基于“磁滞制动”现象的伦茨定律教学新思路_楞次定律论文

基于“磁滞刹车”现象展开的关于楞次定律教学的新思路，本文主要内容关键词为：楞次定律论文,刹车论文,新思路论文,现象论文,磁滞论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      国际青年物理学家竞赛（IYPT）由苏联在1988年发起，由大学或中学组织实施、中学生参与，是一项以团队对抗为形式的物理竞赛。它以培养参赛者的创新意识、创新能力、协作精神和实践能力为根本理念。近年来，该比赛被引进国内，由于国内外的教学模式不同，该比赛在国内最先是由大学生参与的，这就是我们熟知的中国大学生物理学术竞赛（CUPT），至今已成功举办五届。最近两年，在该比赛模式以及大学生竞赛中逐渐完善后，此形式逐渐进入高中平台，在江苏、天津、北京等地已经开展。在北京地区举办的北京市高中生物理实践性活动已经成功举办两届，在今年已有来自12所高中的18支代表队参与，可见此比赛的发展之迅速。于是笔者开始有了关注此比赛的一些念头。

      写作本文的想法，源自2014年IYPT所提出的一个问题——“磁滞刹车”，即在一个竖直放置的非铁磁性的管中（如铜管）放入一个磁铁，相比于自由落体磁铁会很缓慢的下落。初步看到这个问题的时候，不难想象，这就是楞次定律的体现，这样贴近高中教学的内容承担在如此实际又有趣的现象上不免让人觉得眼前一亮。于是有了将该现象及其探究性实验的内容与高中教学相结合的想法。由于该比赛引入国内，先进入的是大学生的竞赛圈，于是笔者联系在北京师范大学曾经对“磁滞刹车”这一问题有过探究并发表文章的本科生马宇翰以及赵芸赫共同完成此文，以求将教学和探究这两点更好的结合。

      通过对该比赛的一些了解不难发现，大多学生参加该类比赛的两个困难在于：首先，时间的缺乏，在高中阶段较多课业，很难再抽出时间从事额外的探究性学习。其次，便是很难将所学的物理学知识迁移到这一类实际问题中，即很难实现学以致用。那么，如何解决这样的问题呢？通过“磁滞刹车”现象在楞次定律教学中的应用尝试，我们想要提供解决这个问题的一种试验性方案。在课堂教学中，渗透该类实际问题的同时，通过由该问题衍生的一系列趣味实验吸引学生注意。在完成该内容的学习后，使得学生依然有兴趣进行进一步探究。当然，相应的内容要求教师辅以指导。

      总的来说，想要结合探究性的竞赛和教学需要教师做到4个字：“激发、引导”。激发是指在相应的教学内容完成的同时，通过实际的问题提出与有趣的演示实验抓住学生的好奇心。引导是指在课后对所培养的学生的好奇心进行正确的引导，帮助学生完成课外的探究性实验，实现知识在实际问题中的迁移。同时，也更好地体会到了课堂所学物理原理的实质，真正做到学以致用。

      二、教学过程的创新与课后探究性学习的设计

      （一）新课引入——磁铁吸铝魔术

      这是一个能引起学生思维冲突的实验，磁铁能吸引的是铁钴镍等铁磁性金属，而对于铝是不吸引的。如下页图1，我们在一个底座上固定一个玻璃管作为隔离管，在玻璃管外面套一个铝管，将带有手柄的柱状磁铁插入玻璃管内，这样可以在后续操作中避免磁铁与铝管间摩擦力的影响。当向外抽出磁铁后，铝管会跳起，就像被磁铁所吸引起来一样。原理即是，铝管作为导体可看做一圈圈的闭合回路，磁铁拔出，铝管中的磁通量改变产生感应电流。楞次定律则告诉我们铝管会向着阻碍磁通量变化的状态改变。于是拔出速度达到一定值，产生的吸引力大于铝管重力时，铝管就跳起了。

      

      通过这样一个小魔术，学生在教师的引导下体会磁铁不动不吸引，磁铁抽出就吸引这一现象，得到吸引力的产生与磁铁与铝管间的相对运动有关的结论，为后续演示实验作铺垫。

      （二）演示实验——概念的深入理解

      1.铝管车的运动

      在刚才的魔术中，磁铁相对的铝管运动是单向的，为了配合楞次定律判断电流方向的实验教学，即让学生体会到磁通量的不同变化方式会使感应电流方向不同，我们设计了实验（如图2）。

      

      在一个可以滑动的小车上固定一个铝管，用柱状磁铁非接触式插入、拔出铝管。可以看到，当磁铁插入和拔出时，小车相应地远离磁铁和跟随磁铁运动。小车从静止到运动，这一运动的方向就可表明铝管受力的方向，从而说明磁通的不同变化方式产生的力方向不同，进而说明铝管内感应电流方向不同。

      2.托盘秤指针偏转判断电流方向

      为了进一步体会楞次定律，我们在铝管车的基础上，设计了这一实验。如图3，在托盘秤的托盘上放置一铜管，然后放置好后调零托盘秤，此时托盘秤的指针指向0点。将带把的磁铁插入拔出铜管，将会看到托盘指针的偏转，偏转的方向可以反映出铜管的受力情况，即可以反映出感应电流方向（需要知道插入的是N极还是S极）。

      

      我们以N级插入为例，图中将会有逆时针的感应电流出现，此时指针右偏，也就是当N极插入时，我们看到指针右偏，可以说明感应电流方向为逆时针。相反，拔出时看到指针左偏，说明感应电流方向为顺时针。当S极插入和拔出时，得到的结论与上述过程相反。

      偏转的大小与插入拔出铜管的速度是相关的，因为拔出速度决定了管中磁通量的变化速度，决定了感应电流的大小也就决定了吸引和排斥力的大小。

      （三）“磁滞刹车”现象及其探究性实验的设计

      1.“磁滞刹车”现象的能量解释

      我们通过学生已经学过的能量守恒的角度，对“磁滞刹车”现象进行理论的分析，以此阐释为什么磁铁落入铜管或铝管后速度会变慢（相对于自由落体），整个过程中不考虑空气阻力。我们假设有两个相同的磁铁质量为m，以及几何尺寸相同的铜管和玻璃管各一根，长度为H，重力加速度为g。将磁铁分别从管口扔入两个管中，我们来分析这两个过程中能量的变化。

      首先，对于自由落体过程（磁铁扔入有机玻璃管）可以得到：

      

      其中，v是在有机玻璃管底部的磁铁速度。

      进一步，对于磁铁扔入铜管的情况，我们来想想与玻璃管有什么不同。根据电磁感应，铜管中在磁铁进入时会有磁通的变化进而有感应电流，铜管本身具有电阻，那么电流就会产生热效应，即通过铜管中的电阻会产热，我们假设这一热量是Q，那么我们不难得到下式：

      

      上面两式作差可得：

      

      我们把H视作可变量，则在任意高度成立，说明铜管中运动的磁铁在任意高度的速度都会小于同样高度处的玻璃管对应的运动的磁铁。这就从高中所学到的能量守恒的角度解释了“磁滞刹车”现象。

      2.探究性实验设计

      我们采用文章[4]中提出的探究“磁滞刹车”现象的装置来作为本研究性实验的基础，实验装置如图4所示。

      

      该装置用电磁铁释放磁铁避免手释放的干扰，配重能在保证磁场相同的条件下调节磁铁质量，做到了控制变量的要求。

      根据已有理论模型的建立向学生介绍磁铁运动的动力学方程为：

      ma=mg-k(h)v （4）

      该方程是描述重力和阻力共同作用下物体的运动，与高中阶段的雨滴下落的例子相同，最终稳定时的速度为：

。只是这里的磁滞阻力系数并非一个常数，其在暂态过程中是一个变量，在达到稳态后为常量，可以引导学生根据已学的楞次定律作出阻力系数随磁铁距释放位置距离变化的关系曲线，应为在管口上方从零开始迅速增大，进入管内迅速稳定为一定值，出管外一小段距离后迅速降为零。这表明磁铁未进入管时，磁滞力已经开始起作用，当磁铁离开管的一小段距离内，磁滞力仍在起作用。与学生的已有知识建立起联系。

      如何测量磁铁的运动曲线并最终与理论预测匹配是学生自主设计的部分，教师可以引导学生思考如下问题以完成设计：①为了避免铁磁性材料对实验现象的影响，实验过程中对于铜管的固定等问题要注意什么；②实验目的为定量探究磁体的运动，这需要排除每次用手释放磁铁的不确定因素，那么应采用何种方式释放磁铁；③有关调节磁铁的初速度的问题，让学生回顾课堂上教师在管与磁铁间用玻璃管隔离的方式，发挥玻璃管在此处的作用；④磁铁在管内的运动我们看不到，是否可以将其转化为其他我们可以抓拍的物体的运动；⑤如何在实验中区分开空气阻力和磁滞阻力的影响，等等。由此启发学生设计实验。

      三、总结与展望

      本文以“磁滞刹车”现象在楞次定律教学中的应用为例，找到了适合高中阶段教学与探究性物理竞赛的联系点。文中所提及的3个以铝管或铜管作为主体的演示实验，能较好地抓住学生的兴趣。文章通过对能量守恒定律的运用，解释了“磁滞刹车”现象，说明了磁铁速度减慢是能量守恒的要求。最终通过借鉴文章《“磁滞刹车”现象中暂态过程的研究》中的实验方法，提出了适合高中生操作的课外探究性实验步骤。

      在进一步的教学研究中，可以细化该实验的具体操作。对于结合探究性竞赛和课堂教学可以进一步的尝试。对于很多的知识点，如圆周运动、平抛运动、电磁场中带电粒子的运动等知识点均可进行相应的讨论与教学设计。

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