基于“磁滞刹车”现象展开的关于楞次次定律教学的新思路.docVIP

第 PAGE 页 基于“磁滞刹车”现象展开关于楞次定律教学新思路 　　1 前 言 　　国际青年物理学家竞赛（IYPT）由前苏联在1988年发起，由大学或中学组织实施、中学生参与，是一项以团队对抗为形式物理竞赛。它以培养参赛者创新意识、创新能力、协作精神与实践能力为根本理念。近年来，该比赛被引进国内，由于国内外教学模式不同，该比赛在国内最先是由大学生参与，这就是我们熟知中国大学生物理学术竞赛（CUPT），至今已成功举办五届。最近两年，在该比赛模式以及大学生竞赛中逐渐完善后，此形式逐渐进入高中平台，在江苏、天津、北京等地已经开展。在北京地区举办北京市高中生物理实践性活动已经成功举办两届，在今年已有来自12所高中18支代表队参与，可见此比赛发展之迅速。于是笔者开始有了关注此比赛一些念头。 　　写作本文想法，源自2019年IYPT所提出一个问题――“磁滞刹车”，即在一个竖直放置非铁磁性管中（如铜管）放入一个磁铁，相比于自由落体磁铁会很缓慢下落。初步看到这个问题时候，不难想象，这就是楞次定律体现，这样贴近高中教学内容承担在如此实际又有趣现象上不免让人觉得眼前一亮。于是有了将该现象及其剖析性实验内容与高中教学相结合想法。由于该比赛引入国内，先进入是大学生竞赛圈，于是笔者联系在北京师范大学曾经对“磁滞刹车”这一问题有过剖析并发表文章本科生马宇翰以及赵芸赫共同完成此文，以求将教学与剖析这两点更好结合。 　　通过对该比赛一些了解不难发现，大多学生参加该类比赛两个困难在于：首先，时间缺乏，在高中阶段较多课业，很难再抽出时间从事额外剖析性学习。其次，便是很难将所学物理学知识迁移到这一类实际问题中，即很难实现学以致用。那么，如何解决这样问题呢？通过“磁滞刹车”现象在楞次定律教学中应用尝试，我们想要提供解决这个问题一种试验性方案。在课堂教学中，渗透该类实际问题同时，通过由该问题衍生一系列趣味实验吸引学生注意。在完成该内容学习后，使得学生依然有兴趣进行进一步剖析。当然，相应内容要求教师辅以指导。 　　总来说，想要结合剖析性竞赛与教学需要教师做到4个字：“激发、引导”。激发是指在相应教学内容完成同时，通过实际问题提出与有趣演示实验抓住学生好奇心。引导是指在课后对所培养学生好奇心进行正确引导，帮助学生完成课外剖析性实验，实现知识在实际问题中迁移。同时，也更好地体会到了课堂所学物理原理实质，真正做到学以致用。 　　2 教学过程创新与课后剖析性学习设计 　　2.1 新课引入――磁铁吸铝魔术 　　这是一个能引起学生思维冲突实验，磁铁能吸引是铁钴镍等铁磁性金属，而对于铝是不吸引。如图1，我们在一个底座上固定一个玻璃管作为隔离管，在玻璃管外面套一个铝管，将带有手柄柱状磁铁插入玻璃管内，这样可以在后续操作中避免磁铁与铝管间摩擦力影响。当向外抽出磁铁后，铝管会跳起，就像被磁铁所吸引起来一样。原理即是，铝管作为导体可看做一圈圈闭合回路，磁铁拔出，铝管中磁通量改变产生感应电流。楞次定律则告诉我们铝管会向着阻碍磁通量变化状态改变。于是拔出速度达到一定值，产生吸引力大于铝管重力时，铝管就跳起了。 　　通过这样一个小魔术，学生在教师引导下体会磁铁不动不吸引，磁铁抽出就吸引这一现象，得到吸引力产生与磁铁与铝管间相对运动有关结论，为后续演示实验作铺垫。 　　2.2 演示实验――概念深入理解 　　2.2.1 铝管车运动 　　在刚才魔术中，磁铁相对铝管运动是单向，为了配合楞次定律判断电流方向实验教学，即让学生体会到磁通量不同变化方式会使感应电流方向不同，我们设计了实验（如图2）。 　　在一个可以滑动小车上固定一个铝管，用柱状磁铁非接触式插入、拔出铝管。可以看到，当磁铁插入与拔出时，小车相应地远离磁铁与跟随磁铁运动。小车从静止到运动，这一运动方向就可表明铝管受力方向，从而说明磁通不同变化方式产生力方向不同，进而说明铝管内感应电流方向不同。 　　2.2.2 托盘秤指针偏转判断电流方向 　　为了进一步体会楞次定律，我们在铝管车基础上，设计了这一实验。如图3，在托盘秤托盘上放置一铜管，然后放置好后调零托盘秤，此时托盘秤指针指向0点。将带把磁铁插入拔出铜管，将会看到托盘指针偏转，偏转方向可以反映出铜管受力情况，即可以反映出感应电流方向（需要知道插入是N极还是S极）。 　　我们以N级插入为例，图中将会有逆时针感应电流出现，此时指针右偏，也就是当N极插入时，我们看到指针右偏，可以说明感应电流方向为逆时针。相反，拔出时看到指针左偏，说明感应电流方向为顺时针。当S极插入与拔出时，得到结论与上述过程相反。 　　偏转大小与插入拔出铜管速度是相关，因为拔出速度决定了管中磁通量变化速度，决定了感应电流大小也就决定了吸引与排斥力大小。 　　2.3 “磁滞刹车”现象及其剖析性实验设计