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第十六章电磁感应一、电磁感应现象一、教学目标1．在物理知识方面．（1）理解什么是电磁感应现象；（2）掌握产生感应电流的条件．2．在能力培养方面．通过观察演示实验，归纳、概括出利用磁场产生电流的条件，培养学生的观察、概括能力．二、重点、难点分析1．重点：使学生掌握只要闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就会产生感应电流．2．难点：闭合电路磁通量的变化．三、教具蹄形磁铁，条形磁铁，电流计，原副线圈，滑动变阻器，开关，导线若干，电池，计算机，演示切割磁感线及磁通量变化软件．四、主要教学过程（－）发现电磁感应现象的背景1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流能够产生磁场——电流的磁效应，揭示了电和磁之间存在着联系，受到这一发现的启发，人们开始考虑这样一个问题：既然电流能够产生磁场，反过来，利用磁场是不是能够产生电流呢？不少科学家进行了这方面的探索，英国科学家法拉第，坚信电与磁有密切的联系．经过10年坚持不懈的努力，于1831年终于取得了重大的突破，发现了利用磁场产生电流的条件．（二）用实验方法研究产生感应电流的条件实验1：导体不动；导体向上、向下运动；导体向左或向右运动．引导学生观察实验并进行概括．归纳：闭合电路的一部分导体做切割磁感线的运动时，电路中就有电流产生．用计算机模拟“切割磁感线”的运动．理解“导体做切割磁感线运动”的含义：切割磁感线的运动，就是导体运动速度的方向和磁感线方向不平行．问：导体不动，磁场动，会不会在电路中产生电流呢？实验2：用计算机模拟“条形磁铁插入、拔出螺线管．注意：条形磁铁插入、拔出时，弯曲的磁感线被切割，电路中有感应电流．引导学生观察实验并进行概括：无论是导体运动，还是磁场运动，只要导体和磁场之间发生切割磁感线的相对运动，闭合电路中就有电流产生．过渡：闭合电路的一部分导体切割磁感线时，穿过电路的磁感线条数发生变化．如果导体和磁场不发生相对运动，而让穿过闭合电路的磁场发生变化，会不会在电路中产生电流呢？实验3：线圈电路接通、断开；滑动变阻器滑动片左、右滑动．在观察实验现象的基础上，引导学生分析上述现象的物理过程：因为电流所激发的磁场的磁感应强度B总是正比于电流强度I，即B∝I．电路的闭合或断开控制了电流从无到有或从有到无的变化；变阻器是通过改变电阻来改变电流的大小的，电流的变化必将引起闭合电路磁场的变化，穿过闭合电路的磁感线条数的变化——磁通量发生变化，闭合电路中产生电流．用计算机模拟电路中S断开、闭合，滑动变阻器滑动时，穿过闭合电路磁场变化情况：不论是导体做切割磁感线的运动，还是磁场发生变化，实质上都是引起穿过闭合电路的磁通量发生变化．综上所述，总结出：1．不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电流产生．这种利用磁场产生电流的现象叫电磁感应，产生的电流叫感应电流．2．产生感应电流的条件．（1）电路必须闭合；（2）磁通量发生变化．引导学生分析磁通量发生变化的因素：由Φ=B·Ssinθ可知：当①磁感应强度B发生变化；②线圈的面积S发生变化；③磁感应强度B与面积S之间的夹角θ发生变化．这三种情况都可以引起磁通量发生变化．3．举例．（1）闭合电路的一部分导体切割磁感线：（2）磁场不变，闭合电路的面积变化：（3）线圈面积不变，线圈在不均匀磁场中运动：（4）线圈面积不变，磁场不断变化：（三）课堂小结产生感应电流的条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化．这里关键要注意“闭合”与“变化”两词．就是说在闭合电路中有磁通量穿过但不变化，即使磁场很强，磁通量很大，也不会产生感应电流．当然电路木闭合，电流也不可能产生．二、法拉第电磁感应定律——感应电动势的大小一、设计思想法拉第电磁感应定律是电磁学的核心内容。从知识发展来看，它既与电场、磁场和稳恒电流有紧密联系，又是后面学习交流电、电磁振荡和电磁波的基础。它既是本章的教学重点，也是教学难点。在学习本节内容之前，学生已经掌握了恒定电流、电磁感应现象和磁通量的相关知识，并且也知道了变化量和变化率的概念。学生已经具备了很强的实验操作能力，而且本节课的实验也是上节课所演示过的，只不过研究的侧重点不同。因此，有条件的学校可将本节课的演示实验改为学生分组实验。另外，学生对物理学的研究方法已有较为深刻的认识，在自主学习、合作探究等方面的能力有了较高的水平。本节课的重点法拉第电磁感应定律的建立过程，设计中采用了让学生自己设计方案，自己动手做实验，思考讨论，教师引导找出规律的方法，使学生能够深刻理解法拉第电磁感应定律的建立过程。对于公式，让学生自己根据法拉第电磁感应定律，动手推导，使学生深刻理解。本节课的难点是对、、物理意义的理解，在难点的突破上，采用了类比的方法。把、、、E和υ、Δυ、、a类比起来，使学生更容易理解、、和E之间的联系。二、教学目标（一）知识和能力目标1．知道感应电动势的概念，会区分Φ、ΔΦ、的物理意义。2．理解法拉第电磁感应定律的内容和数学表达式，并能应用解答有关问题。3．知道公式的推导过程及适用条件，并能应用解答有关问题。4．通过学生对实验的操作、观察、分析，找出规律，培养学生的动手操作能力，观察、分析、总结规律的能力。（二）过程与方法目标1．教师通过类比法引入感应电动势，通过演示实验，指导学生观察分析，总结规律。2．学生积极思考认真比较，理解感应电动势的存在，通过观察实验现象的分析讨论，总结影响感应电动势大小的因素。（三）情感、态度、价值观目标1．通过学生之间的讨论、交流与协作探究，培养学生之间的团队合作精神。2．让学生在探究过程中体验解决问题的成功喜悦，增进学生学习物理的情感。三、教学重点法拉第电磁感应定律的建立过程以及对公式Ｅ＝、的理解。四、教学难点对Φ、ΔΦ、物理意义的理解。五、教学准备准备实验仪器：电流计、蹄形磁铁、螺线管、铁芯、学生电源、变阻器、开关、导线若干。（若为分组实验，应准备若干组器材）六、教学过程（一）引入新课教师和学生一起回顾第一节中的三个实验。在这三个实验中，闭合电路中都产生了感应电流，则电路中必须要有电源，电源提供了电动势，从而产生电流。在电磁感应现象中产生的电动势叫做感应电动势。那么感应电动势的大小跟哪些因素有关呢？本节课我们就来共同研究这个问题。（二）讲授新课＊感应电动势电源能够产生电动势，那么在电磁感应现象中，产生感应电动势的那部分导体就相当于电源。学生思考讨论：如下图所示的三个实验中，分别是哪部分相当于电源？图1图2图3图1中电源是导体棒AB，图2中电源是螺线管B，图3中电源也是螺线管B。学生思考讨论：产生感应电流的闭合电路断开，还有没有感应电动势？引导学生：电路断开就相当于接入一个阻值无穷大的电阻，电流为零，但是依然有电动势。教师总结：可见，感应电动势才是电磁感应现象的本质，电磁感应现象重要的是看感应电动势的有无。下面我们就来共同研究感应电动势的大小跟哪些因素有关。学生探究活动：如何通过上图所示的三个实验来研究影响感应电动势的大小因素呢？引导学生：对于闭合电路电阻是一定的，可以通过电流表指针偏转的角度大小来确定电路中感应电流的大小，从而确定感应电动势的大小。如何改变电路中电流的大小？学生设计的可能方案如下：1．如图1所示电路，通过改变导体棒做切割磁感线运动的速度大小，来研究影响感应电动势大小的因素。2．如图2所示电路，通过改变条形磁铁插入和拔出螺线管的速度大小，来研究影响感应电动势大小的因素。3．如图3所示电路，通过改变滑动变阻器滑片移动的速度大小，来研究影响感应电动势大小的因素。安排学生分组实验（为了节省时间，可将学生分为三大组，每一大组只做上述方案中的一个实验，每一大组适当的分为几个小组。做完实验后由各组长上报实验结果，然后由教师在提炼总结）。结论：1．感应电动势的大小，与导体棒切割磁感线的速度大小有关。速度越大，产生的感应电动势越大。2．感应电动势的大小，与条形磁铁插入或拔出螺线管的速度大小有关，速度越大，产生的感应电动势越大。3．感应电动势的大小，与滑动变阻器滑片移动的速度大小有关。速度越大，产生的感应电动势越大。学生思考讨论：认真分析三个实验及其结论，找出共同的规律。引导学生：产生感应电流的条件是：穿过闭合电路的磁通量发生变化。对于图1所示实验，磁场的磁感应强度不变，通过导体棒做切割磁感线的运动，改变了闭合电路的面积，从而改变穿过该电路的磁通量，从而产生了感应电动势。导体棒运动越快，则回路面积变化也越快，使得磁通量的变化越快，而电流表指针偏转角度越大，说明感应电动势的大小与磁通量的变化快慢有关。磁通量变化越快，感应电动势越大。让学生自己分析另外两个实验，总结结论共同规律：感应电动势的大小与磁通量的变化快慢有关。磁通量的变化快慢如何表示呢？（从数学角度定量的表示）设时刻t1时穿过闭合电路的磁通量为Φ1，时刻t2时穿过闭合电路的磁通量为Φ2，则在时间Δt＝t2－t1内磁通量的变化量为ΔΦ＝Φ2－Φ1，磁通量的变化快慢可以用单位时间内磁通量的变化量来表示，也叫磁通量的变化率。（对于Φ、ΔΦ、和E，学生很难理解它们之间的关系的，教师可将Φ、ΔΦ、、E和υ、Δυ、、a类比起来，学生较容易接受。）＊法拉第电磁感应定律1．内容：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。2．表达式：Ｅ∝写成等式形式，乘上比例系数k即Ｅ＝k3．单位：E（V），Φ（Wb），t（s）上式中的常数k等于多少呢？请同学们证明1V＝1Wb／s，则k＝1（提示学生注意证明1V＝1Wb／s，实际上是证明V＝Wb／s，在证明的过程中注意导出单位是如何定义的，要把对应的公式联系起来，这个证明对学生来说，难度较大，教师可根据情况适当提示）。k=1，则可把上表达式写成E=。学生思考讨论：上面讨论的是闭合电路由单匝线圈构成的，设闭合电路是一个n匝线圈，且穿过每匝线圈的磁通量的变化率都相同，那么整个线圈中的感应电动势又如何表示？n匝线圈可以看成是由n个单匝线圈串联而成，因此整个线圈中的感应电动势是单匝线圈的n倍，即E=n。＊导体棒切割磁感线的感应电动势学生思考讨论：如图所示把矩形线框abcd放在磁感应强度为B的匀强磁场里，线框平面跟磁感线垂直。设线框可动部分ab的长度是Ｌ，以速度υ向右运动，产生的感应电动势怎么表示？图4图5在Δt时间内可动部分由原来的位置ab移到a1b1，这时线框的面积变化量，穿过闭合电路的磁通量的变化量，代入公式中，得到。对于上式的成立有什么条件限制吗？（引导学生分析所设的物理过程的特殊性）上述物理过程所设磁场为匀强磁场，另外不难看出，磁感应强度方向、导体棒放置的方向和导体棒的运动方向是相互垂直的。所以其成立的条件是：⑴匀强磁场；⑵B、L、υ相互垂直。学生思考讨论：通常我们还会遇到如上图5所示，导体棒垂直纸面放置，磁场竖直向下，导体棒运动方向与导体棒本身垂直，但与磁场方向有夹角θ。此时产生的感应电动势又如何表示呢？我们知道，只有在导体棒做切割磁感线运动时，才产生感应电动势，若导体棒平行磁感线运动，则不能产生感应电动势。所以可将其速度分解为垂直磁感线的分量υ1＝υsinθ和平行磁感线的分量υ2＝υcosθ，后者不切割磁感线，不产生感应电动势。前者切割磁感线，产生的感应电动势为Ｅ＝BLυ1＝BLυsinθ。可见，导体棒切割磁感线时产生的感应电动势的大小，跟磁感应强度B、导线长度L、运动速度υ以及运动方向和磁感线方向的夹角θ的正弦sinθ成正比。（三）课堂小结通过本节课的学习，同学们要掌握计算感应电动势大小的方法，理解公式和的意义。但是电流也是有方向的，电流的方向又如何确定呢？这将是下节课要学习的内容。三、楞次定律——感应电流的方向【数学结构】一、电磁感应现象1.认真做好演示实验，在实验过程中注意引导学生注意观察实验装置，实验过程中的关键物理过程，实验现象，在此基础上认真分析实验，教材中的实验是矣。2.定义：利用磁场产生电流的现象叫电磁感应，产生的电流叫做感应电流。二、产生感应电流的条件在图1所示实验时，指明线圈B与电流组成一个闭合回路，线圈A通过滑动变阻器，电键与直流电源组成电路，接通电键线圈A有电流而产生磁场，这