提高課堂探究的有效性 注重發揮實驗的作用

溫博

《感應電動勢與電磁感應定律》是魯科版高中物理選修3-2模塊第1章《電磁感應》第2節的內容，本章第1節是磁生電的探索，通過探究實驗得出感應電流產生的條件，為感應電動勢的探究奠定了基礎。本節內容不僅是本章內容的重點和難點，也是電磁學的核心，揭示了電磁感應現象的本質。

高二的學生歸因興趣以及概括認識興趣較強，樂于探索物理現象背后的原因，具備一定的物理探究能力。學生在3-1模塊的學習中已經掌握了電場和磁場的相關知識，在前一節的學習中學生知道了電磁感應現象，通過探究理解感應電流產生條件，這為本節課學生的探究和知識的類比與遷移奠定了基礎。學生對電磁感應現象的本質理解不夠透徹，容易混淆感應電動勢和感應電流間的因果關系；對磁通量、磁通量的變化量和磁通量變化率這三個概念的混淆，增加了學生探究物理規律的難度；學生要實現由定性關系到定量關系的過渡，認知上存在一定障礙；學生設計及動手實驗能力較弱，較難定量探究影響感應電動勢的影響因素及其數學關系。為了突破這一重難點，現設計了如下一堂基于科學探究的規律探究課。

一、利用學生課堂活動“搖繩發電”導入新課

教師提供長導線，并與微電流傳感器連接，請學生利用“磁生電”的知識，思考如何利用長導線發電，請兩名學生先緩慢搖繩再快速搖繩，搖繩同時教師突然斷開電路，學生觀察實驗現象并回答問題。

二、探究教學

1.創設問題情境，引出探究主題

教師提問1：實驗利用什么原理發電？

教師提問2：裝置中的哪部分相當于電源？

教師提問3：如何操作使感應電流增大？

教師啟發并總結出感應電動勢的概念，引導學生分析感應電動勢與感應電流的關系，揭示電磁感應的本質。

教師提問：如何獲得較大的感應電動勢？影響感應電動勢的大小的因素有哪些？

2.學生自主探究—“如何獲得較大的感應電動勢？”

學生2人為一小組，全班分為甲乙兩大組，兩組實驗桌上的儀器不同。學生小組合作完成實驗和探究學案。

甲組學生實驗桌上有如圖1所示器材：螺線管、磁性不同的條形磁鐵、電壓表、開關、導線若干。乙組學生實驗桌上有如圖2所示器材：鐵架臺、線框、懸線、U型磁鐵若干、靈敏電流計、開關、導線若干。

學生小組合作，自主選擇儀器盡可能獲得較大的感應電動勢，教師巡視指導學生實驗，請每大組中儀表指針偏轉較大的小組展示交流獲得較大感應電動勢的方法并歸納實驗結論和猜想。

學生根據自主探究實驗提出猜想，甲乙組的猜想有所不同，教師將兩組結論總結匯總。類比比值定義法得出加速度概念的過程，引導學生得出表示磁通量變化快慢的物理量——磁通變化率即。

教師分析甲、乙組學生實驗模型的共性：甲組螺線管的橫截面積不變，通過改變磁感應強度使通過閉合回路的磁通量改變；乙組磁場的磁感應強度不變，通過改變回路圍成的面積使通過閉合磁通量改變。兩組實驗影響感應電動勢的因素的共性是使磁通量發生改變。

教師提問：磁通量變化率和B、l、v之間有什么內在聯系呢？

教師通過多媒體展示一根導體棒勻速切割勻強磁感線的過程（如圖3），推導此時磁通量變化率的表達式。

教師指明導體棒勻速切割勻強磁場的過程是電磁感應一種特殊情況，當B、l一定時，磁通量的變化率就取決于垂直切割磁感線的速度v。

教師歸納總結學生猜想的影響因素有：磁通量變化量△Φ，磁通量變化率。

3.師生共同定量探究：法拉第電磁感應定律

（1）教師分析學生探究實驗存在的問題：由于實驗器材不夠精密，磁通量變化量以及變化快慢不好控制，學生只能發現定性規律。

（2）定量實驗探究。探究實驗1：控制磁通量變化率不變，探究感應電動勢E與磁通量變化量△Φ是否有關。

教師展示并介紹實驗教具，引導學生設計實驗。利用強磁鐵、力學軌道、小車、線框、光電門、傳感器，精心設計了如圖4所示的實驗裝置，它可以探究E與△Φ的關系。

（是正對強磁鐵槽，它們中間的磁場可以看成勻強磁場。是一個力學軌道，軌道上有一輛小車。小車上固定了一個線框。當小車運動起來線框紅色這一段進入磁場切割磁感線，產生感應電動勢。）

教師提問1：如何才能做到保持不變呢？（引導學生回想切割模型的推導）

學生回答：控制不變，只要讓線框勻速切割磁感線。學生思考后可能提出如下方法：就像驗證牛頓第二定律的實驗那樣，把軌道的一端適當調高，也可用拉力來平衡。

教師提問2：可是線框進入磁場的過程中，不但小車受到摩擦力，線框還受到安培力，該如何平衡這兩個力呢？（教師展示用細線通過定滑輪掛上重物，用拉力來平衡這兩個力。）

教師提問3：那又應如何測量感應電動勢呢？

學生回答：電壓表

教師展示數據采集裝置——電壓傳感器及光電門，并通過多媒體課件動畫演示擋光片勻速通過光電門1的過程（如圖5），分析得出線框勻速進入磁場切割磁感線的過程中，磁通變化率保持不變，時間t不斷增大，回路中磁通量Φ不斷變大。

通過光電門記錄下小車帶著擋光片經過光電門的遮光時間Δt，同時光電門觸發電壓傳感器記下擋光時間Δt內每個瞬間的感應電動勢E。 數據采集系統不僅可以記錄數據還可以畫出感應電動勢E和時間t的數據圖像。

老師進行實驗，得到的如下圖像1，學生分析圖像總結實驗結論：在t不斷變大，即ΔΦ不斷變大的過程中，感應電動勢E并沒有變化。這就說明電磁感應現象中，因為回路磁通量變化而產生感應電動勢，但當ΔΦ≠0時，ΔΦ大小并不決定E的大小。

接著連接光電門2（如圖6），通過光電門2 的過程中（3到4位置的過程）線框全部進入磁場中，兩條邊均切割磁感線，探究此時感應電動勢隨時間變化情況。

教師提問4：為什么感應電動勢為零？

學生回答：通過閉合回路磁通量沒有發生改變。

總結探究實驗1的結論：在磁通量變化率一定時，ΔΦ≠0時，ΔΦ大小并不影響E的大小。

探究實驗2：探究感應電動勢E和磁通量變化率的關系。

教師提問1：那如何做到多次改變呢？

學生回答：讓線框以不同的速度進入磁場切割磁感線。

由于擋光片的寬度一定時，每次通過磁通量變化量均為△Φ。教師在小桶內加鉤碼，使小車做加速運動，讓小車從不同位置出發保證線框以不同速度進入磁場，每次出發后通過光電門的擋光時間（也就是每次磁通量變化△Φ所需要時間）是不同的，它們都被光電門記錄下來，這樣就做到了多次改變。

教師提問2：ΔΦ不變時，探究E與的關系就相當于探究E和哪個量的關系？

學生回答：與 的關系。

教師進行多組實驗并記錄數據，得到如下圖像3所示。

教師提問3：根據圖像得到什么結論？

學生回答：得到一條過原點的直線，說明E與成正比，即與成正比。

教師歸納總結得出法拉第電磁感應定律。

三、法拉第電磁感應定律應用

教師介紹法拉第電磁感應定律在手壓式自發電手電筒（圖7）中的應用，為學生展示裝置內部的結構（如圖8、9）。連軸通過齒輪帶動磁鐵運動，與金屬導體片發生相對運動，相當于導體片轉動切割磁感線運動，產生感應電動勢，使燈泡發光。

教師引導學生從應用中抽象出物理模型，導體棒繞O點轉動切割勻強磁場。教師提示推導的方法（），學生課下完成推導作業。