電磁感應(yīng)教學(xué)設(shè)計(jì)方法探究

范興祥

【摘 要】 電磁感應(yīng)是高中物理選修3-2的第一章內(nèi)容，涉及考點(diǎn)有探究電磁感應(yīng)的產(chǎn)生條件、法拉第電磁感應(yīng)定律、楞次定律、感生電動(dòng)勢和動(dòng)生電動(dòng)勢、互感和自感、渦流，是歷年高考的重點(diǎn)、難點(diǎn)，也是熱點(diǎn)，特別是經(jīng)常將電磁感應(yīng)與電路規(guī)律、力學(xué)規(guī)律、電場規(guī)律、磁場規(guī)律、能量轉(zhuǎn)化問題、數(shù)學(xué)函數(shù)與圖像等相結(jié)合，試題的難度和廣度均有明顯體現(xiàn)。因此，如何做好教學(xué)設(shè)計(jì)，如何把握好教學(xué)重點(diǎn)，是老師需要研究的課題。

【關(guān) 鍵 詞】 電磁感應(yīng)；教學(xué)設(shè)計(jì)；重要考點(diǎn)

一、明確教學(xué)重點(diǎn)和流程

第一，學(xué)情分析。本課題是大學(xué)物理中電磁感應(yīng)部分的一個(gè)重要內(nèi)容，是學(xué)習(xí)后續(xù)內(nèi)容的前提和基礎(chǔ)，也是統(tǒng)領(lǐng)第八章的綱要。學(xué)生已學(xué)習(xí)了《靜電場》與《穩(wěn)恒磁場》的內(nèi)容，為本課題的學(xué)習(xí)奠定了理論基礎(chǔ)。中學(xué)楞次定律的學(xué)習(xí)，便于學(xué)生理解電磁感應(yīng)定律數(shù)學(xué)表達(dá)式中“一”的具體物理意義。

第二，教學(xué)目標(biāo)。知識(shí)目標(biāo)：理解產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的條件；掌握電磁感應(yīng)定律的內(nèi)容；了解電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用。能力目標(biāo)：增強(qiáng)學(xué)生的探究興趣，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢硭季S方法，提高學(xué)生運(yùn)用電磁感應(yīng)定律分析問題解決實(shí)際問題的能力。情感目標(biāo)：通過三峽水電站的介紹，增強(qiáng)學(xué)生們的民族自信心和自豪感。

第三，要采用有新意的教學(xué)引入，為本課題開一個(gè)好頭。如1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)；1831年8月，法拉第通過一系列的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了“磁生電”現(xiàn)象；1831年11月24日，法拉第向皇家學(xué)會(huì)提交的一個(gè)報(bào)告中，把這種現(xiàn)象定名為“電磁感應(yīng)現(xiàn)象”，并概括了可以產(chǎn)生感應(yīng)電流的五種類型：變化著的電流、變化著的磁場、運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)恒電流、運(yùn)動(dòng)的磁鐵、在磁場中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體。這樣的設(shè)計(jì)意圖在于，通過物理學(xué)史，介紹科學(xué)家探索磁生電的過程，使學(xué)生體會(huì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的不易，進(jìn)入本節(jié)課教學(xué)。并設(shè)疑：在現(xiàn)在我們看來，法拉第總結(jié)的這五種類型都是引起了某一個(gè)物理量的變化，具體是哪個(gè)物理量呢？下面就來研究一下電磁感應(yīng)現(xiàn)象，探究一下磁生電的條件。

二、教授重要考點(diǎn)

（一）法拉第電磁感應(yīng)定律

這是本課題最核心的知識(shí)和考點(diǎn)。需要通過經(jīng)典例題引導(dǎo)學(xué)生正確理解知識(shí)、掌握解題方法。如某學(xué)習(xí)小組設(shè)計(jì)了一種發(fā)電裝置如圖2甲所示，圖乙為其俯視圖。將8塊外形相同的磁鐵交錯(cuò)放置組合成一個(gè)高h(yuǎn)=0.5m、半徑r=0.2m的圓柱體，其可繞固定軸OO′逆時(shí)針（俯視）轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度ω=100rad/s。設(shè)圓柱外側(cè)附近每個(gè)磁場區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B=0.2T、方向都垂直于圓柱體側(cè)表面。緊靠圓柱體外側(cè)固定一根與其等高、電阻R1=0.5Ω的細(xì)金屬桿ab，桿與軸OO′平行。圖丙中阻值R=1.5Ω的電阻與理想電流表A串聯(lián)后接在桿a、b兩端。下列說法正確的是（ ）

A. 電流表A的示數(shù)約為1.41A

B. 桿ab移產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的有效值E=2V

C. 電阻R消耗的電功率為2W

D. 在圓柱體轉(zhuǎn)過一周的時(shí)間內(nèi)，流過電流表A的總電荷量為零

導(dǎo)線切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的即時(shí)值用公式E=BLv計(jì)算，桿ab移產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的有效值E=2V，B正確；電流表A的示數(shù)I===1A，A錯(cuò)誤；電阻R消耗的電功率為P=I2R=1.5W，C錯(cuò)誤；電量q=It=

t===，在圓柱體轉(zhuǎn)過一周的時(shí)間內(nèi)，流過電流表A的總電荷量為零。D正確。故答案為BD。

講解例題時(shí)，老師還要做好方法總結(jié)：E=是求整個(gè)回路的總電動(dòng)勢，并且求出的是△t時(shí)間內(nèi)的平均感應(yīng)電動(dòng)勢，而公式E=BLV求出的只是切割磁感線的那部分導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢，不一定是回路中的總感應(yīng)電動(dòng)勢，并且它一般用于求某一時(shí)刻的瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢。

（二）電磁感應(yīng)中的電路問題

這是本課題中較難的知識(shí)，需要老師通過例題引導(dǎo)學(xué)生做知識(shí)遷移，掌握相關(guān)解題方法。例如：兩根足夠長的光滑平行直導(dǎo)軌MN、PQ與水平面成θ角放置，兩導(dǎo)軌間距為L，M、P兩點(diǎn)間接有阻值為R的電阻。一根質(zhì)量為m的均勻直金屬桿ab放在兩導(dǎo)軌上，并與導(dǎo)軌垂直。整套裝置處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，磁場方向垂直于導(dǎo)軌平面向上，導(dǎo)軌和金屬桿接觸良好，它們的電阻不計(jì)?，F(xiàn)讓ab桿由靜止開始沿導(dǎo)軌下滑。

（1）求ab桿下滑的最大速度vm；

（2）ab桿由靜止釋放至達(dá)到最大速度的過程中，電阻R產(chǎn)生的焦耳熱為Q，求該過程中ab桿下滑的距離x及通過電阻R的電量q。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律、歐姆定律、安培力公式和牛頓第二定律，有：E=BLv，I=，F(xiàn)A=BIL，mgsinθ-FA=ma，即mgsinθ-=ma，當(dāng)加速度a為零時(shí)，速度v達(dá)最大，速度最大值vm=

（2）根據(jù)能量守恒定律有mgxsinθ=mv+Q，得x =+

（3）根據(jù)電磁感應(yīng)定律有=

根據(jù)閉合電路歐姆定律有=

感應(yīng)電量q=Δt==

得q=+

對(duì)于電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化問題，應(yīng)弄清在過程中有哪些能量參與了轉(zhuǎn)化，什么能量減少了，什么能量增加了，由能的轉(zhuǎn)化和守恒定律即可求出轉(zhuǎn)化的能量。能量的轉(zhuǎn)化和守恒是通過做功來實(shí)現(xiàn)的，安培力做功是聯(lián)系電能與其他形式的能相互轉(zhuǎn)化的橋梁。因此，也可由功能關(guān)系（或動(dòng)能定理）計(jì)算安培力的功，從而確定電能與其他形式的能相互轉(zhuǎn)化的量。

（三）電磁現(xiàn)象中的功能關(guān)系

功能關(guān)系在近幾年高考中常考，需要學(xué)生引起高度重視，尤其在新高考實(shí)施之后，老師更應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生掌握?？膳e例題如：

如圖所示，在與水平面成θ=30°角的平面內(nèi)放置兩條平行、光滑且足夠長的金屬軌道，其電阻可忽略不計(jì)。空間存在著勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.20T，方向垂直軌道平面向上。導(dǎo)體棒ab、cd垂直于軌道放置，且與金屬軌道接觸良好構(gòu)成閉合回路，每根導(dǎo)體棒的質(zhì)量m=2.0×10-2kg，回路中每根導(dǎo)體棒電阻r=5.0×10-2Ω，金屬軌道寬度l=0.50m?，F(xiàn)對(duì)導(dǎo)體棒ab施加平行于軌道向上的拉力，使之勻速向上運(yùn)動(dòng).在導(dǎo)體棒ab勻速向上運(yùn)動(dòng)的過程中，導(dǎo)體棒cd始終能靜止在軌道上。g取10m/s2。

老師可做如下設(shè)問：（1）導(dǎo)體棒cd受到的安培力大小；（2）導(dǎo)體棒cd運(yùn)動(dòng)的速度大??；（3）拉力對(duì)導(dǎo)體棒ab做功的功率。并為學(xué)生解答：

（1）導(dǎo)體棒cd靜止時(shí)受力平衡，設(shè)所受安培力為F安，則F安=mgsinθ=0.10N。

（2）設(shè)導(dǎo)體棒ab的速度為v，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為E，通過導(dǎo)體棒cd的感應(yīng)電流為I，則E=Blv，I=，F(xiàn)安=BIl，解得v==1.0m/s。

（3）設(shè)對(duì)導(dǎo)體棒ab的拉力為F，導(dǎo)體棒ab受力平衡，則F=F安+mgsinθ=0.20N，拉力的功率P=Fv=0.20W。

方法總結(jié)：導(dǎo)軌上雙金屬棒運(yùn)動(dòng)切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的模型的處理方法一般用動(dòng)量守恒和能量守恒處理。

三、善于為課堂做總結(jié)

通過對(duì)物理教材和高中物理課程教材的分析，本次課題的設(shè)計(jì)使得教學(xué)內(nèi)容更緊密聯(lián)系實(shí)際。除了有精心的課程設(shè)置，也有與考試密切相關(guān)的考點(diǎn)分析，更有解題思維和方法的指導(dǎo)。

教師一方面采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)演示，另一方面充分利用各種現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)手段，全面整合文本形式、圖片、試題等教學(xué)資源，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析推倒，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生分析能力和利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。通過對(duì)電磁感應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用中的介紹，鍛煉學(xué)生解題能力的同時(shí)也鍛煉了其發(fā)散性思維。

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