2024-2025學年高中物理第一章電磁感應3法拉第電磁感應定律教案教科版選修3-2

PAGE13-法拉第電磁感應定律一、教學目標：1、學問與技能：（1）知道什么叫感應電動勢。（2）學會區(qū)分磁通量，磁通量的變更量，磁通量的變更率。（3）理解感應電動勢大小和磁通量變更率以及匝數(shù)的關(guān)系即課題。2、過程與方法：（1）讓學生經(jīng)驗影響感應電動勢大小因素的定性探究與探討過程，感受分析歸納、總結(jié)規(guī)律的科學探究思想。（2）引導學生主動參加定量試驗的設計過程，體會物理試驗中蘊含著的物理思想和方法。3、情感、看法和價值觀：（1）通過手搖發(fā)電手電筒運用與解剖，激發(fā)學生的新奇心和求知欲，體驗“從生活走向物理，從物理走向社會”的理念。（2）通過師生互動、生生互動等活動培育學生主動探究、主動參加、團隊合作的精神。（3）通過經(jīng)驗試驗和理論探究等活動，使學生再次相識到物理的簡潔之美，體驗科學的精神和看法在科學探究過程中的重要作用。二、教學重難點：1、重點：（1）探究思想、探究過程、探究方法的滲透。（2）法拉第電磁感應定律的獲得過程。2、難點（1）引導學生對各種可能影響感應電動勢大小的因素進行分析歸納。（2）定量試驗方案的設計與實施。三、教學設計思路（1）總體設想：通過老師的引導，讓學生依據(jù)相識的發(fā)展規(guī)律，去重演學問的發(fā)生過程，讓學生經(jīng)驗試驗方案的設計過程，探尋物理規(guī)律的發(fā)覺過程，以及體驗物理概念的建立過程。盡量使他們在獲得物理學問的同時，吸取前人的智能，領(lǐng)悟思想方法，陶冶科學精神，全方位提升他們的核心素養(yǎng)，從而全面落實新課程所要求的三維教學目標。（2）試驗設計：試驗中以思維為中心，過程為主線，變式為手段，充分發(fā)揮試驗的教學功能，盡量再現(xiàn)試驗的設計過程，讓學生多想想：應當怎樣做？為什么要這樣做？能不能改進方法做？換種方法能不能做？啟迪學生思路，滲透物理思想。“手搖發(fā)電手電筒”小試驗意在創(chuàng)設情景、引趣激疑、溫故知新、引出電磁感應電動勢概念。學生定性試驗意在讓學生通過思索利用手邊器材就能簡潔實現(xiàn)，體會猜想須要建立在理性分析與牢靠試驗基礎(chǔ)上，重在歸納總結(jié)出試驗現(xiàn)象的共性。兩個定量試驗，體現(xiàn)了物理中的一個重要思想——限制變量法。第一個定量試驗，發(fā)揮了現(xiàn)代技術(shù)的優(yōu)勢，獲得多組數(shù)據(jù)，應用對比的思想，更具有勸服力，重在有意識地創(chuàng)設一種探究的氛圍，讓學生主動參加該試驗的設計過程，促使學生更好地領(lǐng)悟試驗思想的精髓。其次個試驗，也體現(xiàn)了重要的物理思想方法——轉(zhuǎn)化法。將時間的比例轉(zhuǎn)化成速度之比，又運用定軸轉(zhuǎn)動學問通過距離之比來實現(xiàn)。（3）創(chuàng)新設計：自制了法拉第電磁感應定律定量探究裝置，奇妙解決了磁通量之比和時間之比問題，與DIS數(shù)字試驗系統(tǒng)相結(jié)合，發(fā)揮DIS系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)既快捷又精確的優(yōu)勢，可以獲得多組試驗數(shù)據(jù)對比，也可作圖進行線性分析，使試驗結(jié)論更具有勸服力。精度高，試驗現(xiàn)象明顯，效果好。四、教學資源演示試驗器材：手搖發(fā)電手電筒、手搖起電機、自制法拉第電磁感應定律定量探究裝置、DIS數(shù)字化試驗系統(tǒng)、電流傳感器、seewolink教學助手，Aishool教學系統(tǒng)。學生試驗器材：靈敏電流計、線圈、導線、兩根同規(guī)格的條形磁鐵、三根固定在一起的磁鐵。其他器材：計算機協(xié)助教學系統(tǒng)。引入試驗引入試驗：引入感應電動勢概念，導出課題起先視察思索，溫故知新得出定性關(guān)系猜想定量關(guān)系，提出試驗思路得出E∝設計試驗方案得出：E∝n得出E=n推導出公式E=Blv結(jié)束學生試驗：探究影響感應電動勢大小的因素定量試驗1：Δt肯定，探究E與ΔΦ的關(guān)系定量試驗2：ΔΦ肯定，探究E與Δt的關(guān)系理論分析：肯定，E與n成正比學以致用六、教學過程（一）創(chuàng)設情境，引入新課【從生活走向物理】【演示試驗】展示手中的手搖發(fā)電手電筒。師：為什么手電筒起先不發(fā)光，手搖后就發(fā)光。讓學生思索它的結(jié)構(gòu)。圖1線圈圖1線圈師：展示手搖起電機。大家不難發(fā)覺手搖發(fā)電手電筒是利用電磁感應產(chǎn)生感應電流，那么大家一起說說看產(chǎn)生感應電流的條件是什么呢？生：閉合電路中磁通量發(fā)生變更。說明：運用手搖發(fā)電手電筒，激發(fā)學生新奇心，在學生驚異之際，揭開謎底，學生豁然開朗，原理就是上堂課學習的電磁感應現(xiàn)象，從而復習了感應電流產(chǎn)生條件，也引出了感應電動勢概念和本節(jié)課的課題。另外，手搖電機筒中的線圈太小，且被包袱著，只露出一點點，可應用Seewolink軟件拍照上傳，如圖1。此方法體現(xiàn)了信息化條件下教學手段的多樣性。再展示手搖發(fā)電機，它與手搖發(fā)電手電筒原理一樣，結(jié)構(gòu)看得比較清晰。（二）得出感應電動勢定義、產(chǎn)生條件師：正常手電筒有電池，電池的重要參量是電動勢（設問），磁通量發(fā)生變更的電路在這里就是這個線圈，相當于傳統(tǒng)意義上的電源。有電源就要有電動勢，我們把電磁感應現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢叫做感應電動勢。應用Aishool教學系統(tǒng)研討功能，讓學生剛好投票、發(fā)帖等?！拘〗M探討一，網(wǎng)絡投票】產(chǎn)生感應電流的條件是什么呢？假如在此時斷開電路，自然沒有感應電流，那么感應電動勢也隨之消逝了嗎？生：思索并提出自己的看法，進行網(wǎng)絡投票。師：產(chǎn)生感應電動勢的條件是什么？生：磁通量變更師：釋疑，好比一個電池，盡管斷開電路，但是它能供應電能的這個本事還是存在，也就是電動勢依舊存在，提出產(chǎn)生感應電動勢的條件：與外電路是否閉合無關(guān)，只要電路中磁通量發(fā)生變更，比產(chǎn)生感應電流的條件更能反映電磁感應現(xiàn)象的本質(zhì)。師：電磁感應現(xiàn)象的本質(zhì)是產(chǎn)生電動勢。（三）明確本節(jié)課探討的主題師：那么手搖發(fā)電機的電動勢又是多少呢？如何求解呢？這就是我們今日要和大家一起探究的內(nèi)容。說明：提出問題，讓學生主動思索，試圖變被動接收為主動探究。師：在剛才的試驗當中細心的同學不難發(fā)覺，小燈的亮度忽明忽暗，說明產(chǎn)生感應電流的大小不一樣，而依據(jù)閉合電路的歐姆定律，感應電流的大小恰恰反映了感應電動勢的大小，今日我們就來重點探討感應電動勢的大小。說明：學生還處在“手搖發(fā)電”的情景當中，自然地提出本節(jié)課探討的主題，并提示學生在接下來的試驗當中可以用電流計測得的感應電流大小反映感應電動勢的大小。（四）定性試驗：探究影響感應電動勢大小的因素師：那么感應電動勢的大小可能跟哪些因素有關(guān)呢？請同學們利用手邊器材設計不同試驗方案，嘗試著去探尋影響感應電動勢大小的物理量。【學生試驗】5人一組，每組器材包括靈敏電流計、線圈、導線、兩根同規(guī)格的條形磁鐵。試驗過程中，學生主動動手試驗，綻開探討，將自已的見解與同學溝通，主動與同學合作。同時記錄試驗設計方案，試驗現(xiàn)象以及得出的結(jié)論。說明：不是干脆讓學生猜想，而是讓學生用熟識的裝置試驗探究，體現(xiàn)了猜想須要建立在理性分析與牢靠試驗基礎(chǔ)上的這一思想。【小組探討二，網(wǎng)絡發(fā)帖】由探究性試驗，你認為影響感應電動勢大小的因素有哪些？理由是什么？將學生的結(jié)論進行優(yōu)化。圖2圖2師：展示與學生類似的一套試驗裝置，將線圈內(nèi)的條形磁鐵拔出來（有意慢一些），線圈與靈敏電流表相連（如圖2）。接下來我要請同學上臺來，利用剛才試驗的閱歷，產(chǎn)生比老師更大的感應電動勢。師：同學們通過剛才的探究，得到了什么結(jié)論？如何得來的？生：磁通量變更大，電動勢大。因為同樣條件下，兩個磁鐵比一個磁鐵磁通量大。時間短，電動勢大。因為快插比慢插時電動勢大?！緦W生演示】學生可能用一根磁鐵，很快拔，也可能用兩塊磁鐵很快拔。老師同時與學生溝通：①你為什么拔得這么迅猛？②你為什么用兩根磁鐵？在溝通中學生可能認為感應電動勢的大小可能與時間Δt和磁通量的變更量ΔΦ有關(guān)，Δt越小，E越大；ΔΦ越大，E也越大。說明：學生操作有不確定性，老師應當見機行事，敏捷應用學生試驗過程中動態(tài)生成的教學資源，比如發(fā)覺有的學生也用兩根磁鐵，但是產(chǎn)生的感應電動勢很小，進而分析緣由：原來這位同學把兩根磁鐵異名磁極放在一起，磁性相互抵消，拔出來過程中磁通量變更量ΔΦ比一根磁鐵還要小，佐證了ΔΦ越大，E也越大的結(jié)論?！纠蠋熝菔尽繉⑷盆F同名磁極并在一起從線圈內(nèi)拔出，明顯ΔΦ比一根和兩根狀況下都大，一邊講解一邊演示，結(jié)果大大出乎學生預料：發(fā)覺感應電動勢很小。請學生分析緣由。生：學生意識到不能將ΔΦ和Δt割裂開來探討感應電動勢大小，并將剛才的結(jié)論訂正為：當Δt肯定，ΔΦ越大，E越大；當ΔΦ肯定，Δt越小，E越大。師：大家剛才的試驗有什么不足？預設：讀數(shù)不穩(wěn)定、只能定性，不能定量。（五）定量試驗：探究E與之間的定量關(guān)系師：我們物理學不能僅僅滿意這樣的定性描述，你覺得感應電動勢和磁通量的變更率究竟有怎樣的定量關(guān)系呢？【學生猜想】感應電動勢可能跟磁通量的變更率成正比，也可能跟它的平方成正比，三次方，開根號成正比等等，最簡潔就是干脆成正比。師：通過比較引導學生歸納出上述兩種狀況的共同特點就是與磁通量變更的快慢有關(guān)。物理學上將叫做速度的變更率，用來表示速度變更的快慢，類似地將叫做磁通量的變更率，來反應磁通量變更的快慢，且越大，E就越大，即得到了E與之間定性的關(guān)系。說明：本環(huán)節(jié)意在培育學生在試驗視察基礎(chǔ)上，分析歸納總結(jié)出規(guī)律的實力。師：伽利略說過自然界的發(fā)展遵循的是最簡潔的規(guī)律，這兩個物理量干脆成正比很簡潔，但現(xiàn)在僅僅是一個猜想，還須要試驗來驗證。試驗中須要多次變更磁通量變更率這個值，請問同學們可以通過什么方法來定量探討呢？生：限制變量法。師：詳細怎么來探討呢？生：可以使每次操作的ΔΦ肯定，變更Δt，也可以使每次操作的Δt肯定，變更ΔΦ。師：同學們的試驗思路特別清晰，接下來從簡潔的入手，用同學們想到的前兩個思路來設計試驗方案，探究E與之間的定量關(guān)系。說明：此環(huán)節(jié)應放給學生，讓學生充分發(fā)表他們的觀點。（1）Δt肯定，變更ΔΦ,探究E與ΔΦ是否成正比?師：如何變更ΔΦ？生：一次用一根磁鐵，另一次用兩根。圖3師：很好，由于我們用的是規(guī)格相同的磁鐵，兩次下落過程中穿過線圈的磁通量變更ΔΦ圖3生：兩倍。師：又由于Δt相同，那么磁通量變更率也可以近似認為是幾倍關(guān)系？生：兩倍。師：這樣就把磁通量變更率這個試驗難以測量的物理量用磁鐵的條數(shù)來代替。假如同學們猜想正確的話，與此對應的感應電動勢應當是幾倍關(guān)系？生：兩倍。師：用你手邊的器材，如何做到每次操作的Δt相同？生：把磁鐵在線圈上方相同高度，靜止釋放做自由落體，高度相同，磁鐵通過線圈的時間也相同。說明：學生利用手邊器材，很簡潔自己想到這個試驗方案，所以課前進行了預設，老師只做適當點撥。師：這個自由落體的方案很好，但在詳細操作時不易限制，老師在這個方案的基礎(chǔ)上稍加改進，給磁鐵裝了一個水平支架（如圖3），用支架把磁鐵從相同的線圈中抽出，留意保持水平，那么在隨意一段位移內(nèi)，兩邊線圈中的磁通量變更率可以粗略的認為是兩倍的關(guān)系。說明：試驗方案的設計與改進過程中體現(xiàn)了對比分析，等效思想，逆向思維等處理問題的方法?！狙菔驹囼灐坷蠋熥鲅菔驹囼灒埻瑢W們細致視察兩邊電流計的示數(shù)，由于變更很快，可以讀電流的最大值，發(fā)覺一個人讀兩個表的示數(shù)有困難，同學們可以相互協(xié)作，左邊兩組同學讀左邊這個表，右邊兩組同學讀右邊這個表，學生發(fā)覺兩電流計示數(shù)大致上是兩倍的關(guān)系，但是還有一部分同學沒有完全看清晰，再讓學生自己動手做。說明：培育學生相互協(xié)作的精神。師：這樣讀數(shù)比較困難，我們可以運用更先進的儀器-DIS傳感器。圖4圖4生：發(fā)覺在隨意時刻，示數(shù)基本上是1∶2關(guān)系，那么整個過程的平均值也是兩倍的關(guān)系。師：通過這個試驗我們得到了什么結(jié)論？生：粗略的證明白感應電動勢和磁通量變更成正比。師：當然我們僅僅使磁通量的變更變成原來的兩倍就得到這個結(jié)論，科學的講是不夠嚴密的。我們可以再次變更磁通量變更，比方我們可以把磁鐵的條數(shù)變成3根、4根、5根這樣成倍增加，看看與此對應的感應電動勢是否也在成倍增加，試驗結(jié)果真的會如大家所愿嗎？同學們課后可以做一下有益嘗試，或許會發(fā)覺新的問題。說明：試驗中運用了DIS傳感器來提高演示效果，得到初步結(jié)論后，老師沒有接著試驗而是為學生開窗口、留接口，激勵學生利用簡潔熟識的儀器獨立鉆研，發(fā)覺新問題。（2）ΔΦ肯定，變更Δt,探究E與是否成正比?師：用你手邊的器材，如何做到每次操作的ΔΦ相同，Δt不同，同學之間相互探討一下，想到的方案越多越好。生：分組探討，設計試驗方案，溝通發(fā)言。學生可能想到讓同一根磁鐵在線圈上方不同高度做自由落體，每次磁鐵通過線圈的速度不一樣，磁鐵通過線圈的時間就不一樣，但磁通量的變更量相同，等等。說明：此環(huán)節(jié)意在讓學生經(jīng)驗試驗的設計過程，學生在探討中有主動與他人合作的精神，有將自己的見解與他人溝通的愿望。要求老師對學生隨堂生成的教學資源機靈敏捷地處理，對于學生可能提出的各種方案分別做出恰當?shù)脑u價，從而愛護學生的主動性。圖5接電流傳感器接電流傳感器O線圈長木條師：圖5接電流傳感器接電流傳感器O線圈長木條如何才能定量來探討呢？師：介紹試驗裝置，如圖5所示，將長木條桿一端打一個小孔，讓它可以繞肯定軸旋轉(zhuǎn)，再將相同的磁鐵放在桿上不同的位置，到轉(zhuǎn)軸的距離是1∶2關(guān)系。在磁鐵下面放相同的線圈，快速讓桿移出或移進線圈。分析：旋轉(zhuǎn)半徑是1∶2，則兩磁鐵速度比是1∶2，通過線圈的時間比為2∶1，觀測電流的大小之比與時間比的關(guān)系。師：將磁鐵從同一位置移動到另一相同位置時，每次磁鐵掃過線圈的磁通量變更量ΔΦ有什么關(guān)系？生：相同。說明：此處試驗設計又一次體現(xiàn)了等效轉(zhuǎn)化、對比的思想方法。體現(xiàn)了高科技試驗儀器相比傳統(tǒng)試驗的優(yōu)勢：可以更加精確剛好的記錄瞬間變更的物理量，并便利我們對數(shù)據(jù)進行分析處理。只比較磁鐵進出線圈時的電動勢（也就是電動勢比較大的時刻），因為在其它位置時線圈與磁鐵的相對位置不同。師：能歸納出電動勢與磁通量變更和時間變更的關(guān)系嗎？生：、，歸納出，或師：請大家回憶一下，牛頓其次定律是如何得出的？生：、，歸納出師：牛頓其次定律最終是如何能寫成的？生：各物理量取國際單位。師：是的，同樣的思想，比較簡潔，而k的數(shù)值取決于其他物理量的單位，當電路為單匝線圈，這兩個物理量取國際單位時，k=1。假如電路為n匝線圈，而且穿過每匝線圈的磁通量相同，那么所產(chǎn)生的感應電動勢又是多少呢？生：乘以n。師：為什么會有這樣的正比關(guān)系？請同學們試著從理論上分析一下。生：假如單匝線圈相當于一個電源的話，n匝線圈相當于n個電源串聯(lián)，所以感應電動勢為單匝線圈的n倍。說明：教學中要有效地啟發(fā)學生進行邏輯思維，并讓學生明確，邏輯推理和試驗探究一樣，也是科學探討的方法之一，兩者是相輔相成的。（六）得出結(jié)論師：這個公式就是聞名的法拉第電磁感應定律。是由德國物理學家紐曼和韋伯各自通過理論分析得到的，法拉第雖然沒有親自得出這一公式，但是由于他對電磁感應現(xiàn)象豐富的開創(chuàng)性探討，把這一發(fā)覺的榮譽歸之于他也是當之無愧的。今日我們通過短短一節(jié)課的時間粗略的證明白這一公式，但其實在物理學史上，在發(fā)覺電磁感應現(xiàn)象之后，科學家又經(jīng)驗了長達十幾年的探討才得出這個定律，我們今日只是沿著前人的蹤跡，體會了科學探究的過程與喜悅。說明：回顧法拉第電磁感應定律發(fā)覺的物理學史，使學生體會物理學的發(fā)展并不是一帆風順的，一個定律的得出須要通過試驗反復驗證，須要許多科學家的接力前行。（上網(wǎng)了解法拉第生平s://baike.so/doc/1019766-1078539.html）（七）對感應電動勢的理解1．磁通量的變更常由磁感應強度B的變更或面積S的變更引起（1）當ΔΦ僅由磁感應強度B的變更引起時，E＝nSeq\f(ΔB,Δt)（2）當ΔΦ僅由面積S的變更引起時，E＝nBeq\f(ΔS,Δt)2．E＝neq\f(ΔΦ,Δt)計算的是Δt時間內(nèi)平均感應電動勢，當Δt→0時，E＝neq\f(ΔΦ,Δt)的值才等于瞬時感應電動勢。師：我們在運用這個公式時須要特殊留意：用這個公式求得的是感應電動勢的平均值，比方剛才試驗中Δt內(nèi)感應電動勢的大小是在變更的，只有當Δt取得足夠小，所求得的感應電動勢的平均值才可以用來表示此時感應電動勢的瞬時值。說明：提出感應電動勢平均值和瞬時值的區(qū)分和聯(lián)系，并非增加學生的認知負擔，而是使學生再一次體會了數(shù)學的極限思想在物理學上的運用。深度思索（小組探討三）（1）感應電動勢的大小與Φ或ΔΦ的大小有沒有關(guān)系？（2）Φ、ΔΦ、eq\f(ΔΦ,Δt)與線圈匝數(shù)有關(guān)嗎？感應電動勢E與線圈匝數(shù)有關(guān)嗎？答案（1）E的大小與Φ或ΔΦ的大小沒有關(guān)系.（2）Φ、ΔΦ、eq\f(ΔΦ,Δt)均與某一面積相聯(lián)系，與線圈匝數(shù)無關(guān)；n匝線圈時相當于n個單匝線圈的串聯(lián)，所以感應電動勢E與線圈匝數(shù)有關(guān)。（八）學以致用通過Aishool教學系統(tǒng)推送題目，即時了解學生答題狀況，也讓學生通過系統(tǒng)查看答案，個人感悟或小組探討解決問題?！纠?】下列幾種說法中正確的是（）A．線圈中磁通量變更越大，線圈中產(chǎn)生的感應電動勢肯定越大B．線圈中磁通量越大，線圈中產(chǎn)生的感應電動勢肯定越大C．線圈放在磁場越強的位置，線圈中產(chǎn)生的感應電動勢肯定越大D．線圈中磁通量變更越快，線圈中產(chǎn)生的感應電動勢肯定越大解析感應電動勢的大小和磁通量的大小、磁通量變更量的大小以及磁場的強弱均無關(guān)，它由磁通量的變更率確定，故選D。答案D【例2】穿過一個電阻為lΩ的單匝閉合線圈的磁通量始終是每秒鐘勻稱地削減2Wb，則（）A．線圈中的感應電動勢肯定是每秒削減2VB．線圈中的感應電動勢肯定是2VC．線圈中的感應電流肯定是每秒削減2AD．線圈中的感應電流肯定是2A解析：電動勢與磁通量的變更率成正比，磁通量的變更率是2Wb/s，又是單匝線圈，則電動勢的值是2V，電流值是2A。答案B、D【例3】如圖甲所示的螺線管，匝數(shù)n＝1500匝，橫截面積S＝20cm2，方向向右穿過螺線管的勻強磁場的磁感應強度按圖乙所示規(guī)律變更，（1）2s內(nèi)穿過螺線管的磁通量的變更量是多少？（2）磁通量的變更率多大？（3）螺線管中感應電動勢的大小為多少？解析（1）磁通量的變更量是由磁感應強度的變更引起的，則Φ1＝B1SΦ2＝B2SΔΦ＝Φ2－Φ1，所以ΔΦ＝ΔBS＝（6－2）×20×10－4Wb＝8×10－3Wb.（2）磁通量的變更率為＝eq\f(8×10－3,2)Wb/s＝4×10－3Wb/s.（3）依據(jù)法拉第電磁感應定律得感應電動勢的大小E＝n＝1500×4×10－3V＝6V.答案（1）8×10－3Wb（2）4×10－3Wb/s（3）6V應用E＝n時應留意的三個問