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电磁感应全章教案
第十六章电磁感应一、电磁感应现象
一、教学目标
1.在物理知识方面.
(1)理解什么是电磁感应现象;
(2)掌握产生感应电流的条件.
2.在能力培养方面.
通过观察演示实验,归纳、概括出利用磁场产生电流的条件,培养学生的观察、概括能力.
二、重点、难点分析
1.重点:
使学生掌握只要闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路中就会产生感应电流.
2.难点:
闭合电路磁通量的变化.
三、教具
蹄形磁铁,条形磁铁,电流计,原副线圈,滑动变阻器,开关,导线若干,电池,计算机,演示切割磁感线及磁通量变化软件.
四、主要教学过程
(-)发现电磁感应现象的背景
1820年,丹麦物理学家奥斯特发现了电流能够产生磁场——电流的磁效应,揭示了电和磁之间存在着联系,受到这一发现的启发,人们开始考虑这样一个问题:
既然电流能够产生磁场,反过来,利用磁场是不是能够产生电流呢?
不少科学家进行了这方面的探索,英国科学家法拉第,坚信电与磁有密切的联系.经过10年坚持不懈的努力,于1831年终于取得了重大的突破,发现了利用磁场产生电流的条件.
(二)用实验方法研究产生感应电流的条件
实验1:
导体不动;
导体向上、向下运动;
导体向左或向右运动.
引导学生观察实验并进行概括.
归纳:
闭合电路的一部分导体做切割磁感线的运动时,电
路中就有电流产生.
用计算机模拟“切割磁感线”的运动.
理解“导体做切割磁感线运动”的含义:
切割磁感线的运
动,就是导体运动速度的方向和磁感线方向不平行.
问:
导体不动,磁场动,会不会在电路中产生电流呢?
实验2:
用计算机模拟“条形磁铁插入、拔出螺线管.
注意:
条形磁铁插入、拔出时,弯曲的磁感线被切割,电路中有感应电流.
引导学生观察实验并进行概括:
无论是导体运动,还是磁场运动,只要导体和磁场之间发生切割磁感线的相对运动,闭合电路中就有电流产生.
过渡:
闭合电路的一部分导体切割磁感线时,穿过电路的磁感线条数发生变化.如果导体和磁场不发生相对运动,而让穿过闭合电路的磁场发生变化,会不会在电路中产生电流呢?
实验3:
线圈电路接通、断开;
滑动变阻器滑动片左、右滑动.
在观察实验现象的基础上,引导学生分析上述现象的物理过程:
因为电流所激发的磁场的磁感应强度B总是正比于电流强度I,即B∝I.电路的闭合或断开控制了电流从无到有或从有到无的变化;变阻器是通过改变电阻来改变电流的大小的,电流的变化必将引起闭合电路磁场的变化,穿过闭合电路的磁感线条数的变化——磁通量发生变化,闭合电路中产生电流.
用计算机模拟电路中S断开、闭合,滑动变阻器滑动时,穿过闭合电路磁场变化情况:
不论是导体做切割磁感线的运动,还是磁场发生变化,实质上都是引起穿过闭合电路的磁通量发生变化.
综上所述,总结出:
1.不论用什么方法,只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,闭合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,产生的电流叫感应电流.
2.产生感应电流的条件.
(1)电路必须闭合;
(2)磁通量发生变化.
引导学生分析磁通量发生变化的因素:
由Φ=B·Ssinθ可知:
当①磁感应强度B发生变化;②线圈的面积S发生变化;③磁感应强度B与面积S之间的夹角θ发生变化.这三种情况都可以引起磁通量发生变化.
3.举例.
(1)闭合电路的一部分导体切割磁感线:
(2)磁场不变,闭合电路的面积变化:
(3)线圈面积不变,线圈在不均匀磁场中运动:
(4)线圈面积不变,磁场不断变化:
(三)课堂小结
产生感应电流的条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化.这里关键要注意“闭合”与“变化”两词.就是说在闭合电路中有磁通量穿过但不变化,即使磁场很强,磁通量很大,也不会产生感应电流.当然电路木闭合,电流也不可能产生.
二、法拉第电磁感应定律——感应电动势的大小
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
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