魯 斌

(浙江省余姚中學(xué) 浙江 寧波 315400)

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基于“實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新和探究”的“法拉第電磁感應(yīng)定律”優(yōu)化教學(xué)過程設(shè)計(jì)

魯 斌

(浙江省余姚中學(xué) 浙江 寧波 315400)

電磁感應(yīng)定律是電磁學(xué)的核心內(nèi)容，它不僅是靜電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)、穩(wěn)恒電流的進(jìn)一步拓展，而且是后續(xù)交流電、電磁振蕩和電磁波的基礎(chǔ)．電磁感應(yīng)定律是對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的定量表述．感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的概念比較抽象，學(xué)生較難形成明晰的物理圖像，且定量的研究要求學(xué)生對(duì)“變化率”有深刻的理解．由于磁通量的變化率是一個(gè)整體，僅呈現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化量的關(guān)系，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與時(shí)間變化的關(guān)系，不利于學(xué)生理解感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的本質(zhì)．

基于此，教學(xué)過程中將采用定性分析與定量研究相結(jié)合的方法進(jìn)行新課教學(xué)．對(duì)于定性分析，從源于日常生活的電磁感應(yīng)現(xiàn)象著手，體現(xiàn)STS教育理念；對(duì)于定量研究，利用DIS，測(cè)量磁場(chǎng)均勻增大時(shí)閉合回路中感應(yīng)電流的大小，并基于數(shù)據(jù)與圖表的分析，促進(jìn)對(duì)知識(shí)的深層理解與遷移．呈現(xiàn)了信息技術(shù)與物理教學(xué)的有效整合之思想．教學(xué)過程設(shè)計(jì)如下．

1 聯(lián)系生活建立感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的概念

電磁感應(yīng)現(xiàn)象在日常生活中比較常見，其中電磁爐就是一個(gè)很好的應(yīng)用．將其引入新課教學(xué)，會(huì)顯得親切自然，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣．同時(shí)能讓學(xué)生感受物理學(xué)貼近與生活和應(yīng)用與社會(huì)的情感．

趣味實(shí)驗(yàn)——空穴來電：教師在一臺(tái)電磁爐上放上裝有水的鐵盒，將電磁爐的開關(guān)開啟，讓學(xué)生猜猜在這個(gè)空間內(nèi)發(fā)生了什么．接著將線圈與發(fā)光二極管連接成為一個(gè)閉合回路，并靠近電磁爐，打開和關(guān)閉電磁爐，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象，并思考發(fā)生這種現(xiàn)象的原因(現(xiàn)象如圖1所示).

圖1

教師引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如為何二極管會(huì)發(fā)光？為何線圈可以使二級(jí)管發(fā)光？學(xué)生通過討論分析，能夠意識(shí)到線圈相當(dāng)于一個(gè)電源，發(fā)光二極管發(fā)亮，說明線圈中有感應(yīng)電流產(chǎn)生．

教師追問：閉合回路中要產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是什么？

學(xué)生通過學(xué)習(xí)“探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”，會(huì)很容易想到閉合回路產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是“穿過閉合回路的磁通量發(fā)生了變化”

教師：閉合電路中存在感應(yīng)電流，必然存在對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)．從而引出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的概念：在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫做感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．

2 定性分析探究影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的因素

師生互動(dòng)：學(xué)生協(xié)助教師將電磁爐拆開，利用多媒體展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，讓學(xué)生觀察并結(jié)合感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件，思考電磁爐的磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生與變化的．

接著教師呈現(xiàn)電磁爐工作原理圖如圖2(b)所示，結(jié)合此圖師生共同討論研究，進(jìn)一步明確其工作原理．

圖2

教師：穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化是產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件．閉合電路中存在感應(yīng)電流，必然存在對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．

教師提出問題：

(1)不同空間位置產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是否一樣？

(2)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與什么因素有關(guān)呢？

實(shí)驗(yàn)演示:教師將線圈往上、往下、向左、向右、翻轉(zhuǎn)，讓學(xué)生觀察數(shù)字萬用表交流擋電壓的變化情況(現(xiàn)象如圖3所示)．

圖3

學(xué)生觀察到，當(dāng)線圈離電磁爐比較近時(shí)，電壓表示數(shù)較大，較遠(yuǎn)時(shí)，示數(shù)較小，翻轉(zhuǎn)時(shí)，示數(shù)幾乎為零．

學(xué)生分組討論實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因．

通過學(xué)生的討論分析與教師引導(dǎo)，可以從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：

(1)在線圈靠近電磁爐的中心區(qū)域時(shí)，大部分變化的磁感線通過線圈，由于線圈面積不變，所以在一個(gè)周期內(nèi)，在中心區(qū)域磁通量的變化量比較大，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也比較大．

(2)當(dāng)遠(yuǎn)離電磁爐的中心區(qū)域時(shí)，大部分變化的磁感線外泄，只有少量變化的磁感線通過線圈，所以在一個(gè)周期內(nèi)，在中心區(qū)域磁通量的變化量比較小，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也比較?。?/p>

(3)當(dāng)線圈翻轉(zhuǎn)時(shí)，由于磁場(chǎng)與線圈平面平行，幾乎沒有變化的磁感線通過線圈，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零．

教師總結(jié)：磁通量的變化是引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原因，由上述分析可知，在一個(gè)周期內(nèi)，磁通量的變化量越大，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也越大;反之，在一個(gè)周期內(nèi)，磁通量的變化量越小，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也越?。袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與一段時(shí)間內(nèi)的磁通量變化量有關(guān)，也就是與磁通量變化的快慢即變化率有關(guān)．

3 定量探究得到法拉第電磁感應(yīng)定律

教師：由于在電磁爐的不同區(qū)域磁通量變化率不同，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就不同，即磁通量變化率越快，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大，反之，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越小，那么磁通量變化率與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小存在什么樣的定量關(guān)系呢？

演示實(shí)驗(yàn):教師利用自制數(shù)字化法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)裝置(如圖4所示)定量研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象．教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析實(shí)驗(yàn)圖像，完成表格．并讓學(xué)生討論磁通量變化率與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系．

圖4 數(shù)字化法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)裝置

自制數(shù)字化法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)裝置：將一個(gè)線圈的兩端接入直流穩(wěn)壓源，并利用小馬達(dá)帶動(dòng)穩(wěn)壓源旋鈕使電流均勻增大或減小．另一個(gè)線圈兩端接上微電流傳感器，在線圈中插入磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器，通過DIS監(jiān)測(cè)感應(yīng)電流(感應(yīng)電動(dòng)勢(shì))與磁感應(yīng)強(qiáng)度(由于面積不變，即對(duì)應(yīng)于磁通量)的變化．

(1)先斷開電源，觀察磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線與微電流曲線，然后在電機(jī)上加上1 V電壓，使電機(jī)勻速低速正轉(zhuǎn)，使線圈電壓均勻增大，到最大值時(shí)，停留幾秒，再將電機(jī)反轉(zhuǎn)，使線圈兩端電壓勻速減?。阶钚≈禃r(shí)，停留幾秒，觀察感應(yīng)電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度大小圖像．

(2)按照步驟(1)，在電機(jī)上加上分別加上1.5 V，2.0 V的電壓電壓，使電機(jī)勻速正轉(zhuǎn)，得到感應(yīng)電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度大小圖像．并比較他們的區(qū)別與聯(lián)系．

讀圖分析:呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖、引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析微電流曲線、磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線及其兩者的關(guān)系，完成表格1.

實(shí)驗(yàn)參考圖線如圖5所示．

圖5

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將數(shù)據(jù)填入表中.

表1 電磁感應(yīng)定律探究表(a)

表2 電磁感應(yīng)定律探究表(b)

從表1和表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在給電機(jī)加相同的電壓下，兩種探究情況的感應(yīng)電流的絕對(duì)值是一樣的.因?yàn)榧釉陔姍C(jī)上的電壓決定它的轉(zhuǎn)速，電機(jī)與變壓旋鈕相連，使電壓均勻增大.加在電機(jī)上的電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，副線圈中電流增加得越快，磁場(chǎng)增加越快，則導(dǎo)致原線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大，它的電流也越大.

4 定律運(yùn)用明確導(dǎo)線切割磁感線是電磁感應(yīng)定律的特例

演示實(shí)驗(yàn):教師演奏自制的“電磁古箏”(或電吉他的視頻)，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用電磁感應(yīng)定律解釋．

自制“電磁古箏”(圖6)：將釹磁鐵置于導(dǎo)線下方，將導(dǎo)線兩端與錄音機(jī)和音響相連實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大．當(dāng)撥動(dòng)導(dǎo)線，由于導(dǎo)線在釹磁鐵磁場(chǎng)中切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)而產(chǎn)生電流信號(hào)，放大裝置接收此信號(hào)，變輸出特定的音階．如果將導(dǎo)線各個(gè)位置發(fā)出的音與標(biāo)準(zhǔn)音階對(duì)照，并標(biāo)出位置．這樣就可以彈出悅耳的曲子了．

圖6 “電磁古箏”

教師明確“電磁古箏”實(shí)質(zhì)是“導(dǎo)線在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)”(導(dǎo)線所圍的閉合回路的磁通量發(fā)生變化)，即為電磁感應(yīng)定律的特例，進(jìn)而讓學(xué)生體會(huì)到物理學(xué)與社會(huì)生活的關(guān)系，體現(xiàn)STS教育理念，并為下節(jié)課深入研究“導(dǎo)線切割磁感線時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)”做好鋪墊．

5 概括小結(jié)對(duì)定律形成深入和系統(tǒng)的理解

圖7

6 結(jié)語

本教學(xué)過程通過電磁爐使LED發(fā)光實(shí)驗(yàn)、線圈上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)、自制電磁感應(yīng)定律演示儀實(shí)驗(yàn)、電磁古箏實(shí)驗(yàn)，從定性到定量，從簡單到復(fù)雜，具有較多的創(chuàng)新點(diǎn)．在課堂探究中，先定性探究影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的因素，再定量探究得到法拉第電磁感應(yīng)定律．學(xué)生的課堂參與度較高，探究思路也逐步清晰．將傳感器應(yīng)用于課堂教學(xué)，與自制的實(shí)驗(yàn)儀器相配合，將隱藏的規(guī)律顯化，對(duì)學(xué)生深刻理解電磁感應(yīng)的內(nèi)涵具有諸多益處．將此教案運(yùn)用于課堂教學(xué)，取得了很好的教學(xué)效果．

2016-01-16)