法拉第电磁感应定律

法拉第电磁感应定律

苏剑峰

“法拉第电磁感应定律”教学过程设计

一、创设情境、导入新课 —— 磁悬浮、无线充电技术、法拉第生平及发现电磁感应现象的历史过程

随着科学技术的不断进步，基于磁悬浮、无线充电技术的各类设施产品的出现使得我们的生活越来越方便快捷。通过播放最新科技产品视频资料，提出问题：无线充电和磁悬浮是如何实现的？引入本节课要学习的内容——法拉第电磁感应定律。

带领同学们回顾法拉第发现电磁感应定律的这段物理学史，介绍法拉第生平事迹。

法拉第出身于英国的一个铁匠家庭, 由于贫困和语音上的缺陷, 受到老师嘲笑被迫离开了学校，小学都没有上完。他12岁开始在街上卖报, 送报, 13岁到一家书店作装订学徒工。法拉第特别喜欢阅读自然科学方面的书籍, 从不放过任何一本经他手装订的这类书籍。他利用几乎所有的空闲时间拼命地读书, 如饥似渴地吸取着书中的知识。虽然他没有机会上学, 书籍就是他最好的学校, 正是这段时间的勤奋阅读, 使他走上了成才之路。1821年，当法拉第得知奥斯特的电流使磁针偏转的实验后，他便思考，磁铁反过来也应该产生电流，这是一个非常宝贵的想法，是对逆向思维的运用。当他把磁铁插入一个线圈时，只看到稍纵即逝的脉冲，却看不到持续的电流，这不符合他的预期。他的实验断断续续的做了十年，终于意识到是磁场的变化率导致电流产生。从“恒定”到“变化率”，迈出这一步相当困难，法拉第创立电磁感应定律前前后后用了十年。

【教学策略】创设情境导入新课时，结合高新科学技术——磁悬浮、无线充电技术引入主题，然后介绍法拉第生平及发现电磁感应现象的历史过程，培养学生逆向思维方法和哲学思辨的能力，并使学生透过法拉第的科学发现与科学研究活动认识到，良好的科学素养在其科学创新与发现中能够产生重要的影响、发挥重要的作用；通过分析法拉第十年的实验探索与研究历程，使学生理解“敢于创新、勇于探索、坚持不懈”是科学创新与发现所不可缺少的品质与精神；以此激励学生形成“积极学习和掌握科学的思维方法、主动提升自身的科学素养”的意识和内在动力。

二、合作讨论、探究新知 —— 法拉第电磁感应定律 楞次定律

1. 采用多媒体结合实验道具，展示各种电磁感应现象，让学生分组观察并讨论：产生感应电流的原因。

根据学生的讨论结果总结产生感应电流五种情况：

变化着的电流；线圈中变化着的磁场；运动中的恒定电流；运动着的磁铁；在磁场中运动着的导体。

分析得出：产生感应电流的根本原因是因为通过回路面积的磁通量发生了变化。

2. 让学生再次观察实验现象并思考感应电流的大小与什么因素有关。

感应电流的大小与磁铁或导体运动的快慢有关，与电流或磁场的变化快慢有关

分析得出：感应电流的大小与磁通量的变化率有关。

从而引入——法拉第电磁感应定律：

不论任何原因使通过回路面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率成正比．

即  ε=-d∅dt   式中负号表明电动势的方向，

若线圈密绕N匝，则   其中叫磁通链。

对于回路为纯电阻R的电路，电流I与电动势同相位，在从到t时间内，通过电路的电量

可见，与成正比，而与磁通量改变快慢无关。设时，只要测出R和、即可得到；如果已知回路面积、就可以算出磁感应强度B。

3. 让学生第三次观察实验现象并思考感应电流的方向与什么因素有关。

闭合回路中感应电流的方向，总是使感应电流的磁场通过闭合回路的磁通量去补偿或反抗引起感应电流的磁通量的变化。——楞次定律

注意：“补偿或反抗”的是磁通量的变化，而不是磁通量。

楞次定律还可以表述为：电磁感应的“效果”总是抵消引起电磁感应的“原因”。                              

楞次定律是能量守恒定律在电磁感应现象上的具体体现。

维持滑杆运动必须外加一力，此过程为外力克服安培力做功转化为焦耳热.

【教学策略】通过让学生观察分析实验现象，总结实验规律，锻炼学生的逻辑推理能力。通过让学生分组讨论，思考实验现象内在的物理本质，培养学生的团队协作精神和科学探究能力。

三、应用举例、学以致用 —— 发电机的模型

例【发电机的模型】：

如图，空间分布着均匀磁场B＝B₀sinωt，一旋转半径为r、长为l的矩形导体线圈以匀角速度ω绕与磁场垂直的轴OO′旋转，t＝0时，线圈的法向n与B之间夹角为。

求：线圈中的感应电动势。

解：

设φ 表示 t 时刻 n 与 B 之间的夹角，

则 φ＝ωt＋φ0＝ωt

任意时刻通过线圈的磁通量为

Φm=B∙S=BScosωt=B₀sinωt2rlcosωt=B₀rlsin2ωt

根据法拉第电磁感应定律得

εi=-d∅m/dt=-2ωB₀rlcos2ωt

讨论：随着时间的推移，在回路内产生周期性变化的电流。

发电机和电动机的相继问世，将人类带入到了电气时代。它深刻地改变了我们的生活。电磁感应定律在人类社会发展过程中起到重要的作用，科学家以自己的发明和创新支持和贡献社会。

引导学生解题步骤总结：

（1）矢量性，规定回路正向，选定面法线正向

（2）求出磁通量

（3）求出感应电动势

（4）根据计算结果的正负，判定其方向

（5）类比楞次定律对结果进行检验

学习通发布随堂练习：

一根无限长的直导线载有交流电流i＝I₀sinωt.旁边有一共面矩形线圈abcd，如图所示. ab＝l₁，bc＝l₂，ab与直导线平行且相距为d. 求：线圈中的感应电动势.

解：

取矩形线圈沿顺时针abcda方向为回路正绕向，

则通过矩形线圈的磁通量为

根据法拉第电磁感应定律，线圈中感应电动势：

结果讨论：ε_i 也是随时间作周期性变化的，

ε_i＞0表示矩形线圈中感应电动势沿顺时针方向，

ε_i＜0表示它沿逆时针方向。

给学生重点强调求解过程中微积分知识的运用。

【教学策略】通过分析发电机工作模型，与实际应用相结合，让学生深刻体会物理知识的重要作用，激发学生的使命感和责任担当，引导学生树立勤奋学习、贡献社会的信念。同时强调微积分知识的运用，让学生学会如何把复杂的物理问题简化为数学模型，培养学生的数学思维能力。

四、内容小结、拓展提升

内容小结（1）电磁感应现象；

（2）法拉第电磁感应定律和楞次定律；

（3）法拉第电磁感应定律的应用及如何从物理问题中抽象出数学模型并求解。

思考提升（学习通发布任务）：通过本节课的学习，我们知道：磁通量发生变化，从而在回路中产生感应电动势。那感应电动势的非静电力来源又是什么呢？请同学们课后查阅资料进一步了解感应电动势的能量来源。

素质拓展（辨证研讨：从磁悬浮列车看科技发展与环境保护平衡性）：科技的发展和进步带来了磁悬浮列车，从能源节约方面来看，与传统高速列车相比，磁悬浮列车具有耗电更少、速度更快的优势。然而目前磁悬浮列车还面临噪声污染、振动污染、生态污染等社会争议问题。由此而言，我们希望学生们在总体上能够意识到科技的进步带来的不仅仅是纯粹的利好，同时也伴随可能的争议和需要解决的问题，期望学生们既认识到它为人类生活带来了巨大的便利，也要同时认识到它潜在的污染问题。正如习近平总书记提出的 “绿水青山就是金山银山”的科学论断，在科技发展进程中也应当坚持绿色发展方式，重视潜在的生态环境问题并加以解决。

【教学策略】①“内容小结”巩固所学知识，加深学生对物理规律的理解和掌握，培养学生归纳概括能力；②“辨证研讨”引导学生查阅资料，对科学研究、技术发展进行辩证思考，既要认识到科学技术在当今社会中的重要作用，也要意识到技术发展可能伴随的潜在问题，在激发学生的爱国热情的同时，锻炼学生的辩证思维能力。

五、教学总结

本节的教学内容是法拉第电磁感应定律，其教学重点是掌握法拉第电磁感应定律以及楞次定律，会利用法拉第电磁感应定律和楞次定律解决实际问题，教学难点是磁通量的计算。

在教学中，将有趣的物理学史、科学家事迹和应用实例融入到物理知识的学习过程中，使学生了解物理与科技进步、社会发展之间的关系，了解物理科学的思想体系和物理的文化价值，培养与重陶学生的科学精神、科学态度；通过观察分析实验现象，总结实验规律，让学生亲身体验感知物理知识的发生和发展过程，有效激发学生的学习兴趣，提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力；通过分组讨论，培养学生的团队协作精神、沟通交流能力、科学思辨能力。