探究電磁感應的條件

教材分析

在《磁場》一章中，奧斯特的發(fā)現(xiàn)說明了電能產生磁，而在《電磁感應》一章中，法拉第的發(fā)現(xiàn)說明磁能產生電，揭示了磁和電之間的聯(lián)系，為人類從蒸汽時代進入電氣時代奠定了基礎，具有劃時代的意義。

電磁感應的教學，具有典型的科學思維方法訓練的教育意義。在探索“磁生電”的艱苦過程中，觀察與思考，發(fā)現(xiàn)問題與假設，假設與猜想，實驗與探究，實驗與分析，實驗歸納法等等都得到了充分的體現(xiàn)。因此，學好本節(jié)，對學生來說，可謂意義深遠。

教學目標

知識與技能方面

（1）知道探究實驗所需的器材，能設計實驗步驟和表格，并記錄實驗現(xiàn)象。

（2）通過實驗，理解感應電流的產生條件，總結實驗規(guī)律。

（3）知道磁通量的概念。

過程與方法方面

（1）探究磁生電的條件，理解電和磁之間的聯(lián)系。

（2）通過小組活動，培養(yǎng)實驗設計、電路設計能力，學會分類與歸納方法，培養(yǎng)抽象、歸納能力。

（3）培養(yǎng)運用物理規(guī)律解決實際問題的能力及知識遷移能力。

情感、態(tài)度與價值觀方面

（1）培養(yǎng)學生科學探索的欲望。

（2）認識自然現(xiàn)象之間是相互聯(lián)系的，認識物理學對科技進步，對文化、經濟和社會發(fā)展的影響。

教學重點、難點

重點

（1）產生感應電流的條件。

（2）磁通量的概念。

難點

（1）培養(yǎng)學生設計實驗的能力。

（2）在實驗中歸納產生感應電流的條件。

教學設計思想

（1）采用以學生自主構建知識為主線，學生理解、體驗、感悟為基礎，充分發(fā)揮學生主動性的實驗探究教學。

本案例以錄音機播放優(yōu)美音樂引入新課，用法拉第根據“電生磁”產生“磁生電”的設想，引發(fā)學生的思維張力，產生探究的欲望，鼓勵學生大膽設計，勇于嘗試。通過設計多種方法產生感應電流，使學生由衷地感到成功的喜悅。通過實驗，引導學生討論交流，得出產生感應電流的條件，再引出磁通量的概念，用多媒體演示磁通量的變化，促使學生認知結構的形成。

學生自主地進行實驗探究，獲得親身經歷和感性認識，通過小組交流、討論分析，抽象出結論，體現(xiàn)了科學探究的一般過程：設想——實驗探究——實驗結論——應用。讓學生在經歷中感悟科學探究的一般方法，提高學生的科學素養(yǎng)。

（2）利用物理學史開展探究教學，是本案例的又一特色。

引導學生沿著物理學家的足跡，利用物理學史進行科學探究，有利于學生深刻理解物理概念和規(guī)律，糾正錯誤觀念；有利于認識實驗在物理學中的地位和作用；有利于對學生進行科學方法的教育。無論是法拉第十年的艱辛探索，還是科拉頓的失之交臂，都說明了任何發(fā)現(xiàn)都是人們艱苦探索的結果，這都有利于培養(yǎng)學生艱苦探索的意志和堅忍不拔的科學精神。

教學方法

利用物理學史進行自主學習的實驗探究。

教學資源

多媒體教室，實驗室，課本中規(guī)定的實驗器材，多媒體電子課件等。

教學過程

一、音樂情境，導入新課

情境：用磁帶錄音機播一小段優(yōu)美的音樂，并配合電腦動畫展示過程如圖1。

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錄音機錄音時磁帶被磁化，形成按聲音振動規(guī)律排列的一系列小磁體。放音機的磁頭是一個帶鐵芯的線圈，當磁帶從磁頭邊滑過時，磁頭線圈就會感應出按小磁體排列規(guī)律變化的電流，放音機將磁頭感應出的變化電流放大，推動喇叭振動，就放出了美妙的音樂！那么磁頭為什么能“磁生電”呢？我們今天的課題就是要探究電磁感應的條件。

二、學生活動，尋找產生電磁感應的方法

1 演示法拉第的失敗實驗

方案一 1824年12月，法拉第把繞在磁鐵上的導線和電流表連接起來組成一個閉合電路（圖2），沒有發(fā)現(xiàn)電流。

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方案二 1825年11月，法拉第將含有電流表的導線回路放在另一通電回路附近，期望會改變導線中的電流大小。

實驗結果，顯示沒有發(fā)生任何效應。

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2 猜想與假設

猜想一下實驗失敗的可能因素：電能“生”磁，只是電磁運動的一個方面，從另一方面思考，“磁生電”的運動規(guī)律是否有其特殊性呢？回憶奧斯特實驗，發(fā)現(xiàn)電流恒定，但實質上它是由導體中的運動電荷形成的。那么，上述“磁生電”實驗只是把導線繞在磁鐵上，在恒定磁場中，導線和磁場都處于靜態(tài)，“運動電荷”——電流從何而來呢？或許“磁生電”不是在靜態(tài)中產生的。

法拉第用了十年的時間，終于發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象。今天我們就循著科學家的足跡，通過實驗探索、科學歸納概括的方法來認識這一重要的現(xiàn)象，總結產生感應電流的條件。

3 學生互動，實驗探究

每組學生的桌上有一張紙，列出的是各自桌上的器材和實驗要求，注意前后桌的器材是不一樣的（各小組紙上內容如下圖4）。

分組1 實驗器材：導線、靈敏電流計、自制線圈、馬蹄形磁鐵。要求：用所給實驗器材產生感應電流。

分組2 實驗器材：導線、線圈、條形磁鐵、靈敏電流計要求：用所給實驗器材產生感應電流，并根據實際電路，畫實物連接圖。

分組3 實驗器材：滑動變阻器、學生電源、開關、帶鐵芯的線圈A、導線、靈敏電流計、線圈B、條形磁鐵。要求：用所給實驗器材產生感應電流，并根據實際電路，畫實物連接圖。

根據紙上要求得到感應電流后，前后左右的同學相互交流實驗情況并交換位置完成其他組的實驗。

學生活動后，各組選派代表向全體同學現(xiàn)場展示操作過程，介紹實驗情況及實驗結果。

分組實驗一 導線與電流計組成閉合電路（圖5），使線圈在磁鐵兩極間運動或翻轉。

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分組實驗二 線圈與電流計組成閉合電路（圖6），條形磁鐵N極插入或拔出線圈的瞬間，或條形磁鐵S極插入或拔出線圈的瞬間。

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分組實驗三 帶鐵芯的A線圈放在線圈B中，線圈A與電池、開關、滑動變阻器組成串聯(lián)電路，線圈B兩端接電流表（圖7）。當線圈A電路的開關閉合或斷開的瞬間，或者接通線圈A電路后，用變阻器改變A線圈電路中電流大小時。

上述操作都可看到電流計指針發(fā)生偏轉。

教師演示：在分組實驗三中，變阻器連接在靈敏電流計的回路中，改變滑動變阻器阻值，觀察電流計指針偏轉情況。（結論：指針不動）

說明：讓學生充分利用桌上的大量的實驗器材，自行設計實驗并動手實踐，努力嘗試，看看“你能獲得感應電流嗎？”這是一個無序的過程，但又恰恰是學生參與的開始。

三、探究產生感應電流的條件

1 異中求同，分析、討論產生感應電流的條件

學生結合實驗，總結產生電磁感應的條件，可能有的學生說是磁場變化引起（依據條形磁鐵的上下運動，使線圈回路中的磁場變化），教師可予以肯定和表揚；但另一些同學可能不同意這一觀點（依據是線圈切割時，磁場不變），教師同樣予以肯定和表揚。

歸納產生電磁感應現(xiàn)象主要有兩類：導體與磁體發(fā)生相對運動，而產生電流；由于閉合電路中磁場變化而引起電流。

啟發(fā)學生繼續(xù)思考，思考兩者的共性。

（引導學生忽略次要因素，將實驗裝置抽象成物理模型，由于磁場不可見，用多媒體模擬，其中磁體的磁場用磁感線標出，在觀察中提示以閉合回路作為研究對象）

情境：多媒體動畫模擬演示學生的分組實驗

模擬現(xiàn)象：磁感線閃爍（引起注意）

分組實驗一 導線左右、上下移動。

表頭動作：左右移動時偏轉，上下移動時不動。

分組實驗二 磁鐵插入或拔出。

表頭動作：移動時偏轉，磁鐵靜止時不動。

分組實驗三 左右移動滑動變阻器的觸頭，表頭動作：移動時偏轉，觸頭位置不變時不動。開關接通、斷開的瞬間偏轉，閉合后不動。

結論：產生感應電流的條件與磁場變化有關，也就是說，與磁感應強度的變化有關，還與閉合回路的面積有關；直觀地表現(xiàn)為：當穿過閉合回路磁感線條數變化時，就有電流產生，否則就沒有感應電流。

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2 引入磁通量概念

可見，要描述上述實驗的共性還需要引入一個新的物理量，這個物理量能描述穿過閉合回路的磁感線條數——磁通量。那么什么是磁通量呢？怎樣計算磁通量？閉合回路的面積與垂直穿過它的磁感應強度的乘積叫做磁通量，用磁通量來描述感應電流的產生條件（圖8）。

學生討論：磁通量定義、物理意義、單位等。

歸納產生感應電流的條件：

只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就有感應電流。

說明：鼓勵、引導學生，從簡單的實驗現(xiàn)象觀察過渡到對實驗結果的分析和總結，去回答“怎樣才能產生感應電流？”在對電磁感應現(xiàn)象分類的基礎上，異中求同，讓學生在探究規(guī)律的過程中，親身體驗了多種科學方法和科學思想的應用。

另外，順理成章地引出磁通量的概念，新課程這種安排，予人水到渠成的感覺，使學生理解建立這一概念的必要性，并能自覺構建。

四、產生感應電流條件的應用

1 法拉第成功實驗

情境：多媒體模擬演示法拉第成功實驗

法拉第以發(fā)現(xiàn)兩個線圈之間的電磁感應為突破口。1831年8月，他在日記中記述了第一次成功的實驗。他在軟鐵環(huán)的A邊繞了三個線圈，可以串聯(lián)起來使用，也可以分開使用，在B邊以同樣的方向繞了兩個線圈，如圖3所示；他把B邊的線圈接到電流計上，把A邊的線圈接到電池組上。當電路接通和斷開的瞬間，在B邊的線圈中發(fā)現(xiàn)了感應電流。

磁鐵與線圈之間發(fā)生了什么情況呢？法拉第在實驗日記中寫到：把磁鐵的一端靠近線圈的圓筒邊緣，然后一下子把磁鐵全部插入線圈內部，電流表的指針會出現(xiàn)擺動；接著拔出磁鐵的時候，表針會擺向相反的方向，不斷地插入和拔出磁鐵，這種現(xiàn)象將會不斷地重復。反過來，讓磁鐵靜止不動而線圈移動的話，也會產生感應電流。

法拉第總結了一系列有關電磁感應的實驗，在向英國皇家學會提交的論文中，他概括了產生感應電流的條件，完成了劃時代的發(fā)現(xiàn)——電磁感應現(xiàn)象。

科學史上任何一個發(fā)現(xiàn)都是來之不易的。在歷史上，最早做電磁感應實驗的科學家是當時年僅２３歲的科拉頓，但非常遺憾的是，他為了消除操作過程中外界因素對電流計的影響，他就用長導線，將電流表連接到另一個房間里，他在這個房間里將磁鐵插入線圈，然后飛快地跑到另一個房間里去看電流表，等他跑到的時候，電流表的指針已不偏轉。所以，他沒有發(fā)現(xiàn)電流的產生，可以說科拉頓已經叩開了發(fā)現(xiàn)電磁感應規(guī)律的大門，但由于他的失誤，卻與最后的成功失之交臂。

２ 產生感應電流條件的應用

應用示例１——錄音機放音原理（圖9），讓學生解釋磁頭讀取磁帶上信息的原理。

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應用示例２——“做一做”中的“搖繩能發(fā)電嗎？”（多媒體演示畫面，圖10），讓學生回答并解釋發(fā)電的原因，并詢問兩個同學沿哪個方向站立時，發(fā)電的可能性比較大，有條件的話，可讓學生現(xiàn)場演示，并思考回答其中的緣由。

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教學反思

１ 本節(jié)容量較大，涉及三個實驗，因此在本案例中，將３個實驗變成三種可供探究的實驗方案。各小組選擇其中一個方案，設計分組實驗，再在學生討論、交流的基礎上，選代表上臺展示實驗成果，在異中求同中自己發(fā)現(xiàn)并尋找到產生感應電路的本質條件，從而最終完成科學探究的過程。這樣的編排處理更緊湊、更合理，極大地節(jié)省了時間，提高了課堂效率；但筆者仍不免擔憂，這樣的處理可能使學生只能熟悉自己做的這個實驗，造成不能完全掌握另外兩個實驗。因此，建議在教學中要根據實際的進度，若時間充裕，增加一個環(huán)節(jié)內容，就是讓不同實驗組學生之間進行輪換實驗，以彌補這種設計帶來的不足。

２ 電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)過程經歷了大約１０年時間，在這１０年中，不少科學家都付出了艱辛的努力，經歷了很多次的失敗，最后由法拉第通過多次實驗，以其敏銳的洞察力捕捉了使全世界發(fā)生改變的物理現(xiàn)象——磁生電。這樣漫長的發(fā)現(xiàn)過程，在教學中我們只安排了１、２課時的時間進行學習，因此如何提高課堂教學的有效性，能否積極、有效地引導學生進行科學探究，讓學生自己理解、體驗、感悟，是值得我們思考并重視的問題。

(欄目編輯趙保鋼)