人教版(新教材)高中物理選擇性必修2教學(xué)設(shè)計(jì)4：2 2 法拉第電磁感應(yīng)定律教案

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊PAGEPAGE12.2法拉第電磁感應(yīng)定律〖教材分析〗法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁感應(yīng)這章節(jié)的核心內(nèi)容。從知識(shí)延伸拓展上看，它與電磁場和穩(wěn)定電流有緊密聯(lián)系，又是下一章交變電流的基礎(chǔ)。它既是本章的教學(xué)重點(diǎn)，也是教學(xué)難點(diǎn)。在以前我們已經(jīng)學(xué)習(xí)并掌握了恒定電流、感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件、電源電動(dòng)勢和磁通量的相關(guān)知識(shí)，已經(jīng)構(gòu)建起變化量和變化率的概念。學(xué)生學(xué)習(xí)起來困難不大?！冀虒W(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)〗物理觀念：知道感應(yīng)電動(dòng)勢的概念，體會(huì)物理觀念的生成過程?？茖W(xué)思維：通過實(shí)驗(yàn)理解法拉第電磁感應(yīng)定律及數(shù)學(xué)表達(dá)式，體會(huì)物理模型建立及物理方法在物理規(guī)律形成中的作用?？茖W(xué)探究：經(jīng)歷分析推理得出法拉第電磁感應(yīng)定律的過程，體會(huì)用變化率定義物理量的方法?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：感受科學(xué)家對(duì)規(guī)律的研究過程，學(xué)習(xí)他們對(duì)工作嚴(yán)肅認(rèn)真不怕困難的科學(xué)態(tài)度?！冀虒W(xué)重難點(diǎn)〗教學(xué)重點(diǎn)：法拉第電磁感應(yīng)定律。教學(xué)難點(diǎn)：平均電動(dòng)勢與瞬時(shí)電動(dòng)勢的區(qū)別?！冀虒W(xué)準(zhǔn)備〗多媒體課件、發(fā)電機(jī)、學(xué)生電源、開關(guān)、線圈、條形磁鐵等。〖教學(xué)過程〗一、新課引入穿過閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化，閉合導(dǎo)體回路中就有感應(yīng)電流。感應(yīng)電流的大小跟哪些因素有關(guān)？實(shí)驗(yàn)演示：導(dǎo)體棒切割磁感線的過程。二、新課教學(xué)問題：感應(yīng)電流的大小跟哪些因素有關(guān)？實(shí)驗(yàn)演示實(shí)驗(yàn)一：導(dǎo)體棒切割磁感線。用金屬棒切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流，但是當(dāng)金屬棒運(yùn)動(dòng)速度越快時(shí)，電流表指針偏轉(zhuǎn)越大，越慢時(shí)電流表指針偏轉(zhuǎn)越小，看來感應(yīng)電流的大小與金屬棒的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)二：把條形磁體往下插入線圈。當(dāng)插入速度很快時(shí)，電流表指針偏轉(zhuǎn)大；當(dāng)能插入速度很慢時(shí)，電流表指針偏轉(zhuǎn)小?？磥砀袘?yīng)電流的大小和插入磁鐵的快慢有關(guān)。實(shí)驗(yàn)分析：上述兩個(gè)個(gè)實(shí)驗(yàn)中，插入磁鐵越快，會(huì)導(dǎo)致線圈中的磁場變化越快，那穿過線圈的磁通量變化也越快。同樣的金屬棒運(yùn)動(dòng)越快回路中面積變化就越快，穿過回路的磁通量變化也越快。在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都說明，當(dāng)穿過閉合回路的磁通量變化越快時(shí)，回路中的感應(yīng)電流就越大，而在回路中電阻一定的情況下，感應(yīng)電流的大小可能與磁通量變化的快慢有關(guān)，而磁通量變化的快慢就是磁通量的變化率。也就是說，感應(yīng)電流的大小與磁通量的變化率有關(guān)。通過下面的做一做來驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論。做一做線圈的兩端與電壓表相連。將強(qiáng)磁體從長玻璃管上端由靜止下落，穿過線圈。分別使線圈距離上管口20cm、30cm、40cm和50cm,記錄電壓表的示數(shù)以及發(fā)生的現(xiàn)象。分別改變線圈的匝數(shù)、磁體的強(qiáng)度，重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)，得出定性的結(jié)論。結(jié)論：感應(yīng)電流的大小跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比。（一）電磁感應(yīng)定律在閉合回路中要有電流通過，那這個(gè)電路一定有電源。在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，閉合回路里有感應(yīng)電流，那自然也一定有電動(dòng)勢，這個(gè)電動(dòng)勢是在電磁感應(yīng)中產(chǎn)生，被稱為感應(yīng)電動(dòng)勢，而產(chǎn)生他的那部分導(dǎo)體就相當(dāng)于電源。所以產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢為電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)。在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中可以沒有感應(yīng)電流，但一定會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢，實(shí)際上是先有感應(yīng)電動(dòng)勢，然后看電路閉合情況才決定有沒有電流。兩者的關(guān)系滿足閉合電路歐姆定律，即I＝eq\f(E,R)。前面說了感應(yīng)電流的大小與磁通量的變化率有關(guān)。所以閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小也跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比。這就是著名的法拉第電磁感應(yīng)定律。用磁通量的變化量除以變化的時(shí)間就是它的變化率。E＝keq\f(ΔΦ,Δt)這個(gè)式子就表示E與磁通量的變化率成正比。這個(gè)k就是比例常量，通過大量的實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)k就等于1。所以電磁感應(yīng)定律也可以寫成這樣E＝eq\f(ΔΦ,Δt)（單匝線圈）E＝neq\f(ΔΦ,Δt)（n匝線圈）我們知道磁通量Φ=BS，那么磁通量的變化就可以是磁場變化、正對(duì)面積變化、兩者同時(shí)變化引起的。所以上述表達(dá)式又可以延伸為：①磁通量的變化是由磁場變化引起時(shí)，ΔΦ＝ΔB·S，則E＝nSeq\f(ΔB,Δt)。②磁通量的變化是由面積變化引起時(shí)，ΔΦ＝B·ΔS，則E＝nBeq\f(ΔS,Δt)。③如果磁通量的變化是由面積和磁場變化共同引起時(shí)，則根據(jù)定義求，ΔΦ＝Φ末－Φ初，有E＝neq\f(B2S2－B1S1,Δt)。（二）導(dǎo)線切割磁感線時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢前面我們已經(jīng)學(xué)過導(dǎo)線切割磁感線，磁通量會(huì)變化便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，并且可以用E＝eq\f(ΔΦ,Δt)這個(gè)公式來算出感應(yīng)電動(dòng)勢?，F(xiàn)在咱們來研究它另一種更常用的算法。比如這個(gè)金屬幫在勻強(qiáng)磁場中，導(dǎo)軌之間的這一段長度是L，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度是B，當(dāng)金屬棒以速度v切割磁感線，你知道產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢是多少嗎？用E＝eq\f(ΔΦ,Δt)這個(gè)式子來算感應(yīng)電動(dòng)勢，咱就得找到eq\f(ΔΦ,Δt)的比值，先說ΔΦ，他等于磁感應(yīng)強(qiáng)度乘以面積的變化量，即ΔΦ=B·ΔS…………①接下來重點(diǎn)算一下ΔS，假設(shè)金屬棒從MN到M1N1運(yùn)動(dòng)的時(shí)間是Δt，在這段時(shí)間里，他運(yùn)動(dòng)了這段距離就是v·Δt，而金屬棒在導(dǎo)軌之間的這一段長度是L，所以用長乘以寬就是這段時(shí)間內(nèi)面積的變化量，即ΔS=Lv·Δt…………②把②帶進(jìn)①這個(gè)公式得ΔΦ=B·Lv·Δt…………③接著把③帶回E＝eq\f(ΔΦ,Δt)這個(gè)公式得E＝eq\f(ΔΦ,Δt)＝eq\f(B·Lv·Δt,Δt)，上下約去Δt就得到了E=BLv這就是感應(yīng)電動(dòng)勢的另一種算法。其中B是磁感應(yīng)強(qiáng)度，L是切割磁感線的導(dǎo)線長度，v是導(dǎo)體相對(duì)于磁場的運(yùn)動(dòng)速度。在剛才的推導(dǎo)中，磁場是勻強(qiáng)磁場，并且磁場的方向，導(dǎo)體棒放置的方向和導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)方向，三者是相互垂直的。所以這個(gè)公式要成立，有兩個(gè)條件必須滿足。第一，B是勻強(qiáng)磁場，第二，B、L、v相互垂直。問題1：要是B、v不垂直怎么計(jì)算呢？1.導(dǎo)體斜割磁感線比如磁場是這樣的豎直向下，導(dǎo)體棒為L垂直于紙面這樣放置，斜向下運(yùn)動(dòng)。它與磁場的夾角是θ，此時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢又是多少呢？你已經(jīng)學(xué)過只有導(dǎo)體切割磁感線時(shí)才會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。若把這個(gè)速度分解成這兩個(gè)方向的分量：垂直于磁感線的分量v1=vsinθ；平行于磁感線的分量v2=vcosθ。你會(huì)發(fā)現(xiàn)只有在這個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)才會(huì)切割磁感線，也就才會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，所以在計(jì)算電動(dòng)勢時(shí)，速度v得代入它在水平方向的分量E=BLvsinθ當(dāng)θ=0°時(shí)，v與B平行，不切割磁感線，所以E＝0。當(dāng)θ=90°時(shí)，v與B垂直，切割磁感線，所以E＝BLv。能夠和前面的很好對(duì)應(yīng)，大家使用這個(gè)公式時(shí)一定要注意角度的問題。問題2：要是L、v不垂直又該如何求感應(yīng)電動(dòng)勢呢？2.L為有效切割長度方法：要找切割磁感線的分速度，把速度分解成平行于導(dǎo)線的分量和垂直于導(dǎo)線的分量。顯然只有垂直于導(dǎo)線的分量才會(huì)切割磁感線，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。所以感應(yīng)電動(dòng)勢E=BLvsinθ這個(gè)式子也可以寫成這樣E=BvLsinθ，這個(gè)Lsinθ在圖中來看就是這一段長度，也就是導(dǎo)線垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的投影。即有效切割長度，為導(dǎo)線垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的投影。以后如發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體與磁場垂直,但是卻和運(yùn)動(dòng)方向有夾角時(shí),就用有效切割長度來算感應(yīng)電動(dòng)勢。例如：這個(gè)導(dǎo)線，現(xiàn)在分為兩段，所以我們分兩段找它們在速度方向的投影。圓弧切割產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢時(shí)，你就可以用連接圓弧首尾的線段來代替，也是投影。3.兩個(gè)公式的比較E＝neq\f(ΔΦ,Δt)E＝BLv適用范圍普遍適用磁場變化：E＝nSeq\f(ΔB,Δt)面積變化：E＝nBeq\f(ΔS,Δt)S：線圈內(nèi)部磁場的面積導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)相互垂直研究對(duì)象回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢某部分導(dǎo)體電動(dòng)勢物理意義Δt：某一段時(shí)間平均感應(yīng)電動(dòng)勢v：瞬時(shí)速度瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢當(dāng)然這也不完全絕對(duì)，若這個(gè)Δt趨近于零，E＝neq\f(ΔΦ,Δt)這個(gè)公式算出的也是瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢。若這個(gè)v是平均速度，那這個(gè)公式算出的就是平均感應(yīng)電動(dòng)勢。問題3：既然導(dǎo)體棒切割磁感線會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生，那么誰提供非靜電力呢？思考與討論如圖，導(dǎo)體棒CD在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動(dòng)。自由電荷會(huì)隨著導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)，并因此受到洛倫茲力。導(dǎo)體棒中自由電荷相對(duì)于紙面的運(yùn)動(dòng)大致沿什么方向?為了方便，可以認(rèn)為導(dǎo)體棒中的自由電荷是正電荷。導(dǎo)體棒一直運(yùn)動(dòng)下去，自由電荷是否總會(huì)沿著導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)?為什么?導(dǎo)體棒哪端的電勢比較高?以上討論不必考慮自由電荷的熱運(yùn)動(dòng)。分析：當(dāng)金屬棒往右運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些正負(fù)電荷也往右運(yùn)動(dòng)，所以在其電荷在磁場中就會(huì)受到洛倫茲力的作用。根據(jù)左手定則，正電荷受向上的洛倫茲力，負(fù)電荷手向下的洛倫茲力。當(dāng)然，題目說了自由電荷是正電荷，所以只有正電荷自由移動(dòng)到金屬棒上端，下端因?yàn)槭フ姾啥鴰ж?fù)電，在正電荷移動(dòng)過程中形成電流，和右手定則的判定的方向也是一致的。隨著金屬棒的運(yùn)動(dòng)下面會(huì)帶負(fù)電，上面帶正電，這樣在金屬棒內(nèi)部就會(huì)建立一個(gè)電場，所以運(yùn)動(dòng)的電子除了要受洛倫茲力以外，還會(huì)再受到一個(gè)電場力，直到洛倫茲力和電場力平衡為止。自由電荷就不再移動(dòng)了。C端因?yàn)榫奂写罅康恼姾桑噪妱莞?，把?dǎo)體棒看成一個(gè)電源，它就相當(dāng)于電源的正極。動(dòng)態(tài)圖展示：導(dǎo)體棒切割磁感線的微觀過程。4.動(dòng)生電動(dòng)勢①由于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的電動(dòng)勢叫動(dòng)生電動(dòng)勢②非靜電力是洛倫茲力提供③導(dǎo)體棒就相當(dāng)于與電源④導(dǎo)體棒還會(huì)受到安培力的作用〖板書設(shè)計(jì)〗2.2法拉第電磁感應(yīng)定律1.電磁感應(yīng)定律閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小也跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比。E＝eq\f(ΔΦ,Δt)①磁場