探究電磁感應(yīng)的條件

教材分析

在《磁場(chǎng)》一章中，奧斯特的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明了電能產(chǎn)生磁，而在《電磁感應(yīng)》一章中，法拉第的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明磁能產(chǎn)生電，揭示了磁和電之間的聯(lián)系，為人類從蒸汽時(shí)代進(jìn)入電氣時(shí)代奠定了基礎(chǔ)，具有劃時(shí)代的意義。

電磁感應(yīng)的教學(xué)，具有典型的科學(xué)思維方法訓(xùn)練的教育意義。在探索“磁生電”的艱苦過(guò)程中，觀察與思考，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與假設(shè)，假設(shè)與猜想，實(shí)驗(yàn)與探究，實(shí)驗(yàn)與分析，實(shí)驗(yàn)歸納法等等都得到了充分的體現(xiàn)。因此，學(xué)好本節(jié)，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，可謂意義深遠(yuǎn)。

教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能方面

（1）知道探究實(shí)驗(yàn)所需的器材，能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟和表格，并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)，理解感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件，總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

（3）知道磁通量的概念。

過(guò)程與方法方面

（1）探究磁生電的條件，理解電和磁之間的聯(lián)系。

（2）通過(guò)小組活動(dòng)，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)能力，學(xué)會(huì)分類與歸納方法，培養(yǎng)抽象、歸納能力。

（3）培養(yǎng)運(yùn)用物理規(guī)律解決實(shí)際問(wèn)題的能力及知識(shí)遷移能力。

情感、態(tài)度與價(jià)值觀方面

（1）培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索的欲望。

（2）認(rèn)識(shí)自然現(xiàn)象之間是相互聯(lián)系的，認(rèn)識(shí)物理學(xué)對(duì)科技進(jìn)步，對(duì)文化、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的影響。

教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)

重點(diǎn)

（1）產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件。

（2）磁通量的概念。

難點(diǎn)

（1）培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。

（2）在實(shí)驗(yàn)中歸納產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件。

教學(xué)設(shè)計(jì)思想

（1）采用以學(xué)生自主構(gòu)建知識(shí)為主線，學(xué)生理解、體驗(yàn)、感悟?yàn)榛A(chǔ)，充分發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)性的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)。

本案例以錄音機(jī)播放優(yōu)美音樂(lè)引入新課，用法拉第根據(jù)“電生磁”產(chǎn)生“磁生電”的設(shè)想，引發(fā)學(xué)生的思維張力，產(chǎn)生探究的欲望，鼓勵(lì)學(xué)生大膽設(shè)計(jì)，勇于嘗試。通過(guò)設(shè)計(jì)多種方法產(chǎn)生感應(yīng)電流，使學(xué)生由衷地感到成功的喜悅。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生討論交流，得出產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，再引出磁通量的概念，用多媒體演示磁通量的變化，促使學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的形成。

學(xué)生自主地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，獲得親身經(jīng)歷和感性認(rèn)識(shí)，通過(guò)小組交流、討論分析，抽象出結(jié)論，體現(xiàn)了科學(xué)探究的一般過(guò)程：設(shè)想——實(shí)驗(yàn)探究——實(shí)驗(yàn)結(jié)論——應(yīng)用。讓學(xué)生在經(jīng)歷中感悟科學(xué)探究的一般方法，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

（2）利用物理學(xué)史開展探究教學(xué)，是本案例的又一特色。

引導(dǎo)學(xué)生沿著物理學(xué)家的足跡，利用物理學(xué)史進(jìn)行科學(xué)探究，有利于學(xué)生深刻理解物理概念和規(guī)律，糾正錯(cuò)誤觀念；有利于認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)中的地位和作用；有利于對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法的教育。無(wú)論是法拉第十年的艱辛探索，還是科拉頓的失之交臂，都說(shuō)明了任何發(fā)現(xiàn)都是人們艱苦探索的結(jié)果，這都有利于培養(yǎng)學(xué)生艱苦探索的意志和堅(jiān)忍不拔的科學(xué)精神。

教學(xué)方法

利用物理學(xué)史進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)探究。

教學(xué)資源

多媒體教室，實(shí)驗(yàn)室，課本中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)器材，多媒體電子課件等。

教學(xué)過(guò)程

一、音樂(lè)情境，導(dǎo)入新課

情境：用磁帶錄音機(jī)播一小段優(yōu)美的音樂(lè)，并配合電腦動(dòng)畫展示過(guò)程如圖1。



錄音機(jī)錄音時(shí)磁帶被磁化，形成按聲音振動(dòng)規(guī)律排列的一系列小磁體。放音機(jī)的磁頭是一個(gè)帶鐵芯的線圈，當(dāng)磁帶從磁頭邊滑過(guò)時(shí)，磁頭線圈就會(huì)感應(yīng)出按小磁體排列規(guī)律變化的電流，放音機(jī)將磁頭感應(yīng)出的變化電流放大，推動(dòng)喇叭振動(dòng)，就放出了美妙的音樂(lè)！那么磁頭為什么能“磁生電”呢？我們今天的課題就是要探究電磁感應(yīng)的條件。

二、學(xué)生活動(dòng)，尋找產(chǎn)生電磁感應(yīng)的方法

1 演示法拉第的失敗實(shí)驗(yàn)

方案一 1824年12月，法拉第把繞在磁鐵上的導(dǎo)線和電流表連接起來(lái)組成一個(gè)閉合電路（圖2），沒(méi)有發(fā)現(xiàn)電流。



方案二 1825年11月，法拉第將含有電流表的導(dǎo)線回路放在另一通電回路附近，期望會(huì)改變導(dǎo)線中的電流大小。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示沒(méi)有發(fā)生任何效應(yīng)。



2 猜想與假設(shè)

猜想一下實(shí)驗(yàn)失敗的可能因素：電能“生”磁，只是電磁運(yùn)動(dòng)的一個(gè)方面，從另一方面思考，“磁生電”的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是否有其特殊性呢？回憶奧斯特實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電流恒定，但實(shí)質(zhì)上它是由導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)電荷形成的。那么，上述“磁生電”實(shí)驗(yàn)只是把導(dǎo)線繞在磁鐵上，在恒定磁場(chǎng)中，導(dǎo)線和磁場(chǎng)都處于靜態(tài)，“運(yùn)動(dòng)電荷”——電流從何而來(lái)呢？或許“磁生電”不是在靜態(tài)中產(chǎn)生的。

法拉第用了十年的時(shí)間，終于發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象。今天我們就循著科學(xué)家的足跡，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索、科學(xué)歸納概括的方法來(lái)認(rèn)識(shí)這一重要的現(xiàn)象，總結(jié)產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件。

3 學(xué)生互動(dòng)，實(shí)驗(yàn)探究

每組學(xué)生的桌上有一張紙，列出的是各自桌上的器材和實(shí)驗(yàn)要求，注意前后桌的器材是不一樣的（各小組紙上內(nèi)容如下圖4）。

分組1 實(shí)驗(yàn)器材：導(dǎo)線、靈敏電流計(jì)、自制線圈、馬蹄形磁鐵。要求：用所給實(shí)驗(yàn)器材產(chǎn)生感應(yīng)電流。

分組2 實(shí)驗(yàn)器材：導(dǎo)線、線圈、條形磁鐵、靈敏電流計(jì)要求：用所給實(shí)驗(yàn)器材產(chǎn)生感應(yīng)電流，并根據(jù)實(shí)際電路，畫實(shí)物連接圖。

分組3 實(shí)驗(yàn)器材：滑動(dòng)變阻器、學(xué)生電源、開關(guān)、帶鐵芯的線圈A、導(dǎo)線、靈敏電流計(jì)、線圈B、條形磁鐵。要求：用所給實(shí)驗(yàn)器材產(chǎn)生感應(yīng)電流，并根據(jù)實(shí)際電路，畫實(shí)物連接圖。

根據(jù)紙上要求得到感應(yīng)電流后，前后左右的同學(xué)相互交流實(shí)驗(yàn)情況并交換位置完成其他組的實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生活動(dòng)后，各組選派代表向全體同學(xué)現(xiàn)場(chǎng)展示操作過(guò)程，介紹實(shí)驗(yàn)情況及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

分組實(shí)驗(yàn)一 導(dǎo)線與電流計(jì)組成閉合電路（圖5），使線圈在磁鐵兩極間運(yùn)動(dòng)或翻轉(zhuǎn)。



分組實(shí)驗(yàn)二 線圈與電流計(jì)組成閉合電路（圖6），條形磁鐵N極插入或拔出線圈的瞬間，或條形磁鐵S極插入或拔出線圈的瞬間。



分組實(shí)驗(yàn)三 帶鐵芯的A線圈放在線圈B中，線圈A與電池、開關(guān)、滑動(dòng)變阻器組成串聯(lián)電路，線圈B兩端接電流表（圖7）。當(dāng)線圈A電路的開關(guān)閉合或斷開的瞬間，或者接通線圈A電路后，用變阻器改變A線圈電路中電流大小時(shí)。

上述操作都可看到電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

教師演示：在分組實(shí)驗(yàn)三中，變阻器連接在靈敏電流計(jì)的回路中，改變滑動(dòng)變阻器阻值，觀察電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)情況。（結(jié)論：指針不動(dòng)）

說(shuō)明：讓學(xué)生充分利用桌上的大量的實(shí)驗(yàn)器材，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并動(dòng)手實(shí)踐，努力嘗試，看看“你能獲得感應(yīng)電流嗎？”這是一個(gè)無(wú)序的過(guò)程，但又恰恰是學(xué)生參與的開始。

三、探究產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件

1 異中求同，分析、討論產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件

學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)，總結(jié)產(chǎn)生電磁感應(yīng)的條件，可能有的學(xué)生說(shuō)是磁場(chǎng)變化引起（依據(jù)條形磁鐵的上下運(yùn)動(dòng)，使線圈回路中的磁場(chǎng)變化），教師可予以肯定和表?yè)P(yáng)；但另一些同學(xué)可能不同意這一觀點(diǎn)（依據(jù)是線圈切割時(shí)，磁場(chǎng)不變），教師同樣予以肯定和表?yè)P(yáng)。

歸納產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象主要有兩類：導(dǎo)體與磁體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而產(chǎn)生電流；由于閉合電路中磁場(chǎng)變化而引起電流。

啟發(fā)學(xué)生繼續(xù)思考，思考兩者的共性。

（引導(dǎo)學(xué)生忽略次要因素，將實(shí)驗(yàn)裝置抽象成物理模型，由于磁場(chǎng)不可見，用多媒體模擬，其中磁體的磁場(chǎng)用磁感線標(biāo)出，在觀察中提示以閉合回路作為研究對(duì)象）

情境：多媒體動(dòng)畫模擬演示學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)

模擬現(xiàn)象：磁感線閃爍（引起注意）

分組實(shí)驗(yàn)一 導(dǎo)線左右、上下移動(dòng)。

表頭動(dòng)作：左右移動(dòng)時(shí)偏轉(zhuǎn)，上下移動(dòng)時(shí)不動(dòng)。

分組實(shí)驗(yàn)二 磁鐵插入或拔出。

表頭動(dòng)作：移動(dòng)時(shí)偏轉(zhuǎn)，磁鐵靜止時(shí)不動(dòng)。

分組實(shí)驗(yàn)三 左右移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的觸頭，表頭動(dòng)作：移動(dòng)時(shí)偏轉(zhuǎn)，觸頭位置不變時(shí)不動(dòng)。開關(guān)接通、斷開的瞬間偏轉(zhuǎn)，閉合后不動(dòng)。

結(jié)論：產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件與磁場(chǎng)變化有關(guān)，也就是說(shuō)，與磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化有關(guān)，還與閉合回路的面積有關(guān)；直觀地表現(xiàn)為：當(dāng)穿過(guò)閉合回路磁感線條數(shù)變化時(shí)，就有電流產(chǎn)生，否則就沒(méi)有感應(yīng)電流。



2 引入磁通量概念

可見，要描述上述實(shí)驗(yàn)的共性還需要引入一個(gè)新的物理量，這個(gè)物理量能描述穿過(guò)閉合回路的磁感線條數(shù)——磁通量。那么什么是磁通量呢？怎樣計(jì)算磁通量？閉合回路的面積與垂直穿過(guò)它的磁感應(yīng)強(qiáng)度的乘積叫做磁通量，用磁通量來(lái)描述感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件（圖8）。

學(xué)生討論：磁通量定義、物理意義、單位等。

歸納產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件：

只要穿過(guò)閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就有感應(yīng)電流。

說(shuō)明：鼓勵(lì)、引導(dǎo)學(xué)生，從簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察過(guò)渡到對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和總結(jié)，去回答“怎樣才能產(chǎn)生感應(yīng)電流？”在對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象分類的基礎(chǔ)上，異中求同，讓學(xué)生在探究規(guī)律的過(guò)程中，親身體驗(yàn)了多種科學(xué)方法和科學(xué)思想的應(yīng)用。

另外，順理成章地引出磁通量的概念，新課程這種安排，予人水到渠成的感覺(jué)，使學(xué)生理解建立這一概念的必要性，并能自覺(jué)構(gòu)建。

四、產(chǎn)生感應(yīng)電流條件的應(yīng)用

1 法拉第成功實(shí)驗(yàn)

情境：多媒體模擬演示法拉第成功實(shí)驗(yàn)

法拉第以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)線圈之間的電磁感應(yīng)為突破口。1831年8月，他在日記中記述了第一次成功的實(shí)驗(yàn)。他在軟鐵環(huán)的A邊繞了三個(gè)線圈，可以串聯(lián)起來(lái)使用，也可以分開使用，在B邊以同樣的方向繞了兩個(gè)線圈，如圖3所示；他把B邊的線圈接到電流計(jì)上，把A邊的線圈接到電池組上。當(dāng)電路接通和斷開的瞬間，在B邊的線圈中發(fā)現(xiàn)了感應(yīng)電流。

磁鐵與線圈之間發(fā)生了什么情況呢？法拉第在實(shí)驗(yàn)日記中寫到：把磁鐵的一端靠近線圈的圓筒邊緣，然后一下子把磁鐵全部插入線圈內(nèi)部，電流表的指針會(huì)出現(xiàn)擺動(dòng)；接著拔出磁鐵的時(shí)候，表針會(huì)擺向相反的方向，不斷地插入和拔出磁鐵，這種現(xiàn)象將會(huì)不斷地重復(fù)。反過(guò)來(lái)，讓磁鐵靜止不動(dòng)而線圈移動(dòng)的話，也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。

法拉第總結(jié)了一系列有關(guān)電磁感應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，在向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)提交的論文中，他概括了產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，完成了劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)——電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

科學(xué)史上任何一個(gè)發(fā)現(xiàn)都是來(lái)之不易的。在歷史上，最早做電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家是當(dāng)時(shí)年僅２３歲的科拉頓，但非常遺憾的是，他為了消除操作過(guò)程中外界因素對(duì)電流計(jì)的影響，他就用長(zhǎng)導(dǎo)線，將電流表連接到另一個(gè)房間里，他在這個(gè)房間里將磁鐵插入線圈，然后飛快地跑到另一個(gè)房間里去看電流表，等他跑到的時(shí)候，電流表的指針已不偏轉(zhuǎn)。所以，他沒(méi)有發(fā)現(xiàn)電流的產(chǎn)生，可以說(shuō)科拉頓已經(jīng)叩開了發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)規(guī)律的大門，但由于他的失誤，卻與最后的成功失之交臂。

２ 產(chǎn)生感應(yīng)電流條件的應(yīng)用

應(yīng)用示例１——錄音機(jī)放音原理（圖9），讓學(xué)生解釋磁頭讀取磁帶上信息的原理。



應(yīng)用示例２——“做一做”中的“搖繩能發(fā)電嗎？”（多媒體演示畫面，圖10），讓學(xué)生回答并解釋發(fā)電的原因，并詢問(wèn)兩個(gè)同學(xué)沿哪個(gè)方向站立時(shí)，發(fā)電的可能性比較大，有條件的話，可讓學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)演示，并思考回答其中的緣由。



教學(xué)反思

１ 本節(jié)容量較大，涉及三個(gè)實(shí)驗(yàn)，因此在本案例中，將３個(gè)實(shí)驗(yàn)變成三種可供探究的實(shí)驗(yàn)方案。各小組選擇其中一個(gè)方案，設(shè)計(jì)分組實(shí)驗(yàn)，再在學(xué)生討論、交流的基礎(chǔ)上，選代表上臺(tái)展示實(shí)驗(yàn)成果，在異中求同中自己發(fā)現(xiàn)并尋找到產(chǎn)生感應(yīng)電路的本質(zhì)條件，從而最終完成科學(xué)探究的過(guò)程。這樣的編排處理更緊湊、更合理，極大地節(jié)省了時(shí)間，提高了課堂效率；但筆者仍不免擔(dān)憂，這樣的處理可能使學(xué)生只能熟悉自己做的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，造成不能完全掌握另外兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。因此，建議在教學(xué)中要根據(jù)實(shí)際的進(jìn)度，若時(shí)間充裕，增加一個(gè)環(huán)節(jié)內(nèi)容，就是讓不同實(shí)驗(yàn)組學(xué)生之間進(jìn)行輪換實(shí)驗(yàn)，以彌補(bǔ)這種設(shè)計(jì)帶來(lái)的不足。

２ 電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)過(guò)程經(jīng)歷了大約１０年時(shí)間，在這１０年中，不少科學(xué)家都付出了艱辛的努力，經(jīng)歷了很多次的失敗，最后由法拉第通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，以其敏銳的洞察力捕捉了使全世界發(fā)生改變的物理現(xiàn)象——磁生電。這樣漫長(zhǎng)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，在教學(xué)中我們只安排了１、２課時(shí)的時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)，因此如何提高課堂教學(xué)的有效性，能否積極、有效地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，讓學(xué)生自己理解、體驗(yàn)、感悟，是值得我們思考并重視的問(wèn)題。

(欄目編輯趙保鋼)