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，對學生是學習的重點，也是學習的難點。為了突破難點，本教學設(shè)計從大量實驗出發(fā)，重點讓學生經(jīng)歷、體會規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞：法拉第；電磁感應(yīng)；定律；教學設(shè)計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）11-0030-3

1 教學設(shè)計思想

“法拉第電磁感應(yīng)定律”是電磁學的核心內(nèi)容。從知識結(jié)構(gòu)來看，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)電流方向的判斷問題，那么自然就有學生提出感應(yīng)電流大小怎么求解的問題，這就是第四節(jié)要解決的問題。因此，“法拉第電磁感應(yīng)定律”是教學的重點，同時由于規(guī)律本身比較抽象，學生沒有相應(yīng)的生活經(jīng)驗，所以又是教學的難點。根據(jù)課程標準和學生的接受能力，教學中應(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)出的表達式，這樣做可以讓學生正確地認識物理規(guī)律的建立過程，懂得物理規(guī)律是從實驗中總結(jié)出來的。由于高中階段電磁感應(yīng)定律的定量實驗很難完成，因而教材沒有要求通過實驗來研究，但通過定性的實驗讓學生觀察磁通量的變化快慢是影響感應(yīng)電動勢大小的主要因素，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。最后的反電動勢的內(nèi)容可以作為課后思考和動手探究的作業(yè)布置下去，在下節(jié)課再從力和能多個角度分析產(chǎn)生的原因和意義。

2 學習任務(wù)分析

知識與技能：

（1）知道感應(yīng)電動勢及決定感應(yīng)電動勢大小的因素；（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)學表達式；（4）知道E=BLvsinθ是如何推導(dǎo)的。

過程與方法：

（1）通過探究實驗，定性分析感應(yīng)電動勢的大小與磁通量變化快慢之間的關(guān)系。培養(yǎng)學生實驗操作能力和對實驗的觀察能力；（2）使學生明確電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的電路結(jié)構(gòu)，通過對公式E=nΔφ/Δt的理解，引導(dǎo)學生推導(dǎo)出E=BLvsinθ，并學會初步的應(yīng)用，提高運用理論知識解決新問題的能力，提高推理能力和綜合分析能力。

情感態(tài)度與價值觀：

培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度并形成正確的科學觀。

重點和難點：

法拉第電磁感應(yīng)定律的建立、理解及應(yīng)用。

學情分析：

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

教學方法：探究法，類比學習法。

教學用具：

分組實驗器材：電流表（零刻度在中間），螺線管，條形磁鐵（磁性強弱各一條），直流電源，滑動變阻器，電鍵，導(dǎo)線若干；演示實驗器材：示波器，螺線管（多個接線柱對應(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。

教學過程：

1.感應(yīng)電動勢

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

學生活動：學生可以用如圖1兩種電路接法來實現(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)以前的電路知識大家想一想，電路中產(chǎn)生電流的條件是什么？

學生：電路閉合且這個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）中的線圈就相當于是電源，在磁鐵插入線圈的過程中產(chǎn)生了電動勢。這就是感應(yīng)電動勢。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？有電動勢嗎？

學生：沒有電流，有電動勢。

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程中有電流嗎？有電動勢嗎？

教師引導(dǎo)回答：沒有電流，有電動勢。

總結(jié)：產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的條件是什么？

答：回路中的磁通量發(fā)生變化。

2.探究感應(yīng)電動勢大小的規(guī)律

教師引導(dǎo)：剛才的實驗中，磁鐵插入過程中，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)電動勢有什么關(guān)系？同時通過前面分析出的產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的條件，綜合思考電動勢大小可能與哪些因素有關(guān)？

引導(dǎo)學生活動：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)學生分析：電流變化就意為著感應(yīng)電動勢發(fā)生變化，而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的條件是回路中的磁通量發(fā)生變化，因此感應(yīng)電動勢的大小一定與磁通量變化的情況有關(guān)系。大家進一步用實驗找出它們的關(guān)系。

學生活動：引出用控制變量思想進行定性分析。

實驗一：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（電動勢）的大小。

實驗二：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（電動勢）的大小。

學生記錄結(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)電動勢越大；不同磁性的磁鐵從同一位置出發(fā)用相同速度插入線圈，磁性強的一組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大。

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

實驗總結(jié)：磁通量變化越快，感應(yīng)電動勢大。

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。同學們要區(qū)別Φ、ΔΦ、，它們的大小相互之間沒有任何聯(lián)系，同學們可以類比我們曾經(jīng)學過的v，Δv，它們的關(guān)系。

3.法拉第電磁感應(yīng)定律

教師：事實上，紐曼和韋伯在19世紀40年代就在對理論和實驗資料進行嚴格分析后發(fā)現(xiàn)：閉合電路中感應(yīng)電動勢的大小，跟穿過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。表達式E∝。

將正比符號化為等號加一個比例系數(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：這是單匝線圈時的情況）如果線圈由導(dǎo)線繞制成n匝，當穿過線圈磁通量變化率為時，則線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為多少？

教師引導(dǎo)：理論分析，線圈中磁通量變化，每一匝線圈都會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，相當于一個小電源，那么n匝線圈相當于n個小電源怎樣連接的呢？問題的答案是什么呢？學生：串聯(lián)，E=n。

教師：以上是理論分析，能不能用實驗來驗證呢？再用之前大家探究用的工具就不行了，因為線圈匝數(shù)變了，電阻也就變了，這時就不容易找到感應(yīng)電動勢的大小與電流的關(guān)系了。老師給大家?guī)砹艘环N陌生但學過原理的儀器——示波器。用它就能定性地探究出線圈匝數(shù)與感應(yīng)電動勢的關(guān)系。

多次實驗發(fā)現(xiàn)，匝數(shù)多時，相同磁通量變化率，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大。這樣就用實驗證實了我們之前的理論分析是正確的。

4.導(dǎo)線切割磁感線時的感應(yīng)電動勢

教師引導(dǎo)：如圖3所示電路，閉合電路一部分導(dǎo)體ab處于勻強磁場中，磁感應(yīng)強度為B，ab的長度為L，以速度v勻速切割磁感線，求產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢？

大家用已學習的法拉第電磁感應(yīng)定律，小組討論，找出這種特定情況下的感應(yīng)電動勢的求解方法。

引導(dǎo)學生思考：導(dǎo)體ab向右運動時，ab棒切割磁感線，同時穿過回路的磁通量增加，線框中必然要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢應(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？

學生討論：設(shè)在Δt時間內(nèi)導(dǎo)體棒由原來的位置運動到a1b1，這時線框面積的變化量為ΔS=LvΔt。

穿過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)體相當于電源？ab導(dǎo)體的運動速度v與磁感線方向B有何關(guān)系？若導(dǎo)體運動方向與B平行結(jié)果會怎樣？

學生：切割磁感線的導(dǎo)體，相當于電源。因為導(dǎo)體運動才使得回路中有了電流。

教師點評：同學們的猜測非常正確，但其原因大家課后再從運動導(dǎo)體中電子受力的角度想一想為什么運動導(dǎo)體是電源，什么力充當非靜電力？

學生繼續(xù)回答：導(dǎo)體的運動速度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動，這樣回路中沒有磁通量的變化，因此感應(yīng)電動勢為零。

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

教師引導(dǎo)：若導(dǎo)體運動方向與導(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又如何計算感應(yīng)電動勢的大小呢？

圖4 導(dǎo)體棒運動方向與磁感線方向不平行示意圖

學生：將速度v沿垂直于磁感線方向和平行于磁感線方向進行正交分解。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)電動勢，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)電動勢。因此，導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E=BLv1=BLvsinθ。

教學設(shè)計評估：

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)計了大量的實驗，這樣能讓學生更直觀、更真實地體驗到規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程和自然規(guī)律的神奇，而不是將規(guī)律死記硬背。分組實驗“法拉第電磁感應(yīng)定律”的定性探究。其次，在知識應(yīng)用部分是用法拉第電磁感應(yīng)定律推導(dǎo)導(dǎo)體切割磁感線時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，推導(dǎo)過程一定要緊扣磁通量的變化率，這是求解感應(yīng)電動勢的關(guān)鍵。雖然這個結(jié)果也能用自由電子受洛侖茲力充當非靜電力推導(dǎo)出來，但這與本節(jié)課的主題無關(guān)。因此，不應(yīng)過多強調(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：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（實驗稿）[S].北京：人民教育出版社，2003.（欄目編輯 李富強）