物理必修 第三册第十三章 电磁感应与电磁波初步3 电磁感应现象及应用教案

电磁感应现象及应用

【教学目标】

1．理解什么是电磁感应现象。

2．掌握产生感应电流的条件。

3．了解电磁感应在生产生活中的应用。

4．通过观察演示实验，归纳、概括出利用磁场产生电流的条件，培养学生的观察、概括能力。

【教学重点】

掌握只要闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就会产生感应电流。

【教学难点】

闭合电路磁通量的变化。

【教学过程】

一、复习提问、新课导入

教师：在初中的时候我们学习了产生感应电流的方法，请同学们回忆一下是什么方法？

学生回答：线圈切割磁感线会产生感应电流。

师生一起回顾产生感应电流的条件与感应电流的方向与什么有关。

复习之后再次发问：这是产生感应电流的唯一方法吗？通过这节课我们来学习一下这种现象是如何发现的，产生感应电流条件又有哪些？

二、新课教学

教师投影奥斯特实验，引出法拉第磁生电的理论。

（一）划时代的发现

1．奥斯特梦圆“电生磁”

由于受康德哲学与谢林的自然哲学的影响，坚信自然力是可以相互转化的，长期探索电与磁之间的联系。1820年4月终于发现了电流对磁针的作用，即电流的磁效应。同年7月21日以《关于磁针上电冲突作用的实验》为题发表了他的发现。这篇短短的论文使欧洲物理学界产生了极大震动，导致了大批实验成果的出现，由此开辟了物理学的新领域──电磁学。1820年因电流磁效应这一杰出发现获英国皇家学会科普利奖章。1829年起任哥本哈根工学院院长。

2．法拉第心系“磁生电”

1820年奥斯特发现电流的磁效应，受到科学界的关注，促进了科学的发展。1821年英国《哲学年鉴》的主编约请戴维撰写一篇文章，评述奥斯特发现以来电磁学实验的理论发展概况。戴维把这一工作交给了法拉第。法拉第在收集资料的过程中，对电磁现象的研究产生了极大的热情，并开始转向电磁学的研究。他仔细地分析了电流的磁效应等现象，认为既然电流能产生磁，磁能否产生电呢？1822年他在日记中写下了自己的思想：“磁能转化成电”。他在这方面进行了系统的研究。起初，他试图用强磁铁靠近闭合导线或用强电流使另一闭合导线中产生电流，做了大量的实验，都失败了。经过历时十年的失败、再试验，直到1831年8月29日才取得成功。他接连又做了几十个这类实验。1831年11月24日的论文中，他把产生感应电流的情况概括成五类：变化着的电流；变化着的磁场；运动的恒定电流；运动的磁场；在磁场中运动的导体。他指出：感应电流与原电流的变化有关，而不是与原电流本身有关。他将这一现象与导体上的静电感应类比，把它取名为“电磁感应”。为了解释电磁感应现象，法拉第曾提出过“电张力”的概念。后来在考虑了电磁感应的各种情况后，认为可以把感应电流的产生归因于导体“切割磁力线”。在电磁感应现象发现二十年后，直到1851年才得出了电磁感应定律。经过大量实验后，他终于实现了“磁生电”的夙愿，宣告了电气时代的到来。

3．科拉顿的“失败”

1820年，奥斯特的磁效应发表后，在科学界引起极大反响，科学家想既然“电能生磁”，反过来“磁也能生电”。可以说，想实现“磁生电”是当时许多科学家的愿望，例如，安培、科拉顿等人都曾为之努力过，但是都失败了。在这个问题上，最遗憾的莫过于科拉顿。

1825年，科拉顿做了这样一个实验，他将一个磁铁插入连有灵敏电流计的螺旋线圈，来观察在线圈中是否有电流产生。但是在实验时，科拉顿为了排除磁铁移动时对灵敏电流计的影响，他通过很长的导线把接在螺旋线圈上的灵敏电流计放到另一间房里他想，反正产生的电流应该是“稳定”的（当时科学界都认为利用磁场产生的电应该是“稳定”的），插入磁铁后，如果有电流，跑到另一间房里观察也来得及就这样，科拉顿开始了实验。然而，无论他跑得多快，他看到的电流计指针都是指在“0”刻度的位置。科拉顿失败了。科拉顿的这个失败，是一个什么样的失败呢？后人有各种各样的议论。

有人说这是一次“成功的失败”。因为科拉顿的实验装置设计得完全正确，如果磁铁磁性足够强，导线电阻不大，电流计十分灵敏，那么在科拉顿将磁铁插入螺旋线圈时，电流计的指针确实是摆动了的。也就是说，电磁感应的实验是成功了，只不过科拉顿没有看见，他跑得还是“太慢”，连电流计指针往回摆也没看见，

有人说，这是一次“遗憾的失败”。因为科拉顿如果有个助手在另外那间房里，或者科拉顿就把电流计放在同一间房里看得见的地方，那么成功的桂冠肯定是属于科拉顿的。

有人说，这是一次“真正的失败”。因为科拉顿没能转变思想，没有从“稳态”的猜想转变到“暂态”的考虑上来，所以他想不到请个助手帮一下忙、或者把电流计拿到同一间房里来。事实也正是如此，法拉第总结了别人和他自己以前失败的教训，他决定不再固守“稳态”的猜想，终于在1831年8月，观察到了电磁感应现象。科拉顿只能留下永远的遗憾。

（二）产生感应电流的条件

1．实验1：直导线在磁场中导体不动导体向上、向下运动；导体向左或向右运动。

引导学生观察实验并进行概括。

归纳：闭合电路的一部分导体做切割磁感线的运动时，电路中就有电流产生。

用计算机模拟“切割磁感线”的运动。

理解“导体做切割磁感线的运动”的含义：切割磁感线的导体运动速度的方向和磁感线方向不平行。

问：导体不动，磁场动，会不会在电路中产生电流呢？

2．实验2：条形磁铁插入（拨出）螺线管。

先用计算机模拟，再用实验来证明。

注意：条形磁铁插入，拔出时，弯曲的磁感线被切割，电路中有感应电流。

引导学生观察实验并进行概括。

归纳：无论是导体运动，还是磁场运动。只要导体和磁场之间发生切割磁感线的相对运动，闭合电路中就有电流产生。

过渡：闭合电路的一部分导体切割磁感线时，穿过电路的磁感线条数发生变化，如果导体和磁场不发生相对运动，而让穿过闭合电路的磁场发生变化，会不会在电路中产生电流呢？

3．实验3：导体和磁场不发生相对运动，线圈电路接通、断开，滑动变阻器滑动片左、右滑动。

实验现象的基础上，引导学生分析上述现象的物理过程：

因为电流所激发的磁场的磁感应强度B总是正比于电流强度I，即B∝I，电路的闭合或断开控制了电流从无到有或从有到无的变化；变阻器是通过改变电阻来改变电流的大小的，电流的变化必将引起闭合电路磁场的变化，穿过闭合电路的磁感线条数的变化——磁通量发生变化，闭合电路中产生电流。

用计算机模拟电路中S断开、闭合，滑动变阻器滑动时，穿过闭合电路磁场变化情况：

4．综上所述，总结出：

不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电流产生。这种利用磁场产生电流的现象叫电磁感应，产生的电流叫感应电流。

引导学生分析磁通量变化包括：

（1）B不变，S变化

（2）S不变，B变化

（3）B、S不变，B、S的夹角变化

（4）B、S都变化

（三）电磁感应现象的应用

教师展示电磁感应现象的应用

展示可拆变压器的构造，简单讲解变压的原理。

提问：电磁感应使变压器工作，那么电磁炉是跟电磁感应有什么关系？

学生思考后教师讲解：

在可拆变压器的一字铁下面加一块厚约2mm的铁板，铁板垂直于铁芯里磁感线的方向。在原线圈接交流电。几分钟后，让学生摸摸铁芯和铁板，比较它们的温度，报告给全班同学。

学生：铁板的温度比铁芯高。

教师：为什么铁芯和铁板会发热呢？原来在铁芯和铁板中有涡流产生。

教师：当线圈中的电流发生变化时，这个线圈附近的导体中就会产生感应电流。这种电流看起来很像水的旋涡，所以叫做涡流。

师生共同活动：分析涡流的产生过程。

教师：课件演示，涡流的产生过程，增强学生的感性认识。

教师：为什么铁板的温度比铁芯高？

学生：因为铁板中的涡流很强，会产生大量的热。而铁芯中的涡流被限制在狭窄的薄片之内，回路的电阻很大，涡流大为减弱，涡流产生的热量也减少。

教师：除了这些之外，磁卡、磁带、动圈式话筒、高频焊接等等都跟电磁感应现象有关，同学们课后去搜集有关资料，分析它们分别是如何利用电磁感应现象的。

三、课堂练习

1．通电直导线旁边放一矩形线圈ABCD，请大家设计方法，使ABCD中能产生感应电流？

2．如图所示的匀强磁场中有一个矩形的闭合导线框。在下列几种情况下，线框中是否产生感应电流？

3．如图所示，磁场中有一个闭合的弹簧线圈。先把线圈撑开（图甲），然后放手，让线圈收缩（图乙）。线圈收缩时，其中是否有感应电流？为什么？

4.矩形线圈ABCD位于通电长直导线附近，线圈与导线在同一个平面内，线圈的两个边与导线平行。在这个平面内，线圈远离导线移动时，线圈中有没有感应电流？线圈和导线都不动，当导线中的电流I逐渐增大或减小时，线圈中有没有感应电流？为什么？