資源簡介

2.2 法拉第電磁感應(yīng)定律 ---教學(xué)評大單元分課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)
課 題 人教版高中物理·選擇性必修·第二冊 第二章 第2節(jié) 法拉第電磁感應(yīng)定律
課 型 新授課 復(fù)習(xí)課□ 試卷講評課□ 其他課□
授課班級 授課時(shí)間
教學(xué)內(nèi)容分析 課標(biāo)要求：通過實(shí)驗(yàn)，理解法拉第電磁感應(yīng)定律，知道E=BLvsinθ是法拉第電磁感應(yīng)定律的一種特殊形式，會用法拉第電磁感應(yīng)定律在具體情境中分析求解有關(guān)問題。 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)。 教學(xué)重點(diǎn)：法拉第電磁感應(yīng)定律。 教學(xué)難點(diǎn)：平均電動勢與瞬時(shí)電動勢的區(qū)別。
學(xué)情分析 本節(jié)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、電源電動勢和磁通量的相關(guān)知識，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。
核心素養(yǎng) 物理觀念∶知道感應(yīng)電動勢的概念，體會物理觀念的生成過程。 科學(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，體會物理模型建立及物理方法在物理規(guī)律形成中的作用。 科學(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，體會用變化率定義物理量的方法。 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任∶感受科學(xué)家對規(guī)律的研究過程，學(xué)習(xí)他們對工作嚴(yán)肅認(rèn)真不怕困難的科學(xué)態(tài)度。
教學(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。
活動設(shè)計(jì)
教學(xué)內(nèi)容 教師活動 學(xué)生活動 評價(jià)任務(wù)
環(huán)節(jié)一：導(dǎo)入新課
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)？ 動態(tài)圖展示：導(dǎo)體棒切割磁感線的過程。 展示實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻 提出問題讓學(xué)生進(jìn)行思考 巡視課堂并做相引導(dǎo) 觀看實(shí)驗(yàn) 思考老師提出的問題。 1.觀察學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣程度； 2.聽學(xué)生的回答情況，評價(jià)學(xué)生的表達(dá)能力和思維。
環(huán)節(jié)二：新課教學(xué) 活動一：科學(xué)探究
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。看來感應(yīng)電流的大小和插入磁鐵的快慢有關(guān)。 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。 問題：感應(yīng)電流的大小跟哪些因素有關(guān)？ 動畫演示 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。 做一做 實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，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。 明確學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)； 從完成情況和書寫情況等方面進(jìn)行評價(jià)。 培養(yǎng)學(xué)生積極思考和參與課堂的習(xí)慣。
活動二：理解規(guī)律電磁感應(yīng)定律
（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勢，這個(gè)電動勢是在電磁感應(yīng)中產(chǎn)生，被稱為感應(yīng)電動勢，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，但一定會有感應(yīng)電動勢，實(shí)際上是先有感應(yīng)電動勢，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。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。 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 （單匝線圈） （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。 ②磁通量的變化是由面積變化引起時(shí)，ΔΦ＝B·ΔS，則。 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。 （二）導(dǎo)線切割磁感線時(shí)的感應(yīng)電動勢 前面我們已經(jīng)學(xué)過導(dǎo)線切割磁感線，磁通量會變化便會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并且可以用這個(gè)公式來算出感應(yīng)電動勢。現(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)電動勢是多少嗎？ 用這個(gè)式子來算感應(yīng)電動勢，咱就得找到的比值，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)動的時(shí)間是Δt，在這段時(shí)間里，他運(yùn)動了這段距離就是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帶回這個(gè)公式得，上下約去Δt就得到了 E=BLv 這就是感應(yīng)電動勢的另一種算法。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)體相對于磁場的運(yùn)動速度。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。 3.兩個(gè)公式的比較 當(dāng)然這也不完全絕對，若這個(gè)Δt趨近于零，這個(gè)公式算出的也是瞬時(shí)感應(yīng)電動勢。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)電動勢。 E＝BLv適用范圍普遍適用 磁場變化： 面積變化： S：線圈內(nèi)部磁場的面積導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動 相互垂直研究對象回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢某部分導(dǎo)體電動勢物理意義Δt：某一段時(shí)間 平均感應(yīng)電動勢v：瞬時(shí)速度 瞬時(shí)感應(yīng)電動勢
問題3：既然導(dǎo)體棒切割磁感線會有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，那么誰提供非靜電力呢？ 4.動生電動勢 ①由于導(dǎo)體運(yùn)動而產(chǎn)生的電動勢叫動生電動勢 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)體棒還會受到安培力的作用 組織學(xué)生開展思考與討論。 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。它與磁場的夾角是θ，此時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢又是多少呢？ 你已經(jīng)學(xué)過只有導(dǎo)體切割磁感線時(shí)才會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。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。 你會發(fā)現(xiàn)只有在這個(gè)方向上運(yùn)動才會切割磁感線，也就才會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，所以在計(jì)算電動勢時(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)線的分量才會切割磁感線，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。所以感應(yīng)電動勢 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)動方向上的投影。即 有效切割長度，為導(dǎo)線垂直于運(yùn)動方向上的投影。 以后如發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體與磁場垂直，但是卻和運(yùn)動方向有夾角時(shí)，就用有效切割長度來算感應(yīng)電動勢。 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)電動勢時(shí)，你就可以用連接圓弧首尾的線段來代替，也是投影。 動態(tài)圖展示：導(dǎo)體棒切割磁感線的微觀過程。 思考與討論 如圖，導(dǎo)體棒CD在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動。自由電荷會隨著導(dǎo)體棒運(yùn)動，并因此受到洛倫茲力。導(dǎo)體棒中自由電荷相對于紙面的運(yùn)動大致沿什么方向 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)動下去，自由電荷是否總會沿著導(dǎo)體棒運(yùn)動 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。 分析：當(dāng)金屬棒往右運(yùn)動時(shí)，這些正負(fù)電荷也往右運(yùn)動，所以在其電荷在磁場中就會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到金屬棒上端，下端因?yàn)槭フ姾啥鴰ж?fù)電，在正電荷移動過程中形成電流，和右手定則的判定的方向也是一致的。 隨著金屬棒的運(yùn)動下面會帶負(fù)電，上面帶正電，這樣在金屬棒內(nèi)部就會建立一個(gè)電場，所以運(yùn)動的電子除了要受洛倫茲力以外，還會再受到一個(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了。C端因?yàn)榫奂写罅康恼姾桑噪妱莞撸褜?dǎo)體棒看成一個(gè)電源，它就相當(dāng)于電源的正極。 培養(yǎng)學(xué)生的分析能力。 培養(yǎng)學(xué)生的合作精神、表達(dá)能力。 讓學(xué)生養(yǎng)成要透過現(xiàn)象看本質(zhì)神奇的背后也許是簡單的原理。 培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析和總結(jié)的能力。
環(huán)節(jié)三：應(yīng)用規(guī)律
課堂練習(xí) 例1：關(guān)于電磁感應(yīng)，下述說法正確的是（ ） A.穿過線圈的磁通量越大，感應(yīng)電動勢越大 B.穿過線圈的磁通量為0，感應(yīng)電動勢一定為0 C.穿過線圈的磁通量的變化越大，感應(yīng)電動勢越大 D.穿過線圈的磁通量變化越快，感應(yīng)電動勢越大 例2：一個(gè)1000匝的線圈，在0.4s內(nèi)穿過它的磁通量從0.02Wb增加到0.09Wb。求線圈中的感應(yīng)電動勢。如果線圈的電阻是10Ω，把一個(gè)電阻為990Ω的電熱器連接在它的兩端，通過電熱器的電流是多大？ 例3：當(dāng)航天飛機(jī)在環(huán)繞地球的軌道上飛行時(shí)，從中釋放一顆衛(wèi)星，衛(wèi)星與航天飛機(jī)保持相對靜止，兩者用導(dǎo)電纜繩相連，這種衛(wèi)星稱為繩系衛(wèi)星，利用它可以進(jìn)行各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)。 現(xiàn)有一顆繩系衛(wèi)星在地球赤道上空沿東西方向運(yùn)行。衛(wèi)星位于航天飛機(jī)正上方，它與航天飛機(jī)間的距離是20.5km，衛(wèi)星所在位置的地磁場為B＝4.6×10-5T，沿水平方向由南向北。如果航天飛機(jī)和衛(wèi)星的運(yùn)行速度是7.6km/s，求纜繩中的感應(yīng)電動勢。 課件展示習(xí)題，巡查學(xué)生完成情況。 解題提示：感應(yīng)電動勢的大小與閉合電路中感應(yīng)電動勢的大小也跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比。也就是磁通量的變化與時(shí)間的比值。 解題提示：。接入電阻后電路如圖所示，根據(jù)閉合電路歐姆定律有 自主完成 小組交流 學(xué)生上臺演示 解：可以看成是導(dǎo)體切割磁感線。 E=BLV=7.2×103V 如圖，若接入的電阻R=14Ω，ab的電阻為0.4Ω，求感應(yīng)電流的大小？ 由閉合電路歐姆定律： 評價(jià)完成情況，表揚(yáng)優(yōu)秀學(xué)生，鼓勵(lì)未完成的學(xué)生，糾正錯(cuò)誤做法。
環(huán)節(jié)四：課堂小結(jié)
學(xué)到了什么？ 引導(dǎo)學(xué)生小結(jié) 小組討論，總結(jié)本節(jié)課得失
環(huán)節(jié)五：作業(yè)設(shè)計(jì)
練習(xí)與應(yīng)用 指導(dǎo)學(xué)生完成練習(xí)，面批練習(xí)。 按要求完成練習(xí)。 從完成情況和書寫情況等方面進(jìn)行評價(jià)。
主板書設(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)電動勢的大小也跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比。 ①磁場變化引起時(shí)，則。 ②面積變化引起時(shí)，則。 ③面積和磁場變化共同引起時(shí)，則。 θ=0，v與B平行，不切割磁感線，E＝0 導(dǎo)體棒切割磁感線E=BLvsinθ θ=90時(shí)，v與B垂直，切割磁感線，E＝BLv ①l為切割磁感線的有效長度，即導(dǎo)線垂直于運(yùn)動方向上的投影 ②兩個(gè)公式的比較 ③動生電動勢
教學(xué)反思

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