基于“磁滯剎車”現(xiàn)象展開的關(guān)于楞次定律教學(xué)的新思路

基于“磁滯剎車”現(xiàn)象展開的關(guān)于楞次定律教學(xué)的新思路基于“磁滯剎車〞現(xiàn)象展開的關(guān)于楞次定律教學(xué)的新思路

中圖分類號：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-6148〔2022〕6-0004-4

1前言

國際青年物理學(xué)家競賽〔IYPT〕由前蘇聯(lián)在1988年發(fā)起，由大學(xué)或中學(xué)組織實(shí)施、中學(xué)生參與，是一項(xiàng)以團(tuán)隊反抗為形式的物理競賽。它以培養(yǎng)參賽者的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力、協(xié)作精神和實(shí)踐能力為基本理念。近年來，該比賽被引進(jìn)國內(nèi)，由于國內(nèi)外的教學(xué)模式不同，該比賽在國內(nèi)最先是由大學(xué)生參與的，這就是我們熟知的中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽〔CUPT〕，至今已成功舉辦五屆。最近兩年，在該比賽模式以及大學(xué)生競賽中逐漸完善后，此形式逐漸進(jìn)入高中平臺，在江蘇、天津、北京等地已經(jīng)發(fā)展。在北京地區(qū)舉辦的北京市高中生物理實(shí)踐性活動已經(jīng)成功舉辦兩屆，在今年已有來自12所高中的18支代表隊參與，可見此比賽的開展之迅速。于是筆者開始有了關(guān)注此比賽的一些念頭。

寫作本文的想法，源自2022年IYPT所提出的一個問題――“磁滯剎車〞，即在一個豎直放置的非鐵磁性的管中〔如銅管〕放入一個磁鐵，相比于自由落體磁鐵會很遲緩的下落。初步看到這個問題的時候，不難想象，這就是楞次定律的體現(xiàn)，這樣貼近高中教學(xué)的內(nèi)容承當(dāng)在如此實(shí)際又有趣的現(xiàn)象上不免讓人覺得眼前一亮。于是有了將該現(xiàn)象及其探究性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與高中教學(xué)相結(jié)合的想法。由于該比賽引入國內(nèi)，先進(jìn)入的是大學(xué)生的競賽圈，于是筆者聯(lián)系在北京師范大學(xué)曾經(jīng)對“磁滯剎車〞這一問題有過探究并發(fā)表文章的本科生馬宇翰以及趙蕓赫共同完成此文，以求將教學(xué)和探究這兩點(diǎn)更好的結(jié)合。

通過對該比賽的一些了解不難發(fā)現(xiàn)，大多學(xué)生加入該類比賽的兩個困難在于：首先，時間的不足，在高中階段較多課業(yè)，很難再抽出時間從事額外的探究性學(xué)習(xí)。其次，便是很難將所學(xué)的物理學(xué)知識遷移到這一類實(shí)際問題中，即很難實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用。則，如何解決這樣的問題呢？通過“磁滯剎車〞現(xiàn)象在楞次定律教學(xué)中的應(yīng)用嘗試，我們想要提供解決這個問題的一種試驗(yàn)性計劃。在課堂教學(xué)中，滲透該類實(shí)際問題的同時，通過由該問題衍生的一系列趣味實(shí)驗(yàn)吸引學(xué)生注意。在完成該內(nèi)容的學(xué)習(xí)后，使得學(xué)生依然有興趣進(jìn)行進(jìn)一步探究。當(dāng)然，相應(yīng)的內(nèi)容要求教師輔以指導(dǎo)。

總的來說，想要結(jié)合探究性的競賽和教學(xué)需要教師做到4個字：“激發(fā)、引導(dǎo)〞。激發(fā)是指在相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容完成的同時，通過實(shí)際的問題提出與有趣的演示實(shí)驗(yàn)抓住學(xué)生的好奇心。引導(dǎo)是指在課后對所培養(yǎng)的學(xué)生的好奇心進(jìn)行正確的引導(dǎo)，幫忙學(xué)生完成課外的探究性實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)知識在實(shí)際問題中的遷移。同時，也更好地體會到了課堂所學(xué)物理原理的實(shí)質(zhì)，真正做到學(xué)以致用。

2教學(xué)過程的創(chuàng)新與課后探究性學(xué)習(xí)的設(shè)計

2.1新課引入――磁鐵吸鋁魔術(shù)

這是一個能引起學(xué)生思維沖突的實(shí)驗(yàn)，磁鐵能吸引的是鐵鈷鎳等鐵磁性金屬，而對于鋁是不吸引的。如圖1，我們在一個底座上固定一個玻璃管作為隔離管，在玻璃管外面套一個鋁管，將帶有手柄的柱狀磁鐵插入玻璃管內(nèi)，這樣可以在后續(xù)操作中防止磁鐵與鋁管間摩擦力的影響。當(dāng)向外抽出磁鐵后，鋁管會跳起，就像被磁鐵所吸引起來一樣。原理即是，鋁管作為導(dǎo)體可看做一圈圈的閉合回路，磁鐵拔出，鋁管中的磁通量改變產(chǎn)生感應(yīng)電流。楞次定律那么告訴我們鋁管會向著妨礙磁通量變化的狀態(tài)改變。于是拔出速度到達(dá)一定值，產(chǎn)生的吸引力大于鋁管重力時，鋁管就跳起了。

通過這樣一個小魔術(shù)，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下體會磁鐵不動不吸引，磁鐵抽出就吸引這一現(xiàn)象，得到吸引力的產(chǎn)生與磁鐵與鋁管間的相對運(yùn)動有關(guān)的結(jié)論，為后續(xù)演示實(shí)驗(yàn)作鋪墊。

2.2演示實(shí)驗(yàn)――概念的深入理解

2.2.1鋁管車的運(yùn)動

在剛剛的魔術(shù)中，磁鐵相對的鋁管運(yùn)動是單向的，為了配合楞次定律判斷電流方向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即讓學(xué)生體會到磁通量的不同變化方式會使感應(yīng)電流方向不同，我們設(shè)計了實(shí)驗(yàn)〔如圖2〕。

在一個可以滑動的小車上固定一個鋁管，用柱狀磁鐵非接觸式插入、拔出鋁管?？梢钥吹?，當(dāng)磁鐵插入和拔出時，小車相應(yīng)地遠(yuǎn)離磁鐵和跟隨磁鐵運(yùn)動。小車從靜止到運(yùn)動，這一運(yùn)動的方向就可說明鋁管受力的方向，從而表明磁通的不同變化方式產(chǎn)生的力方向不同，進(jìn)而表明鋁管內(nèi)感應(yīng)電流方向不同。

2.2.2托盤秤指針偏轉(zhuǎn)判斷電流方向

為了進(jìn)一步體會楞次定律，我們在鋁管車的根底上，設(shè)計了這一實(shí)驗(yàn)。如圖3，在托盤秤的托盤上放置一銅管，然后放置好后調(diào)零托盤秤，此時托盤秤的指針指向0點(diǎn)。將帶把的磁鐵插入拔出銅管，將會看到托盤指針的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的方向可以反映出銅管的受力情況，即可以反映出感應(yīng)電流方向〔需要知道插入的是N極還是S極〕。

我們以N級插入為例，圖中將會有逆時針的感應(yīng)電流出現(xiàn)，此時指針右偏，也就是當(dāng)N極插入時，我們看到指針右偏，可以表明感應(yīng)電流方向?yàn)槟鏁r針。相反，拔出時看到指針左偏，表明感應(yīng)電流方向?yàn)轫槙r針。當(dāng)S極插入和拔出時，得到的結(jié)論與上述過程相反。

偏轉(zhuǎn)的大小與插入拔出銅管的速度是相關(guān)的，因?yàn)榘纬鏊俣葲Q定了管中磁通量的變化速度，決定了感應(yīng)電流的大小也就決定了吸引和排斥力的大小。

2.3“磁滯剎車〞現(xiàn)象及其探究性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計

2.3.1“磁滯剎車〞現(xiàn)象的能量解釋

我們通過學(xué)生已經(jīng)學(xué)過的能量守恒的角度，對“磁滯剎車〞現(xiàn)象進(jìn)行理論的分析，以此闡釋為什么磁鐵落入銅管或鋁管后速度會變慢〔相對于自由落體〕，整個過程中不考慮空氣阻力。我們?nèi)粲袃蓚€相同的磁鐵質(zhì)量為m，以及幾何尺寸相同的銅管和玻璃管各一根，長度為H，重力加速度為g。將磁鐵分別從管口扔入兩個管中，我們來分析這兩個過程中能量的變化。我們把H視作可變量，那么在任意高度成立，表明銅管中運(yùn)動的磁鐵在任意高度的速度都會小于同樣高度處的玻璃管對應(yīng)的運(yùn)動的磁鐵。這就從高中所學(xué)到的能量守恒的角度解釋了“磁滯剎車〞現(xiàn)象。

2.3.2探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計

我們采用文章[4]中提出的探究“磁滯剎車〞現(xiàn)象的裝置來作為本研究性實(shí)驗(yàn)的根底，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

該裝置用電磁鐵釋放磁鐵防止手釋放的干擾，配重能在保證磁場相同的條件下調(diào)節(jié)磁鐵質(zhì)量，做到了控制變量的要求。

如何測量磁鐵的運(yùn)動曲線并最終與理論預(yù)測匹配是學(xué)生自主設(shè)計的局部，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考如下問題以完成設(shè)計：1〕為了防止鐵磁性材料對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的影響，實(shí)驗(yàn)過程中對于銅管的固定等問題要注意什么；2〕實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑槎刻骄看朋w的運(yùn)動，這需要排除每次用手釋放磁鐵的不確定因素，則應(yīng)采用何種方式釋放磁鐵；3〕有關(guān)調(diào)節(jié)磁鐵的初速度的問題，讓學(xué)生回憶課堂上教師在管與磁鐵間用玻璃管隔離的方式，發(fā)揮玻璃管在此處的作用；4〕磁鐵在管內(nèi)的運(yùn)動我們看不到，是否可以將其轉(zhuǎn)化為其他我們可以抓拍的物體的運(yùn)動；5〕如何在實(shí)驗(yàn)中辨別開空氣阻力和磁滯阻力的影響，等等。由此啟發(fā)學(xué)生設(shè)計實(shí)驗(yàn)。

3總結(jié)與展望

本文以“磁滯剎車〞現(xiàn)象在楞次定律教學(xué)中的應(yīng)用為例，找到了適合高中階段教學(xué)與探究性物理競賽的聯(lián)系點(diǎn)。文中所提及的3個以鋁管或銅管作為主體的演示實(shí)驗(yàn)，能較好地抓住學(xué)生的興趣。文章通過對能量守恒定律的運(yùn)用，解釋了“磁滯剎車〞現(xiàn)象，表明了磁鐵速度減慢是能量守恒的要求。