《科学探究怎样产生感应电流》教案2.docx

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《科学探究怎样产生感应电流》教案2

怎样产生感应电流

基本要求：

1.了解常用电池的结构、性能及使用注意事项，在生活中能根据需要选择合适的电池。

2.了解目前常用的几种发电方式中能量的转化过程、开发利用的可持续发展情况。

3.了解各种电池和火力发电方式存在环境污染，提高环保意识。

4.通过实验探究，知道导体在磁场中运动时产生感应电流的条件。

5.经历科学探究的交流与合作过程，养成交流与合作的意识和能力。

重点内容：

1.了解常见的干电池、蓄电池、太阳电池和燃料电池的能量转化特征以及它们的主要结构；知道干电池和蓄电池能够造成环境污染，不要随便拆开或乱丢弃；各种发电方式中有关能量的转化过程、影响可持续发展的因素。

2.对感应电流产生条件的探究。

难点内容：

科学探究产生感应电流的条件及对切割磁感线的理解。

重点内容讲述：

电能是日常生活中的重要能源，它主要来自两个方面，一是电池，二是发电机。

一.电池

电池是一种把其他形式的能转化为电能的装置，电池提供的是直流电（介绍直流电与交流电）。

由于制作材料、工作原理和用途的不同，电池有很多种类。

1.化学电池

化学电池是把化学能转化为电能的装置，是生活中最常用到的电池。

化学电池的种类和型号很多。

其常见的形状有圆柱体，也有长方体，还有其他形状。

化学电池按工作性质可分为：

一次电池（原电池）；二次电池（可充电电池）;铅酸蓄电池。

其中：

一次电池可分为：

糊式锌锰电池、纸板锌锰电池、碱性锌锰电池、扣式锌银电池、扣式锂锰电池、扣式锌锰电池、锌空气电池、一次锂锰电池等。

二次电池可分为：

镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池、二次碱性锌锰电池等。

铅酸蓄电池可分为：

开口式铅酸蓄电池、全密闭铅酸蓄电池。

锌-锰干电池

锌-锰电池又称勒兰社电池，是法国科学家勒兰社于1868年发明的由锌作负极，二氧化锰为正极，电解质溶液采用中性氯化铵、氧化锌的水溶液，面淀粉或浆层纸作隔离层制成的电池称锌锰电池，由于其电解质溶液通常制成凝胶状或被吸附在其它载体上而呈现不流动状态，故又称锌锰干电池。

按使用隔离层区分为糊式和板式电池两种，板式又按电解质液不同分铵型和锌型电池纸板电池两种。

干电池用锌制筒形外壳作负极，位于中央的顶盖上有铜帽的石墨棒作正极，在石墨棒的周围由内向外依次是A：

黑色二氧化锰粉末------用于吸收在正极上生成的氢气；B：

用饱和了氯化铵和氯化锌的淀粉糊作为电解质溶液。

干电池的电压大约为1.5V，不能充电再生。

碱性锌锰电池

20世纪中期在锌锰电池基础上发展起来的，是锌锰电池的改进型。

电池使用氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作电解质液，采用了与锌锰电池相反的负极结构，负极在内为膏状胶体，用铜钉作集流体，正极在外，活性物质和导电材料压成环状与电池外壳连接，正、负极用专用隔膜隔开制成的电池。

银锌电池

一般用不锈钢制成小圆盒形，圆盒由正极壳和负极壳组成，形似钮扣（俗称钮扣电池）。

盒内正极壳一端填充由氧化银和石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金组成的负极活性材料，电解质溶液为KOH浓溶液。

电池的电压一般为1.59V，使用寿命较长。

镉镍电池和金属氢化物电池

二者均采用氧化镍或氢氧化镍作正极，以氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作电解质溶液，金属镉或金属氢化物作负极。

金属氢化物电池为20世纪80年代末，利用吸氢合金和释放氢反应的电化学可逆性发明制成，是小型二次电池主导产品。

2.蓄电池

其实蓄电池也属于化学电池。

它在使用之前要先充电，充电时是将电能转化为化学能蓄存在电瓶内；当其向外放电时，则将化学能又转化为电能。

蓄电池能供给较大的电流，电压也比较稳定。

常见的蓄电池是铅酸蓄电池

1859年法国普兰特发现，由正极板、负极板、电解液、隔板、容器（电池槽）等5个基本部分组成。

用二氧化铅作正极活性物质，铅作负极活性物质，硫酸作电解液，微孔橡胶、烧结式聚氯乙烯、玻璃纤维、聚丙烯等作隔板制成的电池。

铅蓄电池可放电也可以充电，一般用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳（防止酸液的泄漏）；设有多层电极板，其中正极板上有一层棕褐色的二氧化铅，负极是海绵状的金属铅，正负电极之间用微孔橡胶或微孔塑料板隔开（以防止电极之间发生短路）；两极均浸入到硫酸溶液中。

一个铅酸蓄电池的电压为2V，使用时常将多个电池串联起来使用，如汽车上的蓄电池组是将6个蓄电池串联起来组成的12V电源。

蓄电池的铅电极板和电解液如果乱丢弃，也会造成环境污染。

3.太阳能电池

太阳在一年内可以产生出3.8×1023千瓦的太阳能,相当于现在整个地球上人类所使用的总能量的6×105亿倍。

其中约有1/22亿的太阳能辐射到地球上，相当于现在地球上所使用的总能量的3万倍。

太阳能电池是人类利用太阳能的一种装置，它是利用光伏特效应将太阳光直接转变成电能的，只有当太阳光照射时才发电，因此，必须有一个蓄电池来储存电力。

目前，光电池中常用的一种为硅电池，其光电转换效率可达11%～14%。

此外，还有硫化镉电池、砷化镓电池、碲化镉电池等。

使用太阳能电池的设备也日益增多，如电子计算器、手表、无线电话、收音机、录音机等，商用太阳能电池的价格已降至每瓦4美元以下。

太阳能电池的应用越来越广泛，前景越来越光明。

太阳能汽车、太阳电池发电、太阳能飞船、太空太阳能电站等利用太阳能的研究受到世界各国的普遍重视，是一些国家今后能源领域中的重点发展方向。

有专家预测，太阳能电池将成为21世纪的重要电力来源之一。

太阳能电池可以做得比较小巧，用在计算器、玩具等到上面。

大量的太阳能电池联成阵列，可以建成太阳能发电站，巨大的太阳能帆板是人造卫星上的主要电源之一。

太阳能取之不尽，没有污染，因此太阳能电池是廉价而又干净的电源，它的不足之处是受到天气的限制。

4.燃料电池

燃料电池是将所供燃料的化学能直接变换为电能的一种能量转换装置，是通过连续供给燃料从而能连续获得电力的发电装置。

具体地说，燃料电池是利用水的电解的逆反应的“发电机”。

电池工作时需要连续地供给活物质（起反应的物质）——燃料和氧化剂，这又和其它普通化学电池不大一样。

由于其具有发电效率高，适应多种燃料和环境特性好等优点，近年来已在积极地进行开发。

由于燃料电池能将燃料的化学能直接转换为电能，因此，它没有像普通火力发电厂那样的通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可避免过程中转换损失，达到市制发电效率。

此外，还具有以下优点：

（1）部分负荷时也能保持高的效率；

（2）通过与燃料供给装置的组合，可适用范围的燃料；（3）由于输出功率单位由堆的输出功率决定，故机组容量具有自由度；（4）电池本体的负荷响应性好；（5）NOX及SOX等的排出量少，有利环保。

燃料电池通常是按构成的电解质来分类。

现在开发最为盛行的有4种燃料电池。

各种燃料电池，特别是其动作温度不相同，最先进行开发的磷酸型燃料电池约在200℃的温度下动作。

相对于此，熔融碳酸盐型燃料电池和固体氧化物燃料电池均可应用在以石燃料为基本燃料的电厂内，可作为电力电源来利用。

高温型燃料电池又可称之为是通过利用其高质量排气，来面向复合发电的燃料电池。

燃料电池的优点是能量转换效率高、可靠性高、工作时无噪声、无尘埃、无辐射，是一种清洁的能源。

这种小型设备可以为手机、笔记本电脑和其他一些便携设备提供能量，和目前所使用的锂离子电池相比，重量只相当于原有锂离子电池一半的燃料电池就可以提供约4倍的电池能量。

不过这样的设备目前还处于试验当中，估计要到2006年大规模投产后才能进入市场。

二.发电机。

电池提供的电能是有限的，更充足，更强大的电能要通过发电机获取。

发电机也是一种把其他形式的能转化成电能的装置。

目前常用的发电方式有火力发电、水力发电和核能发电。

1.火力发电

利用煤、石油、天然气等固体、液体、气体燃料燃烧时产生的热能，通过发电动力装置（包括电厂锅炉、汽轮机和发电机及其辅助装置）转换成电能的一种发电方式。

煤、石油等燃料在锅炉内燃烧后，把燃料的化学能转化为内能并传递给锅炉内的水，高温高压的水和水蒸气在通过蒸气轮机时，将内能转化为汽轮机叶轮的机械能。

汽轮机的叶轮和发电机的转子是连在一起的，发电机的转子获得机械能后将机械能转化为电能。

 火力发电系统主要由燃烧系统（以锅炉为核心）、汽水系统（主要由各类泵、给水加热器、凝汽器、管道、水冷壁等组成）、电气系统（以汽轮发电机、主变压器等为主）、控制系统等组成。

前二者产生高温高压蒸汽；电气系统实现由热能、机械能到电能的转变；控制系统保证各系统安全、合理、经济运行。

在所有发电方式中，火力发电是历史最久的，也是最重要的一种。

由于地球上化石燃料的短缺，人类正尽力开发核能发电、核聚变发电以及高效率的太阳能发电等，以求最终解决人类社会面临的能源问题。

最早的火力发电是1875年在巴黎北火车站的火电厂实现的。

随着发电机、汽轮机制造技术的完善，输变电技术的改进，特别是电力系统的出现以及社会电气化对电能的需求，20世纪30年代以后，火力发电进入大发展的时期。

火力发电机组的容量由200兆瓦级提高到300～600兆瓦级（50年代中期），到1973年，最大的火电机组达1300兆瓦。

大机组、大电厂使火力发电的热效率大为提高，每千瓦的建设投资和发电成本也不断降低。

到80年代后期，世界最大火电厂是日本的鹿儿岛火电厂，容量为4400兆瓦。

但机组过大又带来可靠性、可用率的降低，因而到90年代初，火力发电单机容量稳定在300～700兆瓦。

火力发电按其作用分单纯供电的和既发电又供热的。

按原动机分汽轮机发电、燃气轮机发电、柴油机发电。

按所用燃料分，主要有燃煤发电、燃油发电、燃气发电。

为提高综合经济效益，火力发电应尽量靠近燃料基地进行。

在大城市和工业区则应实施热电联供。

火力发电的重要问题是提高热效率，办法是提高锅炉的参数（蒸汽的压强和温度）。

90年代，世界最好的火电厂能把40％左右的热能转换为电能；大型供热电厂的热能利用率也只能达到60％～70％。

此外，火力发电大量燃煤、燃油，造成环境污染，也成为日益引人关注的问题。

火力发电也是传统的电力能源获取手段之一，尤其是在缺少水资源的地区。

相对于需要修建大坝和水库的水力发电，具有投资少、见效快的特点。

但火力发电对环境的污染较严重，这是目前需要解决的难题。

2.水力发电

水力发电是利用河川、湖泊等位于高处具有势能的水流至低处，将其中所含之势能转换成水轮机的动能，再将水轮机为原动机，推动发电机产生电能。

因水力发电厂所发出的电力其电压低，要输送到远距离的用户，必须将电压经过变压器提高后，再由架空输电路输送到用户集中区的变电所，再次降低为适合于家庭用户、工厂之用电设备的电压，并由配电线输电到各工厂及家庭用户。

水力发电依其开发功能及运转型式可分为惯常水力发电与抽蓄（蓄能）水力发电两种。

由于天然水流有明显的季节性，大量电能又是无法贮存的，因此开发河川水电一般都必须先把河川水流的能量蓄集起来，然后再根据用电需要对其进行时间上的再分配。

另外，也只有把河川水流的能量蓄集起来，才便于完成水能到电能的集中转换。

利用蓄水水库造成的河段落差，通过压力水管向水轮发电机组供水，水轮机接收水流的能量并将其转变成自身旋转的机械能，然后再带动发电机旋转，完成力学能到电能的转换。

蓄能水力发电是在晚间用电低峰时，用所剩余的电力将下池的水抽到上池储存起来，然后，在白天用电高峰时，把上池所储存高水位的水放出，带动发电机发电，其原理如图所示：

水力发电有如下特点：

①能源的再生性。

水流按照一定的水文周期不断循环，从不间断，因此水力资源是一种再生能源。

②发电成本低。

水力发电只是利用水流所携带的能量，无需再消耗其他动力资源。

③高效而灵活。

水力发电的主要动力设备水轮发电机组，不仅效率较高而且启动、操作灵活。

④工程效益的综合性。

筑坝拦水形成了水面辽阔的人工湖泊，控制了水流，因此兴建水电站一般都兼有防洪、灌溉、航运、给水以及旅游等多种效益。

另一方面，也可能出现泥沙淤积、淹没良田、森林、古迹等情况。

⑤一次性投资大。

3.核能发电

核能指原子核能，又称原子能，是原子结构发生变化时放出的能量。

目前，从实用来讲，核能指的是一些重金属元素铀、钚的原子核发生分裂反应（又称裂变）或者轻元素氘、氚的原子核发生聚合反应（又称聚变）时，所放出的巨大能量，前者称为裂变能后者称为聚变能。

通常所说的核能是指受控核裂变链式反应产生的能量。

核能的特点是能量高度集中。

1t铀-235在裂变反应所放出的能量约等于1t标准煤在化学反应中所放出能量的240万倍。

据估算地球上已探明的易开采的铀储量，如果以快中子堆加以利用的话所提供的能量将大大超过全球可用的煤、石油和天然气储量的总和。

现在核能已成为一种大规模和集中利用的能源，可以替代煤、石油和天然气，目前主要用于发电。

核能发电就是利用受控核裂变反应所释放的热能，将水加热为蒸汽用蒸汽冲动汽轮机带动发电机发电。

从1954年原苏联建成世界上第一座核电站开始到1991年全球已有424座核电站在26个国家运行。

总装机容量达3.27亿kW,发电量占全世界的16%。

核电发展比较领先的地区是那些缺乏煤、石油和天然气以及水力资源的地区如法国、比利时、韩国、日本等。

我国东南部沿海地区远离煤炭生产基地，电力需求增长快经济发达发展核电具有十分重要的现实意义。

我国自行设计制造的第一座核电站——秦山核电站和引进设备的大亚湾核电站已分别于1993年和1994年投入运行，结束了我国无核电的历史。

除核裂变发电外，为最终解决人类的能源问题，正在研究热核聚变发电。

核聚变能在瞬间释放巨大能量（如氢弹），1千克氘的热值相当于4千克铀235。

需要解决的问题是如何实现核聚变反应的人工控制。

世界各国对此都投入了巨大的人力、财力和物力。

三.研究电磁感应现象。

（1）通过实验研究电磁感应现象

　　实验目的：

探索磁能否生电，怎样使磁生电。

根据实验目的，本实验应选择哪些实验器材？

根据研究的对象，需要有磁体和导线；检验电路中是否有电流需要有电流表；控制电路必须有开关。

　　怎样设计实验？

如何操作呢？

我们先做如下设想：

电能生磁，反过来，我们可以把导体放在磁场里观察是否产生电流。

那么导体应怎样放在磁场中呢？

是平放？

竖放？

斜放？

导体在磁场中是静止？

还是运动？

怎样运动？

磁场的强弱对实验有没有影响？

所以我们设计了如图所示的探究电路：

在马蹄形磁铁的两个磁极之间悬挂一根导体ab，再把导体两端跟电流表连接起来。

下面我们依次对这几种情况逐一进行实验，探索在什么条件下导体在磁场中产生电流。

　　操作与记录的表格如图所示。

　　上述实验说明磁能生电。

是在当闭合电路的一部分导体在磁场中左右或斜着运动时的条件下才产生磁生电现象的。

仔细分析我们发现：

左右、斜着运动时切割磁感线。

上下运动或静止时不切割磁感线，所以不产生感应电流。

实验表明：

闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就产生电流。

这种现象叫做电磁感应，产生的电流叫做感应电流。

　　电磁感应现象是英国的物理学家法拉第发现的。

他经过十年坚持不懈的努力，才发现了这一现象。

这种热爱科学。

坚持探索真理的可贵精神，值得我们学习。

这一现象的发现进一步揭示了电和磁之间的联系，导致了发电机的发明，开辟了电的时代，所以电磁感应现象的发现具有划时代的意义。

（2）研究感应电流的方向

　　我们知道，电流是有方向的，那么感应电流的方向是怎样的呢？

它的方向与哪些因素有关呢？

我们可以做下面的实验。

　　保持上述实验装置不变，反复改变磁场方向或改变导体在磁场中的运动方向，通过电流表指针的偏转方向，我们发现：

磁场方向、导体运动方向变化时，指针偏转的方向也发生变化，即电流的方向也随着变化。

通过这一现象我们可以得出：

导体中感应电流的方向跟导体运动方向和磁感线方向有关。

　　（3）研究电磁感应现象中能的转化

　　在电磁感应现象中，导体做切割磁感线运动，是外力做了功，它消耗机械能，得到了电能。

所以在电磁感应现象中实现了机械能向电能的转化。

（4）理解电磁感应现象的注意事项

第一，要注意电路必须是“闭合”的，若不闭合，即使导体在磁场里做切割磁感线运动，也不产生感应电流，只会在导体两端产生感应电压。

第二，要注意在磁场中的导体是电路的“一部分”，而不是电路的全部。

若电路全都在磁场中，则情况比较复杂。

如矩形线圈在磁场中转动时产生感应电流；若让该线圈在磁场中上下移动或水平移动，则线圈中不会产生感应电流。

其中的道理已超出初中物理的范围，高中时再去分析。

第三，要注意“切割磁感线”运动。

如果闭合电路的一部分导体在磁场中沿平行于磁感线的方向运动，则不产生感应电流。

【典型例题】

例1.如图所示，可以使电流表指针发生偏转的情况是（）

　　A.开关S断开，导线ab竖直向下运动

　　B.开关S闭合，导线ab竖直向上运动

　　C.开关S断开，导线ab从纸里向纸外运动

　　D.开关S闭合，导线ab从纸外向纸里运动

分析：

为使电流表指针发生偏转，电路中应有感应电流产生，这就需同时满足两个条件：

一是电路要闭合；二是一部分导体做切割磁感线运动。

对照图中装置可知，A、B、C都错。

答：

D

例2.如图是研究感应电流的方向与哪些因素有关的实验示意图，比较甲、乙两图可以得出感应电流方向与______有关的结论；比较甲、丙两图可以得出感生电流方向与______有关的结论。

分析：

甲、乙、丙三幅图中有不同之处：

甲、乙两图中导体切割磁感线的方向相反，电表指针摆动方向也不同，说明感应电流的方向与导体切割磁感线的运动方向有关；甲、丙两图中磁极放置的方位不同，导体切割磁感线的方向相同，指针摆动方向相反说明感应电流的方向还与磁场方向有关。

答：

应填“导体切割磁感线的运动方向”和“磁感线方向”。

说明：

对如图甲所示装置，若对调两磁极的位置的同时改变导体的运动方向（与原来相反），请读者思考一下电流表的指针将怎样偏转？

【模拟试题】（答题时间：

20分钟）

一.填充题

　1.要获得电能，可采用各种途径，如利用干电池、蓄电池能把_____能转变成电能；硅光电池能把_____能转变成电能；热电偶能把_____能转变成电能，线圈在磁铁的磁极附近运动，能把_____能转变成电能。

　2._____是人类第一次获得的有实用价值的能提供持续电流的电源。

　3.丹麦物理学家_____首先发现了电流能产生磁场，而英国物理学家_____则发现了磁场能产生电流。

　4.闭合电路中的一部分导体在_____中做_____的运动时，导体中产生_____电流，这种现象叫做_____现象，在这一过程中，_____能转化为_____能。

　5.感生电流的方向与_______方向有关，还与______的方向有关。

二.选择题

1.下列说法中正确的是（）

A.导线在磁场中运动就能产生感生电流

B.闭合电路的一部分导体在磁场中运动就一定能产生感生电流

C.闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感应线的运动，一定能产生感生电流

D.闭合线圈在磁场中做切割磁感应线的运动，一定能产生感生电流

　2.图中，闭合线圈的一部分导线在磁场中运动，能产生感生电流的是（）

A.（a）图和（b）图B.（a）图和（c）图

　　C.（a）图和（d）图D.（c）图和（d）图

3.下列现象中属于电磁感应现象的是（）

　　A.电流周围产生磁场的现象

　　B.导体在磁场中运动的现象

　　C.磁场对电流产生力的作用

　　D.闭合导体中产生感生电流的现象