對感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件的探究思路的改進(jìn)

麥結(jié)華

(廣東省珠海市斗門區(qū)第一中學(xué) 519000)

高二課本探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的思路分別對動生、感生電動勢產(chǎn)生的條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，分析現(xiàn)象，最后得出磁通量發(fā)生變化是磁生電的關(guān)鍵.這節(jié)課我對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)作了一些小改進(jìn)和調(diào)整，通過矛盾的形成和解決突破學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)、促進(jìn)學(xué)生對關(guān)鍵概念的形成.

一、探究動生電動勢產(chǎn)生的條件

課本用圖1的演示實(shí)驗(yàn)，初中時已經(jīng)接觸過，高中老師往往再做一次，分析磁感線方向和棒運(yùn)動方向兩者關(guān)系，得出導(dǎo)體切割磁感線可以磁生電，往往把這種電動勢叫動生電動勢.根據(jù)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)學(xué)生其實(shí)對“切割”的定義是非常不明確的，以為只要導(dǎo)體棒在磁場中運(yùn)動就是切割，就能夠產(chǎn)生電流，所以處理這部分時我把重點(diǎn)放在了對切割的理解.

原設(shè)想使導(dǎo)體棒在磁場左右，上下，前后、斜著運(yùn)動，理論上可以看到電流計指針不同的偏轉(zhuǎn)情況，再跟學(xué)生分析原因，學(xué)生找到運(yùn)動方式不同是造成結(jié)果差異的原因，再比較這些運(yùn)動方向和磁場方向之間的關(guān)系，最后得出切割的概念.但實(shí)際上實(shí)驗(yàn)室提供的是馬蹄形磁鐵和方形線框(圖2)，線框較大，無論線框怎樣運(yùn)動都能切割到磁鐵正對部位區(qū)域外的磁場線而產(chǎn)生電流.

那就自己動手來制作直導(dǎo)線吧？使長度合適的導(dǎo)線只在磁鐵的正對部位運(yùn)動(圖3).實(shí)驗(yàn)時又發(fā)現(xiàn)了兩個新問題：真正的勻強(qiáng)磁場區(qū)域很小，實(shí)際的磁感線都隨形狀、邊緣變化而變形；導(dǎo)線繞了30多匝還是沒法使微安表指針擺動，因?yàn)樵褦?shù)和切割長度不夠.多次改進(jìn)后還是不行，最后還是使用實(shí)驗(yàn)室的線框但把磁場實(shí)驗(yàn)區(qū)域擴(kuò)大的辦法.把6個馬蹄形磁鐵并排加寬磁場，線框放進(jìn)去后就夠?qū)捔?，這時可以認(rèn)為中間區(qū)域的中心部分磁場方向是豎直的，不必?fù)?dān)心切割到外面磁場對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響了.這些都跟學(xué)生討論了，并讓學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)時采用這個磁場區(qū)域.

實(shí)驗(yàn)操作表針是否擺動導(dǎo)體棒左右移動是導(dǎo)體棒不動否導(dǎo)體棒上下移動否導(dǎo)體棒斜著運(yùn)動是

學(xué)生根據(jù)表格填寫實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)線框動的方式不同產(chǎn)生的效果是不同的，動了未必會有電流產(chǎn)生.比對幾種動的方式的差異，結(jié)合磁場方向，學(xué)生討論出可產(chǎn)生成電流的都是速度面和磁場面有垂直部分，從而得出切割的定義，得到真正的動生電動勢的開啟方式.

二、探究感生電動勢的產(chǎn)生條件

按照課本實(shí)驗(yàn)(圖6))我也設(shè)計了實(shí)驗(yàn)表格讓學(xué)生填寫.

實(shí)驗(yàn)操作表針是否擺動N極插入線圈有N極停在線圈或線圈外某處中無N極從線圈中抽出線圈有S極插入線圈有S極停在線圈中或外面某處無S極從線圈中抽出有

實(shí)驗(yàn)后經(jīng)過討論學(xué)生都會發(fā)現(xiàn)使螺線管周圍的磁場變化都可以產(chǎn)生電流.一般情況下，老師這時候就歸納結(jié)論，只要穿過螺線管的磁場發(fā)生變化就可以磁生電.但是我認(rèn)為“穿過”二字和學(xué)生的認(rèn)知還是有距離的，并非學(xué)生的能力習(xí)得.我多做了一步，把條形磁鐵(如圖7)橫放著在螺線管上方前后左右上下移動，問學(xué)生螺線管周圍的磁場(圖8)是否發(fā)生了變化，學(xué)生認(rèn)為在變化但這個時候電流計指針是幾乎不擺動的.與剛才產(chǎn)生電流的實(shí)驗(yàn)行為比對，磁鐵擺放方式不同是變量，擺放方式的差異導(dǎo)致磁感線是否穿進(jìn)了大螺線管，從而讓學(xué)生得到更深刻的結(jié)論，是穿過回路的磁場發(fā)生變化而使回路產(chǎn)生電流，實(shí)現(xiàn)磁生電.

課本用圖9電路使帶電小螺線管替代條形磁鐵角色，學(xué)生實(shí)驗(yàn)探討出改變穿過大螺線管磁場的方式：開關(guān)閉合和斷開、調(diào)整滑動變阻器、小螺線管(鐵芯)拔出和插入.我沒有馬上結(jié)束探究，多加了一步，把右邊電路電源改接交流電(圖10)，不動電路中其他部分，電流計指針依然發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，幫學(xué)生拓展了改變磁場的思路.

繼續(xù)拓展(圖11)交流電對線圈供電產(chǎn)生變化磁場，把不同匝數(shù)的其它線圈放在附近就可接收到這個變化磁場而實(shí)現(xiàn)磁生電，這就是變壓器的工作原理(圖12).

使用變壓器給學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)，第一：變壓器原線圈接入交流電，看到右邊線圈相連的電流計指針是偏轉(zhuǎn)的(圖13)，再把電流計換成燈泡，看到燈泡亮了，學(xué)生覺得非常有意思.第二：電源改接直流電，讓學(xué)生猜測燈泡是否會亮，學(xué)生均表示不會.是因?yàn)闆]有磁場嗎？一部分學(xué)生先說是，反應(yīng)過來后說是有磁場但磁場沒有變化，我把直流電的每一個電壓都正常接通了一次，燈泡果然不亮.接下來我把直流電壓的旋鈕快速轉(zhuǎn)動幾圈，燈泡居然亮了.學(xué)生都瞪大了眼睛，為何恒定磁場也可以感應(yīng)出電呢？讓學(xué)生觀察操作差異引起的結(jié)果差異，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了玄機(jī)，原來是快速改變電壓(圖14)使磁場突變感應(yīng)出電了.

三、歸納總結(jié)

把動生、感生電動勢產(chǎn)生條件進(jìn)行比對：切割使回路形狀發(fā)生變化，這個形狀可以用面積S來表述.感生電動勢產(chǎn)生是回路中磁場B在變化.如何把兩個看似毫無關(guān)聯(lián)性的原因歸結(jié)到一起呢？有沒有可能各自反映了一個事物的不同表象呢？能找到一個物理量把它們都包含到一塊去嗎？學(xué)生踴躍思考，最后都指向了磁通量這個概念，最后得出磁生電的關(guān)鍵是過程中以各種方式伴隨著磁通量發(fā)生變化(圖15).

原來磁通量發(fā)生變化是磁生電的關(guān)鍵！如果磁場B與面積S之間有夾角，磁通量怎么計算？圖16中的線圈一直在轉(zhuǎn)動，與磁場夾角一直在變化，磁通量一直在變化，是不是電流就一直在生成？能驗(yàn)證一下嗎？展示交流發(fā)電機(jī)，讓學(xué)生觀察線圈、磁場、手柄的作用,隨后搖動手柄帶動線圈轉(zhuǎn)動燈泡真的亮起來了(圖17)，學(xué)生在下面發(fā)出陣陣歡呼.

通過這節(jié)課使學(xué)生深刻理解磁生電的各種方式，初步嘗試透過紛繁的表象找尋事物背后深層次原因的思維方式.探究過程讓學(xué)生自己總結(jié)規(guī)律形成概念，體現(xiàn)了學(xué)生為主體的現(xiàn)代教學(xué)思想，實(shí)驗(yàn)思路的拓展也是對學(xué)生現(xiàn)有知識結(jié)構(gòu)的突破.變壓器和交流發(fā)電機(jī)的演示既是對電磁感應(yīng)現(xiàn)象的有力輔助，也是對3-2課本后面章節(jié)的聯(lián)結(jié)，突破教材之間的界限.這一個探索過程對教師和學(xué)生都是一個很好的提升過程.