高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册第二章 电磁感应综合与测试教学设计

课程基本信息

课题

电磁感应复习

教学目标

【教学目标】

1.梳理电磁感应的知识，构建本章的知识网络，促进知识的理解；

2.挖掘隐藏在知识背后的科学思维和方法，促进学生的科学思维的发展；

3.通过具体问题的解决，体会本章中体现的物理观念。

【教学重点】知识的关联与整合

【教学难点】研究的思路与方法、物理观念的体会

教学过程

教学环节

主要教学活动

设置意图

引入

同学们，大家好！上节课我们已经完成了《电磁感应》这一章的学习，今天我们对这一部分知识进行复习。复习课，我们还是从以下三方面展开：

一、对本章的知识进行梳理与整合

二、了解物理学科的核心素养在本章中的体现

三、在具体的情境中，对知识和方法进行应用与体会。

电磁感应现象，在《必修三》已经进行了学习，通过实验总结出“感应电流产生的条件”。这一章，是进一步研究电磁感应的规律。

第1节楞次定律，学习了感应电流方向判断的方法；第2节“法拉第电磁感应定律”，研究的是感应电动势大小的决定因素。从感应电流深入到感应电动势，这是知识上的一个进阶。第3节、第4节给大家展示的，是一些具体的电磁感应现象及应用；同时，还介绍了产生感应电动势的本质。这是从更高的层次认识电磁感应现象。

环节二：

知识的梳理与整合

    这一章涉及的知识点比较综合，我们需要先来梳理一下知识点之间的联系。

一、知识的梳理与整合

1.1梳理基本知识

电磁感应现象分为两类情况，对应的是这两个实验。通过对实验现象的总结，可以得出感应电流产生的条件是：闭合回路中的磁通量发生变化。而回路中的感应电流，是由电路中的感应电动势产生的。法拉第电磁感应定律指出：感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量变化率成正比，E感= 。闭合回路中感应电流的方向，可以用楞次定律进行判断。导体棒切割磁感线的感应电动势大小，通过推导可知E感=Blv⊥，其方向可以直接用右手定则来判断。

下面我们来看一个实验：同学们注意观察，线框在穿过匀强磁场的过程中，产生的感应电流的情况。

从实验中可以看到：线框在进、出磁场时，会有感应电流产生；在匀强磁场中间运动时，没有感应电流。

这个现象比较容易解释：线框在进、出磁场时，磁通量发生变化，所以线框中会产生感应电流；但在匀强磁场中间运动时，磁通量不变，自然没有感应电流产生。

【问题】那么，感应电动势是否也是这样的规律呢？我们需要用实验来进行验证，但不能用电压表进行验证，因为“电压表其实是用小量程的电流表改装而成的”，它们的工作原理都是靠电流在磁场中受力而偏转的。这里，我们借助“示波器”来进行说明，示波器是利用电场使电子偏转的。将示波器接到线框中的a、b两点，两点间如果有电势差，就会使电子发生偏转，打在屏幕上的亮点会发生移动。因而，可以通过屏幕上亮点的移动，来反映感应电动势的产生情况。

下面我们来看一下实验现象：

可以看到：线框在匀强磁场中间运动时，上下两点间是存在电动势的。这是什么原因呢？我们需要从感应电动势的本质说起！

1.2 感应电动势的本质

（1）动生电动势

当导体棒 CD 在匀强磁场中运动时，自由电子会随着导体棒运动，在沿棒的方向上，电子会受到一个F洛（分力）。从而会使电子沿导体棒定向移动，电子在棒的两端堆积、形成电势差。所以，导体棒切割磁感线产生的动生电动势，其本质是洛伦兹力沿棒方向的分力做功产生的。

（2）感生电动势

麦克斯韦提出：变化的磁场会在空间中激发一种电场，导体中的自由电荷会在感生电场力的作用下定向移动，产生感应电流和感应电动势。

也就是说，感生电动势的本质，是感生电场力移动电荷做功产生的。

所以两种感应电动势的本质是不同的：①由于磁场发生变化而产生的感生电动势，其非静电力是感生电场力；涡流、互感和自感，从本质上都是感生电场力作用的结果。②导体棒切割磁感线产生的动生电动势，其非静电力是洛伦兹力沿棒方向的分力。

了解了感应电动势的本质，我们就可以解释刚才的实验现象了。

当线框在匀强磁场中间运动时，左右两个导体棒都在切割磁感线、都会有动生电动势产生；利于右手定则，可以判断出它们的方向。我们看到：这两个电动势大小相等、方向相反、相互抵消，所以虽然有感应电动势存在，但回路中的感应电流为零。

在复习梳理本章知识的基础上，将已经学过的知识进行关联整合，形成知识结构。

环节三

了解物理学科的核心素养在本章中的体现 

二、物理学科的核心素养在本章中的体现

1．物理观念：

首先，楞次定律在内容中指出：感应电流的磁场，总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。而这种描述，在物理观念上，已经把“运动和相互作用观”，由实物扩展到场了。

通过对具体的实例研究，可以发现：‘阻碍’作用的结果，是把其他形式的能量转化为感应电流的电能。所以楞次定律的意义，更在于它体现了能量的转化与守恒的思想。

另外，动生电动势和感生电动势的产生，都可以从微观的角度进行了解释。这也展现了宏观世界与微观世界的一种“因果观”：在宏观的表现背后，一定存在其微观的内在原因。

而且，在解释感生电动势的本质时，麦克斯韦提出了“变化的磁场产生电场”的理论，鲜明地显示了磁场与电场之间的联系，帮我们进一步完善“物质观”中对场的认识。

2、科学探究

“楞次定律”的得出，就经历了一系列的探究过程：在发现电磁感应现象之后，先提出问题——感应电流的方向与哪些因素有关？；然后根据感应电流产生的条件，设计实验，并进行实验探究；最后把全部情况进行归纳，得出“判断感应电流方向”的规律。

而“通过归纳、得出结论”的过程，其实也是一种科学思维的体现。

3、科学思维

（1）归纳推理，就是从一类事物部分对象所具有的某种属性出发，推理出这类事物所有对象具有的共同属性；也就是，由具体结论推理出一般规律的方法。  

（2）类推思想

法拉第最早发现电磁感应现象，是借助绕在铁环上的两个线圈，在通、断电的瞬间发现的。于是，他敏锐的意识到：“磁生电”是一种在变化和运动的过程中才出现的效应。然后他又设计并动手做了几十个实验，使深藏不露的各种“磁生电”的现象显现而出。这里面，也彰显了 “类推思想”的强大作用。

（3）模型构建

另外，在电磁感应现象的应用过程中，还需要有模型建构的能力。

涡流现象——外接的交流电是为了产生变化的磁场，金属块内需要构建无数个闭合回路，从而产生出‘漩涡状’的感生电流，称之为涡流。

电磁流量计的工作原理是——当管中的导电液体流过磁场时，相当于无数多的导体棒向左切割磁感线，建起动生电动势的模型，就很容易确定出：管壁上MN两点间电势差的大小为Bdv。

落磁实验中——需要分别在磁铁上部和下部的铝管上，构建出无数个闭合回路，建立感生电动势模型，进行分析。

4、科学态度与责任

法拉第从萌生“由磁产生电”的设想，到发现电磁感应现象，中间进行了长达10年的探索，他经历过一次次失败。最终，是他对科学的热爱以及对科学研究持之以恒、坚韧不拔的态度使他获得成功。这些科学精神，更是值得我们去学习的。

后来，人们利用电磁感应原理制造的发电机，使人类获取了巨大而廉价的电能，为电气化奠定了基础。而电磁感应原理在电子技术、电磁测量、自动化技术等领域都有广泛的应用，这也充分体现出了科学发现的价值和意义。

梳理隐藏在知识背后的物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与价值观。

环节四

应用与体会

三、应用与体会  

下面我们用这章学到的知识，来解决两个问题。

1、运动与相互作用观、能量观

例1．在竖直向下的匀强磁场B中，水平放置的两根光滑金属导轨左端，接一理想电流计，导轨电阻不计。一质量为m、电阻为r的导体棒NM垂直放在导轨上。现给导体棒一向右的初速度v，请分析棒此后的运动情况、画出其v-t图，并求出导体棒上产生的焦耳热。

①       分析运动、画v-t图；

从图中可以看到：导体棒NM切割磁感线，产生感应电动势，充当了回路中的“电源”，利用右手定则可以知道电动势方向向上，其大小为E感=Blv。回路中将会产生逆时针的感应电流，其大小为I=E感/r，而电流在磁场中会受到安培力，大小为F安=BIl，根据左手定则可知安培力方向水平向左，阻碍导体棒运动，我们称之为“电磁阻尼”。

   所以，棒的速度会减小，E感和I感会减小，导致F安会随之减小。根据牛顿第二定律可知，安培力会产生加速度F安=ma。F安减小、棒的加速度会不断减小，所以棒做的是加速度减小的减速运动，其v-t图如图所示。

   对于导体棒受力和运动情况的分析，体现出的是物理中的“运动与相互作用观”。

②求棒上产生的焦耳热。

   提到焦耳热，有同学会马上想到焦耳定律Q=I2rt。那焦耳定律用在这里适合吗？通过初中学习，我们知道：焦耳定律适用的是稳恒电流，而此回路中的电流是逐渐减小的。所以，不能用焦耳定律进行求解。

那还有什么手段，可以获悉这份能量的大小呢？有同学可能想到了——可以从能量的角度进行分析：整个过程只有导体棒的动能减少了，依据“能量守恒定律”可以判断：电磁感应产生的电能，是来自于导体棒的机械能。即Q=mv2/2-0。这里也是启发我们：要学会从多个角度分析问题，要有能量守恒的观念。

【拓展】我们知道，洛伦兹力对运动电荷不做功。那么电磁阻尼现象中，导体棒中的自由电荷所受洛伦兹力，是如何在能量转化过程中起作用的呢？

解析：导体棒内的自由电荷是电子，由于电子随导体棒向右运动，它将受到一个洛伦兹力f1，根据左手定则可知f1方向沿棒向下，大小为f1＝evB。f1推动电子定向移动形成电流，设电子沿棒方向定向移动的速率为u，Δt时间f1做的功为W1＝evB· uΔt。

当电子沿棒以u运动时，它还会受到一个垂直于棒方向的洛伦兹力：根据左手定则可知f2方向水平向左，大小为f2=euB，Δt时间f2做的功为W2＝－euB· vΔt

可以看出：洛伦兹力的两个分力都在做功，且做的功W1＝－W2，总功为零，即每个电子所受的洛伦兹力做功为零。

从能量角度看，f1是产生感应电流的非静电力，宏观上表现为“产生电能”；棒内所有电子所受的f2累积，宏观上表现为导体棒所受的安培阻力，安培阻力做负功，消耗导体棒的机械能。

W1＝－W2，说明在电磁阻尼现象中，洛伦兹力通过两个分力做功，将导体棒的机械能转化为电磁感应中产生的电能，起到“传递”能量的作用。这就是前面提到的能量守恒的观念，同时也从微观的角度找到了电磁阻尼产生的原因。

2、运动与相互作用观

例2．麦克斯韦经典电磁场理论指出：除静止电荷产生的静电场外，变化的磁场还会产生感生电场。请分析：静电场和感生电场的相似之处、以及二者的区别。

   这是两个静电场和感生电场的分布图，图中电场线定性描述了空间中的电场分布。可以看出，两个电场都有电场强度，在电场中放入电荷，都会有力的作用。电子感应加速器，就是利用感生电场力来加速电子的装置。

【思考】在静电场中，静电力做功与电荷运动的路径无关，静电场中各点存在电势。那么，感生电场是否可以引入电势概念呢？

解析：这个问题的分析，需要从“电场力做功的特点”下手。图中要使电子加速，感生电场的方向应为顺时针方向。在轨迹中选两点P、Q。若电子沿劣弧从P运动到Q，电场力做的是正功；若沿优弧从P运动到Q，电场力做的是负功。很显然：电荷移动的路径不同，感生电场力做的功是不一样的，所以感生电场中不能引入电势概念。

  通过对两种场的比较，我们可以发现：静电场和感应电场有相似之处，也有天壤之别。希望通过今天的对比，大家能完善对“场的认识” 。

通过具体问题的解决，促进知识的理解，体会研究的思路与方法。

课堂总结