一、设计思想
法拉第电磁感应定律是电磁学的核心内容。从知识发展来看,它既与电场、磁场和稳恒电流有紧密联系,又是后面学习交流电、电磁振荡和电磁波的基础。它既是本章的教学重点,也是教学难点。
在学习本节内容之前,学生已经掌握了恒定电流、电磁感应现象和磁通量的相关知识,并且也知道了变化量和变化率的概念。学生已经具备了很强的实验操作能力,而且本节课的实验也是上节课所演示过的,只不过研究的侧重点不同。因此,有条件的学校可将本节课的演示实验改为学生分组实验。另外,学生对物理学的研究方法已有较为深刻的认识,在自主学习、合作探究等方面的能力有了较高的水平。
本节课的重点法拉第电磁感应定律的建立过程,设计中采用了让学生自己设计方案,自己动手做实验,思考讨论,教师引导找出规律的方法,使学生能够深刻理解法拉第电磁感应定律的建立过程。对于公式,让学生自己根据法拉第电磁感应定律,动手推导,使学生深刻理解。
本节课的难点是对、
、
物理意义的理解,在难点的突破上,采用了类比的方法。把、
、
、E和υ、Δυ、
、a类比起来,使学生更容易理解
、
、
和E之间的联系。
二、教学目标
(一)知识和能力目标
1.知道感应电动势的概念,会区分Φ、ΔΦ、的物理意义。
2.理解法拉第电磁感应定律的内容和数学表达式,并能应用解答有关问题。
3.知道公式
的推导过程及适用条件,并能应用解答有关问题。
4.通过学生对实验的操作、观察、分析,找出规律,培养学生的动手操作能力,观察、分析、总结规律的能力。
(二)过程与方法目标
1.教师通过类比法引入感应电动势,通过演示实验,指导学生观察分析,总结规律。
2.学生积极思考认真比较,理解感应电动势的存在,通过观察实验现象的分析讨论,总结影响感应电动势大小的因素。
(三)情感、态度、价值观目标
1.通过学生之间的讨论、交流与协作探究,培养学生之间的团队合作精神。
2.让学生在探究过程中体验解决问题的成功喜悦,增进学生学习物理的情感。
三、教学重点
法拉第电磁感应定律的建立过程以及对公式E=、
的理解。
四、教学难点
对Φ、ΔΦ、物理意义的理解。
五、教学准备
准备实验仪器:电流计、蹄形磁铁、螺线管、铁芯、学生电源、变阻器、开关、导线若干。(若为分组实验,应准备若干组器材)
六、教学过程
(一)引入新课
教师和学生一起回顾第一节中的三个实验。在这三个实验中,闭合电路中都产生了感应电流,则电路中必须要有电源,电源提供了电动势,从而产生电流。在电磁感应现象中产生的电动势叫做感应电动势。那么感应电动势的大小跟哪些因素有关呢?本节课我们就来共同研究这个问题。
(二)讲授新课
* 感应电动势
电源能够产生电动势,那么在电磁感应现象中,产生感应电动势的那部分导体就相当于电源。
学生思考讨论:如下图所示的三个实验中,分别是哪部分相当于电源?
图1 图2 图3
图1中电源是导体棒AB,图2中电源是螺线管B,图3中电源也是螺线管B。
学生思考讨论:产生感应电流的闭合电路断开,还有没有感应电动势?
引导学生:电路断开就相当于接入一个阻值无穷大的电阻,电流为零,但是依然有电动势。
教师总结:可见,感应电动势才是电磁感应现象的本质,电磁感应现象重要的是看感应电动势的有无。
下面我们就来共同研究感应电动势的大小跟哪些因素有关。
学生探究活动:如何通过上图所示的三个实验来研究影响感应电动势的大小因素呢?
引导学生:对于闭合电路电阻是一定的,可以通过电流表指针偏转的角度大小来确定电路中感应电流的大小,从而确定感应电动势的大小。如何改变电路中电流的大小?
学生设计的可能方案如下:
1.如图1所示电路,通过改变导体棒做切割磁感线运动的速度大小,来研究影响感应电动势大小的因素。
2.如图2所示电路,通过改变条形磁铁插入和拔出螺线管的速度大小,来研究影响感应电动势大小的因素。
3.如图3所示电路,通过改变滑动变阻器滑片移动的速度大小,来研究影响感应电动势大小的因素。
安排学生分组实验(为了节省时间,可将学生分为三大组,每一大组只做上述方案中的一个实验,每一大组适当的分为几个小组。做完实验后由各组长上报实验结果,然后由教师在提炼总结)。
结论:1.感应电动势的大小,与导体棒切割磁感线的速度大小有关。速度越大,产生的感应电动势越大。
2.感应电动势的大小,与条形磁铁插入或拔出螺线管的速度大小有关,速度越大,产生的感应电动势越大。
3.感应电动势的大小,与滑动变阻器滑片移动的速度大小有关。速度越大,产生的感应电动势越大。
学生思考讨论:认真分析三个实验及其结论,找出共同的规律。
引导学生:产生感应电流的条件是:穿过闭合电路的磁通量发生变化。对于图1所示实验,磁场的磁感应强度不变,通过导体棒做切割磁感线的运动,改变了闭合电路的面积,从而改变穿过该电路的磁通量,从而产生了感应电动势。导体棒运动越快,则回路面积变化也越快,使得磁通量的变化越快,而电流表指针偏转角度越大,说明感应电动势的大小与磁通量的变化快慢有关。磁通量变化越快,感应电动势越大。
让学生自己分析另外两个实验,总结结论
共同规律:感应电动势的大小与磁通量的变化快慢有关。
磁通量的变化快慢如何表示呢?(从数学角度定量的表示)
设时刻t1时穿过闭合电路的磁通量为Φ1,时刻t2时穿过闭合电路的磁通量为Φ2,则在时间Δt=t2-t1内磁通量的变化量为ΔΦ=Φ2-Φ1,磁通量的变化快慢可以用单位时间内磁通量的变化量来表示,也叫磁通量的变化率。(对于Φ、ΔΦ、
和E,学生很难理解它们之间的关系的,教师可将Φ、ΔΦ、
、E和υ、Δυ、
、a类比起来,学生较容易接受。)
* 法拉第电磁感应定律
1.内容:电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。
2.表达式:E∝
写成等式形式,乘上比例系数k
即E=k
3.单位:E(V),Φ(Wb),t(s)
上式中的常数k等于多少呢?请同学们证明1V=1Wb/s,则k=1(提示学生注意证明1V=1Wb/s,实际上是证明V=Wb/s,在证明的过程中注意导出单位是如何定义的,要把对应的公式联系起来,这个证明对学生来说,难度较大,教师可根据情况适当提示)。
k=1,则可把上表达式写成E=。
学生思考讨论:上面讨论的是闭合电路由单匝线圈构成的,设闭合电路是一个n匝线圈,且穿过每匝线圈的磁通量的变化率都相同,那么整个线圈中的感应电动势又如何表示?
n匝线圈可以看成是由n个单匝线圈串联而成,因此整个线圈中的感应电动势是单匝线圈的n倍,即E=n。
* 导体棒切割磁感线的感应电动势
学生思考讨论:如图所示把矩形线框abcd放在磁感应强度为B的匀强磁场里,线框平面跟磁感线垂直。设线框可动部分ab的长度是L,以速度υ向右运动,产生的感应电动势怎么表示?
图4 图5
在Δt时间内可动部分由原来的位置ab移到a1b1,这时线框的面积变化量,穿过闭合电路的磁通量的变化量
,代入公式
中,得到
。
对于上式的成立有什么条件限制吗?(引导学生分析所设的物理过程的特殊性)
上述物理过程所设磁场为匀强磁场,另外不难看出,磁感应强度方向、导体棒放置的方向和导体棒的运动方向是相互垂直的。所以其成立的条件是:⑴匀强磁场;⑵B、L、υ相互垂直。
学生思考讨论:通常我们还会遇到如上图5所示,导体棒垂直纸面放置,磁场竖直向下,导体棒运动方向与导体棒本身垂直,但与磁场方向有夹角θ。此时产生的感应电动势又如何表示呢?
我们知道,只有在导体棒做切割磁感线运动时,才产生感应电动势,若导体棒平行磁感线运动,则不能产生感应电动势。所以可将其速度分解为垂直磁感线的分量υ1=υsinθ和平行磁感线的分量υ2=υcosθ,后者不切割磁感线,不产生感应电动势。前者切割磁感线,产生的感应电动势为E=BLυ1=BLυsinθ。
可见,导体棒切割磁感线时产生的感应电动势的大小,跟磁感应强度B、导线长度L、运动速度υ以及运动方向和磁感线方向的夹角θ的正弦sinθ成正比。
(三)课堂小结
通过本节课的学习,同学们要掌握计算感应电动势大小的方法,理解公式
和的意义。但是电流也是有方向的,电流的方向又如何确定呢?这将是下节课要学习的内容。
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