《法拉第电磁感应定律》教学设计

PAGEPAGE6《法拉第电磁感应定律》教学设计摘要：《法拉第电磁感应定律》是高中物理电磁学中的重要内容，也是高考考察的重点内容之一。为了提高物理课堂教学的有效性，体现学生学习物理知识的自主性和课堂教学的探究性，以教师的演示实验提出感应电动势的有无与大小和什么因素有关的问题，激发学生的学习兴趣和思考的积极性。在演示实验探究感应电动势与什么因素有关时，用条形磁铁快速和缓慢地插入螺线管，引导学生从穿过线圈的磁通量的变化大小和磁通量的变化快慢两个角度去思考问题，再结合加速度概念的相似性，类比地得出法拉第电磁感应定律。关键词：感应电动势；磁通量；磁通量变化量；磁通量变化率；教学设计教材分析《法拉第电磁感应定律》是人教版高中物理新课程选修3-2第一章《电磁感应》的第四节内容。该内容安排在学生学习了“探究感应电流产生的条件”以及楞次定律之后，由研究感应电流过渡到感应电动势。这对学生来说，是从现象到本质的认识深化过程。该内容是本章《电磁感应》的重点，而《电磁感应》这章在高考中也占有很大的比重，往往涉及一些压轴题。因此，学好本节内容，既是对前面所学内容认识的深化，又为参加高考奠定了基础。通过该节内容的学习，不仅要让学生理解产生感应电流与感应电动势条件上的差异、感应电动势的大小与什么因素有关，还要让学生体会科学家在探究过程中的艰难与曲折，掌握一定的探究方法和物理思想。学情分析有关电磁感应及其现象，学生在初中已有接触，也掌握了一些基本知识。但是同样概念的教学在学生的不同认知阶段应该具有层次性，或者说应该是螺旋式上升的。在高中阶段应该从更深的层次来认识。所以在学生学习了感应电流产生的条件及楞次定律后，学生的学习内容从感应电流转移到了更具有本质意义的感应电动势上。相信学生凭借已经掌握的知识和课堂上的实验演示、教师的讲解，充分理解并掌握这部分内容是完全可以做到的。设计思路引入概念提出问题引入概念提出问题观察实验进行猜想回顾历史给出规律分析理解应用规律按照上述线索进行新课时，一要使学生对演示实验的现象观察清楚；二要结合实验、实例，运用类比等方法，加深学生对磁通量变化率的理解。在教学中可以例举：速度由位置的变化率决定，加速度由速度的变化率决定这种类似的情况，以此来加深学生对变化率概念的理解。教学目标根据课程标准和学生实际，设计教学目标如下：知道什么是感应电动势，认识感应电动势与感应电流的区别和联系。知道磁通量的变化率是表示磁通量变化快慢的物理量，并能区别Φ、ΔΦ、这三个物理量理解法拉第电磁感应定律的内容及数学表达式。知道的推导过程会用和解决实际问题感悟从不同物理现象中抽象出个性与共性问题的方法。教学重点法拉第电磁感应定律针对重点，可以通过演示实验：磁体插入螺线管，观察电流表指针变化情况，引导学生分析“快速插入”和“缓慢插入”过程中磁通量的变化情况、磁通量变化的快慢情况，最后归纳、猜测出一个结论。教学难点对磁通量、磁通量的变化、磁通量的变化率的理解。针对难点，可以用类比的方法分析速度、速度的变化量、速度的变化率的感念，引导学生说出“磁通量的变化率”这一概念，明确感应电动势的大小与磁通量的变化率有关。结合以往做过的关于速度变化量和速度变化率的辨析题目，进行改编，让学生当堂进行辨析。教学过程（一）、回顾引入师：通过前面内容的学习，我们已经知道了产生感应电流的条件，同学们回忆一下，是什么？生：穿过闭合导体回路的磁通量发生变化。（在学生回答之后，可以继续上节课的演示实验，把磁体插入或拔出螺线管，分析两种情况磁通量的变化情况，让学生能够进一步巩固所学的知识）师：既然电路中产生了感应电流，，电路中就一定有感应电动势。我们把在电磁感应现象中产生的电动势称为感应电动势，产生感应电动势的那部分导体就相当于电源。今天我们就来解决两个问题：VAVA感应电动势的大小与什么因素有关？（二）、新课教学1、感应电动势的有无与什么因素有关学生观察演示实验：（1）开关闭合，插入条形磁铁，观察电流表和电压表有无示数。（2）开关断开，插入条形磁铁，观察电流表和电压表有无示数。现象：开关闭合，插入条形磁铁，发现电流表和电压表都有示数。开关断开，插入条形磁铁，发现电流表没有示数，但电压表仍然有示数。师：通过观察实验现象，同学们能总结出什么规律呢？生：产生感应电流必须要闭合回路，且穿过闭合回路的磁通量发生变化，但感应电动势的有无，完全取决于穿过闭合回路的磁通量是否变化，与电路通断、电路的结构无关。师：同学回答得非常好，既然感应电动势的有无只取决于穿过回路的磁通量是否变化，我们可以猜测，感应电动势的大小会不会也要从穿过闭合回路的磁通量这一角度去分析考虑呢？（设计意图：在这一环节中，引导学生分析产生感应电流与感应电动势的条件的区别，明确产生感应电动势的条件是穿过回路的磁通量发生变化，与电路的通断与组成无关。在实验中，可以特意“慢插快拔”，有心的学生就能观察到电表指针的变化情况，猜测感应电动势也许和插拔磁铁的快慢程度有关。这就方便学生后面分析感应电动势的大小与什么因素有关，且对于教师引导学生最后说出“磁通量的变化率”这一概念有所帮助。）感应电动势的大小与什么因素有关师：请同学们观察实验，分析思考并回答下面的问题问题1：将条形磁铁插入线圈中，电流表的指针会发生偏转，电流表指针的偏转程度与感应电动势的大小有什么关系呢？问题2：将条形磁铁从同一高度插入线圈中，“快插”和“慢插”有什么相同和不同之处？根据现象，请学生完成表格：条件结果相同不同（这张表格的“条件”部分需要教师引导学生从磁通量的变化以及磁通量变化的快慢两方面分析，而“结果”部分要从感应电流是否产生以及产生的大小来考虑）学生猜想：感应电动势的大小可能与磁通量变化的快慢有关，磁通量变化得快，感应电动势就大。师：磁通量变化的快慢可以怎样表示呢？比如中，加速度表示速度变化的快慢，而速度变化的快慢又叫做什么？生：速度的变化率。师：很好，所以磁通量变化的快慢也可以称为？怎么表示？生：磁通量的变化率。写作师：所以我们的结论是？生：感应电动势的大小和穿过这一电路的磁通量的变化率有关，磁通量的变化率越大，感应电动势越大。（设计意图：通过实验演示，学生会看出磁铁快速插、拔产生的感应电流比缓慢插、拔产生的感应电流大，即感应电动势大，也就能直观地发现感应电动势的大小与插拔磁铁的快慢有关。可以引导学生从磁通量的角度去分析问题，观察磁铁从同一高度以不同速度插入螺线管中电流表的指针变化情况，找出两者的相同点和不同点。学生应该能在老师的引导下说出磁通量的变化以及磁通量变化的快慢这两个概念。然后通过与速度变化以及速度变化的快慢、速度变化率进行类比引导学生说出“磁通量的变化率”这一概念。总之，最后要让学生能归纳出感应电动势的大小与磁通量的变化率成正相关。由于实验探究要求的严谨性，考虑到科学家探究之路的艰辛与漫长，这里只需要说出感应电动势与磁通量变化率成正相关，不需要说出成正比这种确切的关系。要让学生体会，一条科学规律的形成不是简单地做两个实验，查一些资料就可以的，需要长时间的观察、实验、推理和论证。）法拉第电磁感应定律师：上述“结论”知识我们的猜测，是否正确，还需要更多时间，更精确的实验研究，并不是一堂课所能得到的。通过纽曼、韦伯在对理论和实验资料进行严格分析后，于1845年和1846年先后指出：闭合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，后人称为法拉第电磁感应定律。表达式为：其中k为比例常量，当式中各物理量都取国际单位时，k=1。于是上式写为而闭合电路常常是一个匝数为n的线圈，且穿过每匝线圈的磁通量总是相同的。由于这样的线圈可以看成是由n个单匝线圈串联而成的，所以上式又可写成这个公式只表示感应电动势的大小，不涉及正、负，计算时ΔΦ应取绝对值。式中ΔΦ是磁通量的变化量，也叫磁通量变化的大小；是磁通量的变化率，也叫磁通量变化的快慢，只有磁通量的变化率大，感应电动势才大。感应电动势与Φ、ΔΦ没有必然的联系，这与速度变化量、速度变化率的概念类似。例题1、辨析穿过线圈的磁通量越大，感应电动势越大（）穿过线圈的磁通量变化率越小，感应电动势越小（）穿过线圈的磁通量变化越大，感应电动势越大（）单位时间内穿过线圈的磁通量越大，感应电动势越大（）例题2、如图所示，条形磁铁插入n=200匝的闭合线圈。穿过线圈的磁通量在0.5s内从7×10-4Wb增加到1.2×10-3Wb，求线圈中的磁通量变化了多少？感应电动势是多少？若再将条形磁铁从线圈中拔出，穿过线圈的磁通量在0.2s内从1.2×10-3Wb减小到2×10-4Wb，求线圈中的磁通量变化了多少？感应电动势是多少？（设计意图：通过四个辨析题，帮助学生理解Φ、ΔΦ、各自的含义，明确感应电动势与Φ、ΔΦ没有必然的联系，再用一个简单计算巩固学生所学的公式，对公式有一个更好的理解。）师：刚才在向大家介绍法拉第电磁感应定律时说到，这一定律是由纽曼、韦伯先后提出的，为什么叫“法拉第电磁感应定律”呢？原因是法拉第对电磁感应现象的研究作出的贡献最大，是具有丰富性和创造性的。他的研究比纽曼和韦伯都早。纽曼和韦伯是在法拉第的研究基础上才有了定量的公式表述的。尽管由于数学知识的薄弱，法拉第没有定量得得到公式，只是定性地用文字表述。但把这一荣誉给他，他是当之无愧的（设计意图：物理学史对提高学生科学素养、培养创造素质、沟通科学与人文、培养学生的思想品德都有重要作用。物理学史集中体现了人类探索和逐步认识物理世界的现象、特征、规律和本质的历程，蕴含着丰富的认识论和方法论因素。所以在这里要向学生介绍相应的物理学史，帮助学生释疑，让学生认知物理学家探索知识的艰难历程，培养学生良好的认识论和方法论）导线切割磁感线时的感应电动势例3、矩形线框放在磁感应强度为B的匀强磁场中，线框平面跟磁感线垂直。线框可动部分ab的长度为l，它以速度v向右匀速运动。求：（1）在t时间内，穿过闭合线框的磁通量变化了多少？（2）闭合线框中的感应电动势是多少？（3）线框哪部分相当于电源？哪端相当于电源正极？（设计意图：这里以例题的形式逐步推导导线切割磁感线时的感应电动势的计算公式E=BLv，需要说明的是这一公式必须满足磁场、导体棒以及切割速度方向两两互相垂直。而第三问可以回顾前面学习过的楞次定律，所以这道题起到了一个承上启下的作用。）师：若v与B不垂直，而是成一个夹角θ，此时该怎么办呢？请同学们联系以往学习的方法思考。并做好归纳。小结：导线切割磁感线时的感应电动势E=Blvsinθ，当θ=0°时导线不切割磁感线，所以E=0；当θ=90°时，B与v垂直，此时导线切割磁感线，E=BLv，所以E=Blvsinθ是普遍意义上导线切割磁感线时感应电动势的表达式。师：到现在为止，我们学习了两种感应电动势的表达式，其中是由于穿过线圈的磁通量发生变化而感应出来的，叫做感生电动势；而E=Blvsinθ是导体运动切割磁感线产生的，叫做动生电动势，那么感生电动势与动生电动势有什么区别与联系呢？区别：E=Blvsinθ研究对象一个回路磁场中运动的一段导体适用范围普适只适用于一段导线切割磁感线条件不同不一定是匀强磁场，E由n和决定比较常见于匀强磁场中物理意义平均感应电动势，E与某段时间或某个过程对应瞬时感应电动势，E与某个时刻或某个位置对应（如果速度v代入的是平均值，则也可求平均感应电动势）联系：1、E=Blvsinθ是由推导得出。2、B、L、v三者均不变时，E平均=E瞬时5、理论联系生活幻灯片放映图片“拾音器、发电跑步机、三峡发电机组”等等，指出这些装置的设计利用了电磁感应原理，请有兴趣的同学课后上网了解一下。（告诉学生“学什么”,不如告诉学生“为什么学”，学以致用可以提高学生的学习兴趣。）6、小结师：学完这节课，你有什么收获和感想呢？生1：感应电动势的大小和磁通量变化的快慢有关。生2：感应电动势分为感生电动势