《电磁感应现象及应用》的课堂设计

《电磁感应现象及应用》的课堂设计

李宇翔1钟鸣1柯尧2占水龙3张旺年4

九江市同文中学   九江市教育科学研究所   九江第一中学  九江第一中学  共青城市第一中学

摘要：笔者参与江西省规划课题《人教社2019版高中物理教材必修模块实验

研究》（编号：21PTYB043），对人教社2019版必修模块的实验有了一定研究。在今年江西省优质课比赛中我们选择了本节课，主要从实验的可操作性、创新性、与日常生活的关联性等方面进行突破，荣获了省级一等奖。本课堂设计运用了趣味实验、学生实验、教师演示实验等实验手段，形象再现了电磁感应的研究历程、电磁感应的实验现象、以及在现实生活中的应用。

关键词：核心素养；电磁感应；实验创新

课题设计思路

一、引入实验

以两个演示实验作为引入：

实验1：将连有扩音器的大螺线管靠近一个泡沫装置，扩音器放出了音乐。

实验2：将连有灯泡的圆形线圈放在桌子上，让学生观察灯泡的变化，老师发的电不光是能使扩音器发声，还能使灯泡变亮。

本环节的设计理念：通过实验现象引导学生思考，让学生带着问题进入本节课的学习，充分激发学生的求知欲。

二、初中回顾

1、带领学生一起了解磁与电的艰难研究过程。

让学生了解奥斯特发现电能生磁，法拉第敏锐地觉察到磁与电的关系再到磁生电实验这一划时代的发现，使人类迈入电气化时代的大门。通过这些物理学的研究历史让使学生理解科学态度与责任。

2、对照初高中教材，找到初中阶段学习的不完备性，提出问题，从中突破。

初中物理在沪粤版九年级下册第十七章第三节《发电机为什么能发电》中学习了关于电磁感应的初步知识。教材通过三个实验探究了部分导体切割磁感线能发电。进而课本中对电磁感应表述是：闭合电路中的一部分导体在磁场中做切割磁感应线运动时产生感应电流的现象称为电磁感应现象，电磁感应中产生的电流称为感应电流。

本环节的设计理念：体现初中高中的区别、体会螺旋提高的过程、了解科学探索的艰辛。

三、提出问题

由于初中物理教学更侧重于从生活中的现象来引导教学，初中生理解能力有限，不宜涉及如磁通量等抽象复杂的概念，因此电磁感应的表述以上述形式给出，从单纯的生活中的物理这一角度看，应该是合适的。如何让学生从过往固有知识中改变并提高，这是本节教学的重点，也是难点。如何化解难点，突破初中原有的切割才能生电的观念，是本课需要解决的首要问题。

产生感应电流的因素究竟有哪些？引导学生讨论。   

思考与讨论1:初中学过这个实验，利用该实验装置能否实现“磁生电”呢？如图1闭合回路部分导体切割磁感线产生了感应电流。

图1

思考与讨论2：如图2所示，A线圈通入电流就是一个电磁铁，它周围会产生磁场，开关闭合断开会改变电路中的电流，从而改变它周围的磁场，同学们思考一下产生感应电流的条件是什么，或者产生感应电流的因素是什么？学生回答：闭合导体回路磁场B发生变化，电路中会产生感应电流。

图2

那么不切割磁感应会不会产生感应电流，回想刚才上课前的两个实验，是不是产生了电流，但是它有没有运动切割磁感线，所以切割磁感线并不是产生感应电流的唯一条件。

引导思考：导体棒运动过程中什么物理量发生变化？

猜想：磁场B变化或者面积S变化可能是产生感应电流的因素，引导学生用实验验证猜想。

本环节的设计理念：切割能产生感应电流、不切割也能产生感应电流，通过演示实验让学生的认知得到提高，进行猜想，发现更本质的物理量。

四、分组探究

1、根据给出的方案进行分组实验（如图3）。

图3

2、实验小组阐述本组实验结论。

方案一：磁场不变，有效面积增大，灵敏电流计指针偏转，说明产生了感应电流

方案二：有效面积不变，条形磁铁插入或者拔出时，灵敏电流计指针偏转，说明产生了感应电流。

方案三：有效面积不变，磁感应强度变化，有三种方法使灵敏电流计指针偏转，A.开关闭合或断开的瞬间；B.移动滑动变阻器的滑片；C.小螺线管插入或拔出时。说明以上三种方法都在回路中产生感应电流。

本环节的设计理念：让学生自己动手实验，体会物理的真实性，感受科学研究的复杂性。

五、演示实验

演示实验一（电磁铁实验）

实验器材：亥姆霍兹线圈（如图4），固定在棒子上的铜线圈，灵敏电流计（如图5）

图4                                              图5

实验步骤：

（1）线圈平行磁场转动，让学生观察电流计指针的偏转情况

（2）线圈垂直磁场转动，让学生观察电流计指针的偏转情况

引导学生解释现象。

演示实验二（永磁铁实验）（如图6）

图6

实验器材：线圈，灵敏电流计，两块长方体永磁铁，

实验步骤：

（1）磁铁不动，让线圈进入匀强磁场，在磁场中运动，以及离开磁场，让学生观察电流计指针的偏转情况

（2）线圈不动，移动磁铁，让学生观察电流计指针的偏转情况

本环节的设计理念：生活中的物理现象，物理就在我们身边。

六、实验总结：

1、磁场变化、有效面积不变

2、磁场不变、有效面积变化

这两种情况都可以产生感应电流，这两种情况在某个方面产生了共同的效果。

为了让学生便于分析将刚才的实验操作用动图展示出来。

3、实验结论

通过分组实验和演示实验，引导学生得出结论：当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，闭合导体回路中就产生感应电流。

本环节的设计理念：总结实验也有步骤，先总结几个情况、再发现隐藏的物理量——磁通量、最后才总结产生感应电流的条件。

七、物理学史

本节介绍了与电磁感应现象的发现相关的物理学史.在教学中要让学生认识到科学家的研究不是凭空产生的,法拉第研究“磁生电”是受到了奥斯特的影响.在认定目标后他经历无数次失败之后才取得成功.因此,在本节课的学习过程中应着重培养学生对科学的兴趣,培养其勇于探索科学的精神.

本节还通过探究实验的方法归纳出了“磁生电”的规律,揭示了磁和电的内在联系,在教材中起到了承前启后的作用,为学生今后学习法拉第电磁感应定律、楞次定律和交变电流的产生打下基础。在内容安排上本节从初中知识点闭合电路的部分导线切割磁感线产生电流入手,再设计学生探究实验,对现象进行分析归纳,最后总结出产生感应电流的条件,这样的知识生成方式符合了学生的认知规律,也能很好地激发学生学习探究的兴趣。

本环节的设计理念：强调了科学家精神、强调了科学的重要性。

八、解释引入实验

在学习了本节知识之后，对引入的两个实验进行解释。实验1的泡沫装置里藏有一个线圈如图7，实验2中桌上放置了一个电磁炉，里面含有一个大型的线圈如图8，引导学生解释线圈的作用，从而对所学知识进行巩固。

        图7                                          图8

本环节的设计理念：教学上前后呼应，让学生的兴趣得到加强。

九、爱国主义教育及趣味实验

将社会主义核心价值观和爱国主义融入课堂，是教师为党育人、为国育才初心使命的具体体现。以三峡发电机组的震撼场面，以及惊人发电能力作为课程结尾，让学生感受到祖国的强大，同时也展望未来。给学生的心里种下一颗学习强国、立志报国的种子，这也是落实学科核心素养的初衷。

本环节的设计理念：科学无国界，但科学家是有祖国的。

实验创新是本节课的关键。本课虽然都是定性实验，但是严谨是科学的基石，为此笔者对如何提供可靠的匀强磁场做出适当的改进。

1、使用亥姆霍兹线圈作为匀强磁场

电磁铁有许多优点：电磁铁的磁性有无可以用通、断电流控制；磁性的大小可以用电流的强弱或线圈的匝数多少来控制；也可通过改变电阻控制电流大小来控制磁性大小；它的磁极可以由改变电流的方向来控制，等等。即：磁性的强弱可以改变、磁性的有无可以控制、磁极的方向可以改变，磁性可因电流的消失而消失。

本课为了达到更好的演示效果，使用从成品设备中拆下的大型亥姆霍兹线圈，可以近似认为两个线圈所夹空间是匀强磁场。既方便控制磁性的通断，又让实验更方便观测。之所以没有自己制作，是因为成品线圈的线圈面积，距离等相比自制要严谨得多，最大限度的保证匀强磁场，让实验更精准，数据更有说服力。

2、使用大块永磁铁。

亥姆霍兹线圈虽然匀强性能好，但毕竟电磁线圈形成匀强磁场这一情景对于学生还是比较抽象的。为了让学生感观上更容易接受，第二个教师演示实验使用了永磁铁。为了让永磁铁之间能产生客观的匀强磁场空间，笔者选择了很多类型的磁铁，首先考虑钕铁硼磁铁，但是强磁铁外部磁场的分布很难形成较大的匀强空间。经过多次实验最终选择大尺寸的普通黑磁铁。体积足够大，形成的匀强磁场空间才够大，作为演示实验的可观性更强。

整体上看，本节课的实验效果很好，教学设计体现了核心素养的要求，赛课发挥很出彩，取得了很好的成绩。