人教版(新教材)高中物理選擇性必修2教學(xué)設(shè)計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，也是教學(xué)難點。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?！冀虒W(xué)目標與核心素養(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?？茖W(xué)思維：通過實驗理解法拉第電磁感應(yīng)定律及數(shù)學(xué)表達式，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?？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)家對規(guī)律的研究過程，學(xué)習(xí)他們對工作嚴肅認真不怕困難的科學(xué)態(tài)度?！冀虒W(xué)重難點〗教學(xué)重點：法拉第電磁感應(yīng)定律。教學(xué)難點：平均電動勢與瞬時電動勢的區(qū)別?！冀虒W(xué)準備〗多媒體課件、發(fā)電機、學(xué)生電源、開關(guān)、線圈、條形磁鐵等?！冀虒W(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)？實驗演示：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)？實驗演示實驗一：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，但是當金屬棒運動速度越快時，電流表指針偏轉(zhuǎn)越大，越慢時電流表指針偏轉(zhuǎn)越小，看來感應(yīng)電流的大小與金屬棒的運動速度有關(guān)。實驗二：把條形磁體往下插入線圈。當插入速度很快時，電流表指針偏轉(zhuǎn)大；當能插入速度很慢時，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)。實驗分析：上述兩個個實驗中，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。在兩個實驗都說明，當穿過閉合回路的磁通量變化越快時，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證這個結(jié)論。做一做線圈的兩端與電壓表相連。將強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)、磁體的強度，重復(fù)上面的實驗，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間就是它的變化率。E＝keq\f(ΔΦ,Δt)這個式子就表示E與磁通量的變化率成正比。這個k就是比例常量，通過大量的實驗證明這個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、正對面積變化、兩者同時變化引起的。所以上述表達式又可以延伸為：①磁通量的變化是由磁場變化引起時，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，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，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E＝eq\f(ΔΦ,Δt)這個公式來算出感應(yīng)電動勢?，F(xiàn)在咱們來研究它另一種更常用的算法。比如這個金屬幫在勻強磁場中，導(dǎo)軌之間的這一段長度是L，磁場的磁感應(yīng)強度是B，當金屬棒以速度v切割磁感線，你知道產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢是多少嗎？用E＝eq\f(ΔΦ,Δt)這個式子來算感應(yīng)電動勢，咱就得找到eq\f(ΔΦ,Δt)的比值，先說ΔΦ，他等于磁感應(yīng)強度乘以面積的變化量，即ΔΦ=B·ΔS…………①接下來重點算一下ΔS，假設(shè)金屬棒從MN到M1N1運動的時間是Δt，在這段時間里，他運動了這段距離就是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間內(nèi)面積的變化量，即ΔS=Lv·Δt…………②把②帶進①這個公式得ΔΦ=B·Lv·Δt…………③接著把③帶回E＝eq\f(ΔΦ,Δt)這個公式得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)電動勢的另一種算法。其中B是磁感應(yīng)強度，L是切割磁感線的導(dǎo)線長度，v是導(dǎo)體相對于磁場的運動速度。在剛才的推導(dǎo)中，磁場是勻強磁場，并且磁場的方向，導(dǎo)體棒放置的方向和導(dǎo)體棒的運動方向，三者是相互垂直的。所以這個公式要成立，有兩個條件必須滿足。第一，B是勻強磁場，第二，B、L、v相互垂直。問題1：要是B、v不垂直怎么計算呢？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，斜向下運動。它與磁場的夾角是θ，此時產(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)體切割磁感線時才會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。若把這個速度分解成這兩個方向的分量：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)只有在這個方向上運動才會切割磁感線，也就才會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，所以在計算電動勢時，速度v得代入它在水平方向的分量E=BLvsinθ當θ=0°時，v與B平行，不切割磁感線，所以E＝0。當θ=90°時，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)，大家使用這個公式時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，進而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。所以感應(yīng)電動勢E=BLvsinθ這個式子也可以寫成這樣E=BvLsinθ，這個Lsinθ在圖中來看就是這一段長度，也就是導(dǎo)線垂直于運動方向上的投影。即有效切割長度，為導(dǎo)線垂直于運動方向上的投影。以后如發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體與磁場垂直,但是卻和運動方向有夾角時,就用有效切割長度來算感應(yīng)電動勢。例如：這個導(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，你就可以用連接圓弧首尾的線段來代替，也是投影。3.兩個公式的比較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：某一段時間平均感應(yīng)電動勢v：瞬時速度瞬時感應(yīng)電動勢當然這也不完全絕對，若這個Δt趨近于零，E＝neq\f(ΔΦ,Δt)這個公式算出的也是瞬時感應(yīng)電動勢。若這個v是平均速度，那這個公式算出的就是平均感應(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？思考與討論如圖，導(dǎo)體棒CD在勻強磁場中運動。自由電荷會隨著導(dǎo)體棒運動，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動大致沿什么方向?為了方便，可以認為導(dǎo)體棒中的自由電荷是正電荷。導(dǎo)體棒一直運動下去，自由電荷是否總會沿著導(dǎo)體棒運動?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動。分析：當金屬棒往右運動時，這些正負電荷也往右運動，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，負電荷手向下的洛倫茲力。當然，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，下端因為失去正電荷而帶負電，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。隨著金屬棒的運動下面會帶負電，上面帶正電，這樣在金屬棒內(nèi)部就會建立一個電場，所以運動的電子除了要受洛倫茲力以外，還會再受到一個電場力，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端因為聚集有大量的正電荷，所以電勢高，把導(dǎo)體棒看成一個電源，它就相當于電源的正極。動態(tài)圖展示：導(dǎo)體棒切割磁感線的微觀過程。4.動生電動勢①由于導(dǎo)體運動而產(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)體棒就相當于與電源④導(dǎo)體棒還會受到安培力的作用〖板書設(shè)計〗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。E＝eq\f(ΔΦ,Δt)①磁場