2020-2021學年人教版（2019）選擇性必修第二冊 第二章 電磁感應復習 教案 課程基本信息課題電磁感應復習教學目標【教學目標】1.梳理電磁感應的知識，構(gòu)建本章的知識網(wǎng)絡，促進知識的理解；2.挖掘隱藏在知識背后的科學思維和方法，促進學生的科學思維的發(fā)展；3.通過具體問題的解決，體會本章中體現(xiàn)的物理觀念。【教學重點】知識的關聯(lián)與整合【教學難點】研究的思路與方法、物理觀念的體會教學過程教學環(huán)節(jié)主要教學活動設置意圖引入同學們，大家好！上節(jié)課我們已經(jīng)完成了《電磁感應》這一章的學習，今天我們對這一部分知識進行復習。復習課，我們還是從以下三方面展開： 一、對本章的知識進行梳理與整合二、了解物理學科的核心素養(yǎng)在本章中的體現(xiàn)三、在具體的情境中，對知識和方法進行應用與體會。 電磁感應現(xiàn)象，在《必修三》已經(jīng)進行了學習，通過實驗總結(jié)出“感應電流產(chǎn)生的條件”。這一章，是進一步研究電磁感應的規(guī)律。第1節(jié)楞次定律，學習了感應電流方向判斷的方法；第2節(jié)“法拉第電磁感應定律”，研究的是感應電動勢大小的決定因素。從感應電流深入到感應電動勢，這是知識上的一個進階。第3節(jié)、第4節(jié)給大家展示的，是一些具體的電磁感應現(xiàn)象及應用；同時，還介紹了產(chǎn)生感應電動勢的本質(zhì)。這是從更高的層次認識電磁感應現(xiàn)象。 環(huán)節(jié)二：知識的梳理與整合                                                                                      這一章涉及的知識點比較綜合，我們需要先來梳理一下知識點之間的聯(lián)系。一、知識的梳理與整合1.1梳理基本知識電磁感應現(xiàn)象分為兩類情況，對應的是這兩個實驗。通過對實驗現(xiàn)象的總結(jié)，可以得出感應電流產(chǎn)生的條件是：閉合回路中的磁通量發(fā)生變化。而回路中的感應電流，是由電路中的感應電動勢產(chǎn)生的。法拉第電磁感應定律指出：感應電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量變化率成正比，E感= 。閉合回路中感應電流的方向，可以用楞次定律進行判斷。導體棒切割磁感線的感應電動勢大小，通過推導可知E感=Blv⊥，其方向可以直接用右手定則來判斷。 下面我們來看一個實驗：同學們注意觀察，線框在穿過勻強磁場的過程中，產(chǎn)生的感應電流的情況。從實驗中可以看到：線框在進、出磁場時，會有感應電流產(chǎn)生；在勻強磁場中間運動時，沒有感應電流。這個現(xiàn)象比較容易解釋：線框在進、出磁場時，磁通量發(fā)生變化，所以線框中會產(chǎn)生感應電流；但在勻強磁場中間運動時，磁通量不變，自然沒有感應電流產(chǎn)生。【問題】那么，感應電動勢是否也是這樣的規(guī)律呢？我們需要用實驗來進行驗證，但不能用電壓表進行驗證，因為“電壓表其實是用小量程的電流表改裝而成的”，它們的工作原理都是靠電流在磁場中受力而偏轉(zhuǎn)的。這里，我們借助“示波器”來進行說明，示波器是利用電場使電子偏轉(zhuǎn)的。將示波器接到線框中的a、b兩點，兩點間如果有電勢差，就會使電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，打在屏幕上的亮點會發(fā)生移動。因而，可以通過屏幕上亮點的移動，來反映感應電動勢的產(chǎn)生情況。下面我們來看一下實驗現(xiàn)象：可以看到：線框在勻強磁場中間運動時，上下兩點間是存在電動勢的。這是什么原因呢？我們需要從感應電動勢的本質(zhì)說起！ 1.2 感應電動勢的本質(zhì)（1）動生電動勢當導體棒 CD 在勻強磁場中運動時，自由電子會隨著導體棒運動，在沿棒的方向上，電子會受到一個F洛（分力）。從而會使電子沿導體棒定向移動，電子在棒的兩端堆積、形成電勢差。所以，導體棒切割磁感線產(chǎn)生的動生電動勢，其本質(zhì)是洛倫茲力沿棒方向的分力做功產(chǎn)生的。   （2）感生電動勢 麥克斯韋提出：變化的磁場會在空間中激發(fā)一種電場，導體中的自由電荷會在感生電場力的作用下定向移動，產(chǎn)生感應電流和感應電動勢。也就是說，感生電動勢的本質(zhì)，是感生電場力移動電荷做功產(chǎn)生的。  所以兩種感應電動勢的本質(zhì)是不同的：①由于磁場發(fā)生變化而產(chǎn)生的感生電動勢，其非靜電力是感生電場力；渦流、互感和自感，從本質(zhì)上都是感生電場力作用的結(jié)果。②導體棒切割磁感線產(chǎn)生的動生電動勢，其非靜電力是洛倫茲力沿棒方向的分力。了解了感應電動勢的本質(zhì)，我們就可以解釋剛才的實驗現(xiàn)象了。當線框在勻強磁場中間運動時，左右兩個導體棒都在切割磁感線、都會有動生電動勢產(chǎn)生；利于右手定則，可以判斷出它們的方向。我們看到：這兩個電動勢大小相等、方向相反、相互抵消，所以雖然有感應電動勢存在，但回路中的感應電流為零。   在復習梳理本章知識的基礎上，將已經(jīng)學過的知識進行關聯(lián)整合，形成知識結(jié)構(gòu)。                                                               環(huán)節(jié)三了解物理學科的核心素養(yǎng)在本章中的體現(xiàn)   二、物理學科的核心素養(yǎng)在本章中的體現(xiàn)1．物理觀念：首先，楞次定律在內(nèi)容中指出：感應電流的磁場，總是要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。而這種描述，在物理觀念上，已經(jīng)把“運動和相互作用觀”，由實物擴展到場了。通過對具體的實例研究，可以發(fā)現(xiàn)：‘阻礙’作用的結(jié)果，是把其他形式的能量轉(zhuǎn)化為感應電流的電能。所以楞次定律的意義，更在于它體現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化與守恒的思想。另外，動生電動勢和感生電動勢的產(chǎn)生，都可以從微觀的角度進行了解釋。這也展現(xiàn)了宏觀世界與微觀世界的一種“因果觀”：在宏觀的表現(xiàn)背后，一定存在其微觀的內(nèi)在原因。而且，在解釋感生電動勢的本質(zhì)時，麥克斯韋提出了“變化的磁場產(chǎn)生電場”的理論，鮮明地顯示了磁場與電場之間的聯(lián)系，幫我們進一步完善“物質(zhì)觀”中對場的認識。2、科學探究“楞次定律”的得出，就經(jīng)歷了一系列的探究過程：在發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象之后，先提出問題——感應電流的方向與哪些因素有關？；然后根據(jù)感應電流產(chǎn)生的條件，設計實驗，并進行實驗探究；最后把全部情況進行歸納，得出“判斷感應電流方向”的規(guī)律。而“通過歸納、得出結(jié)論”的過程，其實也是一種科學思維的體現(xiàn)。3、科學思維（1）歸納推理，就是從一類事物部分對象所具有的某種屬性出發(fā)，推理出這類事物所有對象具有的共同屬性；也就是，由具體結(jié)論推理出一般規(guī)律的方法。  （2）類推思想法拉第最早發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象，是借助繞在鐵環(huán)上的兩個線圈，在通、斷電的瞬間發(fā)現(xiàn)的。于是，他敏銳的意識到：“磁生電”是一種在變化和運動的過程中才出現(xiàn)的效應。然后他又設計并動手做了幾十個實驗，使深藏不露的各種“磁生電”的現(xiàn)象顯現(xiàn)而出。這里面，也彰顯了 “類推思想”的強大作用。（3）模型構(gòu)建 另外，在電磁感應現(xiàn)象的應用過程中，還需要有模型建構(gòu)的能力。渦流現(xiàn)象——外接的交流電是為了產(chǎn)生變化的磁場，金屬塊內(nèi)需要構(gòu)建無數(shù)個閉合回路，從而產(chǎn)生出‘漩渦狀’的感生電流，稱之為渦流。電磁流量計的工作原理是——當管中的導電液體流過磁場時，相當于無數(shù)多的導體棒向左切割磁感線，建起動生電動勢的模型，就很容易確定出：管壁上MN兩點間電勢差的大小為Bdv。落磁實驗中——需要分別在磁鐵上部和下部的鋁管上，構(gòu)建出無數(shù)個閉合回路，建立感生電動勢模型，進行分析。4、科學態(tài)度與責任法拉第從萌生“由磁產(chǎn)生電”的設想，到發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象，中間進行了長達10年的探索，他經(jīng)歷過一次次失敗。最終，是他對科學的熱愛以及對科學研究持之以恒、堅韌不拔的態(tài)度使他獲得成功。這些科學精神，更是值得我們?nèi)W習的。后來，人們利用電磁感應原理制造的發(fā)電機，使人類獲取了巨大而廉價的電能，為電氣化奠定了基礎。而電磁感應原理在電子技術(shù)、電磁測量、自動化技術(shù)等領域都有廣泛的應用，這也充分體現(xiàn)出了科學發(fā)現(xiàn)的價值和意義。梳理隱藏在知識背后的物理觀念、科學思維、科學探究和科學態(tài)度與價值觀。 環(huán)節(jié)四應用與體會 三、應用與體會   下面我們用這章學到的知識，來解決兩個問題。1、運動與相互作用觀、能量觀例1．在豎直向下的勻強磁場B中，水平放置的兩根光滑金屬導軌左端，接一理想電流計，導軌電阻不計。一質(zhì)量為m、電阻為r的導體棒NM垂直放在導軌上。現(xiàn)給導體棒一向右的初速度v，請分析棒此后的運動情況、畫出其v-t圖，并求出導體棒上產(chǎn)生的焦耳熱。①       分析運動、畫v-t圖；從圖中可以看到：導體棒NM切割磁感線，產(chǎn)生感應電動勢，充當了回路中的“電源”，利用右手定則可以知道電動勢方向向上，其大小為E感=Blv?；芈分袑a(chǎn)生逆時針的感應電流，其大小為I=E感/r，而電流在磁場中會受到安培力，大小為F安=BIl，根據(jù)左手定則可知安培力方向水平向左，阻礙導體棒運動，我們稱之為“電磁阻尼”。   所以，棒的速度會減小，E感和I感會減小，導致F安會隨之減小。根據(jù)牛頓第二定律可知，安培力會產(chǎn)生加速度F安=ma。F安減小、棒的加速度會不斷減小，所以棒做的是加速度減小的減速運動，其v-t圖如圖所示。   對于導體棒受力和運動情況的分析，體現(xiàn)出的是物理中的“運動與相互作用觀”。 ②求棒上產(chǎn)生的焦耳熱。   提到焦耳熱，有同學會馬上想到焦耳定律Q=I2rt。那焦耳定律用在這里適合嗎？通過初中學習，我們知道：焦耳定律適用的是穩(wěn)恒電流，而此回路中的電流是逐漸減小的。所以，不能用焦耳定律進行求解。那還有什么手段，可以獲悉這份能量的大小呢？有同學可能想到了——可以從能量的角度進行分析：整個過程只有導體棒的動能減少了，依據(jù)“能量守恒定律”可以判斷：電磁感應產(chǎn)生的電能，是來自于導體棒的機械能。即Q=mv2/2-0。這里也是啟發(fā)我們：要學會從多個角度分析問題，要有能量守恒的觀念。【拓展】我們知道，洛倫茲力對運動電荷不做功。那么電磁阻尼現(xiàn)象中，導體棒中的自由電荷所受洛倫茲力，是如何在能量轉(zhuǎn)化過程中起作用的呢？解析：導體棒內(nèi)的自由電荷是電子，由于電子隨導體棒向右運動，它將受到一個洛倫茲力f1，根據(jù)左手定則可知f1方向沿棒向下，大小為f1＝evB。f1推動電子定向移動形成電流，設電子沿棒方向定向移動的速率為u，Δt時間f1做的功為W1＝evB· uΔt。當電子沿棒以u運動時，它還會受到一個垂直于棒方向的洛倫茲力：根據(jù)左手定則可知f2方向水平向左，大小為f2=euB，Δt時間f2做的功為W2＝－euB· vΔt可以看出：洛倫茲力的兩個分力都在做功，且做的功W1＝－W2，總功為零，即每個電子所受的洛倫茲力做功為零。從能量角度看，f1是產(chǎn)生感應電流的非靜電力，宏觀上表現(xiàn)為“產(chǎn)生電能”；棒內(nèi)所有電子所受的f2累積，宏觀上表現(xiàn)為導體棒所受的安培阻力，安培阻力做負功，消耗導體棒的機械能。W1＝－W2，說明在電磁阻尼現(xiàn)象中，洛倫茲力通過兩個分力做功，將導體棒的機械能轉(zhuǎn)化為電磁感應中產(chǎn)生的電能，起到“傳遞”能量的作用。這就是前面提到的能量守恒的觀念，同時也從微觀的角度找到了電磁阻尼產(chǎn)生的原因。2、運動與相互作用觀例2．麥克斯韋經(jīng)典電磁場理論指出：除靜止電荷產(chǎn)生的靜電場外，變化的磁場還會產(chǎn)生感生電場。請分析：靜電場和感生電場的相似之處、以及二者的區(qū)別。   這是兩個靜電場和感生電場的分布圖，圖中電場線定性描述了空間中的電場分布?？梢钥闯?，兩個電場都有電場強度，在電場中放入電荷，都會有力的作用。電子感應加速器，就是利用感生電場力來加速電子的裝置。 【思考】在靜電場中，靜電力做功與電荷運動的路徑無關，靜電場中各點存在電勢。那么，感生電場是否可以引入電勢概念呢？ 解析：這個問題的分析，需要從“電場力做功的特點”下手。圖中要使電子加速，感生電場的方向應為順時針方向。在軌跡中選兩點P、Q。若電子沿劣弧從P運動到Q，電場力做的是正功；若沿優(yōu)弧從P運動到Q，電場力做的是負功。很顯然：電荷移動的路徑不同，感生電場力做的功是不一樣的，所以感生電場中不能引入電勢概念。   通過對兩種場的比較，我們可以發(fā)現(xiàn)：靜電場和感應電場有相似之處，也有天壤之別。希望通過今天的對比，大家能完善對“場的認識” 。通過具體問題的解決，促進知識的理解，體會研究的思路與方法。課堂總結(jié)  
 

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版本： 人教版 (2019)

年級： 選擇性必修 第二冊

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