(xiàn)圈繞向相同，M所在平面原處在與鐵芯左右端面平行位置，則M向兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)都有可能

D.M的轉(zhuǎn)動(dòng)方向跟電源極性有關(guān)

【分析要點(diǎn)】引導(dǎo)學(xué)生對(duì)題中涉及的各種情況嘗試先運(yùn)用楞次定律的一般表述判斷M中的感應(yīng)電流方向，再分析其受的安培力方向，由此推斷出線(xiàn)框的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。然后用“結(jié)果阻礙原因”的楞次定律的另一種表述直接判斷出線(xiàn)框的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。正確的選項(xiàng)為AB。

【設(shè)計(jì)意圖】設(shè)計(jì)電源極性、線(xiàn)圈繞向以及線(xiàn)圈平面原來(lái)所處位置的不同情況，引導(dǎo)學(xué)生用楞次定律的兩種表述進(jìn)行分析，從兩種方法運(yùn)用于各種不同的情境的分析比較中體會(huì)用后一種方法的優(yōu)越性，從而使學(xué)生對(duì)楞次定律的理解得到進(jìn)一步的提升。

綜上所述，通過(guò)設(shè)計(jì)上述四個(gè)環(huán)節(jié)、六個(gè)問(wèn)題，在對(duì)問(wèn)題的分析、討論過(guò)程中，進(jìn)行知識(shí)的梳理、引申、拓展和提升，達(dá)到深化理解和系統(tǒng)掌握所學(xué)的知識(shí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)結(jié)構(gòu)的有效建構(gòu)。