《法拉第电磁感应定律》教学设计 人民教育出版社《物理》选修3-2第四章

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1、《法拉第电磁感应定律》教学设计 人民教育出版社《物理》选修3-2第四章第4节 浙江省舟山市第二中学 余杰 一、教学目标： 1、 知识与技能： （1）知道什么叫感应电动势。 （2）学会区分磁通量，磁通量的变化量，磁通量的变化率。 （3）理解感应电动势大小和磁通量变化率以及匝数的关系即课题。 （4）知道公式E=Blv的推导过程。 2、过程与方法 ： （1）让学生经历影响感应电动势大小因素的定性探究与讨论过程，感受分析归纳、总结规律的科学探究思想。 （2）引导学生积极参与定量实验的设计过程，体会物理实验中蕴含着的物理思想和方法。 3、情感、态度和价值观 ： （1）通

2、过介绍发电地板、动车测速等物理知识的应用，激发学生的好奇心和求知欲，体验“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念。 （2）通过师生互动、生生互动等活动培养学生主动探究、积极参与、团队合作的精神。 （3）通过经历实验和理论探究等活动，使学生再次认识到物理的简洁之美，体验科学的精神和态度在科学探究过程中的重要作用。 二、教学重难点： 1、重点： （1）探究思想、探究过程、探究方法的渗透。 （2）法拉第电磁感应定律的获得过程。 2、难点 （1）引导学生对各种可能影响感应电动势大小的因素进行分析归纳。 （2）定量实验方案的设计与实施。 三、教学设计思路 （1）总体设想：通过教师的

3、引导，让学生按照认识的重演规律，去重演知识的发生过程，让学生经历实验方案的设计过程，探寻物理规律的发现过程，以及体验物理概念的建立过程。应尽量使他们在获取物理知识的同时，汲取前人的智能，领悟思想方法，陶冶科学精神，全方位提升他们的科学素养，从而全面落实新课程所要求的三维教学目标。 （2）实验设计：实验中以思维为中心，过程为主线，变式为手段，充分发挥实验的教学功能，尽量再现实验的设计过程，让学生多想想：应该怎样做？为什么要这样做？换种方法能不能做？启迪学生思路，渗透物理思想。“发电地板”实验意在创设情景、引趣激疑、温故知新。定性实验使学生体会猜想需要建立在理性分析与可靠实验基础上，重在归纳总结

4、出实验现象的共性。第一个定量实验，意在让学生通过思考利用手边器材就能简单实现，而实验的说服力较差，实验结束后给学生留个窗口，提供独立发现新问题的机会。第二个定量实验，发挥了现代技术的优势，获取多组数据得出物理图象，更具有说服力，重在有意识地创设一种探索的氛围，让学生积极参与该实验的设计过程，促使学生更好地领会实验思想的精髓。两个实验兼顾传统实验和高科技实验的优点，相辅相成。 （3）创新设计：自制了法拉第电磁感应定量探究装置，与DIS数字实验系统相结合，利用同步电机控制磁铁扫过线圈的时间，将磁通量变化率这个实验测量的物理量转化用电源的频率代替，利用本装置还可以在课堂上实现线圈匝数由1匝到n匝的

5、改变，非常成功地解决了研究感应电动势与磁通量变化率和线圈匝数的两个定量关系实验。发挥DIS系统采集数据既快捷又准确的优势，可以获得多组实验数据，作图分析，使实验结论更具有说服力。 四、教学资源 演示实验器材：自制发电地板、自制法拉第电磁感应定律定量探究装置（具体制作过程可参见笔者发表在《中学物理教学参考》2011年第1、2期杂志的论文）、DIS数字化实验系统、电流传感器、微电流传感器。 学生实验器材：灵敏电流计、线圈、导线、两根同规格的条形磁铁。 其他器材：摄像头、计算机辅助教学系统。 五、教学流程图 开始 观察思考，温故知新 实验1：引入感应电动势概念，导出课题

6、 得出定性关系 实验2：探究影响感应电动势大小的因素 猜想定量关系，提出实验思路 设计实验方案 得出E∝ 实验3：Δt一定，改变ΔΦ探究E∝? 实验4：ΔΦ一定，改变Δt探究E∝? 理论分析：E∝n 实验5：一定，改变n探究E∝n? 得出E= n 推导出公式E=Blv 联系社会，课后留疑 结束 六、教学过程 （一）创设情境，引入新课 【从生活走向物理】 【视频】与学生分享世博会日本馆中的发现——发电地板。 师：发电地板，脚踩上去就能发电，低碳环保，那么地

7、板为什么能发电呢？我今天就把它带过来了，请大家注意观察这个小灯的变化。 【演示实验】演示自制发电地板，演示时除灯以外部分其他均设法隐藏，并在磁铁上部粘贴小块塑料地板，用手有节奏地摁地板，学生观察到小灯忽明忽暗。 师：揭秘发电地板：其实就是一个磁铁、一个线圈与小灯连接。大家不难发现地板发电是利用电磁感应产生感应电流，那么大家一起说说看产生感应电流的条件是什么呢？ 生：闭合电路中磁通量发生变化。 说明：发电地板实验既宣传低碳环保的理念，又激发学生好奇心，在学生惊讶之际，揭开谜底，学生豁然开朗，原理就是上堂课学习的电磁感应现象，从而复习了感应电流产生条件。 （二）得出感应电动势定义、产生条

8、件 师：磁通量发生变化的电路在这里就是这个线圈，相当于传统意义上的电源。有电源就有电动势，我们把电磁感应现象中产生的电动势叫做感应电动势。产生感应电动势的条件又是什么呢？是否与产生感应电流的条件一样呢？如果在此时断开电路，自然没有感应电流，那么感应电动势也随之消失了吗？延迟判断。 生：思考并提出自己的看法。 师：释疑：好比一个电池，尽管断开电路，但是它能提供电能的这个本领还是存在，也就是电动势依然存在，提出产生感应电动势的条件：与外电路是否闭合无关，只要电路中磁通量发生变化，比产生感应电流的条件更能反映电磁感应现象的本质。 说明：在讲授感应电动势的相关概念时，教师“顶真”式的表述，使相

9、关问题环环相扣，学生沉浸在“发电地板”这个物理情景中，思维得以延续，温故知新。 （三）明确本节课研究的主题 师：那么对于感应电动势大家最想研究关于它的什么问题呢？ 生：感应电动势的大小。 说明：让学生主动提出想要研究的问题，试图变被动探究为主动探究。 师：在刚才的实验当中细心的同学不难发现，小灯的亮度忽明忽暗，说明产生感应电流的大小不一样，而根据闭合电路的欧姆定律，感应电流的大小恰恰反映的感应电动势的大小，今天我们就来重点研究感应电动势的大小。 说明：还是在“发电地板”的情景当中，自然地提出本节课研究的主题，并提示学生在接下来的实验当中可以用电流计测得的感应电流大小反映感应电动势的

10、大小。 （四）定性实验：探索影响感应电动势大小的因素 师：那么感应电动势的大小可能跟哪些因素有关呢？请同学们利用手边器材设计不同实验方案，尝试着去探寻影响感应电动势大小的物理量。 【学生实验】两人一组，每组器材包括灵敏电流计、线圈、导线、两根同规格的条形磁铁。实验过程中，学生积极动手实验，展开讨论，将自已的见解与同学交流，主动与同学合作。同时记录实验设计方案，实验现象以及得出的结论。 图1 电流传感器 说明：不是直接让学生猜想，而是让学生用熟悉的装置实验探究，体现了猜想需要建立在理性分析与可靠实验基础上的这一思想。 师：展示与学生类似的一套实验装置，将线圈内的条形磁铁磁铁拔出来（

11、故意慢一些），线圈与电流传感器相连（如图1），通过数据采集器在电脑上显示出电流随时间的变化图像。接下来我要请同学上台来，利用刚才实验的经验，产生比老师更大的感应电动势。 图2 说明：通过“比一比”的形式，提高学生参与实验探究的兴趣。 【学生演示】学生可能用一根磁铁，很快拔，也可能用两块磁铁很快拔。教师同时与学生交流：①你为什么拔得这么迅猛？②你为什么用两根磁铁？在交流中学生可能认为感应电动势的大小可能与时间Δt和磁通量的变化量ΔΦ有关，Δt越小，E越大；ΔΦ越大，E也越大。（如图2为用不同条数磁铁，不同速度抽拔时感应电流的大小情况） 说明：学生操作有不确定性，教师应该随机应变，灵活应用

12、学生实验过程中动态生成的教学资源，比如发现有的学生也用两根磁铁，但是产生的感应电动势很小，进而分析原因：原来这位同学把两根磁铁异名磁极放在一起，磁性相互抵消，拔出来过程中磁通量变化量ΔΦ比一根磁铁还要小，佐证了ΔΦ越大，E也越大的结论。 【教师演示】将三根磁铁同名磁极并在一起从线圈内拔出，显然ΔΦ比一根和两根情况下都大，一边讲解一边演示，结果大大出乎学生预料：发现感应电动势很小。请学生分析原因。 生：学生意识到不能将ΔΦ和Δt割裂开来研究感应电动势大小，并将刚才的结论纠正为：当Δt一定，ΔΦ越大，E越大；当ΔΦ一定，Δt越小，E越大。 师：通过比较引导学生归纳出上述两种情况的共同特点就是

13、磁通量变化的较快。物理学上将叫做速度的变化率，用来表示速度变化的快慢，类似地将叫做磁通量的变化率，来反应磁通量变化的快慢，且 越大，E就越大，即得到了E与之间定性的关系。 说明：本环节意在培养学生在实验观察基础上，分析归纳总结出规律的能力。 （五）定量实验：探究E与之间的定量关系 师：我们物理学不能仅仅满足这样的定性描述，你觉得感应电动势和磁通量的变化率到底有怎样的定量关系呢？ 【学生猜想】感应电动势可能跟磁通量的变化率成正比，也可能跟它的平方成正比，三次方，开根号成正比等等，最简单就是直接成正比。 师：伽利略说过自然界的发展遵循的是最简洁的规律，这两个物理量直接成正比很简洁，但现在

14、仅仅是一个猜想，还需要实验来验证。实验中需要多次改变磁通量变化率这个值，请同学们可以通过哪些途径来改变这个比值呢？ 生：可以使每次操作的ΔΦ一定，改变Δt，也可以使每次操作的Δt一定，改变ΔΦ，还可以Δt、ΔΦ同时改变，进而改变。 师：同学们的实验思路非常清晰，接下来从简单的入手，用同学们想到的前两个思路来设计实验方案，探究E与之间的定量关系。 说明：此环节应放给学生，让学生充分发表他们的观点。 （1）Δt一定，改变ΔΦ,探究E与是否成正比? 师：用你手边的器材，如何做到每次操作的Δt相同，ΔΦ不同呢？ 生：把磁铁在线圈上方相同高度，静止释放做自由落体，高度相同，磁铁通过线圈的时间

15、也相同。 师：如何改变ΔΦ？ 生：一次用一根磁铁，另一次用两根。 师：很好，由于我们用的是规格相同的磁铁，两次下落过程中穿过线圈的磁通量变化ΔΦ可以粗略的认为是几倍关系？ 生：两倍。 师：又由于Δt相同，那么磁通量变化率也可以近似认为是几倍关系？ 图3 生：两倍。 师：这样就把磁通量变化率这个实验难以测量的物理量用磁铁的条数来代替。如果同学们猜想正确的话，与此对应的感应电动势应该是几倍关系？ 生：两倍。 说明：学生利用手边器材，很容易自己想到这个实验方案，所以课前进行了预设，教师只做适当点拨。 师：这个自由落体的方案很好，但在具体操作时不易控制，老师在这个方案的基础上稍加

16、改进，给磁铁装了一个水平支架（如图3），用支架把磁铁从相同的线圈中抽出，注意保持水平，那么在任意一段位移内，两边线圈中的磁通量变化率可以粗略的认为是两倍的关系。 说明：实验方案的设计与改进过程中体现了对比分析，等效替代，逆向思维等思想方法。 【演示实验】通过摄像头将两表读数显示在大屏幕上，请同学们仔细观察两边电流计的示数，由于变化很快，可以读电流的最大值，发现一个人读两个表的示数有困难，同学们可以相互协作，左边两组同学读左边这个表，右边两组同学读右边这个表，学生发现两电流计示数大致上是两倍的关系，但是还有一部分同学没有完全看清楚。 说明：培养学生相互协作的精神。 【视频】教师逐帧播放事

17、先用数码相机录制的读数视频。 生：发现在任意时刻，两表读数基本上是1：2关系，那么整个过程的平均值也是两倍的关系。 师：通过这个实验我们得到了什么结论？ 生：粗略的证明了感应电动势和磁通量变化率成正比。 师：当然我们仅仅使磁通量的变化率变成原来的两倍就得到这个结论，科学的讲是不够严密的。我们可以再次改变磁通量变化率，比方我们可以把磁铁的条数变成3根、4根、5根这样成倍增加，看看与此对应的感应电动势是否也在成倍增加，实验结果真的会如大家所愿吗？同学们课后可以做一下有益尝试，或许会发现新的问题。 说明：实验中运用了摄像头、视频来提高演示效果，得到初步结论后，教师没有继续实验而是为学生开窗

18、口、留接口，鼓励学生利用简单熟悉的仪器独立钻研，发现新问题。 （2）ΔΦ一定，改变Δt,探究E与是否成正比? 师：用你手边的器材，如何做到每次操作的ΔΦ相同，Δt不同，同学之间相互讨论一下，想到的方案越多越好。 生：分组讨论，设计实验方案，交流发言。学生可能想到让同一根磁铁在线圈上方不同高度做自由落体，每次磁铁通过线圈的速度不一样，磁铁通过线圈的时间就不一样，但磁通量的变化量相同，等等。 说明：此环节意在让学生经历实验的设计过程，学生在讨论中有主动与他人合作的精神，有将自己的见解与他人交流的愿望。要求教师对学生随堂生成的教学资源机智灵活地处理，对于学生可能提出的各种方案分别做出恰当的评

19、价，从而保护学生的积极性。 师：对学生想到的各种方案做简单的点评。老师也设计了一个方案，原理上和大家差不多。如果我每次将磁铁在线圈上方以不同的速率从A位置移到O位置，那么所花的时间不一样，但是磁通量的变化量相同。如果我使磁铁移动的速率成倍增加，那么Δt应该按比例的缩小，1/Δt就成倍的增加，磁通量的变化率也就成倍的增加。（结合ppt动画讲解） 说明：在学生设计基础上，教师提出实验中不但可以让磁铁作直线运动还可以让它作曲线运动，可以让磁铁穿过线圈，也可以让磁铁在线圈上方扫过，训练学生的空间思维能力。 图4 师：介绍实验装置（如图4），把一个单匝线圈与微电流传感器相连，通过数据采集器可以在

20、电脑上实时的显示产生感应电流随时间的变化情况，磁铁在同步电动机的带动下，可以做匀速圆周运动，同步电动机的转速跟电源的频率有关通过变频器可以改变电源频率，教师演示：频率逐渐增大，转速越来越大，频率逐渐减小，转速越来越小。指出实际上磁铁做圆周运动的线速度与电源频率成正比，如果使电源的频率由5hz、10hz、15hz……这样成倍增加，磁铁做圆周运动的线速度也在成倍增加，那么每次磁铁扫过线圈的时间△t呢？ 25Hz 30Hz 35Hz 图5 15Hz 20Hz 10Hz 5Hz 生：按比例的缩小， 1/Δt成倍的增加。 师：每次磁铁扫过线圈的磁通量变化量ΔΦ有什么关系？ 生：相同

21、，所以磁通量变化率成倍增加。 师：这样就把磁通量变化率这个实验难以测量的物理量用电源的频率来代替。 说明：此处实验设计又一次体现了等效转化的思想方法。 【演示实验】使电源频率由5hz、10hz、15hz……这样成倍增加，DIS实验系统依次记录了感应电流随时间变化的七个图像（如图5），取图像上半部分的平均值，记录表格（如图6），与此对应的磁通量变化率成倍增加，所以记做1、2、3…… 图6 说明：体现了高科技实验仪器相比传统实验的优势：可以更加精确及时的记录瞬间变化的物理量，并方便我们对数据进行分析处理。 师：为了探究E与的定量关系，能不能从这个表格中直接得出结论？ 生：有困难。

22、师：那我们可以通过怎样的数据处理方法来分析？ 生：图像法。 图7 师：图像法是物理学上重要的数据处理方法，他具有形象直观的特点，以感应电流为y轴，磁通量变化率为y轴建立坐标系，我们得到七个数据点（如图7），发现这些点的分布有什么特点？ 生：大致在一条直线上。 师：对数据点进行直线拟合，发现这些点分布在一条过原点的直线上（如图7），由此我们得出什么结论？ 生：E与成正比。 说明：通过学习实验数据的处理方法，提高学生运用物理图象来分析、解决物理问题的能力。认识数学方法在物理研究的重要作用。 师：通过以上实验我们得到E∝。如果把它改成一个等式，得乘以比例系数k，而k的数值取决于其他物

23、理量的单位，当电路为单匝线圈，这两个物理量取国际单位时，k=1。如果电路为n匝线圈，而且穿过每匝线圈的磁通量相同，那么所产生的感应电动势又是多少呢？ 生：乘以n。 （3）一定，改变n，探究E与n的正比关系 师：我们还是通过实验来验证大家的猜想，还是用这套实验器材，如何控制一定？ 生：保证电源频率不变。 师：比如我们取电源的频率为10hz，不变。 【演示实验】还是用刚才这根导线，电路的总电阻不变，线圈由一匝变成三匝。电源频率设置为10hz，利用DIS系统测量出此时感应电流的平均值（如图8），刚才10hz单匝线圈时感应电流平均值为0.094μA， 现在10hz三匝线圈时感应电流平均值为

24、0.288μA，大致上认为是三倍的关系，我们可以再次改变匝数做更多次的实验，今天由于时间关系就不做了，最终我们会发现匝数成倍增加，感应电动势也成倍增加。 图8 3匝 说明：现场改变线圈的匝数进行实验，验证了学生的猜想，比起用事先预制的线圈来进行实验验证，更能使学生信服。 【理论分析】为什么会有这样的正比关系？请同学们试着从理论上分析一下。 生：如果单匝线圈相当于一个电源的话，n匝线圈相当于n个电源串联，所以感应电动势为单匝线圈的n倍。 说明：教学中要有效地启发学生进行逻辑思维，并让学生明确，逻辑推理和实验探究一样，也是科学研究的方法之一，两者是相辅相成的。 （六）得出结论 师：

25、E= n这个公式就是著名的法拉第电磁感应定律。是由德国物理学家纽曼和韦伯各自通过理论分析得到的，法拉第虽然没有亲自得出这一公式，但是由于他对电磁感应现象丰富的开创性研究，把这一发现的荣誉归之于他也是当之无愧的。今天我们通过短短一节课的时间粗略的证明了这一公式，但其实在物理学史上，在发现电磁感应现象之后，科学家又经历了长达十几年的研究才得出这个定律，我们今天只是沿着前人的足迹，体会了科学探究的过程与喜悦。 说明：回顾法拉第电磁感应定律发现的物理学史，使学生体会物理学的发展并不是一帆风顺的，一个定律的得出需要通过实验反复验证。 Δt 图9 师：我们在运用这个公式时需要特别注意：用这个公式求

26、得的是感应电动势的平均值，比方刚才实验中Δt内感应电动势的大小是在变化的，只有当Δt取得足够小，所求得的感应电动势的平均值才可以用来表示此时感应电动势的瞬时值（如图9）。 说明：提出感应电动势平均值和瞬时值的区分和联系，并非增加学生的认知负担，而是使学生再一次体会了数学的极限思想在物理学上的运用。 （七）学以致用 【例题】如图所示闭合线圈一部分导体ab处于匀强磁场中，导轨宽为l，磁感应强度是B，ab以速度v匀速切割磁感线，求产生的感应电动势。 生：动笔计算，推导出公式E=Blv。 师：这个公式非常简洁，它是法拉电磁感应定律的一个特例，今后我们专门用它来计算导体棒做切割磁感线运动时所产

27、生的感应电动势。我们看B、l、v这三个物理量的位置关系有什么特点？ 生：两两垂直。 【留疑】 1.B,l,v其中两个量不垂直，E=? 2.如果导体棒由0到v做匀加速直线运动，那么此过程E=? 【从物理走向社会】 师：近来，我国接连发生了两起重大的铁路交通安全事故，造成重大的人员伤亡，使曾经一度声称“永远不会发生追尾”的铁路信号控制部门，饱受公众的质疑，下图是一种电磁式信号传输系统的原理图，请同学们用今天所学的知识课后分析信号中心是如何对火车进行定位和测速的基本原理。下课。 七、板书设计 法拉第电磁感应定律 ΔΦ≠0 条件 感h应h电h动h势 ΔΦ相同，Δt Δt相同，ΔΦ E 因素 E E= n 公式