發(fā)掘教材資源探尋規(guī)律本質(zhì)體驗科學方法[文檔資料]

發(fā)掘教材資源探尋規(guī)律本質(zhì)體驗科學方法 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 人教版高中物理教科書物理選修 3-2 第 11 頁在介紹楞次定律時有這樣一段旁白：一個實驗結(jié)論形成后，我們常常需要從理論上審視它，它不應該跟已有的理論相矛盾 .否則，或者是過去的理論存在問題，或者是做這個實驗時出了差錯 .這也是一種形式的評估 .學習到這里，學生都很想知道從什么理論角度來審視楞次定律，從而對楞次定律進行評估 .本文從楞次定律的三種表現(xiàn)形式入手，帶領學生探尋楞次定律的本質(zhì) ，從而讓學生體驗科學方法的奧妙，形成正確的科學價值觀 . 1 楞次定律的三種表現(xiàn)形式 俄國物理學家楞次在電磁學領域作出了杰出貢獻，他在安培電動力學和法拉第電磁感應現(xiàn)象研究的基礎上，結(jié)合大量實驗事實提出：感應電流方向具有這樣的特征，即感應電流的磁場總是要阻礙引起感應電流的磁通量的變化 .一般而言楞次定律有三種典型表現(xiàn)形式，通過對三種典型表現(xiàn)形式的分析，可以深刻體會楞次定律的含義 . 1.1 增反減同 當穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化時，可以用 “ 增反減同 ” 判斷感應電流的磁場與原磁場 方向之間的關(guān)系 .當原磁通量增加時，感應電流的磁場要阻礙原磁通量增加，方向與原磁場方向相反；當原磁通量減小時，感應電流的磁場要阻礙原磁通量減小，方向與原磁場方向相同 . 例題 1 如圖 1 所示，水平放置的長方形線圈 abcd，在條形磁鐵 N 極附近豎直下落，從圖中的位置 經(jīng)過位置 到位置 ，位置 和 都很靠近 . 在這個過程中，線圈中感應電流 A.沿 abcd 流動 B.沿 dcba 流動 C.由 到 是沿 abcd 流動，由 到 是沿 dcba 流動 D.由 到 是沿 dcba 流動，由 到 是沿 abcd 流動 思路分析本題考查用楞次定律對閉合回路中感應電流方向的判斷 .關(guān)鍵是要分析清楚矩形線圈由位置 到位置 和由位置 到位置 兩過程中，穿過線圈的磁感應線方向相反 .由條形磁鐵的磁感應線分布可知，線圈經(jīng)過位置 時磁通量為零，線圈從位置 到位置 的過程中，磁通量向上且大小在減小，線圈從位置 到位置 ，磁通量向下且大小在增加，根據(jù)楞次定律可知感應電流的磁場方向向上，所以線圈中感應電流方向應該沿 abcd 流動 . 點評明確穿過閉合回路的磁通量向什么方向怎樣變化，然后根據(jù) “ 增反減同 ” 判斷感應電流磁場的方向 ，再根據(jù)右手螺旋定則得到感應電流的方向 . 1.2 來拒去留 當導體與磁場發(fā)生相對運動的情形時，可以用 “ 來拒去留 ” 判斷導體中感應電流在磁場中受到的安培力對導體運動的影響 .當導體靠近磁場時，安培力阻礙導體靠近磁場；當導體遠離磁場時，安培力阻礙導體離開磁場 . 例題 2 如圖 2 所示，粗糙水平桌面上放置一質(zhì)量為 m的金屬長方形線圈 .當一豎直放置的條形磁鐵快速從線圈中軸線 AB 正上方經(jīng)過時，如果線圈始終不動，則線圈受到水平桌面的支持力 FN 以及線圈在水平方向運動趨勢的正確判斷是 A.FN 先小 于 mg 后大于 mg，運動趨勢向左 B.FN 先大于 mg 后小于 mg，運動趨勢向左 C.FN 先小于 mg 后大于 mg，運動趨勢向右 D.FN 先大于 mg 后小于 mg，運動趨勢向右 思路分析條形磁鐵向右通過線圈過程中，從條形磁鐵相對線圈運動角度看，水平方向先靠近再遠離，因此條形磁鐵與線圈水平方向上先相互排斥再相互吸引；豎直方向同樣是先靠近再遠離，同理在豎直方向上條形磁鐵與線圈先相互排斥再相互吸引 .因此線圈受到水平桌面的支持力 FN 先大于mg 后小于 mg，水平方向運動趨勢始終向右 . 點評 “ 來拒去留 ” 反映了磁體與線圈之間發(fā)生相對運動時，感應電流受到的安培力對相對運動的阻礙作用 .是一種很巧妙的解題技巧 . 1.3 增縮減擴 當穿過閉合回路的磁感應強度發(fā)生變化時，可以用“ 增縮減擴 ” 判斷閉合回路有效面積的變化趨勢 .當磁感應強度增強時，閉合回路的有效面積有縮小趨勢阻礙磁通量的增加；當磁感應強度減弱時閉合回路的有效面積有增大趨勢阻礙磁通量的減小 . 例題 3 如圖 3 所示， ab 是一個可以繞垂直于紙面的軸O 自由轉(zhuǎn)動的閉合長方形導線框，當滑動變阻器 R 的滑片從左向右滑動過程中，試判斷 線框 ab 的運動情況是 A.保持靜止不動 B.逆時針轉(zhuǎn)動 C.順時針轉(zhuǎn)動 D.發(fā)生轉(zhuǎn)動，由于不明確電源極性，無法確定轉(zhuǎn)動方向 思路分析由圖示電路，當滑動變阻器的滑片向右滑動時，電路中的電阻增大，電流減弱，則穿過閉合導線框 ab 的磁通量將減小，根據(jù)楞次定律，線框 ab 將順時針轉(zhuǎn)動，使得與磁感應線垂直的投影面積增大，從而增大穿過線圈的磁通量，以阻礙原磁通量的減小 .此題與電源的極性是否明確無關(guān) . 點評 “ 增縮減擴 ” 巧妙地反映了磁感應強度發(fā)生變化時，線圈有效面積變化的趨勢，體現(xiàn)了楞次定律 “ 阻礙 ” 的深意 . 2 從能量守恒定律角度審視楞次定律 能量守恒定律是自然界的普適規(guī)律，對自然科學有著極其重要的指導性作用 .楞次定律的本質(zhì)可以理解為能量守恒定律在電磁現(xiàn)象中的具體表現(xiàn) .感應電流的磁場總是阻礙引起感應電流的原磁場磁通量的變化，為了維持原磁場磁通量的變化，就必須存在外部作用，這種外部作用將克服感應電流的磁場阻礙做功，從而將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為感應電流的電能，因此楞次定律中阻礙從本質(zhì)上反映的是能量轉(zhuǎn)化與守恒的過程 . 2.1 磁場變化引起感生電動勢 如圖 4 所示，原磁 場磁感應強度 B 向上增加，根據(jù)楞次定律可知感應電流的磁場方向向下，阻礙原磁場磁通量的增加 .如果感應電流產(chǎn)生的磁場方向向上，引起感應電流的原磁場磁通量變化將得到加強，那么一旦出現(xiàn)感應電流，原磁場磁通量變化將加強并進一步增加產(chǎn)生的感應電流，感應電流又將使得原磁場磁通量變化加強，如此循環(huán)感應電流不斷增加，最終趨向于無窮大 .如果上述過程能夠成立，那么只需開始提供一個微小的磁通量變化便可以得到無限大的感應電流，這顯然是違背能量守恒定律的 .楞次定律指明感應電流的磁場必然阻礙原磁通量的變化，感應電流具有的能量通過這種阻礙作 用從外界獲取 .如果線圈中要維系感應電流的存在，那么原磁場磁通量就必須保持一定的變化率，具體可以分為兩種情形討論，若原磁場磁通量以一定的變化率減小，則磁場能轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘娏骶哂械哪芰浚蝗粼艌龃磐恳砸欢ǖ淖兓试黾?，則外界提供能量轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾拥拇艌瞿芎透袘娏骶哂械哪芰?. 2.2 導體棒切割磁感應線引起動生電動勢 如圖 5 所示，導體棒 MN 以初速度 v0 沿光滑平行導軌PP 和 QQ 向右運動，導體棒切割磁感應產(chǎn)生的感應電流方向由 NM ，導體棒受到的安培力方向向左，與運動方向相反，導體棒做減速運動直至靜 止，在此過程中導體棒動能轉(zhuǎn)變?yōu)榛芈分挟a(chǎn)生的焦耳熱，遵循能量守恒定律 .如果導體棒中的感應電流方向由 MN ，則導體棒受到的安培力方向向右，導體棒做加速運動使得產(chǎn)生的感應電流增加，從而安培力繼續(xù)增大，如此循環(huán)導體棒將不斷加速，動能持續(xù)增加直至無窮大，同時電路中產(chǎn)生的焦耳熱也不斷增加，然而在此過程中外界并沒有提供能量，如果上述假設成立，那么只需給導體棒一個很小的初動能，導體棒最終將獲得無限大的動能，這顯然是違背能量守恒定律的 .因此楞次定律表明導體棒受到的安培力必然是阻礙導體棒相對磁場運動的，從而將外界能量轉(zhuǎn)變?yōu)榛芈?中的焦耳熱 .同理如果導體棒 MN 在外力 F 作用下由靜止開始向右運動，感應電流受到的安培力仍然向左阻礙導體棒相對磁場的運動，根據(jù)牛頓第二定律可以得出導體棒將做加速度減小的加速運動，最終達到穩(wěn)定速度做勻速運動 .在此過程中外力做正功將外界能量轉(zhuǎn)變?yōu)閷w棒的動能和回路中產(chǎn)生的焦耳熱，依然遵循能量守恒定律 . 2.3 閉合線圈在勻強磁場中轉(zhuǎn)動 閉合線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動是交流發(fā)電機的基本原理，線圈在轉(zhuǎn)動過程中將產(chǎn)生正弦式感應電流，楞次定律表明線圈中的感應電流在磁場中受到的安培力方向與轉(zhuǎn)動 方向相反，阻礙線圈相對磁場的轉(zhuǎn)動 .如果安培力方向與轉(zhuǎn)動方向一致，那么同樣只需提供線圈一個很小的初始動能，在安培力作用下線圈轉(zhuǎn)動將越來越快，產(chǎn)生的感應電流越來越大，安培力越來越大，如此循環(huán)線圈轉(zhuǎn)動將持續(xù)加快直至無窮大而不需要外界提供能量，很顯然這也是違背能量守恒定律的 .事實上安培力應阻礙線圈轉(zhuǎn)動，因此為了維持線圈勻速轉(zhuǎn)動，必然需要外界提供驅(qū)動力克服安培力做功，從而將外界能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫€圈中產(chǎn)生感應電流的能量 . 綜合上述問題表明：楞次定律的各種表現(xiàn)形式最終都與能量守恒定律相一致 .所以楞次定律的理論實質(zhì)就是 產(chǎn)生感應電流的過程都必須遵循能量守恒定律，是能量守恒定律在電磁感應現(xiàn)象中的具體表現(xiàn) . 3 對楞次定律表現(xiàn)形式的哲學思考 楞次定律所表現(xiàn)出的感應電流的磁場總是阻礙引起感應電流的原磁通量變化，可以從系統(tǒng)論角度進行哲學理解 .如果把楞次定律的研究對象 (閉合線圈 )作為一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)與外界會通過各種方式發(fā)生交互，從而處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài) .系統(tǒng)的穩(wěn)定性原理指出，在外界作用下系統(tǒng)具有一定的自我穩(wěn)定能力，能夠在一定范圍內(nèi)自我調(diào)節(jié)從而保持和恢復原來的有序狀態(tài)、保持和恢復原有的結(jié)構(gòu)和功能 .當外界環(huán)境發(fā)生 變化導致系統(tǒng)平衡狀態(tài)被打破時，系統(tǒng)應具有 “ 阻礙 ” 引起平衡狀態(tài)改變的因素，從而維持一種趨向于原有平衡狀態(tài)的趨勢 .在楞次定律中，對于閉合線圈這一系統(tǒng)來講，“ 穿過閉合線圈的磁通量變化 ” 是外界對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，“ 感應電流的磁場總是要阻礙引起感應電流的原磁通量變化 ” 則是系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)具有阻礙引起系統(tǒng)平衡改變的因素，從而維持原有平衡狀態(tài)的具體體現(xiàn) .結(jié)合法拉第電磁感應定律可以看出，磁通量的變化率越大即外界影響越強烈，那么系統(tǒng)產(chǎn)生的阻礙因素即感應電流的磁場則越強 . “ 系統(tǒng)具有阻礙引起系統(tǒng)平衡狀態(tài)改變的因素 ” ，這種哲 學關(guān)系不僅在楞次定律中有所體現(xiàn)，從系統(tǒng)論角度進行哲學思考的方式，已經(jīng)得到了當代科學家們的廣泛認同，在自然科學、人文和社會科學中都得到了廣泛應用，它改變了人類認識世界的科學圖景 .比如 19 世紀 80 年代法國化學家勒夏特列發(fā)現(xiàn)的勒夏特列原理：在一個已經(jīng)達到平衡的化學反應中，如果影響平衡的條件發(fā)生改變，平衡將向著能夠減弱這種改變的方向移動 .上升到系統(tǒng)論的哲學高度該原理與楞次定律所闡述的哲學邏輯驚人地相似，平衡將向著能夠減弱這種改變的方向移動即 “ 系統(tǒng)將產(chǎn)生阻礙引起系統(tǒng)平衡狀態(tài)改變的因素 ”. 這種邏輯關(guān)系或許是自然界一種最 根本的特性，任何一個系統(tǒng)如果不產(chǎn)生阻礙引起系統(tǒng)平衡狀態(tài)改變的因素，這個系統(tǒng)就永遠不會達到新的平衡狀態(tài)，外界引起的系統(tǒng)改變將不斷地持續(xù)進行下去，那么一切自然現(xiàn)象、社會現(xiàn)象都將失去原有的平衡趨向于無序，這樣看來楞次定律具有這樣的表現(xiàn)形式絕非偶然 . 新課程理念倡導從物理走向社會，培養(yǎng)學生正確的科學態(tài)度、科學方法和科學價值觀，為學生的終身發(fā)展打下