《法拉第电磁感应定律》教学设计

雷鸣

摘 要：法拉第电磁感应定律是高中物理关于电磁感应的核心知识，对学生是学习的重点，也是学习的难点。为了突破难点，本教学设计从大量实验出发，重点让学生经历、体会规律的发现过程。

关键词：法拉第；电磁感应；定律；教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）11-0030-3

1 教学设计思想

“法拉第电磁感应定律”是电磁学的核心内容。从知识结构来看，前面几节内容解决了感应电流的产生条件和感应电流方向的判断问题，那么自然就有学生提出感应电流大小怎么求解的问题，这就是第四节要解决的问题。因此，“法拉第电磁感应定律”是教学的重点，同时由于规律本身比较抽象，学生没有相应的生活经验，所以又是教学的难点。根据课程标准和学生的接受能力，教学中应着重揭示法拉第电磁感应定律及其公式E=n的建立过程、物理意义及应用，而公式E=BLvsinθ只作为法拉第电磁感应定律在特定条件下推导出的表达式，这样做可以让学生正确地认识物理规律的建立过程，懂得物理规律是从实验中总结出来的。由于高中阶段电磁感应定律的定量实验很难完成，因而教材没有要求通过实验来研究，但通过定性的实验让学生观察磁通量的变化快慢是影响感应电动势大小的主要因素，然后给出法拉第电磁感应定律和公式，这样的安排是非常必要的。最后的反电动势的内容可以作为课后思考和动手探究的作业布置下去，在下节课再从力和能多个角度分析产生的原因和意义。

2 学习任务分析

知识与技能：

（1）知道感应电动势及决定感应电动势大小的因素；（2）知道磁通量的变化率是表示磁通量变化快慢的物理量，并能区别Φ、ΔΦ、；（3）理解法拉第电磁感应定律的内容、数学表达式；（4）知道E=BLvsinθ是如何推导的。

过程与方法：

（1）通过探究实验，定性分析感应电动势的大小与磁通量变化快慢之间的关系。培养学生实验操作能力和对实验的观察能力；（2）使学生明确电磁感应现象中的电路结构，通过对公式E=nΔφ/Δt的理解，引导学生推导出E=BLvsinθ，并学会初步的应用，提高运用理论知识解决新问题的能力，提高推理能力和综合分析能力。

情感态度与价值观：

培养学生严谨的科学态度并形成正确的科学观。

重点和难点：

法拉第电磁感应定律的建立、理解及应用。

学情分析：

学生已经掌握了电路的基本知识，知道电路中有电流的条件是闭合回路有电动势，知道在总电阻不变的情况下电流与电动势成正比。学生了解了示波器的原理，理解了产生感应电流的条件。

教学方法：探究法，类比学习法。

教学用具：

分组实验器材：电流表（零刻度在中间），螺线管，条形磁铁（磁性强弱各一条），直流电源，滑动变阻器，电键，导线若干；演示实验器材：示波器，螺线管（多个接线柱对应匝数不同），导线若干；多媒体大屏幕投影仪，自制的课件。

教学过程：

1.感应电动势

教师引导：请同学们用桌上的器材连成电路让电流表指针偏转。

学生活动：学生可以用如图1两种电路接法来实现要求。

（a） （b）

图1 产生电流的两种电路图

教师引导：根据以前的电路知识大家想一想，电路中产生电流的条件是什么？

学生：电路闭合且这个电路中一定要有电源。

教师引导：第二种接法电路中电源在哪里？

教师引导回答：如图1（b）中的线圈就相当于是电源，在磁铁插入线圈的过程中产生了电动势。这就是感应电动势。如图2为其等效电路。

图2 图1（b）电路的等效电路图

教师引导：在图（1）的电路中，断开开关，有电流吗？有电动势吗？

学生：没有电流，有电动势。

教师引导：在图1（b）的电路中，断开开关，在磁铁插入线圈的过程中有电流吗？有电动势吗？

教师引导回答：没有电流，有电动势。

总结：产生感应电动势的条件是什么？

答：回路中的磁通量发生变化。

2.探究感应电动势大小的规律

教师引导：刚才的实验中，磁铁插入过程中，你观察到了指针的偏转吗？每一次都相同吗？是什么因素影响电流大小？再做几次试试看！想一想感应电流和感应电动势有什么关系？同时通过前面分析出的产生感应电动势的条件，综合思考电动势大小可能与哪些因素有关？

引导学生活动：改变磁铁插入的速度，或改用磁性不同的磁铁用相同的速度插入，观察到感应电流发生变化。

引导学生分析：电流变化就意为着感应电动势发生变化，而产生感应电动势的条件是回路中的磁通量发生变化，因此感应电动势的大小一定与磁通量变化的情况有关系。大家进一步用实验找出它们的关系。

学生活动：引出用控制变量思想进行定性分析。

实验一：相同磁性的磁铁从同一位置出发插入线圈（磁通量变化量相同），用不同的速度。观察电流（电动势）的大小。

实验二：不同磁性的磁铁从同一位置出发插入线圈，用近似相同的速度。观察电流（电动势）的大小。

学生记录结论：相同磁性的磁铁从同一位置出发插入线圈，速度越快，感应电动势越大；不同磁性的磁铁从同一位置出发用相同速度插入线圈，磁性强的一组产生的感应电动势越大。

教师引导总结：相同的磁通量变化量，速度越快，用时越短，表示磁通量变化得快，而产生的感应电动势大；磁性强的磁铁从同一位置出发插入线圈，磁通量变化量大，用时相同的情况下，磁通量变化得也快，相应的感应电动势大。

实验总结：磁通量变化越快，感应电动势大。

教师：磁通量变化快慢怎么表示呢？类比，速度的变化快慢用表示，磁通量变化快慢（磁通量变化率）用表示。同学们要区别Φ、ΔΦ、，它们的大小相互之间没有任何联系，同学们可以类比我们曾经学过的v，Δv，它们的关系。

3.法拉第电磁感应定律

教师：事实上，纽曼和韦伯在19世纪40年代就在对理论和实验资料进行严格分析后发现：闭合电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量变化率成正比，这就是法拉第电磁感应定律。表达式E∝。

将正比符号化为等号加一个比例系数，即为：E=k。

只要我们定义1 V=1 Wb/s，就能使k=1。

于是有：E=（注意：这是单匝线圈时的情况）如果线圈由导线绕制成n匝，当穿过线圈磁通量变化率为时，则线圈中产生的感应电动势为多少？

教师引导：理论分析，线圈中磁通量变化，每一匝线圈都会产生感应电动势，相当于一个小电源，那么n匝线圈相当于n个小电源怎样连接的呢？问题的答案是什么呢？学生：串联，E=n。

教师：以上是理论分析，能不能用实验来验证呢？再用之前大家探究用的工具就不行了，因为线圈匝数变了，电阻也就变了，这时就不容易找到感应电动势的大小与电流的关系了。老师给大家带来了一种陌生但学过原理的仪器——示波器。用它就能定性地探究出线圈匝数与感应电动势的关系。

多次实验发现，匝数多时，相同磁通量变化率，产生的感应电动势大。这样就用实验证实了我们之前的理论分析是正确的。

4.导线切割磁感线时的感应电动势

教师引导：如图3所示电路，闭合电路一部分导体ab处于匀强磁场中，磁感应强度为B，ab的长度为L，以速度v匀速切割磁感线，求产生的感应电动势？

大家用已学习的法拉第电磁感应定律，小组讨论，找出这种特定情况下的感应电动势的求解方法。

引导学生思考：导体ab向右运动时，ab棒切割磁感线，同时穿过回路的磁通量增加，线框中必然要产生感应电动势。感应电动势应等于磁通量的变化率。怎样求这种情况下的磁通量的变化率？

学生讨论：设在Δt时间内导体棒由原来的位置运动到a1b1，这时线框面积的变化量为ΔS=LvΔt。

穿过闭合电路磁通量的变化量为

ΔΦ=BΔS=BLvΔt。

据法拉第电磁感应定律，得

E===BLv。

教师引导：图3的电路中，哪部分导体相当于电源？ab导体的运动速度v与磁感线方向B有何关系？若导体运动方向与B平行结果会怎样？

学生：切割磁感线的导体，相当于电源。因为导体运动才使得回路中有了电流。

教师点评：同学们的猜测非常正确，但其原因大家课后再从运动导体中电子受力的角度想一想为什么运动导体是电源，什么力充当非静电力？

学生继续回答：导体的运动速度v与磁感线方向B相互垂直。如果v与B平行，在图3中就是垂直于纸面运动，这样回路中没有磁通量的变化，因此感应电动势为零。

图3 导体棒切割磁感线产生感应电动势示意图

教师引导：若导体运动方向与导体本身垂直，但与磁感线方向不垂直，设v与B夹角为θ，如图4又如何计算感应电动势的大小呢？

图4 导体棒运动方向与磁感线方向不平行示意图

学生：将速度v沿垂直于磁感线方向和平行于磁感线方向进行正交分解。其中沿垂直于磁感线方向的分速度v1=vsinθ 引起磁通量的变化，产生感应电动势，而平行于磁感线方向的分速度v2=vcosθ不引起磁通量的变化，不产生感应电动势。因此，导体产生的感应电动势E=BLv1=BLvsinθ。

教学设计评估：

本节课的核心内容是“法拉第电磁感应定律”的发现和理解。因此设计了大量的实验，这样能让学生更直观、更真实地体验到规律的发现过程和自然规律的神奇，而不是将规律死记硬背。分组实验“法拉第电磁感应定律”的定性探究。其次，在知识应用部分是用法拉第电磁感应定律推导导体切割磁感线时产生的感应电动势，推导过程一定要紧扣磁通量的变化率，这是求解感应电动势的关键。虽然这个结果也能用自由电子受洛仑兹力充当非静电力推导出来，但这与本节课的主题无关。因此，不应过多强调导体切割磁感线，而是关注回路中磁通的变化（率）。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（实验稿）[S].北京：人民教育出版社，2003.（栏目编辑 李富强）