探究电磁感应的条件

教材分析

在《磁场》一章中，奥斯特的发现说明了电能产生磁，而在《电磁感应》一章中，法拉第的发现说明磁能产生电，揭示了磁和电之间的联系，为人类从蒸汽时代进入电气时代奠定了基础，具有划时代的意义。

电磁感应的教学，具有典型的科学思维方法训练的教育意义。在探索“磁生电”的艰苦过程中，观察与思考，发现问题与假设，假设与猜想，实验与探究，实验与分析，实验归纳法等等都得到了充分的体现。因此，学好本节，对学生来说，可谓意义深远。

教学目标

知识与技能方面

（1）知道探究实验所需的器材，能设计实验步骤和表格，并记录实验现象。

（2）通过实验，理解感应电流的产生条件，总结实验规律。

（3）知道磁通量的概念。

过程与方法方面

（1）探究磁生电的条件，理解电和磁之间的联系。

（2）通过小组活动，培养实验设计、电路设计能力，学会分类与归纳方法，培养抽象、归纳能力。

（3）培养运用物理规律解决实际问题的能力及知识迁移能力。

情感、态度与价值观方面

（1）培养学生科学探索的欲望。

（2）认识自然现象之间是相互联系的，认识物理学对科技进步，对文化、经济和社会发展的影响。

教学重点、难点

重点

（1）产生感应电流的条件。

（2）磁通量的概念。

难点

（1）培养学生设计实验的能力。

（2）在实验中归纳产生感应电流的条件。

教学设计思想

（1）采用以学生自主构建知识为主线，学生理解、体验、感悟为基础，充分发挥学生主动性的实验探究教学。

本案例以录音机播放优美音乐引入新课，用法拉第根据“电生磁”产生“磁生电”的设想，引发学生的思维张力，产生探究的欲望，鼓励学生大胆设计，勇于尝试。通过设计多种方法产生感应电流，使学生由衷地感到成功的喜悦。通过实验，引导学生讨论交流，得出产生感应电流的条件，再引出磁通量的概念，用多媒体演示磁通量的变化，促使学生认知结构的形成。

学生自主地进行实验探究，获得亲身经历和感性认识，通过小组交流、讨论分析，抽象出结论，体现了科学探究的一般过程：设想——实验探究——实验结论——应用。让学生在经历中感悟科学探究的一般方法，提高学生的科学素养。

（2）利用物理学史开展探究教学，是本案例的又一特色。

引导学生沿着物理学家的足迹，利用物理学史进行科学探究，有利于学生深刻理解物理概念和规律，纠正错误观念；有利于认识实验在物理学中的地位和作用；有利于对学生进行科学方法的教育。无论是法拉第十年的艰辛探索，还是科拉顿的失之交臂，都说明了任何发现都是人们艰苦探索的结果，这都有利于培养学生艰苦探索的意志和坚忍不拔的科学精神。

教学方法

利用物理学史进行自主学习的实验探究。

教学资源

多媒体教室，实验室，课本中规定的实验器材，多媒体电子课件等。

教学过程

一、音乐情境，导入新课

情境：用磁带录音机播一小段优美的音乐，并配合电脑动画展示过程如图1。

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录音机录音时磁带被磁化，形成按声音振动规律排列的一系列小磁体。放音机的磁头是一个带铁芯的线圈，当磁带从磁头边滑过时，磁头线圈就会感应出按小磁体排列规律变化的电流，放音机将磁头感应出的变化电流放大，推动喇叭振动，就放出了美妙的音乐！那么磁头为什么能“磁生电”呢？我们今天的课题就是要探究电磁感应的条件。

二、学生活动，寻找产生电磁感应的方法

1 演示法拉第的失败实验

方案一 1824年12月，法拉第把绕在磁铁上的导线和电流表连接起来组成一个闭合电路（图2），没有发现电流。

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方案二 1825年11月，法拉第将含有电流表的导线回路放在另一通电回路附近，期望会改变导线中的电流大小。

实验结果，显示没有发生任何效应。

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2 猜想与假设

猜想一下实验失败的可能因素：电能“生”磁，只是电磁运动的一个方面，从另一方面思考，“磁生电”的运动规律是否有其特殊性呢？回忆奥斯特实验，发现电流恒定，但实质上它是由导体中的运动电荷形成的。那么，上述“磁生电”实验只是把导线绕在磁铁上，在恒定磁场中，导线和磁场都处于静态，“运动电荷”——电流从何而来呢？或许“磁生电”不是在静态中产生的。

法拉第用了十年的时间，终于发现电磁感应现象。今天我们就循着科学家的足迹，通过实验探索、科学归纳概括的方法来认识这一重要的现象，总结产生感应电流的条件。

3 学生互动，实验探究

每组学生的桌上有一张纸，列出的是各自桌上的器材和实验要求，注意前后桌的器材是不一样的（各小组纸上内容如下图4）。

分组1 实验器材：导线、灵敏电流计、自制线圈、马蹄形磁铁。要求：用所给实验器材产生感应电流。

分组2 实验器材：导线、线圈、条形磁铁、灵敏电流计要求：用所给实验器材产生感应电流，并根据实际电路，画实物连接图。

分组3 实验器材：滑动变阻器、学生电源、开关、带铁芯的线圈A、导线、灵敏电流计、线圈B、条形磁铁。要求：用所给实验器材产生感应电流，并根据实际电路，画实物连接图。

根据纸上要求得到感应电流后，前后左右的同学相互交流实验情况并交换位置完成其他组的实验。

学生活动后，各组选派代表向全体同学现场展示操作过程，介绍实验情况及实验结果。

分组实验一 导线与电流计组成闭合电路（图5），使线圈在磁铁两极间运动或翻转。

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分组实验二 线圈与电流计组成闭合电路（图6），条形磁铁N极插入或拔出线圈的瞬间，或条形磁铁S极插入或拔出线圈的瞬间。

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分组实验三 带铁芯的A线圈放在线圈B中，线圈A与电池、开关、滑动变阻器组成串联电路，线圈B两端接电流表（图7）。当线圈A电路的开关闭合或断开的瞬间，或者接通线圈A电路后，用变阻器改变A线圈电路中电流大小时。

上述操作都可看到电流计指针发生偏转。

教师演示：在分组实验三中，变阻器连接在灵敏电流计的回路中，改变滑动变阻器阻值，观察电流计指针偏转情况。（结论：指针不动）

说明：让学生充分利用桌上的大量的实验器材，自行设计实验并动手实践，努力尝试，看看“你能获得感应电流吗？”这是一个无序的过程，但又恰恰是学生参与的开始。

三、探究产生感应电流的条件

1 异中求同，分析、讨论产生感应电流的条件

学生结合实验，总结产生电磁感应的条件，可能有的学生说是磁场变化引起（依据条形磁铁的上下运动，使线圈回路中的磁场变化），教师可予以肯定和表扬；但另一些同学可能不同意这一观点（依据是线圈切割时，磁场不变），教师同样予以肯定和表扬。

归纳产生电磁感应现象主要有两类：导体与磁体发生相对运动，而产生电流；由于闭合电路中磁场变化而引起电流。

启发学生继续思考，思考两者的共性。

（引导学生忽略次要因素，将实验装置抽象成物理模型，由于磁场不可见，用多媒体模拟，其中磁体的磁场用磁感线标出，在观察中提示以闭合回路作为研究对象）

情境：多媒体动画模拟演示学生的分组实验

模拟现象：磁感线闪烁（引起注意）

分组实验一 导线左右、上下移动。

表头动作：左右移动时偏转，上下移动时不动。

分组实验二 磁铁插入或拔出。

表头动作：移动时偏转，磁铁静止时不动。

分组实验三 左右移动滑动变阻器的触头，表头动作：移动时偏转，触头位置不变时不动。开关接通、断开的瞬间偏转，闭合后不动。

结论：产生感应电流的条件与磁场变化有关，也就是说，与磁感应强度的变化有关，还与闭合回路的面积有关；直观地表现为：当穿过闭合回路磁感线条数变化时，就有电流产生，否则就没有感应电流。

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2 引入磁通量概念

可见，要描述上述实验的共性还需要引入一个新的物理量，这个物理量能描述穿过闭合回路的磁感线条数——磁通量。那么什么是磁通量呢？怎样计算磁通量？闭合回路的面积与垂直穿过它的磁感应强度的乘积叫做磁通量，用磁通量来描述感应电流的产生条件（图8）。

学生讨论：磁通量定义、物理意义、单位等。

归纳产生感应电流的条件：

只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有感应电流。

说明：鼓励、引导学生，从简单的实验现象观察过渡到对实验结果的分析和总结，去回答“怎样才能产生感应电流？”在对电磁感应现象分类的基础上，异中求同，让学生在探究规律的过程中，亲身体验了多种科学方法和科学思想的应用。

另外，顺理成章地引出磁通量的概念，新课程这种安排，予人水到渠成的感觉，使学生理解建立这一概念的必要性，并能自觉构建。

四、产生感应电流条件的应用

1 法拉第成功实验

情境：多媒体模拟演示法拉第成功实验

法拉第以发现两个线圈之间的电磁感应为突破口。1831年8月，他在日记中记述了第一次成功的实验。他在软铁环的A边绕了三个线圈，可以串联起来使用，也可以分开使用，在B边以同样的方向绕了两个线圈，如图3所示；他把B边的线圈接到电流计上，把A边的线圈接到电池组上。当电路接通和断开的瞬间，在B边的线圈中发现了感应电流。

磁铁与线圈之间发生了什么情况呢？法拉第在实验日记中写到：把磁铁的一端靠近线圈的圆筒边缘，然后一下子把磁铁全部插入线圈内部，电流表的指针会出现摆动；接着拔出磁铁的时候，表针会摆向相反的方向，不断地插入和拔出磁铁，这种现象将会不断地重复。反过来，让磁铁静止不动而线圈移动的话，也会产生感应电流。

法拉第总结了一系列有关电磁感应的实验，在向英国皇家学会提交的论文中，他概括了产生感应电流的条件，完成了划时代的发现——电磁感应现象。

科学史上任何一个发现都是来之不易的。在历史上，最早做电磁感应实验的科学家是当时年仅２３岁的科拉顿，但非常遗憾的是，他为了消除操作过程中外界因素对电流计的影响，他就用长导线，将电流表连接到另一个房间里，他在这个房间里将磁铁插入线圈，然后飞快地跑到另一个房间里去看电流表，等他跑到的时候，电流表的指针已不偏转。所以，他没有发现电流的产生，可以说科拉顿已经叩开了发现电磁感应规律的大门，但由于他的失误，却与最后的成功失之交臂。

２ 产生感应电流条件的应用

应用示例１——录音机放音原理（图9），让学生解释磁头读取磁带上信息的原理。

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应用示例２——“做一做”中的“摇绳能发电吗？”（多媒体演示画面，图10），让学生回答并解释发电的原因，并询问两个同学沿哪个方向站立时，发电的可能性比较大，有条件的话，可让学生现场演示，并思考回答其中的缘由。

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教学反思

１ 本节容量较大，涉及三个实验，因此在本案例中，将３个实验变成三种可供探究的实验方案。各小组选择其中一个方案，设计分组实验，再在学生讨论、交流的基础上，选代表上台展示实验成果，在异中求同中自己发现并寻找到产生感应电路的本质条件，从而最终完成科学探究的过程。这样的编排处理更紧凑、更合理，极大地节省了时间，提高了课堂效率；但笔者仍不免担忧，这样的处理可能使学生只能熟悉自己做的这个实验，造成不能完全掌握另外两个实验。因此，建议在教学中要根据实际的进度，若时间充裕，增加一个环节内容，就是让不同实验组学生之间进行轮换实验，以弥补这种设计带来的不足。

２ 电磁感应现象的发现过程经历了大约１０年时间，在这１０年中，不少科学家都付出了艰辛的努力，经历了很多次的失败，最后由法拉第通过多次实验，以其敏锐的洞察力捕捉了使全世界发生改变的物理现象——磁生电。这样漫长的发现过程，在教学中我们只安排了１、２课时的时间进行学习，因此如何提高课堂教学的有效性，能否积极、有效地引导学生进行科学探究，让学生自己理解、体验、感悟，是值得我们思考并重视的问题。

(栏目编辑赵保钢)