“法拉第电磁感应定律”探究式教学设计

谭松文

谭松文

摘要：本文为“法拉第电磁感应定律”一节的教学设计，该教学设计旨在教给学生科学思维的方法，激发学生的探究意识，培养学生的创新能力。

关键词：法拉第电磁感应定律；探究式教学；教学设计

作者简介：谭松文，任教于广西合浦县西场中学。

本节课中的现象及规律是高中物理中的重要内容，让学生在复习电生磁的规律及磁通量的概念基础上，创设、模拟、再现了类似科学探索研究的情境、途径和过程，使学生身临其境，采用“设问——实验——归纳——验证”的科学研究方法，主动探索、研究和获取知识，体验科学探索研究中的艰辛和快乐。教学设计重在电磁感应定律的探索过程，教给学生科学思维的方法，激发学生的探究意识，培养学生的创新能力。

一、复习旧知识，引入课题

1.复习提问

电流能产生磁场是谁先发现的？磁场强弱与电流有何关系？

什么叫做磁通量？大小与什么有关？

什么叫电动势？电动势表征什么物理现象？

2.启发设问

电流通过导体时，导体中就有定向移动的电荷，导体周围就存在磁场。磁体周围也存在磁场，如何使磁场产生电流？磁场产生的电动势与哪些因素有关？

3.引导想象

导线通过电流能产生磁场，将闭合导线放入磁场中是否得到电流？将带有电流表的闭合线圈分别放入永磁体周围和电流产生的磁场中，看看怎么样使电流表有读数？

二、实验探索，寻找规律

法拉第于1831年就发现电磁感应定律，为社会进入电器化时代做出了巨大贡献。法拉第是怎样发现这一伟大定律的？现在我们用以下实验探索这一规律，每四人一组，组内分工合作，两人动手做实验，两人做记录。

1.闭合导线在永磁体周围，如图1所示，①磁铁和导体AB都不动；②磁铁不动，AB以同一速率向上下左右运动。③AB不动，磁铁以同一速率向上下左右运动。④磁铁不动，AB以不同的速率向上下左右运动。⑤磁铁不动，AB以同一速率与磁场成不同的夹角运动。

观察电流表有无读数，读数大还是小，并列表记录好。

2.如图2所示，①线圈不动，磁铁以同一速率上下插入线圈中。②磁铁不动，线圈以同一速率上下套入磁铁。③线圈不动，磁铁在线圈周围远离靠近线圈。④线圈不动，磁铁水平放置在线圈周围远离靠近线圈。⑤线圈不动，磁铁以不同的速率上下插入线圈中。同样是观察电流表有无读数，读数大还是小，并列表记录好。

3.如图3所示，(一)B线圈不动，A线圈放在B线圈中。①合上开关K，断开开关K；②K保持闭合，将滑动变阻器的动触片左右滑动；③K保持闭合，将A慢慢拉出和插入B中；④K保持闭合，将A快速拉出和插入B中；⑤K保持闭合，A在B中保持不动；⑥K保持闭合，快速滑动R的触片；(二)①换一个线圈匝数相同，横截面积大些的B线圈，将A放在B中，再合上和断开开关K；②换一个与B线圈横截面积相同，线圈的匝数多一些的线圈B，将A放入B中，再合上和断开开关K。

三、分析归纳，数学推导

实验做完后，由各组派代表总发言：三个实验中各有哪几种过程能使电流表有读数？有几种没读数？其中哪几种读数较大？原因如何？

经实验得出电流表有读数的是：实验1中的②③④⑤步骤中的左右运动；实验2的①②③⑤步骤；实验3中的①②③④步骤；原因是穿过与电流表组成的闭合电路的磁通量发生变化。电流表没有读数的是：实验1中的①步骤，②③④⑤中的上下运动；实验2中的④步骤；实验3中的㈠、⑤步骤；原因是穿过与电流表组成的闭合电路的磁通量不发生变化。电流表的读数较大的是：实验1中的④步骤快速左右运动；速实验2中⑤步骤磁铁快速上下插入线圈内；实验3中的(一)④⑥步骤；原因是穿过与电流表组成的闭合电路的磁通量变化快。(二)中的②步骤；原因是线圈匝数增大了。

再提问各组同学，如何知道电流表和线圈B组成的闭合电路中，产生的感应电动势的大小？老师可提示引导启发：由闭合电路欧姆定律I＝，I由ε决定，即线圈B中的电动势ε为零时电流表无读数，ε不为零时有读数，ε大时读数大。所以线圈B中的感应电动势大小可从电流表看出来。

再提问各组同学，从以上实验中找出线圈B中的感应电动势大小与哪些因素有关？引导启发：从电流表读数大的几种过程归纳出，实验1中的④步骤快速左右运动，是磁场大小不变，导线和电流表组成的回路面积快速改变，即磁通量φ＝BS快速改变。实验2中⑤步骤磁铁快速上下插入线圈B内，是线圈B的面积不变，穿过B的磁场大小快速变化，由φ＝BS知，穿过B的磁通量变化快。实验3中的(一)④⑥步骤，④步骤与实验2中⑤步骤相同，⑥步骤中的滑动变阻器的滑片快速滑动，引起闭合电路中的电阻快速变化使得电路中的电流大小跟着快速变化，而引起线圈A中的磁场大小变化快，即也是穿过线圈B中的磁通量变化快。

再提问各组同学：如何用数学表达线圈B中产生的电动势大小？

启发引导：由上述分析知，穿过线圈B中的磁通量变化快，电动势就大，即有ε∝Δφ／Δt；

再提问：实验3中的㈡、②步骤增多线圈的匝数n电动势为什么也增大？启发引导：合上开关的时间不变，即得B线圈中的磁通量变化快慢一定，每匝线圈产生的电动势一定，匝数n增多则总的电动势增大。而实验3(二)①中只增大B的截面积匝数n不变，穿过B线圈中的磁通量变化快慢不变，得线圈B中的感应电动势与B的截面积无关。即有ε∝nΔφ／Δt。当ε、Δφ、Δt的单位分别取伏特、韦伯、秒时，有ε＝n……①。①式即是法拉第电磁感应定律。由①式说明闭合电路中产生的感应电动势的大小与穿过回路的磁通量变化率成正比，还与线圈的匝数n成正比。

四、实验验证

1.实验1中导线不动，将磁铁左右快速移动。2.实验2中磁铁不动，将线圈快速上下套入磁铁。3.实验3中，将R置于较小位置，开关K闭合，将A线圈快速上下插入B线圈中。三种情况都是使穿过线圈B的磁通量变化快。看电流表中的读数是否增大。从而验证感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比。4.在实验2中改换匝数少一些的线圈B，再以相同的速率插入磁铁，看电流表中的读数是否小了。又验证了感应电动势的大小与线圈的匝数成正比。

五、总结规律

物理定律的发现过程是：

提出问题→分析理解问题→设计实验→实验操作→记录实验结果→分析实验结果→寻找规律→用数学描述规律。由ε＝n和图4可推导出局部感应电动势的表达式：ε＝BLV；再引导学生讨论以上得到的两条感应电动势公式，得出电磁感应定律的完整的表术方法：不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，电路就有环路感应电流产生。当磁通量不变时没有环路电流，但可能有局部感应电流。因磁通量发生变化而产生的环路感应电动势的大小与磁通量变化率成正比，即ε环＝n，当磁通量不变时，ε环＝0，但可能存在局部感应电动势，其大小由ε＝BLV给出。

六、用规律解决实际问题

例一，如图5是高频焊接原理示意图。线圈中通以高频交流电时，待焊接的金属工件中就产生感应电流。由于焊接处的接触电阻很大，放出的焦耳热很大，致使温度升得很高，将金属熔化，焊接在一起。如图4中要提高焊接缝处的温度，能采取哪些措施？

分析解答：要提高焊接缝处的温度，必须使待焊接工件单位时间内产生的热量多，即电热功率大。由电功率公式P＝知，需工件内的感应电动势增大。再由法拉第电磁感应定律ε＝n＝n得。①可增大交流电的电流强度，以增大穿过工件的磁场；②可增大电源的频率，使穿过工件的磁通量改变快。

例二，如图6所示，n匝矩形线圈abcd在匀强磁场中以oo’为轴匀速转动，求线圈在如图位置开始转过30°产生的平均感应电动势与从60°转到90°产生的平均感应电动势之比是多少？

分析解答：设线圈面积为S，转动周期为T，磁感应强度为B，则从开始位置转过30°的变化面积为ΔS1＝Ssin30°-0=；产生的平均感应电动势为ε1=n=n；从60°转到90°变化的面积为ΔS2＝S-Ssin60°=(2-)S／2；产生的平均感应电动势为ε2＝(2-)nSB／24T；得ε1：ε2=1：(2－)，即线圈在如图位置开始到转过90°(T/4)过程中感应电动势逐渐变小。

作者单位：广西合浦县西场中学

邮政编码：536000

InquiryTeachingDesignforFaraday’sElectromagneticInductionLaw

TANSongwen

Abstract：Thispaperisateachingdesignforfaraday’selectromagneticinductionlaw,anditaimsatteachingstudentsscientificthinkingmethods,motivatingstudents’inquiryawarenessandcultivatingstudents’innovativeability.

Keywords:faraday’selectromagneticinductionlaw;inquiryteaching;teachingdesign