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

这是一份高中物理人教版 (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，共9页。教案主要包含了教学目标，教学重点，教学难点等内容，欢迎下载使用。
2020-2021学年人教版（2019）选择性必修第二册 第二章 电磁感应复习 教案 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