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

發(fā)掘教材資源探尋規(guī)律本質(zhì)體驗(yàn)科學(xué)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(yè)在介紹楞次定律時(shí)有這樣一段旁白：一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論形成后，我們常常需要從理論上審視它，它不應(yīng)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(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)出了差錯(cuò) .這也是一種形式的評(píng)估 .學(xué)習(xí)到這里，學(xué)生都很想知道從什么理論角度來(lái)審視楞次定律，從而對(duì)楞次定律進(jìn)行評(píng)估 .本文從楞次定律的三種表現(xiàn)形式入手，帶領(lǐng)學(xué)生探尋楞次定律的本質(zhì) ，從而讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)方法的奧妙，形成正確的科學(xué)價(jià)值觀 . 1 楞次定律的三種表現(xiàn)形式 俄國(guó)物理學(xué)家楞次在電磁學(xué)領(lǐng)域作出了杰出貢獻(xiàn)，他在安培電動(dòng)力學(xué)和法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)提出：感應(yīng)電流方向具有這樣的特征，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是要阻礙引起感應(yīng)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(duì)三種典型表現(xiàn)形式的分析，可以深刻體會(huì)楞次定律的含義 . 1.1 增反減同 當(dāng)穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，可以用 “ 增反減同 ” 判斷感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與原磁場(chǎng) 方向之間的關(guān)系 .當(dāng)原磁通量增加時(shí)，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)要阻礙原磁通量增加，方向與原磁場(chǎng)方向相反；當(dāng)原磁通量減小時(shí)，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)要阻礙原磁通量減小，方向與原磁場(chǎng)方向相同 . 例題 1 如圖 1 所示，水平放置的長(zhǎng)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(gè)過程中，線圈中感應(yīng)電流 A.沿 abcd 流動(dòng) B.沿 dcba 流動(dòng) C.由 到 是沿 abcd 流動(dòng)，由 到 是沿 dcba 流動(dòng) D.由 到 是沿 dcba 流動(dòng)，由 到 是沿 abcd 流動(dòng) 思路分析本題考查用楞次定律對(duì)閉合回路中感應(yīng)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(yīng)線方向相反 .由條形磁鐵的磁感應(yīng)線分布可知，線圈經(jīng)過位置 時(shí)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(yīng)電流的磁場(chǎng)方向向上，所以線圈中感應(yīng)電流方向應(yīng)該沿 abcd 流動(dòng) . 點(diǎn)評(píng)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(yīng)電流磁場(chǎng)的方向 ，再根據(jù)右手螺旋定則得到感應(yīng)電流的方向 . 1.2 來(lái)拒去留 當(dāng)導(dǎo)體與磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情形時(shí)，可以用 “ 來(lái)拒去留 ” 判斷導(dǎo)體中感應(yīng)電流在磁場(chǎng)中受到的安培力對(duì)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的影響 .當(dāng)導(dǎo)體靠近磁場(chǎng)時(shí)，安培力阻礙導(dǎo)體靠近磁場(chǎng)；當(dāng)導(dǎo)體遠(yuǎn)離磁場(chǎng)時(shí)，安培力阻礙導(dǎo)體離開磁場(chǎng) . 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(zhǎng)方形線圈 .當(dāng)一豎直放置的條形磁鐵快速?gòu)木€圈中軸線 AB 正上方經(jīng)過時(shí)，如果線圈始終不動(dòng)，則線圈受到水平桌面的支持力 FN 以及線圈在水平方向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的正確判斷是 A.FN 先小 于 mg 后大于 mg，運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)向左 B.FN 先大于 mg 后小于 mg，運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)向左 C.FN 先小于 mg 后大于 mg，運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)向右 D.FN 先大于 mg 后小于 mg，運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)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(duì)線圈運(yùn)動(dòng)角度看，水平方向先靠近再遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yùn)動(dòng)趨勢(shì)始終向右 . 點(diǎn)評(píng) “ 來(lái)拒去留 ” 反映了磁體與線圈之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流受到的安培力對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用 .是一種很巧妙的解題技巧 . 1.3 增縮減擴(kuò) 當(dāng)穿過閉合回路的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，可以用“ 增縮減擴(kuò) ” 判斷閉合回路有效面積的變化趨勢(shì) .當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，閉合回路的有效面積有縮小趨勢(shì)阻礙磁通量的增加；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱時(shí)閉合回路的有效面積有增大趨勢(shì)阻礙磁通量的減小 . 例題 3 如圖 3 所示， ab 是一個(gè)可以繞垂直于紙面的軸O 自由轉(zhuǎn)動(dòng)的閉合長(zhǎng)方形導(dǎo)線框，當(dāng)滑動(dòng)變阻器 R 的滑片從左向右滑動(dòng)過程中，試判斷 線框 ab 的運(yùn)動(dòng)情況是 A.保持靜止不動(dòng) B.逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) C.順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) D.發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，由于不明確電源極性，無(wú)法確定轉(zhuǎn)動(dòng)方向 思路分析由圖示電路，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片向右滑動(dòng)時(shí)，電路中的電阻增大，電流減弱，則穿過閉合導(dǎo)線框 ab 的磁通量將減小，根據(jù)楞次定律，線框 ab 將順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使得與磁感應(yīng)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(wú)關(guān) . 點(diǎn)評(píng) “ 增縮減擴(kuò) ” 巧妙地反映了磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，線圈有效面積變化的趨勢(shì)，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(duì)自然科學(xué)有著極其重要的指導(dǎo)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(yīng)電流的磁場(chǎng)總是阻礙引起感應(yīng)電流的原磁場(chǎng)磁通量的變化，為了維持原磁場(chǎng)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(yīng)電流的磁場(chǎng)阻礙做功，從而將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為感應(yīng)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(chǎng)變化引起感生電動(dòng)勢(shì) 如圖 4 所示，原磁 場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 向上增加，根據(jù)楞次定律可知感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向向下，阻礙原磁場(chǎng)磁通量的增加 .如果感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向向上，引起感應(yīng)電流的原磁場(chǎng)磁通量變化將得到加強(qiáng)，那么一旦出現(xiàn)感應(yīng)電流，原磁場(chǎng)磁通量變化將加強(qiáng)并進(jìn)一步增加產(chǎn)生的感應(yīng)電流，感應(yīng)電流又將使得原磁場(chǎng)磁通量變化加強(qiáng)，如此循環(huán)感應(yīng)電流不斷增加，最終趨向于無(wú)窮大 .如果上述過程能夠成立，那么只需開始提供一個(gè)微小的磁通量變化便可以得到無(wú)限大的感應(yīng)電流，這顯然是違背能量守恒定律的 .楞次定律指明感應(yīng)電流的磁場(chǎng)必然阻礙原磁通量的變化，感應(yīng)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(yīng)電流的存在，那么原磁場(chǎng)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(chǎng)磁通量以一定的變化率減小，則磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電流具有的能量；若原磁場(chǎng)磁通量以一定的變化率增加，則外界提供能量轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾拥拇艌?chǎng)能和感應(yīng)電流具有的能量 . 2.2 導(dǎo)體棒切割磁感應(yīng)線引起動(dòng)生電動(dòng)勢(shì) 如圖 5 所示，導(dǎo)體棒 MN 以初速度 v0 沿光滑平行導(dǎo)軌PP 和 QQ 向右運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體棒切割磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向由 NM ，導(dǎo)體棒受到的安培力方向向左，與運(yùn)動(dòng)方向相反，導(dǎo)體棒做減速運(yùn)動(dòng)直至靜 止，在此過程中導(dǎo)體棒動(dòng)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(dǎo)體棒中的感應(yīng)電流方向由 MN ，則導(dǎo)體棒受到的安培力方向向右，導(dǎo)體棒做加速運(yùn)動(dòng)使得產(chǎn)生的感應(yīng)電流增加，從而安培力繼續(xù)增大，如此循環(huán)導(dǎo)體棒將不斷加速，動(dòng)能持續(xù)增加直至無(wú)窮大，同時(shí)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(shè)成立，那么只需給導(dǎo)體棒一個(gè)很小的初動(dòng)能，導(dǎo)體棒最終將獲得無(wú)限大的動(dòng)能，這顯然是違背能量守恒定律的 .因此楞次定律表明導(dǎo)體棒受到的安培力必然是阻礙導(dǎo)體棒相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的，從而將外界能量轉(zhuǎn)變?yōu)榛芈?中的焦耳熱 .同理如果導(dǎo)體棒 MN 在外力 F 作用下由靜止開始向右運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)電流受到的安培力仍然向左阻礙導(dǎo)體棒相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第二定律可以得出導(dǎo)體棒將做加速度減小的加速運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到穩(wěn)定速度做勻速運(yùn)動(dòng) .在此過程中外力做正功將外界能量轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體棒的動(dòng)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(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng) 閉合線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)是交流發(fā)電機(jī)的基本原理，線圈在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中將產(chǎn)生正弦式感應(yīng)電流，楞次定律表明線圈中的感應(yīng)電流在磁場(chǎng)中受到的安培力方向與轉(zhuǎn)動(dòng) 方向相反，阻礙線圈相對(duì)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng) .如果安培力方向與轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，那么同樣只需提供線圈一個(gè)很小的初始動(dòng)能，在安培力作用下線圈轉(zhuǎn)動(dòng)將越來(lái)越快，產(chǎn)生的感應(yīng)電流越來(lái)越大，安培力越來(lái)越大，如此循環(huán)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)將持續(xù)加快直至無(wú)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(shí)上安培力應(yīng)阻礙線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，因此為了維持線圈勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，必然需要外界提供驅(qū)動(dòng)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(yīng)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(shí)質(zhì)就是 產(chǎn)生感應(yīng)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(yīng)現(xiàn)象中的具體表現(xiàn) . 3 對(duì)楞次定律表現(xiàn)形式的哲學(xué)思考 楞次定律所表現(xiàn)出的感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是阻礙引起感應(yīng)電流的原磁通量變化，可以從系統(tǒng)論角度進(jìn)行哲學(xué)理解 .如果把楞次定律的研究對(duì)象 (閉合線圈 )作為一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)與外界會(huì)通過各種方式發(fā)生交互，從而處于一種相對(duì)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(fù)原來(lái)的有序狀態(tài)、保持和恢復(fù)原有的結(jié)構(gòu)和功能 .當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生 變化導(dǎo)致系統(tǒng)平衡狀態(tài)被打破時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)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(shì) .在楞次定律中，對(duì)于閉合線圈這一系統(tǒng)來(lái)講，“ 穿過閉合線圈的磁通量變化 ” 是外界對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，“ 感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是要阻礙引起感應(yīng)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(yīng)定律可以看出，磁通量的變化率越大即外界影響越強(qiáng)烈，那么系統(tǒng)產(chǎn)生的阻礙因素即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)則越強(qiáng) . “ 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(xué)關(guān)系不僅在楞次定律中有所體現(xiàn)，從系統(tǒng)論角度進(jìn)行哲學(xué)思考的方式，已經(jīng)得到了當(dāng)代科學(xué)家們的廣泛認(rèn)同，在自然科學(xué)、人文和社會(huì)科學(xué)中都得到了廣泛應(yīng)用，它改變了人類認(rèn)識(shí)世界的科學(xué)圖景 .比如 19 世紀(jì) 80 年代法國(guó)化學(xué)家勒夏特列發(fā)現(xiàn)的勒夏特列原理：在一個(gè)已經(jīng)達(dá)到平衡的化學(xué)反應(yīng)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(dòng) .上升到系統(tǒng)論的哲學(xué)高度該原理與楞次定律所闡述的哲學(xué)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(dòng)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(gè)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(gè)系統(tǒng)就永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)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(jìn)行下去，那么一切自然現(xiàn)象、社會(huì)現(xiàn)象都將失去原有的平衡趨向于無(wú)序，這樣看來(lái)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(dǎo)從物理走向社會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生正確的科學(xué)態(tài)度、科學(xué)方法和科學(xué)價(jià)值觀，為學(xué)生的終身發(fā)展打下