《法拉第电磁感应定律》教案10（人教版选修3-2）.doc

3法拉第电磁感应定律教学设计(一)教学分析前面几节的内容是从感应电流的角度来认识电磁感应现象的。本节是从感应电流进一步深入到感应电动势来理解的，即研究“决定感应电动势大小的因素”。教科书在这个问题的处理上并没有通过实验探究，而是以陈述事实的方式，引入法拉第电磁感应定律，即教科书用“在法拉第、纽曼、韦伯等人工作的基础上，人们认识到感应电动势成正比”的表述给出了电磁感应定律。教科书之所以这样处理，是力图通过这一物理规律的教学，充分体现人类认识事物的一种真实图景。也就是说，物理学中多数定律的得出，并不一定是直接归纳的结果，而是在分析了很多间接的实验事实后被“悟”出来的，并且定律的正确往往也是由它的推论的正确性来证实的。教学目标1知道什么叫感应电动势。2知道磁通量的变化率是表示磁通量变化快慢的物理量，并能区别、和。3理解法拉第电磁感应定律的内容及数学表达式。4知道公式EBlvsin的推导过程。5会用En和EBlvsin解决问题。6感悟从不同物理现象中抽象出个性与共性问题的方法，培养学生对不同事物进行分析，找出共性与个性的辩证关系。教学重点难点本节教学的重点是法拉第电磁感应定律，难点是对磁通量的变化及磁通量的变化率的理解。法拉第电磁感应定律是电磁感应现象的两个重要规律之一，也是后面学习电磁感应的实际应用自感、涡流、电磁阻尼、交流电等现象的理论保证。教学方法与手段以学生的探究实验为先导，引领学生在建立感应电动势概念的基础上，探究感应电动势的大小跟哪些因素有关，得出感应电动势大小的一般表达式，利用法拉第电磁感应定律对“导体切割磁感线时的感应电动势”和“反电动势”两种特殊情况进行分析。合作学习为主，发动学生对感应电动势的概念、法拉第电磁感应定律展开讨论，分析电磁感应的两种特殊情况。教学媒体原、副线圈，灵敏电流计，条形磁铁，导线若干。多媒体课件、实物投影仪。知识准备复习产生电流的条件、电动势的概念、闭合电路欧姆定律、产生感应电流的条件、楞次定律。导入新课事件1教学任务：温故知新，导入新课。师生活动：问题导入：【问题1】 产生电流的条件是什么？学生回忆并说出前面所学的有关电流知识，其他学生补充。【问题2】 在电磁感应现象中，闭合电路中有电流，是否也应该有电动势？结合实例对比分析：【问题3】 闭合电路的电流由哪些因素决定？研究感应电动势和感应电流哪一个更有意义？【演示】 接通与断开闭合回路时的电路电流与路端电压。学生观察、讨论并回答上面问题。引入新课：在电磁感应现象中，产生感应电流的那部分导体就相当于电源，其所在电路就是内电路，电源的电动势就是感应电动势。在电磁感应现象中，不论电路是否闭合，只要穿过电路的磁通量发生变化，电路中就有感应电动势，有感应电动势是电磁感应现象的本质。因此研究感应电动势比研究感应电流更有意义。那么感应电动势的大小跟哪些因素有关？这节课要研究感应电动势的大小跟哪些因素有关的问题。推进新课事件2教学任务：探究感应电动势的大小跟哪些因素有关。问题导入：【问题1】 上节课我们用实验探究的方法找到了感应电流方向的规律，这节课我们是否可以再用同样的器材来探究感应电动势的大小跟哪些因素有关？【问题2】 怎样判断感应电动势的大小？如果不能直接测量，可以用测量哪些量来代替电动势？【问题3】 感应电流的方向跟磁通量的变化量有关，那么感应电动势的大小是否也跟磁通量的变化有关，用实验的方法怎样来研究这个问题？学生活动：【学生分组实验探究】 将条形磁铁插入线圈中。观察并讨论：【问题1】 电流表指针发生偏转的原因是什么？电流表指针偏转程度跟感应电动势的大小有什么关系？分析：变化产生E产生I；另外，由I可知，总电阻一定时，E越大，I越大，指针偏转越大。【问题2】 将条形磁铁从同一高度，插入线圈中，快插入和慢插入有什么相同或不同？观察讨论并分析归纳，填入下表：从条件上看从结果上看相同磁通量的变化量相同都产生了感应电流I不同磁通量变化的快慢不同所产生的感应电流I的大小不同猜想：(1)从上述实验结果猜想感应电动势大小跟磁通量的变化量有关还是跟磁通量的变化快慢有关？(2)磁通量变化快慢可以用什么物理量来描述？交流讨论：结论：感应电动势大小与磁通量变化快慢有关；磁通量变化快慢可以用磁通量变化率来描述。实验检验：重做上述演示实验，导体运动越快，即 越大，感应电流越大，感应电动势越大。进一步猜想：感应电动势的大小与磁通量变化率有关，是什么关系？可能出现的观点：感应电动势的大小与磁通量变化率成正比。对学生观点给予激励性评价。设计意图：以上一节课探究感应电流方向实验为基础，引导学生探究感应电动势的大小跟哪些因素有关，引导学生猜想感应电动势的大小可能与磁通量的变化有关，最后引导学生设计实验方案、进行实验、搜集有关信息、验证自己的假设和对假设进行修正。让学生在探究的过程中体验实验探究的方法、体会获得知识的乐趣，体会交流讨论、共同学习获得的成就感。激发学生进一步探究未知领域知识的欲望。事件3教学任务：引入法拉第电磁感应定律。师生活动：问题引导：通过上述演示实验，我们猜想感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比。那么猜想是否正确呢？陈述事实：在法拉第、纽曼(F.E Neumann.17981895)、韦伯(W.E Weber.18041891)等人工作的基础上，人们认识到：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，这就是法拉第电磁感应定律(Faraday law of electromagnetic induction)。如果时刻t1穿过闭合电路的磁通量为1，时刻t2穿过闭合电路的磁通量为2，则在时间tt2t1内，磁通量的变化量为21，磁通量的变化率就是。表达式的推导过程：学生参与教师引导学生推导：根据单位运算的法则在国际单位制中推导1 Wb/s1 V。结论：比例系数k1事实陈述：如果闭合电路由n匝线圈串联组成，整个线圈总的感应电动势是单个线圈的n倍，即En。这里要说明，穿过每匝线圈的磁通量的变化率是相同的。结论：法拉第电磁感应定律的数学表达式：En注意：(1)、中的取绝对值，En表示的是感应电动势的大小，不涉及方向。(2)等于t这段时间内，末时刻的磁通量2与初时刻磁通量1的差值，而与这段时间内磁通量是否均匀变化无关。所以，实际上表示t这段时间内磁通量的平均变化率，E是t这段时间内的平均感应电动势，只有t特别小(t趋于0)时，才是瞬时值。当在t时间内，磁通量均匀变化，的瞬时值和平均值相等。课堂训练1用均匀导线做成的正方形线框每边长为0.2 m，正方形的一半放在和纸面垂直，方向向里的匀强磁场中，如图甲所示，当磁场以每秒10 T的变化率增强时，线框中点a、b两点的电势差是()AUab0.1 V BUab0.1 VCUab0.2 V DUab0.2 V讨论与交流：线框中哪一部分导体相当于电源？怎样画出等效电路图？a、b两点电势差是电路中的什么电压？分析和解答：题中正方形线框的左半部分磁通量变化而产生感应电动势，从而在线框中产生感应电流，把左半部分线框看成电源，其电动势为E，内电阻为r/2，画出等效电路如图乙所示，则a、b两点间的电势差即为电源的路端电压，设L是边长，且依题意知B/t10 T/s由E/t得EBS/tBL2/2t10×0.04/20.2(V)所以UabIR×0.1(V)由楞次定律判断a点电势低于b点电势，故Uab0.1 V，即B选项正确。总结与提高：解此类题宜画出等效电路图分析解答。事件4教学任务：区别、与。师生活动：讨论与交流：如何区分上述三个物理量？这三个物理量的关系与我们前面学习的哪个物理量类似？试着用类比的方法来区分这三个物理量。学生分组讨论上述问题，总结结论分组汇报。结论：磁通量是状态量，反映的是某一时刻穿过回路磁通量的大小；是穿过回路磁通量的变化，是过程量，反映的是某一段时间穿过回路磁通量的变化的大小；是穿过回路磁通量的变化率，其数值与及所用时间t都有关系，是t图象上某点切线的斜率。因此，大，不一定大；大，也不一定大，三者没有直接的数量关系。它们是三个不同的物理量，不可混淆。、与三者的关系，可以用v、v与三者的关系来类比。设计意图：根据学生已有的知识利用类比的方法，通过合作、讨论巩固所学知识。力争做到学生自己能解决的问题由学生自主学习解决。课堂训练1法拉第电磁感应定律可以这样表述：闭合电路中感应电动势的大小()A跟穿过这一闭合电路的磁通量成正比B跟穿过这一闭合电路的磁感应强度成正比C跟穿过这一闭合电路的磁通量的变化率成正比D跟穿过这一闭合电路的磁通量的变化量成正比答案：C注意：理解并熟记法拉第电磁感应定律的内容。2将一磁铁缓慢地和迅速地插到闭合线圈中同样位置处，这两个过程中不发生变化的物理量有()A磁通量的变化率 B感应电流的大小C消耗的机械功率 D磁通量的变化量E流过导体横截面的电荷量讨论与交流：插到同样位置，磁通量变化量什么关系？。用时不同，磁通量变化率什么关系？电磁感应中产生的感应电量跟哪些因素有关？分析与解答：插到闭合线圈中同样位置，磁通量的变化量相同；用时不同磁通量的变化率不同，由I感可知，I感不同，消耗的机械功率也不同。流过导体横截面的电荷量qI·t·t·t，因、R相同，所以流过导体横截面的电荷量不发生变化。答案：DE事件5教学任务：推导导线切割磁感线时的感应电动势。师生活动：问题导入：闭合电路的一部分导体在磁场中切割磁感线运动时，引起磁通量变化产生的感应电动势多大？教师设置情境：把矩形线框CDMN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MN的长度为L，它以速度v向右运动，在t时间内，由原来的位置MN移到M1N1，这个过程中产生的感应电动势是多少？学生分组讨论推导：结论：在v、L、B垂直的情况下EBLv。知识拓展：如果导线的运动方向与导线本身是垂直的，但与磁感线方向有一个夹角，产生的感应电动势是多少？教师引导：分解速度或分解磁感应强度。学生分组讨论推导：结论：利用En来研究导体切割磁感线运动，可推导出感应电动势的公式为EBLvsin，注意条件是v与L垂直，其中是B和v的夹角。注意：(1)v为瞬时速度，则求得的E为瞬时电动势，如果v为平均速度，则E为平均电动势。(2)在国际单位制中，上式中B、L、v的单位分别是特斯拉(T)、米(m)、米每秒(m/s)，指 v与B的夹角。(3)当切割磁感线的导体是弯曲的，则应取其与B和v垂直的等效直线长度为L。(4)公式EBLv一般用于导体各部分切割磁感线速度相同的情况，若导体各部分切割磁感线的速度不同，可取其平均速度求电动势，如导体棒在磁场中作圆周运动切割磁感线时，要求出切割磁感线的平均速度。知识运用：【例1】 如下图所示，有一弯成角的光滑金属导轨POQ，水平放置在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向与导轨平面垂直，有一金属棒MN与导轨的OQ边垂直放置，当金属棒从O点开始以加速度a向右匀加速运动t秒时，棒与导轨所构成的回路中的感应电动势是多少？讨论与交流：t秒时回路中感应电动势的值是平均值还是瞬时值？应用法拉第电磁感应定律还是用切割时产生的感应电动势求解？t秒时的有效切割长度是多少？分析与解答：由于导轨的夹角为，开始运动t秒时，金属棒切割磁感线的有效长度为：LStanat2tan据运动学公式，这时金属棒切割磁感线的速度为vat由题意知B、L、v三者互相垂直，有EBLvBat2tan·atBa2t3tan即金属棒运动t秒时，棒与导轨所构成的回路中的感应电动势是EBa2t3tan。总结：求解感应电动势的值时先搞清楚是平均值还是瞬时值。求解感应电动势的平均值用法拉第电磁感应定律或EBLv，v取平均值。求解感应电动势的瞬时值用EBLv，v取瞬时值。事件6教学任务：公式En与EBlvsin的区别与联系。师生讨论、交流之后总结、归纳。结论：(1)研究对象不同。En的研究对象是一个回路，而EBlvsin的研究对象是磁场中运动的一段导体。(2)物理意义不同。En表示的是t时间内的平均感应电动势，当t0时，则E为瞬时感应电动势；而EBLvsin，如果v是某时刻的瞬时速度，则E也是该时刻的瞬时感应电动势；若v为平均速度，则E为平均感应电动势。(3)En表示的电动势是整个回路的感应电动势，而不是回路中某部分导体的电动势。整个回路的电动势为0，其回路中某段导体的感应电动势不一定为0。(4)EBLvsin和En本质上是统一的。前者是后者的一种特殊情况。当导体做切割磁感线运动时，用EBLvsin求E比较方便；当穿过电路的磁通量发生变化时，用En求E比较方便。事件7教学任务：分析反电动势。师生活动：思考与讨论电动机转动时，线圈内是否也会产生感应电动势？在下图中，电源在电动机线圈中产生的电流的方向以及AB、CD两个边受力的方向都已经标出。现在的问题是，既然线圈在磁场中转动，线圈中就会产生感应电动势。感应电动势是加强了电源产生的电流，还是削弱了它？是有利于线圈的转动，还是阻碍了线圈的转动？归纳总结：反电动势的作用：(1)力学作用：由于反电动势产生电流(感应电流)，使得线圈受到与其转动方向相反的安培力，阻碍线圈转动。(2)能量作用：原电流要克服反电动势产生的安培阻力对线圈做功，这个过程使电能转化为机械能。(3)电路作用：反电动势抑制原电流，可以防止线圈中电流过大而烧毁线圈，起到了保护电路的作用。结论：反电动势的作用是阻碍线圈的转动，要使线圈维持原来的转动，电源要向电动机提供能量。这正是电能转化为其他形式能的过程。思维拓展：如果电动机工作中由于阻力过大而停止运动，这时有没有反电动势？这时线圈中的电流怎样？时间长有什么结果？应采取什么措施？课堂巩固与反馈事件8教学任务：形成性测试：学生独立完成。时间：8分钟1一个N匝的圆线圈，放在磁感应强度为B的匀强磁场中，线圈平面跟磁感应强度方向成30°角，磁感应强度随时间均匀变化，线圈导线规格不变。下列方法中可使线圈中感应电流增加一倍的是()A将线圈匝数增加一倍 B将线圈面积增加一倍C将线圈半径增加一倍 D适当改变线圈的取向2如图所示，一段直导线ab放在匀强磁场中，导线长为20 cm，磁感应强度为0.50 T，导线以方向和导线垂直、大小为5.0 m/s的速度做切割磁感线运动时，a、b两端_端电势较高，电势差为_；如果将导线在纸面内转过30°角，保持速度的大小不变，方向仍跟导线垂直，做切割磁感线运动，ab两端的电势差为_。3如图所示，导线环面积为10 cm2，环中接入一个电容器，C10F，线圈放在均匀变化的磁场中，磁感线垂直线圈平面，若磁感应强度以0.01 T/s的速度均匀减小，则电容器极板所带电荷量为_，其中带正电荷的是_板。4如图所示，面积为0.2 m2的100匝线圈处在匀强磁场中，磁场方向垂直于线圈平面，已知磁感应强度随时间变化的规律为B(20.2 t)T，定值电阻R16 ，线圈电阻R24 ，求：(1)磁通量变化率，回路的感应电动势；(2)a、b两点间电压Uab。答案：1.CD2.a0.5 V0.5 V3.1010 Ca4.(1)0.04 Wb4 V(2)2.4 V课堂小结事件9教学任务：引导学生从知识、方法、情感三个方面小结本节课的学习活动。本节教材讲述了感应电动势的概念，通过对实验的定性分析，得出感应电动势的大小跟哪些因素有关系，最后给出了计算感应电动势大小的公式：在讲授这节教材时，要注意概念、定律的建立过程，使学生知其所以然，防止学生死记几条干巴巴的结论。3法拉第电磁感应定律(多媒体课件展示)一、感应电动势1定义：在电磁感应现象中产生的电动势。2等效电源：发生电磁感应的部分等效为电源。二、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，这就是法拉第电磁感应定律。2表达式：Ek3多匝线圈：En4单位：伏特(V)1 V1 Wb/s5磁通量、磁通量的变化量、磁通量的变化率(/t)的意义。三、导体棒切割磁感线产生的感应电动势：EBLv，L指有效切割长度导体棒切割方向与磁场方向成角时：EBLvsin注意：公式En/t与EBLvsin的区别与联系。(1)研究对象不同(2)物理意义不同(3)En/t求得的电动势是整个回路的感应电动势，而不是回路中某部分导体的电动势。整个回路的电动势为零，其回路中某段导体的感应电动势不一定为零。(4)EBLvsin和En/t本质上是统一的。前者是后者的一种特殊情况。四、反电动势1定义：电动机转动时，线圈中产生的感应电动势总是削弱电源的电动势，这个感应电动势就成为反电动势。2作用：(1)力学作用(2)能量作用(3)电路作用做一做观察电动机启动过程中电流的变化如下图，将玩具电动机通过开关、电流表接到电池上。闭合开关S，观察电动机启动过程中电流表读数的变化。怎样解释电流的这种变化？在电动机上加一定的负载，例如用手轻触转子的轴，观察电流表读数的变化并作出解释。电动机启动时的电流与正常工作时的电流不同，有负载时与空载时的电流不同。这在技术上会引起什么问题？如果有问题，应该沿什么途径解决？本节课学习的法拉第电磁感应定律是电磁感应现象的重要规律之一，在知识上起到承上启下的作用，既是对电磁感应现象的进一步研究，又是学习后面几节课的理论依据，对后续的学习具有重要的影响。在教学中，引领学生亲自实践参与发现知识的过程，激起学生对所研究问题的浓厚兴趣，是本节教学的根本出发点。引导学生积极思考，通过探究解决问题提高能力是本节课的目的。为达到上述目的，教学设计中让学生尽量多地参与到课堂活动中来，充分调动学生的眼、耳、口、手、脑等感官。灵活组合自主、探究、合作的学习方式。以丰富多彩的探究实验、课件、多层次的设问辅助教学。在趣味学习活动中穿插课堂训练和检测，贯彻了快乐学习的理念。