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基于微电流放大的“感应电流方向规律探究”的教学设计

  摘 要:本文通过分析教材明确具体的教学任务,以有趣的小实验引入新课,激发学生的好奇心与探究欲望;利用微电流放大原理和发光二极管的单向导通性制作探究实验教具,直观地反映出感应电流的方向;结合自制教具,设置问题情景,引导学生通过运用科学方法突破“理解感应电流的磁场方向与原磁场方向的关系”的教学难点。
关键词:楞次定律;教学设计;探究式教学;微电流放大
中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2017)10-0073-4
探究性课堂教学是基础教育课程改革的主线,因为探究过程是产生创造思维的最佳途径,教学过程的设计必须符合学生的认知发展。“感应电流方向规律探究”的教学过程一般是根据灵敏电流计指针的偏转情况,间接判断感应电流的方向,然后运用右手螺旋定则判断出感应电流的磁场方向,并与原磁场方向对比,总结得出感应电流方向规律即楞次定律的内容。但该教学过程仅仅是在验证楞次定律,并没有体现探究过程,学生不能直观地观察到感应电流的方向,更不能体验到知识产生的过程与方法。本文基于自制的微电流放大的楞次定律探究仪,能直观地观测到感应电流方向,使感应电流的方向探究在实验上更为完整。
1 教学任务分析
1.1 教材分析和学情分析
“楞次定律”这节内容既是上一节“感应电流产生的条件”的进一步延伸,也为下一节“法拉第电磁感应定律”奠定了基础。但本节内容涉及的物理概念与物理规律多而繁,给教师的教和学生的学带来了很大难度。学习该部分内容之前,学生已经初步掌握了研究电磁感应现象的基本方法,并具有一定实验操作、数据分析和总结归纳的能力;但对“电生磁”“磁生電”的现象描述、电磁感应现象的空间想象仍具有一定的困难。
1.2 教学目标和教学重难点分析
通过实验和理论分析,体验“感应电流方向规律”的实验探究过程和基本思路,加深学生对楞次定律内容的理解,并能够熟练地应用楞次定律判断感应电流的方向;通过对感应电流方向的实验探究让学生关注实验现象的个性,找出实验现象的共性,培养学生的抽象思维能力和对实验数据总结归纳的能力,掌握科学探究的基本方法,发展和提高学生的科学素养。
由于感应电流方向的规律不易得出,因此如何设计实验进行科学探究是教学的重点。在实验探究过程中,如何进行科学猜想、数据分析和总结出感应电流的方向规律,同时充分地引导学生理解感应电流的磁场方向与原磁场方向之间的关系是该教学任务的难点。
2 教具设计与优化
由于感应电流的方向不易从实验中直接观察到,在传统的楞次定律探究仪的基础上,将铜管或铝管改为开口的铜环或铝环,在开口处连接电流传感器来观测感应电流,但现象上仍然不够直观。本文中的教具通过发光二极管发出带颜色的箭头表示感应电流的方向,实验现象明显。就能将感应电流的不可见的性质转换为人眼能够直接观察到的物理现象,使学生更清楚、直观地感受其方向,更好地理解楞次定律的本质。
如图1、2所示,该教具利用二极管的正向导通性,将多个发红光的二极管串联后,再与多个串联后的发绿光的二极管并联,最后与线圈相连。由于感应电流较小,不足以使多个二极管发光,于是在电路连接过程中加入微电流放大器使电流放大,其并不会改变电流的方向。当感应电流向下流动时,发红光;当感应电流向上流动时,发绿光。在条形磁铁插入与拔出线圈的过程中,两并联电路会显示出向下或向上的箭头,直观地显示出感应电流的流向。
3 初设情境,引发思考
实验1 如图3,将一根染成黑色的铜管与一根塑料管均竖直放置在规格相同的玻璃片上,然后将两规格相同的金属块分别从两管顶端相同高度由静止释放。
师:观察到什么实验现象?
生:塑料管下端的玻璃片被砸坏了,铜管下端的玻璃片没有被砸坏。
师:是什么原因导致金属块在铜管中下落后没砸坏玻璃片?
设计意图 通过现象明显的对比实验吸引了学生的注意力,对比法的使用激发了学生探究现象产生原因的欲望,从而调动学生学习的积极性,同时也为新课教学做了铺垫,埋下伏笔。
4 提出问题,引发猜想
4.1 复习旧知,提出问题
师:感应电流的产生需要什么条件?
生:当穿过闭合回路的磁通量发生变化时,这个闭合回路中就有感应电流产生。
4.2 观察实验,提出猜想
实验2 如图4,螺线管与电流表连成一个闭合回路,把条形磁铁插入与拔出线圈。提醒学生带着以下问题观察实验现象。
①电流表的指针是否偏转,向哪边偏转?
②电流计指针偏转说明什么,偏转方向不同说明什么?
师:观察到了什么现象?原因是什么?
生:在条形磁铁插入与拔出的过程中指针均发生了偏转,但偏转的方向却不一样。原因是在条形磁铁插入与拔出的过程中,螺线管中磁通量发生了变化,产生了感应电流,所以指针偏转了。
师:说明了什么问题?
生:在条形磁铁插入与拔出的过程中,回路中均可以产生感应电流,但是感应电流的方向却不一样。
师:什么因素影响了感应电流的方向?
生1:与插入和拔出这两个动作有关。
生2:插入与拔出的不同之处在于螺线管中磁通量的变化,所以可能和磁通量的变化有关。
师:很好!下面根据磁通量的变化,将实验分成N极向下插入螺线管、S极向下插入螺线管、N极向上拔出螺线管、S极向上拔出螺线管,分组实验,将实验结果填入在表1中。
师:从磁通量的变化分析实验数据,能得出什么结论?影响感应电流的因素有哪些?
生1:原磁通量变化相同时,原磁场方向不同,感应电流方向不同。

师:猜想1:原磁场的方向是影响感应电流方向的因素。
生2:原磁场方向相同时,原磁通量变化不同,感应电流方向不同。
师:猜想2:原磁通量的变化是影响感应电流方向的因素。
师:非常好!下面我们根据原磁通量变化的两种情况,通过自制教具进一步探究原磁场的方向和原磁通量的变化与感应电流方向之间具体的关系。
【设计意图】 教师演示,让学生有目的地观察电流表指针的偏转情况,并将实验结果记录在表格中,在演示和学生观察的过程中恰当地发挥教师的主导作用。针对观察结果对学生的实验观察能力进行评价,激发学习的成就感,有目的地觀察保证了实验的有效性;针对实验结果进行有效提问,引导学生分析实验数据,得出实验结论,体现了教师的主导作用和学生的主体地位。

 
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