基于“实验创新和探究”的“法拉第电磁感应定律”优化教学过程设计

鲁 斌

(浙江省余姚中学 浙江 宁波 315400)



基于“实验创新和探究”的“法拉第电磁感应定律”优化教学过程设计

鲁 斌

(浙江省余姚中学 浙江 宁波 315400)

电磁感应定律是电磁学的核心内容，它不仅是静电场、静磁场、稳恒电流的进一步拓展，而且是后续交流电、电磁振荡和电磁波的基础．电磁感应定律是对电磁感应现象的定量表述．感应电动势的概念比较抽象，学生较难形成明晰的物理图像，且定量的研究要求学生对“变化率”有深刻的理解．由于磁通量的变化率是一个整体，仅呈现感应电动势与磁通量变化量的关系，感应电动势与时间变化的关系，不利于学生理解感应电动势的本质．

基于此，教学过程中将采用定性分析与定量研究相结合的方法进行新课教学．对于定性分析，从源于日常生活的电磁感应现象着手，体现STS教育理念；对于定量研究，利用DIS，测量磁场均匀增大时闭合回路中感应电流的大小，并基于数据与图表的分析，促进对知识的深层理解与迁移．呈现了信息技术与物理教学的有效整合之思想．教学过程设计如下．

1 联系生活建立感应电动势的概念

电磁感应现象在日常生活中比较常见，其中电磁炉就是一个很好的应用．将其引入新课教学，会显得亲切自然，激发学习兴趣．同时能让学生感受物理学贴近与生活和应用与社会的情感．

趣味实验——空穴来电：教师在一台电磁炉上放上装有水的铁盒，将电磁炉的开关开启，让学生猜猜在这个空间内发生了什么．接着将线圈与发光二极管连接成为一个闭合回路，并靠近电磁炉，打开和关闭电磁炉，让学生观察现象，并思考发生这种现象的原因(现象如图1所示).

图1

教师引导学生思考实验现象，如为何二极管会发光？为何线圈可以使二级管发光？学生通过讨论分析，能够意识到线圈相当于一个电源，发光二极管发亮，说明线圈中有感应电流产生．

教师追问：闭合回路中要产生感应电流的条件是什么？

学生通过学习“探究感应电流的产生条件”，会很容易想到闭合回路产生感应电流的条件是“穿过闭合回路的磁通量发生了变化”

教师：闭合电路中存在感应电流，必然存在对应的电动势．从而引出感应电动势的概念：在电磁感应现象中产生的电动势叫做感应电动势．

2 定性分析探究影响感应电动势的因素

师生互动：学生协助教师将电磁炉拆开，利用多媒体展示其内部结构如图2(a)所示，让学生观察并结合感应电流产生的条件，思考电磁炉的磁场是如何产生与变化的．

接着教师呈现电磁炉工作原理图如图2(b)所示，结合此图师生共同讨论研究，进一步明确其工作原理．

图2

教师：穿过闭合回路的磁通量发生变化是产生感应电流的条件．闭合电路中存在感应电流，必然存在对应的感应电动势．

教师提出问题：

(1)不同空间位置产生的感应电动势是否一样？

(2)感应电动势的大小与什么因素有关呢？

实验演示:教师将线圈往上、往下、向左、向右、翻转，让学生观察数字万用表交流挡电压的变化情况(现象如图3所示)．

图3

学生观察到，当线圈离电磁炉比较近时，电压表示数较大，较远时，示数较小，翻转时，示数几乎为零．

学生分组讨论实验现象产生的原因．

通过学生的讨论分析与教师引导，可以从实验中发现：

(1)在线圈靠近电磁炉的中心区域时，大部分变化的磁感线通过线圈，由于线圈面积不变，所以在一个周期内，在中心区域磁通量的变化量比较大，产生的感应电动势也比较大．

(2)当远离电磁炉的中心区域时，大部分变化的磁感线外泄，只有少量变化的磁感线通过线圈，所以在一个周期内，在中心区域磁通量的变化量比较小，产生的感应电动势也比较小．

(3)当线圈翻转时，由于磁场与线圈平面平行，几乎没有变化的磁感线通过线圈，感应电动势为零．

教师总结：磁通量的变化是引起感应电动势的原因，由上述分析可知，在一个周期内，磁通量的变化量越大，产生的感应电动势也越大;反之，在一个周期内，磁通量的变化量越小，产生的感应电动势也越小．感应电动势的大小与一段时间内的磁通量变化量有关，也就是与磁通量变化的快慢即变化率有关．

3 定量探究得到法拉第电磁感应定律

教师：由于在电磁炉的不同区域磁通量变化率不同，产生的感应电动势就不同，即磁通量变化率越快，感应电动势越大，反之，感应电动势越小，那么磁通量变化率与感应电动势大小存在什么样的定量关系呢？

演示实验:教师利用自制数字化法拉第电磁感应定律实验装置(如图4所示)定量研究电磁感应现象．教师引导学生根据实验结果，分析实验图像，完成表格．并让学生讨论磁通量变化率与感应电动势的关系．

图4 数字化法拉第电磁感应定律实验装置

自制数字化法拉第电磁感应定律实验装置：将一个线圈的两端接入直流稳压源，并利用小马达带动稳压源旋钮使电流均匀增大或减小．另一个线圈两端接上微电流传感器，在线圈中插入磁感应强度传感器，通过DIS监测感应电流(感应电动势)与磁感应强度(由于面积不变，即对应于磁通量)的变化．

(1)先断开电源，观察磁感应强度曲线与微电流曲线，然后在电机上加上1 V电压，使电机匀速低速正转，使线圈电压均匀增大，到最大值时，停留几秒，再将电机反转，使线圈两端电压匀速减小．到最小值时，停留几秒，观察感应电流与磁感应强度大小图像．

(2)按照步骤(1)，在电机上加上分别加上1.5 V，2.0 V的电压电压，使电机匀速正转，得到感应电流与磁感应强度大小图像．并比较他们的区别与联系．

读图分析:呈现实验现象图、引导学生观察、分析微电流曲线、磁感应强度曲线及其两者的关系，完成表格1.

实验参考图线如图5所示．

图5

根据实验结果，将数据填入表中.

表1 电磁感应定律探究表(a)

表2 电磁感应定律探究表(b)

从表1和表2的实验数据表明，在给电机加相同的电压下，两种探究情况的感应电流的绝对值是一样的.因为加在电机上的电压决定它的转速，电机与变压旋钮相连，使电压均匀增大.加在电机上的电压越大，电机转速越高，副线圈中电流增加得越快，磁场增加越快，则导致原线圈中感应电动势越大，它的电流也越大.

4 定律运用明确导线切割磁感线是电磁感应定律的特例

演示实验:教师演奏自制的“电磁古筝”(或电吉他的视频)，引导学生应用电磁感应定律解释．

自制“电磁古筝”(图6)：将钕磁铁置于导线下方，将导线两端与录音机和音响相连实现信号的放大．当拨动导线，由于导线在钕磁铁磁场中切割磁感线，产生感应电动势进而产生电流信号，放大装置接收此信号，变输出特定的音阶．如果将导线各个位置发出的音与标准音阶对照，并标出位置．这样就可以弹出悦耳的曲子了．

图6 “电磁古筝”

教师明确“电磁古筝”实质是“导线在磁场中做切割磁感线运动”(导线所围的闭合回路的磁通量发生变化)，即为电磁感应定律的特例，进而让学生体会到物理学与社会生活的关系，体现STS教育理念，并为下节课深入研究“导线切割磁感线时的感应电动势”做好铺垫．

5 概括小结对定律形成深入和系统的理解

图7

6 结语

本教学过程通过电磁炉使LED发光实验、线圈上的感应电动势测量实验、自制电磁感应定律演示仪实验、电磁古筝实验，从定性到定量，从简单到复杂，具有较多的创新点．在课堂探究中，先定性探究影响感应电动势的因素，再定量探究得到法拉第电磁感应定律．学生的课堂参与度较高，探究思路也逐步清晰．将传感器应用于课堂教学，与自制的实验仪器相配合，将隐藏的规律显化，对学生深刻理解电磁感应的内涵具有诸多益处．将此教案运用于课堂教学，取得了很好的教学效果．

2016-01-16)