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  • 电磁感应现象_物理论文

    教学内容

    高二《物理》第十六章第一节。

    教学过程

    师:1820年4月,丹麦的物理学家奥斯特发现了电流可以产生磁场,(屏幕显示奥斯特肖像)这一发现就像是架起一座电和磁之间的桥梁,那么这座桥梁仅仅是一个单行道吗?沿着相反的方向能不能行得通呢?这个反过来由磁产生电的课题让当时众多的物理精英足足探索了十年之久。(屏幕显示四位有关科学家肖像)。今天,我们就循着这些科学家的足迹来探索这个利用磁场能产生电流的伟大发现。

    不过对于我们同学们来说,这已经算不上是很尖端的难题了,我们在初中就做过一个简单实验,(屏幕显示:能利用磁场产生电流图)我请一位同学把这个实验给大家回顾一下,大家仔细观察。

    生:(介绍电路、操作,略。)

    师:这是我们在初中曾经做过的实验:闭合回路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动,导体中就产生感应电流。导体切割磁感线可以类比收割麦子的情形,横向进刀能割掉麦子,纵向进刀是没有收获的。在十年的探索中,有一位名叫科拉顿的瑞士科学家曾经做过一次有益的尝试:他把条形磁铁插入线圈中,(屏幕显示实验)那么在磁铁插入和拔出的过程中,大家判定线圈切割磁感线没有?会不会产生感应电流呢?

    生:线圈虽然不动,但磁铁和线圈间仍存在相对运动,线圈仍然切割磁感线,所以会产生电流。

    师:好,那么我们就看电流表做出的裁决,现在大家四人一组,把电路连好,自己亲自验证一下。

    生:(操作、交流实验结果)

    师:这个实验更进一步说明,不论是导体运动,还是磁场运动,(显示实验二结论)只要闭合电路的一部分导体切割了磁感线,电路中就有电流产生。然而非常遗憾的是,最早做这个实验的年仅23岁的科拉顿,为了消除操作过程中外界因素对电流计的影响,他就用长导线,将电流表连接到另一个房间里,他在这个房间里将磁铁插入线圈,然后飞快地跑到另一个房间里去看电流表,那么等他跑到的时候,电流表的指针还偏转吗?

    生:不转。(遗憾)

    师:所以他没有发现电流的产生。可以说科拉顿已经扣开了发现电磁感应规律的大门,但由于他的失误,却与最后的成功失之交臂。

    我们暂且抛开这深深的遗憾,来继续探索科拉顿未能探索出的规律。大家看大屏幕,(屏幕演示实验:线圈在磁场中运动)线圈与电流表组成闭合回路,现在我们把这个线圈,放入匀强磁场中,使它在磁场中做切割磁感线运动,那么电路中能不能产生电流呢?

    生:能。

    师:好,我现在找一位同学来给大家演示一下。

    (生演示)

    生:我现在先让线圈进入磁场,大家看,进入过程有没有电流产生?

    大家:有。

    生:线圈在磁场中切割有没有电流产生?

    大家:没有。

    生:我现在把线圈拉出磁场,看有没有电流产生?

    大家:有。

    师:很好,请回。感应电流好像是跟我们做起了捉迷藏的游戏,时有时无,什么时候有呢?线圈进出磁场时都有,什么时候没有呢?线圈在匀强磁场中平动切割时没有,显然,“闭合电路的一部分导体切割磁感线”这个条件在这里难以自圆其说!那么究竟还隐藏着什么比“切割”更为本质,更具有普遍性的条件呢?这几种运动情况有哪些不同之处呢?

    生:进出磁场时,都是一个边切割,在磁场中运动时两个边切割。

    师:很好,你是说可能是一个边切割会产生电流,两个边切割就不能产生电流了,是吗?

    生:是。

    师:好,我现在让线圈以它的两条对边中点的连线为轴转动,大家看有几个边切割磁感线?

    生:有两个边切割。

    师:看情况如何呢?

    (师演示:产生了电流)

    师:两个边切割也能产生感应电流!

    生:线圈进磁场时穿过线圈的磁通量增加了,出磁场时,磁通量减少了,在磁场中运动时,磁通量是不变的。

    师:很好。穿过线圈的磁通量增加也产生电流,减少也产生电流,只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,就能产生感应电流。

    生:我认为现在下这个结论还过早,因为根据φ=BSsinθ,磁通量由B、S以及S与B的夹角θ三个因素决定,线圈进出磁场时只是验证了S的变化,产生了感应电流;线圈在磁场中转动,是θ角变化产生了感应电流,还要继续验证磁感应强度B发生变化,是否能产生电流。

    生:刚才做的科拉顿的那个实验,把磁铁插入线圈中,在插入过程中,就是线圈中磁感应强度B发生变化,产生了感应电流。

    师:好,请坐,大家想想,是不是这样?

    生:是。

    师:那么我们在初中所做的产生感应电流的实验又该如何解释呢?

    生:导体在磁场运动,是因为回路在磁场中的面积发生了变化而导致了磁通量的变化,从而产生了感应电流。

    师:很好,由此看来,(屏幕显示实验三结论)把“穿过闭合电路的磁通量发生变化”作为产生感应电流的条件比这种“切割磁感线”作为条件更具有普遍性。但是在我们刚才的几个实验里,可还都要切割磁感线呀!难道“切割磁感线”是产生感应电流的必要条件吗?

    现在大家就来动手设计一个实验,(屏幕显示)

    实验四(学生设计实验)

    实验器材:电源、电键、电流表、滑线变阻器、大线圈、小线圈、几个条形铁芯、导线。

    目的要求:使用不切割磁感线的方法产生感应电流。

    如何选用仪器,来实现这样一个要求?现在大家分组进行,交流时,每组选派一个代表,要说明实验原理,开始吧!……

    师:大家基本上都完成了自己的设计,现在我们来交流一下。

    (第一组)生:(投影)我们组是把电源与滑动变阻器、小线圈、电键串联起来,把大线圈与电流表串联起来,把小线圈放在大线圈旁边,然后,合上电键和断开电键的瞬间,大线圈中都产生电流。原因是,当合上电键时,小线圈中的电流是由无到有;断开电键时,小线圈中的电流是从有到无。小线圈中的电流的变化引起穿过大线圈的磁通量发生变化,所以会产生电流。

    (第二组)生:我们的电路与他们组相同,我们是把小线圈放在大线圈内部,闭合电键,改变变阻器阻值,大线圈里就有电流产生。原因是,当电阻改变时,小线圈里电流就发生变化,从而引起穿过大线圈的磁通量发生变化,所以大线圈中会有电流产生。把小线圈放在大线圈旁边,电流表指针偏转并不明显,我们认为还应该把小线圈放在大线圈内部。

    (第三组)生:我们组也是把小线圈放在大线圈旁边,但我们把铁芯分别插入小线圈和大线圈中,再用一个铁芯把两个线圈中的铁芯连起来,因为铁芯是磁场的最好通路,效果比第一组明显得多。

    师:同学们都做得很好,虽然设计方案不同,但都做到了没有让导体切割磁感线,只让穿过闭合回路的磁通量发生变化,结果也产生了电流,从而更进一步证明:(屏幕显示实验四结论)不论用什么方法,只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,电路中就有电流产生。这种利用磁场产生电流的现象叫电磁感应现象。

    1831年8月29日,是一个值得纪念的日子,英国物理学家法拉第做了一个与此类似的实验,从而给这项持续了十年之久的探索画上了一个圆满的句号。在他发现电磁感应现象之后仅两个月,就根据电磁感应原理,制成了世界上第一台发电机,从而使人类由蒸汽时代跨入了电气时代,由此拉开了第二次工业革命的序幕,法拉第这个响亮的名字也永远铭记在人们心中。他那十年磨一剑的精神一直激励着一批又一批青年学子,当然也激励着我们每一位。但愿在不久的将来,世界上又一个法拉第就诞生在你们中间。这节课我们就讨论到这里,下面大家总结一下我们这节课探索电磁感应的过程以及你的主要收获。

    生:(学生总结,略。)

    师:这节课的探索过程请看大屏幕。(老师总结,略。)

    最后留给大家一个课外作业:(屏幕显示)使用磁场、线圈、发光管和摇把制作一台简易发电机,并简要说明设计原理。

    点评:

    一、教学目标明确,教学流程清晰,学生学习积极性表现充分,课堂气氛活跃,教学方法中重点突出了实验和问题讨论法,充分体现了学生的主体作用。

    二、以实验为基础,经过分析、推理、猜想、验证,最后得出结论。突出了物理学科的特点。

    三、本课突出了对学生思维能力、动手能力、由实验现象发现规律、总结规律的能力的培养。激发了学生探索科学规律的兴趣,并感受了科学家的探索精神。(点评者:徐欣辰)

    摘自:人民教育出版社《中小学探究教学200例》

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