九年級物理 17.2科學探究—怎樣產(chǎn)生感應電流教案 滬科版

1、物理九年級滬科版17.2科學探究 怎樣產(chǎn)生感應電流教案 基本要求：1. 了解常用電池的結(jié)構(gòu)、性能及使用注意事項，在生活中能根據(jù)需要選擇合適的電池。2. 了解目前常用的幾種發(fā)電方式中能量的轉(zhuǎn)化過程、開發(fā)利用的可持續(xù)發(fā)展情況。3. 了解各種電池和火力發(fā)電方式存在環(huán)境污染，提高環(huán)保意識。4. 通過實驗探究，知道導體在磁場中運動時產(chǎn)生感應電流的條件。5. 經(jīng)歷科學探究的交流與合作過程，養(yǎng)成交流與合作的意識和能力。 重點內(nèi)容：1. 了解常見的干電池、蓄電池、太陽電池和燃料電池的能量轉(zhuǎn)化特征以及它們的主要結(jié)構(gòu)；知道干電池和蓄電池能夠造成環(huán)境污染，不要隨便拆開或亂丟棄；各種發(fā)電方式中有關(guān)

2、能量的轉(zhuǎn)化過程、影響可持續(xù)發(fā)展的因素。2. 對感應電流產(chǎn)生條件的探究。 難點內(nèi)容：科學探究產(chǎn)生感應電流的條件及對切割磁感線的理解。重點內(nèi)容講述：電能是日常生活中的重要能源，它主要來自兩個方面，一是電池，二是發(fā)電機。 一. 電池。電池是一種把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，電池提供的是直流電（介紹直流電與交流電）。由于制作材料、工作原理和用途的不同，電池有很多種類。1. 化學電池 化學電池是把化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，是生活中最常用到的電池?；瘜W電池的種類和型號很多。其常見的形狀有圓柱體，也有長方體，還有其他形狀?；瘜W電池按工作性質(zhì)可分為：一次電池（原電池）；二次電池（可充電電池

3、）;鉛酸蓄電池。其中：一次電池可分為：糊式鋅錳電池、紙板鋅錳電池、堿性鋅錳電池、扣式鋅銀電池、扣式鋰錳電池、扣式鋅錳電池、鋅空氣電池、一次鋰錳電池等。二次電池可分為：鎘鎳電池、氫鎳電池、鋰離子電池、二次堿性鋅錳電池等。鉛酸蓄電池可分為：開口式鉛酸蓄電池、全密閉鉛酸蓄電池。鋅-錳干電池鋅-錳電池又稱勒蘭社電池，是法國科學家勒蘭社于1868年發(fā)明的由鋅作負極，二氧化錳為正極，電解質(zhì)溶液采用中性氯化銨、氧化鋅的水溶液，面淀粉或漿層紙作隔離層制成的電池稱鋅錳電池，由于其電解質(zhì)溶液通常制成凝膠狀或被吸附在其它載體上而呈現(xiàn)不流動狀態(tài)，故又稱鋅錳干電池。按使用隔離層區(qū)分為糊式和板式電池兩種，板式又按電解質(zhì)液

4、不同分銨型和鋅型電池紙板電池兩種。干電池用鋅制筒形外殼作負極，位于中央的頂蓋上有銅帽的石墨棒作正極，在石墨棒的周圍由內(nèi)向外依次是A：黑色二氧化錳粉末-用于吸收在正極上生成的氫氣；B：用飽和了氯化銨和氯化鋅的淀粉糊作為電解質(zhì)溶液。干電池的電壓大約為1.5V，不能充電再生。堿性鋅錳電池20世紀中期在鋅錳電池基礎上發(fā)展起來的，是鋅錳電池的改進型。電池使用氫氧化鉀或氫氧化鈉的水溶液作電解質(zhì)液，采用了與鋅錳電池相反的負極結(jié)構(gòu)，負極在內(nèi)為膏狀膠體，用銅釘作集流體，正極在外，活性物質(zhì)和導電材料壓成環(huán)狀與電池外殼連接，正、負極用專用隔膜隔開制成的電池。銀鋅電池一般用不銹鋼制成小圓盒形，圓盒由正極殼和負極殼組成

5、，形似鈕扣（俗稱鈕扣電池）。盒內(nèi)正極殼一端填充由氧化銀和石墨組成的正極活性材料，負極蓋一端填充鋅汞合金組成的負極活性材料，電解質(zhì)溶液為KOH濃溶液。電池的電壓一般為1.59V，使用壽命較長。鎘鎳電池和金屬氫化物電池二者均采用氧化鎳或氫氧化鎳作正極，以氫氧化鉀或氫氧化鈉的水溶液作電解質(zhì)溶液，金屬鎘或金屬氫化物作負極。金屬氫化物電池為20世紀80年代末，利用吸氫合金和釋放氫反應的電化學可逆性發(fā)明制成，是小型二次電池主導產(chǎn)品。2. 蓄電池其實蓄電池也屬于化學電池。它在使用之前要先充電，充電時是將電能轉(zhuǎn)化為化學能蓄存在電瓶內(nèi)；當其向外放電時，則將化學能又轉(zhuǎn)化為電能。蓄電池能供給較大的電流，電壓也比較穩(wěn)

6、定。常見的蓄電池是鉛酸蓄電池1859年法國普蘭特發(fā)現(xiàn)，由正極板、負極板、電解液、隔板、容器（電池槽）等5個基本部分組成。用二氧化鉛作正極活性物質(zhì)，鉛作負極活性物質(zhì)，硫酸作電解液，微孔橡膠、燒結(jié)式聚氯乙烯、玻璃纖維、聚丙烯等作隔板制成的電池。鉛蓄電池可放電也可以充電，一般用硬橡膠或透明塑料制成長方形外殼（防止酸液的泄漏）；設有多層電極板，其中正極板上有一層棕褐色的二氧化鉛，負極是海綿狀的金屬鉛，正負電極之間用微孔橡膠或微孔塑料板隔開（以防止電極之間發(fā)生短路）；兩極均浸入到硫酸溶液中。一個鉛酸蓄電池的電壓為2V，使用時常將多個電池串聯(lián)起來使用，如汽車上的蓄電池組是將6個蓄電池串聯(lián)起來組成的12V電

7、源。蓄電池的鉛電極板和電解液如果亂丟棄，也會造成環(huán)境污染。3. 太陽能電池太陽在一年內(nèi)可以產(chǎn)生出3.8×1023千瓦的太陽能,相當于現(xiàn)在整個地球上人類所使用的總能量的6×105億倍。其中約有1/22億的太陽能輻射到地球上，相當于現(xiàn)在地球上所使用的總能量的3萬倍。太陽能電池是人類利用太陽能的一種裝置，它是利用光伏特效應將太陽光直接轉(zhuǎn)變成電能的，只有當太陽光照射時才發(fā)電，因此，必須有一個蓄電池來儲存電力。目前，光電池中常用的一種為硅電池，其光電轉(zhuǎn)換效率可達11%14%。此外，還有硫化鎘電池、砷化鎵電池、碲化鎘電池等。使用太陽能電池的設備也日益增多，如電子計算器、手表、無線電話、

8、收音機、錄音機等，商用太陽能電池的價格已降至每瓦4美元以下。太陽能電池的應用越來越廣泛，前景越來越光明。太陽能汽車、太陽電池發(fā)電、太陽能飛船、太空太陽能電站等利用太陽能的研究受到世界各國的普遍重視，是一些國家今后能源領域中的重點發(fā)展方向。有專家預測，太陽能電池將成為21世紀的重要電力來源之一。太陽能電池可以做得比較小巧，用在計算器、玩具等到上面。大量的太陽能電池聯(lián)成陣列，可以建成太陽能發(fā)電站，巨大的太陽能帆板是人造衛(wèi)星上的主要電源之一。太陽能取之不盡，沒有污染，因此太陽能電池是廉價而又干凈的電源，它的不足之處是受到天氣的限制。4. 燃料電池燃料電池是將所供燃料的化學能直接變換為電能的一種能量轉(zhuǎn)

9、換裝置，是通過連續(xù)供給燃料從而能連續(xù)獲得電力的發(fā)電裝置。具體地說，燃料電池是利用水的電解的逆反應的“發(fā)電機”。電池工作時需要連續(xù)地供給活物質(zhì)（起反應的物質(zhì)）燃料和氧化劑，這又和其它普通化學電池不大一樣。由于其具有發(fā)電效率高，適應多種燃料和環(huán)境特性好等優(yōu)點，近年來已在積極地進行開發(fā)。由于燃料電池能將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)換為電能，因此，它沒有像普通火力發(fā)電廠那樣的通過鍋爐、汽輪機、發(fā)電機的能量形態(tài)變化，可避免過程中轉(zhuǎn)換損失，達到市制發(fā)電效率。此外，還具有以下優(yōu)點：（1）部分負荷時也能保持高的效率；（2）通過與燃料供給裝置的組合，可適用范圍的燃料；（3）由于輸出功率單位由堆的輸出功率決定，故機組容量具

10、有自由度；（4）電池本體的負荷響應性好；（5）NOX及SOX等的排出量少，有利環(huán)保。燃料電池通常是按構(gòu)成的電解質(zhì)來分類?，F(xiàn)在開發(fā)最為盛行的有4種燃料電池。各種燃料電池，特別是其動作溫度不相同，最先進行開發(fā)的磷酸型燃料電池約在200的溫度下動作。相對于此，熔融碳酸鹽型燃料電池和固體氧化物燃料電池均可應用在以石燃料為基本燃料的電廠內(nèi)，可作為電力電源來利用。高溫型燃料電池又可稱之為是通過利用其高質(zhì)量排氣，來面向復合發(fā)電的燃料電池。燃料電池的優(yōu)點是能量轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高、工作時無噪聲、無塵埃、無輻射，是一種清潔的能源。這種小型設備可以為手機、筆記本電腦和其他一些便攜設備提供能量，和目前所使用的鋰離子

11、電池相比，重量只相當于原有鋰離子電池一半的燃料電池就可以提供約4倍的電池能量。不過這樣的設備目前還處于試驗當中，估計要到2006年大規(guī)模投產(chǎn)后才能進入市場。 二. 發(fā)電機。電池提供的電能是有限的，更充足，更強大的電能要通過發(fā)電機獲取。發(fā)電機也是一種把其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。目前常用的發(fā)電方式有火力發(fā)電、水力發(fā)電和核能發(fā)電。1. 火力發(fā)電利用煤、石油、天然氣等固體、液體、氣體燃料燃燒時產(chǎn)生的熱能，通過發(fā)電動力裝置（包括電廠鍋爐、汽輪機和發(fā)電機及其輔助裝置）轉(zhuǎn)換成電能的一種發(fā)電方式。煤、石油等燃料在鍋爐內(nèi)燃燒后，把燃料的化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能并傳遞給鍋爐內(nèi)的水，高溫高壓的水和水蒸氣在通過

12、蒸氣輪機時，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為汽輪機葉輪的機械能。汽輪機的葉輪和發(fā)電機的轉(zhuǎn)子是連在一起的，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子獲得機械能后將機械能轉(zhuǎn)化為電能。 火力發(fā)電系統(tǒng)主要由燃燒系統(tǒng)（以鍋爐為核心）、汽水系統(tǒng)（主要由各類泵、給水加熱器、凝汽器、管道、水冷壁等組成）、電氣系統(tǒng)（以汽輪發(fā)電機、主變壓器等為主）、控制系統(tǒng)等組成。前二者產(chǎn)生高溫高壓蒸汽；電氣系統(tǒng)實現(xiàn)由熱能、機械能到電能的轉(zhuǎn)變；控制系統(tǒng)保證各系統(tǒng)安全、合理、經(jīng)濟運行。在所有發(fā)電方式中，火力發(fā)電是歷史最久的，也是最重要的一種。由于地球上化石燃料的短缺，人類正盡力開發(fā)核能發(fā)電、核聚變發(fā)電以及高效率的太陽能發(fā)電等，以求最終解決人類社會面臨的能源問題。最早的火

13、力發(fā)電是1875年在巴黎北火車站的火電廠實現(xiàn)的。隨著發(fā)電機、汽輪機制造技術(shù)的完善，輸變電技術(shù)的改進，特別是電力系統(tǒng)的出現(xiàn)以及社會電氣化對電能的需求，20世紀30年代以后，火力發(fā)電進入大發(fā)展的時期?；鹆Πl(fā)電機組的容量由200兆瓦級提高到300600兆瓦級（50年代中期），到1973年，最大的火電機組達1300兆瓦。大機組、大電廠使火力發(fā)電的熱效率大為提高，每千瓦的建設投資和發(fā)電成本也不斷降低。到80年代后期，世界最大火電廠是日本的鹿兒島火電廠，容量為4400兆瓦。但機組過大又帶來可靠性、可用率的降低，因而到90年代初，火力發(fā)電單機容量穩(wěn)定在300700兆瓦?；鹆Πl(fā)電按其作用分單純供電的和既發(fā)電又

14、供熱的。按原動機分汽輪機發(fā)電、燃氣輪機發(fā)電、柴油機發(fā)電。按所用燃料分，主要有燃煤發(fā)電、燃油發(fā)電、燃氣發(fā)電。為提高綜合經(jīng)濟效益，火力發(fā)電應盡量靠近燃料基地進行。在大城市和工業(yè)區(qū)則應實施熱電聯(lián)供?；鹆Πl(fā)電的重要問題是提高熱效率，辦法是提高鍋爐的參數(shù)（蒸汽的壓強和溫度）。90年代，世界最好的火電廠能把40左右的熱能轉(zhuǎn)換為電能；大型供熱電廠的熱能利用率也只能達到6070。此外，火力發(fā)電大量燃煤、燃油，造成環(huán)境污染，也成為日益引人關(guān)注的問題。火力發(fā)電也是傳統(tǒng)的電力能源獲取手段之一，尤其是在缺少水資源的地區(qū)。相對于需要修建大壩和水庫的水力發(fā)電，具有投資少、見效快的特點。但火力發(fā)電對環(huán)境的污染較嚴重，這是目

15、前需要解決的難題。2. 水力發(fā)電水力發(fā)電是利用河川、湖泊等位于高處具有勢能的水流至低處，將其中所含之勢能轉(zhuǎn)換成水輪機的動能，再將水輪機為原動機，推動發(fā)電機產(chǎn)生電能。因水力發(fā)電廠所發(fā)出的電力其電壓低，要輸送到遠距離的用戶，必須將電壓經(jīng)過變壓器提高后，再由架空輸電路輸送到用戶集中區(qū)的變電所，再次降低為適合于家庭用戶、工廠之用電設備的電壓，并由配電線輸電到各工廠及家庭用戶。水力發(fā)電依其開發(fā)功能及運轉(zhuǎn)型式可分為慣常水力發(fā)電與抽蓄（蓄能）水力發(fā)電兩種。由于天然水流有明顯的季節(jié)性，大量電能又是無法貯存的，因此開發(fā)河川水電一般都必須先把河川水流的能量蓄集起來，然后再根據(jù)用電需要對其進行時間上的再分配。另外，

16、也只有把河川水流的能量蓄集起來，才便于完成水能到電能的集中轉(zhuǎn)換。利用蓄水水庫造成的河段落差，通過壓力水管向水輪發(fā)電機組供水，水輪機接收水流的能量并將其轉(zhuǎn)變成自身旋轉(zhuǎn)的機械能，然后再帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，完成力學能到電能的轉(zhuǎn)換。蓄能水力發(fā)電是在晚間用電低峰時，用所剩余的電力將下池的水抽到上池儲存起來，然后，在白天用電高峰時，把上池所儲存高水位的水放出，帶動發(fā)電機發(fā)電，其原理如圖所示：水力發(fā)電有如下特點：能源的再生性。水流按照一定的水文周期不斷循環(huán)，從不間斷，因此水力資源是一種再生能源。發(fā)電成本低。水力發(fā)電只是利用水流所攜帶的能量，無需再消耗其他動力資源。高效而靈活。水力發(fā)電的主要動力設備水輪發(fā)電機組，

17、不僅效率較高而且啟動、操作靈活。工程效益的綜合性。筑壩攔水形成了水面遼闊的人工湖泊，控制了水流，因此興建水電站一般都兼有防洪、灌溉、航運、給水以及旅游等多種效益。另一方面，也可能出現(xiàn)泥沙淤積、淹沒良田、森林、古跡等情況。一次性投資大。3. 核能發(fā)電核能指原子核能，又稱原子能，是原子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時放出的能量。目前，從實用來講，核能指的是一些重金屬元素鈾、钚的原子核發(fā)生分裂反應（又稱裂變）或者輕元素氘、氚的原子核發(fā)生聚合反應（又稱聚變）時，所放出的巨大能量，前者稱為裂變能后者稱為聚變能。通常所說的核能是指受控核裂變鏈式反應產(chǎn)生的能量。 核能的特點是能量高度集中。1t鈾-235在裂變反應所放出的能量

18、約等于1t標準煤在化學反應中所放出能量的240萬倍。據(jù)估算地球上已探明的易開采的鈾儲量，如果以快中子堆加以利用的話所提供的能量將大大超過全球可用的煤、石油和天然氣儲量的總和。 現(xiàn)在核能已成為一種大規(guī)模和集中利用的能源，可以替代煤、石油和天然氣，目前主要用于發(fā)電。 核能發(fā)電就是利用受控核裂變反應所釋放的熱能，將水加熱為蒸汽用蒸汽沖動汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。從1954年原蘇聯(lián)建成世界上第一座核電站開始到1991年全球已有424座核電站在26個國家運行?？傃b機容量達3.27億kW,發(fā)電量占全世界的16%。核電發(fā)展比較領先的地區(qū)是那些缺乏煤、石油和天然氣以及水力資源的地區(qū)如法國、比利時、韓國、日本等。我

19、國東南部沿海地區(qū)遠離煤炭生產(chǎn)基地，電力需求增長快經(jīng)濟發(fā)達發(fā)展核電具有十分重要的現(xiàn)實意義。我國自行設計制造的第一座核電站秦山核電站和引進設備的大亞灣核電站已分別于1993年和1994年投入運行，結(jié)束了我國無核電的歷史。除核裂變發(fā)電外，為最終解決人類的能源問題，正在研究熱核聚變發(fā)電。核聚變能在瞬間釋放巨大能量（如氫彈），1千克氘的熱值相當于4千克鈾235。需要解決的問題是如何實現(xiàn)核聚變反應的人工控制。世界各國對此都投入了巨大的人力、財力和物力。 三. 研究電磁感應現(xiàn)象。（1）通過實驗研究電磁感應現(xiàn)象實驗目的：探索磁能否生電，怎樣使磁生電。根據(jù)實驗目的，本實驗應選擇哪些實驗器材？根據(jù)研究的

20、對象，需要有磁體和導線；檢驗電路中是否有電流需要有電流表；控制電路必須有開關(guān)。怎樣設計實驗？如何操作呢？我們先做如下設想：電能生磁，反過來，我們可以把導體放在磁場里觀察是否產(chǎn)生電流。那么導體應怎樣放在磁場中呢？是平放？豎放？斜放？導體在磁場中是靜止？還是運動？怎樣運動？磁場的強弱對實驗有沒有影響？所以我們設計了如圖所示的探究電路：在馬蹄形磁鐵的兩個磁極之間懸掛一根導體ab，再把導體兩端跟電流表連接起來。下面我們依次對這幾種情況逐一進行實驗，探索在什么條件下導體在磁場中產(chǎn)生電流。操作與記錄的表格如圖所示。上述實驗說明磁能生電。是在當閉合電路的一部分導體在磁場中左右或斜著運動時的條件下才產(chǎn)生磁生電

21、現(xiàn)象的。仔細分析我們發(fā)現(xiàn)：左右、斜著運動時切割磁感線。上下運動或靜止時不切割磁感線，所以不產(chǎn)生感應電流。實驗表明：閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動時，導體中就產(chǎn)生電流。這種現(xiàn)象叫做電磁感應，產(chǎn)生的電流叫做感應電流。電磁感應現(xiàn)象是英國的物理學家法拉第發(fā)現(xiàn)的。他經(jīng)過十年堅持不懈的努力，才發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。這種熱愛科學。堅持探索真理的可貴精神，值得我們學習。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)進一步揭示了電和磁之間的聯(lián)系，導致了發(fā)電機的發(fā)明，開辟了電的時代，所以電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)具有劃時代的意義。（2）研究感應電流的方向我們知道，電流是有方向的，那么感應電流的方向是怎樣的呢？它的方向與哪些因素有關(guān)呢？我們可以做下面的實驗。保持上述實驗裝置不變，反復改變磁場方向或改變導體在磁場中的運動方向，通過電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向，我們發(fā)現(xiàn)：磁場方向、導體運動方向變化時，指針偏轉(zhuǎn)的方向也發(fā)生變化，即電流的方向也隨著變化。通過這一現(xiàn)象我們可以得出：導體中感應電流的方向跟導體運動方向和磁感線方向有關(guān)。（3）研究電磁感應現(xiàn)象中能的轉(zhuǎn)化在電磁感應現(xiàn)象中，導體做切割磁感線運動，是外力做了功，它消耗機械能，得到了電能。所以在電磁感應現(xiàn)象中實現(xiàn)了機械能向電能的轉(zhuǎn)化。（4）理解電磁感應現(xiàn)象的注意事項第一，要注意電路必須是“閉合”的，