《法拉第電磁感應(yīng)定律》教學(xué)設(shè)計(jì)

雷鳴

摘 要：法拉第電磁感應(yīng)定律是高中物理關(guān)于電磁感應(yīng)的核心知識(shí)，對(duì)學(xué)生是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，也是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。為了突破難點(diǎn)，本教學(xué)設(shè)計(jì)從大量實(shí)驗(yàn)出發(fā)，重點(diǎn)讓學(xué)生經(jīng)歷、體會(huì)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程。

關(guān)鍵詞：法拉第；電磁感應(yīng)；定律；教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）11-0030-3

1 教學(xué)設(shè)計(jì)思想

“法拉第電磁感應(yīng)定律”是電磁學(xué)的核心內(nèi)容。從知識(shí)結(jié)構(gòu)來(lái)看，前面幾節(jié)內(nèi)容解決了感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件和感應(yīng)電流方向的判斷問(wèn)題，那么自然就有學(xué)生提出感應(yīng)電流大小怎么求解的問(wèn)題，這就是第四節(jié)要解決的問(wèn)題。因此，“法拉第電磁感應(yīng)定律”是教學(xué)的重點(diǎn)，同時(shí)由于規(guī)律本身比較抽象，學(xué)生沒(méi)有相應(yīng)的生活經(jīng)驗(yàn)，所以又是教學(xué)的難點(diǎn)。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)生的接受能力，教學(xué)中應(yīng)著重揭示法拉第電磁感應(yīng)定律及其公式E=n的建立過(guò)程、物理意義及應(yīng)用，而公式E=BLvsinθ只作為法拉第電磁感應(yīng)定律在特定條件下推導(dǎo)出的表達(dá)式，這樣做可以讓學(xué)生正確地認(rèn)識(shí)物理規(guī)律的建立過(guò)程，懂得物理規(guī)律是從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來(lái)的。由于高中階段電磁感應(yīng)定律的定量實(shí)驗(yàn)很難完成，因而教材沒(méi)有要求通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究，但通過(guò)定性的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生觀察磁通量的變化快慢是影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的主要因素，然后給出法拉第電磁感應(yīng)定律和公式，這樣的安排是非常必要的。最后的反電動(dòng)勢(shì)的內(nèi)容可以作為課后思考和動(dòng)手探究的作業(yè)布置下去，在下節(jié)課再?gòu)牧湍芏鄠€(gè)角度分析產(chǎn)生的原因和意義。

2 學(xué)習(xí)任務(wù)分析

知識(shí)與技能：

（1）知道感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及決定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的因素；（2）知道磁通量的變化率是表示磁通量變化快慢的物理量，并能區(qū)別Φ、ΔΦ、；（3）理解法拉第電磁感應(yīng)定律的內(nèi)容、數(shù)學(xué)表達(dá)式；（4）知道E=BLvsinθ是如何推導(dǎo)的。

過(guò)程與方法：

（1）通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)，定性分析感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量變化快慢之間的關(guān)系。培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力和對(duì)實(shí)驗(yàn)的觀察能力；（2）使學(xué)生明確電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)公式E=nΔφ/Δt的理解，引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)出E=BLvsinθ，并學(xué)會(huì)初步的應(yīng)用，提高運(yùn)用理論知識(shí)解決新問(wèn)題的能力，提高推理能力和綜合分析能力。

情感態(tài)度與價(jià)值觀：

培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度并形成正確的科學(xué)觀。

重點(diǎn)和難點(diǎn)：

法拉第電磁感應(yīng)定律的建立、理解及應(yīng)用。

學(xué)情分析：

學(xué)生已經(jīng)掌握了電路的基本知識(shí)，知道電路中有電流的條件是閉合回路有電動(dòng)勢(shì)，知道在總電阻不變的情況下電流與電動(dòng)勢(shì)成正比。學(xué)生了解了示波器的原理，理解了產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件。

教學(xué)方法：探究法，類比學(xué)習(xí)法。

教學(xué)用具：

分組實(shí)驗(yàn)器材：電流表（零刻度在中間），螺線管，條形磁鐵（磁性強(qiáng)弱各一條），直流電源，滑動(dòng)變阻器，電鍵，導(dǎo)線若干；演示實(shí)驗(yàn)器材：示波器，螺線管（多個(gè)接線柱對(duì)應(yīng)匝數(shù)不同），導(dǎo)線若干；多媒體大屏幕投影儀，自制的課件。

教學(xué)過(guò)程：

1.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

教師引導(dǎo)：請(qǐng)同學(xué)們用桌上的器材連成電路讓電流表指針偏轉(zhuǎn)。

學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生可以用如圖1兩種電路接法來(lái)實(shí)現(xiàn)要求。

（a） （b）

圖1 產(chǎn)生電流的兩種電路圖

教師引導(dǎo)：根據(jù)以前的電路知識(shí)大家想一想，電路中產(chǎn)生電流的條件是什么？

學(xué)生：電路閉合且這個(gè)電路中一定要有電源。

教師引導(dǎo)：第二種接法電路中電源在哪里？

教師引導(dǎo)回答：如圖1（b）中的線圈就相當(dāng)于是電源，在磁鐵插入線圈的過(guò)程中產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)。這就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如圖2為其等效電路。

圖2 圖1（b）電路的等效電路圖

教師引導(dǎo)：在圖（1）的電路中，斷開開關(guān)，有電流嗎？有電動(dòng)勢(shì)嗎？

學(xué)生：沒(méi)有電流，有電動(dòng)勢(shì)。

教師引導(dǎo)：在圖1（b）的電路中，斷開開關(guān)，在磁鐵插入線圈的過(guò)程中有電流嗎？有電動(dòng)勢(shì)嗎？

教師引導(dǎo)回答：沒(méi)有電流，有電動(dòng)勢(shì)。

總結(jié)：產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的條件是什么？

答：回路中的磁通量發(fā)生變化。

2.探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的規(guī)律

教師引導(dǎo)：剛才的實(shí)驗(yàn)中，磁鐵插入過(guò)程中，你觀察到了指針的偏轉(zhuǎn)嗎？每一次都相同嗎？是什么因素影響電流大??？再做幾次試試看！想一想感應(yīng)電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有什么關(guān)系？同時(shí)通過(guò)前面分析出的產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的條件，綜合思考電動(dòng)勢(shì)大小可能與哪些因素有關(guān)？

引導(dǎo)學(xué)生活動(dòng)：改變磁鐵插入的速度，或改用磁性不同的磁鐵用相同的速度插入，觀察到感應(yīng)電流發(fā)生變化。

引導(dǎo)學(xué)生分析：電流變化就意為著感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)發(fā)生變化，而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的條件是回路中的磁通量發(fā)生變化，因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小一定與磁通量變化的情況有關(guān)系。大家進(jìn)一步用實(shí)驗(yàn)找出它們的關(guān)系。

學(xué)生活動(dòng)：引出用控制變量思想進(jìn)行定性分析。

實(shí)驗(yàn)一：相同磁性的磁鐵從同一位置出發(fā)插入線圈（磁通量變化量相同），用不同的速度。觀察電流（電動(dòng)勢(shì)）的大小。

實(shí)驗(yàn)二：不同磁性的磁鐵從同一位置出發(fā)插入線圈，用近似相同的速度。觀察電流（電動(dòng)勢(shì)）的大小。

學(xué)生記錄結(jié)論：相同磁性的磁鐵從同一位置出發(fā)插入線圈，速度越快，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大；不同磁性的磁鐵從同一位置出發(fā)用相同速度插入線圈，磁性強(qiáng)的一組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大。

教師引導(dǎo)總結(jié)：相同的磁通量變化量，速度越快，用時(shí)越短，表示磁通量變化得快，而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大；磁性強(qiáng)的磁鐵從同一位置出發(fā)插入線圈，磁通量變化量大，用時(shí)相同的情況下，磁通量變化得也快，相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)：磁通量變化越快，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大。

教師：磁通量變化快慢怎么表示呢？類比，速度的變化快慢用表示，磁通量變化快慢（磁通量變化率）用表示。同學(xué)們要區(qū)別Φ、ΔΦ、，它們的大小相互之間沒(méi)有任何聯(lián)系，同學(xué)們可以類比我們?cè)?jīng)學(xué)過(guò)的v，Δv，它們的關(guān)系。

3.法拉第電磁感應(yīng)定律

教師：事實(shí)上，紐曼和韋伯在19世紀(jì)40年代就在對(duì)理論和實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行嚴(yán)格分析后發(fā)現(xiàn)：閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，跟穿過(guò)這一電路的磁通量變化率成正比，這就是法拉第電磁感應(yīng)定律。表達(dá)式E∝。

將正比符號(hào)化為等號(hào)加一個(gè)比例系數(shù)，即為：E=k。

只要我們定義1 V=1 Wb/s，就能使k=1。

于是有：E=（注意：這是單匝線圈時(shí)的情況）如果線圈由導(dǎo)線繞制成n匝，當(dāng)穿過(guò)線圈磁通量變化率為時(shí)，則線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為多少？

教師引導(dǎo)：理論分析，線圈中磁通量變化，每一匝線圈都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，相當(dāng)于一個(gè)小電源，那么n匝線圈相當(dāng)于n個(gè)小電源怎樣連接的呢？問(wèn)題的答案是什么呢？學(xué)生：串聯(lián)，E=n。

教師：以上是理論分析，能不能用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證呢？再用之前大家探究用的工具就不行了，因?yàn)榫€圈匝數(shù)變了，電阻也就變了，這時(shí)就不容易找到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與電流的關(guān)系了。老師給大家?guī)?lái)了一種陌生但學(xué)過(guò)原理的儀器——示波器。用它就能定性地探究出線圈匝數(shù)與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系。

多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，匝數(shù)多時(shí)，相同磁通量變化率，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大。這樣就用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了我們之前的理論分析是正確的。

4.導(dǎo)線切割磁感線時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

教師引導(dǎo)：如圖3所示電路，閉合電路一部分導(dǎo)體ab處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，ab的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，以速度v勻速切割磁感線，求產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)？

大家用已學(xué)習(xí)的法拉第電磁感應(yīng)定律，小組討論，找出這種特定情況下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的求解方法。

引導(dǎo)學(xué)生思考：導(dǎo)體ab向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，ab棒切割磁感線，同時(shí)穿過(guò)回路的磁通量增加，線框中必然要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)應(yīng)等于磁通量的變化率。怎樣求這種情況下的磁通量的變化率？

學(xué)生討論：設(shè)在Δt時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體棒由原來(lái)的位置運(yùn)動(dòng)到a1b1，這時(shí)線框面積的變化量為ΔS=LvΔt。

穿過(guò)閉合電路磁通量的變化量為

ΔΦ=BΔS=BLvΔt。

據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，得

E===BLv。

教師引導(dǎo)：圖3的電路中，哪部分導(dǎo)體相當(dāng)于電源？ab導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度v與磁感線方向B有何關(guān)系？若導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向與B平行結(jié)果會(huì)怎樣？

學(xué)生：切割磁感線的導(dǎo)體，相當(dāng)于電源。因?yàn)閷?dǎo)體運(yùn)動(dòng)才使得回路中有了電流。

教師點(diǎn)評(píng)：同學(xué)們的猜測(cè)非常正確，但其原因大家課后再?gòu)倪\(yùn)動(dòng)導(dǎo)體中電子受力的角度想一想為什么運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體是電源，什么力充當(dāng)非靜電力？

學(xué)生繼續(xù)回答：導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度v與磁感線方向B相互垂直。如果v與B平行，在圖3中就是垂直于紙面運(yùn)動(dòng)，這樣回路中沒(méi)有磁通量的變化，因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零。

圖3 導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)示意圖

教師引導(dǎo)：若導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向與導(dǎo)體本身垂直，但與磁感線方向不垂直，設(shè)v與B夾角為θ，如圖4又如何計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小呢？

圖4 導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)方向與磁感線方向不平行示意圖

學(xué)生：將速度v沿垂直于磁感線方向和平行于磁感線方向進(jìn)行正交分解。其中沿垂直于磁感線方向的分速度v1=vsinθ 引起磁通量的變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而平行于磁感線方向的分速度v2=vcosθ不引起磁通量的變化，不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因此，導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=BLv1=BLvsinθ。

教學(xué)設(shè)計(jì)評(píng)估：

本節(jié)課的核心內(nèi)容是“法拉第電磁感應(yīng)定律”的發(fā)現(xiàn)和理解。因此設(shè)計(jì)了大量的實(shí)驗(yàn)，這樣能讓學(xué)生更直觀、更真實(shí)地體驗(yàn)到規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程和自然規(guī)律的神奇，而不是將規(guī)律死記硬背。分組實(shí)驗(yàn)“法拉第電磁感應(yīng)定律”的定性探究。其次，在知識(shí)應(yīng)用部分是用法拉第電磁感應(yīng)定律推導(dǎo)導(dǎo)體切割磁感線時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，推導(dǎo)過(guò)程一定要緊扣磁通量的變化率，這是求解感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的關(guān)鍵。雖然這個(gè)結(jié)果也能用自由電子受洛侖茲力充當(dāng)非靜電力推導(dǎo)出來(lái)，但這與本節(jié)課的主題無(wú)關(guān)。因此，不應(yīng)過(guò)多強(qiáng)調(diào)導(dǎo)體切割磁感線，而是關(guān)注回路中磁通的變化（率）。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)稿）[S].北京：人民教育出版社，2003.（欄目編輯 李富強(qiáng)）