可视与定量视角下楞次定律实验的创新设计

　　一、问题的提出

　　《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》对“科学探究：感应电流的方向”的要求是：探究影响感应电流方向的因素，理解楞次定律。现行主流教材（如人教版、鲁科版、粤教版）所采用的实验方案，均依赖电流计指针偏转间接判断感应电流方向，进而推断感应电流的磁场方向，其共性问题是过程烦琐。以鲁科版教材实验为例（图1），学生通过将磁铁不同磁极插入或拔出螺线管，观察电流计指针偏转方向，判断感应电流方向，再依据感应电流方向及线圈绕向推断感应电流的磁场方向。实验涉及原磁场、电流计指针偏转方向、线圈绕向、感应电流的磁场和磁通量变化等，复杂的多因素分析使得学生难以自主发现楞次定律的核心关系——“感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化”。因此，教师亟须改进实验设计，直观呈现感应电流的磁场方向及其与原磁场方向的关系。教师可通过直观展现实验现象、创设生动实验情景、递进设置实验问题培养学生科学思维素养[1]。教师作为教学活动的主导者，要充分利用教材中已有的实验资源，设计一些创新性的实验以解决个别实验取材操作不便、实验效果不明显等问题，以弥补教材的不足，帮助学生构建一些重要的物理概念和物理规律。本文从实验改进和探究流程优化两个维度出发，提出一种兼具直观性与定量化特征的楞次定律探究实验方案。

　　二、实验难点分析

　　

　　

　　教材实验难以直观得出楞次定律，主要存在以下两个关键难点：其一，磁场方向判断间接且烦琐。如图2，学生需通过电流计指针偏转推断电流方向，再结合螺线管上漆包线的绕向（应用右手螺旋定则）判断感应电流的磁场B'的方向（实验无法直接呈现磁场方向，多环节间接判断过程易出错）。其二，“阻碍”关系缺乏定量依据。实验仅能定性探究感应电流的磁场B'与原磁场B的方向关系，无法定量比较二者大小，导致学生难以深刻理解“阻碍”的物理内涵（即“阻碍变化”而非“阻止变化”）。

　　三、创新实验设计与器材组装

　　针对上述难点，本文提出以下解决方案。

　　（一）磁场方向直观化设计：双线圈串联与小磁针偏转

　　如图3所示，将两个相同的线圈串联起来，线圈A（感应线圈）用于产生感应电流，线圈B（显示线圈）用于显示感应电流的磁场。两线圈尽量远离，避免磁场的相互干扰。

　　

　　当条形磁铁插入或拔出线圈A时，产生的感应电流同时流经线圈A和B，因此在两线圈内部产生相同的磁场。将小磁针置于线圈B中，其偏转方向直接指示线圈B内部的磁场方向，这与线圈A中感应电流产生的磁场方向相同。此设计通过等效替代法，省略了感应电流方向判断环节，实现了感应电流磁场方向的可视化，便于学生直观对比感应电流的磁场方向与原磁场方向。

　　（二）“阻碍”关系定量化设计：Phyphox磁力计应用

　　利用智能手机搭载的磁传感器及“Phyphox”软件的磁力计功能，定量测量磁感应强度。如图4所示，在Phyphox中z轴垂直于屏幕指向手机屏幕外，x轴沿手机短边方向指向右侧，y轴沿手机长边指向上方，磁力计可测量x、y、z三个分量的磁感应强度，并用图像和数值方式呈现[2]。如图5，将两部安装Phyphox的智能手机分别放入线圈A和B内，调整手机与线圈方向，使地磁场干扰最小。磁铁运动过程中，软件自动记录并生成磁感应强度与时间的图像。

　　

　　

　　实验器材：两个相同线圈、条形磁铁、小磁针、干电池、开关、导线、两部安装Phyphox软件的智能手机。

　　组装及调试（如图6）：（1）为减少地磁场干扰，将串联好的两线圈的轴向朝着东西方向竖直放置在水平面上，尽可能使y轴方向的磁感应强度B[，y]的初始值为零。（2）为减少两线圈内磁场的相互干扰，两线圈尽量远离。（3）线圈绕向一致性校验，将开关接至1、2，在通电的情况下，若分别置于两线圈中的小磁针指向相同，则证明两线圈绕向一致。（4）实验时，将开关接至3、4。