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电磁感应现象研究及教学之我见
引言 高中《物理》中电磁感应现象这一知识点不仅是重点而且也是难点,为此笔者对此知识点作以自己的简单看法与心得,且把自己的这点看法称为电磁感应现象的研究性学习,其中有不到之处敬请诸位不吝赐教.
在普通高级中学开展研究性学习,是我国高中物理课改的一项重要举措,它符合“以德育为核心,以创新精神与实践能力培养为重点”的素质教育的要求.
1．对研究性学习的理解
学生在教师的引导下,了解实验研究实验,从各个方面着手,用科学研究的方式方法去认识问题获取知识以达到问题的认识深化或者最终解决,这就是研究性学习.
1820年,丹麦物理学家奥斯特发现了——电流的磁效应,揭示了电和磁之间存在着联系,受到了这一发现的启发,人们开始考虑这样一个问题：既然“电能生磁”,“磁能不能生电”呢?不少科学家进行了这方面的探索,英国平民科学家法拉第,坚信电与磁有密切的联系.经过10年坚持不懈的努力,在无数次的挫折与失败之后,终于在1831年一个偶然的机会里,发现了利用磁场产生电流的条件.
1-1法拉第生平简历
1791年9月22日是一个光辉的日子,一代科学巨匠迈克尔·法拉第降生在英国萨里郡纽囚顿一个贫苦的铁匠家庭.法拉第的一生是伟大的,然而法拉第的童年却是十分凄苦的.为了解决全家的温饱,老法拉第带着5岁的小法拉第迁到伦敦,希图改变贫穷的命运,不幸的是上帝非但没有给法拉第一家赐福,反而在小法拉第九岁那年夺取了老法拉第的生命.迫于生计,幼小的仅有九岁的迈克尔·法拉第不得不承担起生活重担,去一家文具店充当学徒.四年以后,13岁的法拉第又到书店学徒.起初负责送报,后来充当图书装订工.真所谓“天欲将大任于斯人也,必先苦其心志,劳其筋骨,饿其体肤……”.贫穷是不幸的,童工的生涯其清苦可知.难能可贵的是小法拉第不安于贫穷,不安于清苦,奋志好学.14岁时他跟一位装书兼卖书师傅当学徒,利用此机会博览群书.他在二十岁时听英国著名科学家汉弗利,戴维先生讲课,对此产生了浓厚的兴趣.他给戴维写信,终于得到了为戴维当助手的工作.法拉第在几年之内就做出了自己的重大发现.虽然他的数学基础不好,但是作为一名实验物理学家他是无与伦比的.
1810年法拉第连续听了J·塔特姆所做的十几次自然哲学讲演并开始参加市哲学学会的学习活动,从中受到自然哲学的基础教育.1812年2月到4月,21岁的法拉第有幸在皇家研究所听了H·戴维的四次化学讲演.这位大化学家渊博的知识立即吸引了年轻的法拉第.他热忱地把戴维的每个科学观点转述给市哲学学会的同伴们.他精心整理听课笔记并装订成一本精美的书册,取名《H·戴维爵士演讲录》,并附上一封渴望做科学研究工作的信,于1812年圣诞节前夕一起寄给了戴维.法拉弟热爱科学的激情感动了戴维,他所精心整理装订的“精美记录册”更使戴维深感欣慰.这时又正直他学徒期满,于是戴维特推荐他于1813年3月进人皇家研究所当他的助手.同年10月跟随戴维去欧洲大陆作科学考察旅行.这次旅行使法拉第上了一次“社会大学”,沿途他认真地记录了戴维在各地讲学的内容,学到了许多科学知识,而且结识了许多著名的科学家,如盖·吕萨克和安培等.增长了见闻,开扩了眼界.到1815年5月回到皇家研究所,法拉第已能在戴维指导下做独立的研究工作并取得了几项化学研究成果.1816年法拉第发表了第一篇科学论文.从18I8年起他和J·斯托达特合作研究合金钢,首创了金相分析方法.1820年他用取代反应制得六氯乙烷和四氯乙烯.1821年任皇家学院实验室总监.1823见他发现了氯气和其他气体的液化方法.1824年1月他当选为皇家学会会员.1825年2月接替戴维任皇家研究所实验室主任.同年发现苯.更主要的是他在电化学方面（对电流所产生的化学效应的研究）所做出的贡献.经过多次精心试验,法拉第总结了两个电解定律,这两个定律均以他的名字命名,构成了电化学的基础.他将化学中的许多重要术语给予了通俗的名称,如阳极、阴极、电极、离子等.
1821年法拉第完成了第一项重大的电发明.在这两年之前,奥斯特已发现如果电路中有电流通过,它附近的普通罗盘的磁针就会发生偏移.法拉第从中得到启发,认为假如磁铁固定,线圈就可能会运动.根据这种设想,他成功地发明了一种简单的装置.在装置内,只要有电流通过线路,线路就会绕着一块磁铁不停地转动.事实上法拉第发明的是第一台电动机,是第一台使用电流将物体运动的装置.虽然装置简陋,但它却是今天世界上使用的所有电动机的祖先.这是一项重大的突破.只是它的实际用途还非常有限,因为当时除了用简陋的电池以外别无其它方法发电.人们知道静止的磁铁不会使附近的线路内产生电流.1831法拉第发现第一块磁铁穿过一个闭合线路时,线路内就会有电流产生,这个效应叫电磁感应.一般认为法拉第的电磁感应定律是他的一项最伟大的贡献.用两个理由足以说明这项发现可以载入史册.第一,法拉第定律对于从理论上认识电磁更为重要.第二,正如法拉第用他发明的第一台发电机（法拉第盘）所演示的那样,电磁感应可以用来产生连续电流.虽然给城镇和工厂供电的现代发电机比法拉第发明的电机要复杂得多,但是它们都是根据同样的电磁感应的原理制成的.是法拉第把磁力线和电力线的重要概念引入物理学,通过强调不是磁铁本身而是它们之间的“场”,为当代物理学中的许多进展开拓了道路,其中包括麦克斯韦方程.法拉第还发现如果有偏振光通过磁场,其偏振作用就会发生变化.这一发现具有特殊意义,首次表明了光与磁之间存在某种关系.法拉第的一生是伟大的,法拉第其人又是平凡的,他非常热心科学普及工作,在他任皇家研究所实验室主任后不久,即发起举行星期五晚间讨论会和圣诞节少年科学讲座.他在100多次星期五晚间讨论会上作过讲演,在圣诞节少年科学讲座上讲演达十九年之久.他的科普讲座深入浅出,并配以丰富的演示实验,深受欢迎.法拉第还热心公众事业,长期为英国许多公私机构服务.他为人质朴、不善交际、不图名利、喜欢帮助亲友.为了专心从事科学研究,他放弃了一切有丰厚报酬的商业性工作.他在1857年谢绝了皇家学会拟选他为会长的提名,他甘愿以平民的身份实现献身科学的诺言,终身在皇家学院实验室工作一辈子,当一个平凡的迈克尔·法拉第.
1867年8月25日,平民迈克尔·法拉第在书房安详地离开了人世.一代科学巨星,在谱写完他不平凡的人生,给人类留下无价的宝藏以后与世长辞.
1-2电磁感应的实验
回顾法拉第的实验,由磁生电这个实验实际操作起来并不是很难,电磁感应现象可用下图121的实验来演示,图中1是永久磁铁,2是线圈,3是演示电流计.线圈通过电流计形成闭合回路.当磁铁插入线圈时,电流计指针偏转；永久磁铁在线圈不动时,指针不动；拔出磁铁时,指针反向偏转.这个实验说明当穿过闭和线圈的磁通量变化时的确会出现感应电流. 用实验方法研究产生感应电流的条件
实验方法：磁场不动,导体向下运动；导体向左或向右运动

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教师研究归纳：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． 理解“导体做切割磁感线运动”的含义：切割磁感线的运动,就是导体运动速度的方向和磁感线方向不平行．导体不动,磁场动,会不会在电路中产生电流呢?我们可以接着做实验.

实验条形磁铁插入、拔出螺线管． 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. 可以总结得到：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． 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?

线圈电路接通、断开.滑动变阻器滑动片左、右滑动．此时电流计指针发生偏转,说明有感应电流产生.
在观察实验现象的基础上,注意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．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： 不论是导体做切割磁感线的运动,还是磁场发生变化,实质上都是引起穿过闭合电路的磁通量发生变化．
1-3分析总结实验
从上面的2-1实验1实验可以看出只要导线切割磁感线,闭合线圈中就会产生感应电流.这时再从实验3来看一下导线并没有明显的切割磁感线但是线圈里的磁通量发生了变化.此时再回头看实验1及实验2我们可以分析磁通量发生变化的因素： 由 Φ=B· S sinθ可知：当①磁感应强度B发生变化；②线圈的面积S发生变化；③磁感应强度B与面积S之间的夹角θ发生变化．这三种情况都可以引起磁通量发生变化． 产生感应电流的条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化．这里关键要注意“闭合”与“变化”两词．就是说在闭合电路中有磁通量穿过但不变化,即使磁场很强,磁通量很大,也不会产生感应电流．当然电路不闭合,电流也不可能产生．
可引导学生一起总结出 ： 1．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．
感应电流的产生条件．
（1）电路必须闭合；
（2）磁通量发生变化．
从以上的分析可以看出,上述实验的选择实验的分析都具有典型的意义.对上述实验的分析可看为研究性的学习的一些体现吧.
2我的教学建议
笔者从事了几年高中教学,关于本节有一些粗浅的认识.理解和应用法拉第电磁感应定律,教学中应该使学生注意以下几个问题.
2-1 要严格区分磁通量、磁通量的变化、磁通量的变化率这三个概念．关于这三者的区别我的做法是在做1-1-2实验时,磁铁放进线圈里不动时,问同学们有无感应电流?此时磁通量最大却无感应电流.否定了磁通量大感应电流大这一错误说法.接着我快速放进线圈里和慢慢放进线圈里,此时感应电流一个大一个小.分析如下：都是从外面同一个地点放进线圈里,磁通量的变化是一样的.又否定了磁通量的变化决定了感应电流的大小.从而分析得到磁通量的变化越快即变化率越大则感应电流越大.
2-2 总结得到求磁通量的变化量一般有三种情况：当回路面积不变的时候,磁感应强度变化（如实验2） ；当磁感应强度不变的时候,回路面积变化时（如实验1）； 当回路面积和磁感应强度都不变,而他们的相对位置发生变化（如转动）的时候,
2-3 E是一段时间内的平均电动势,一般不等于初态和末态感应电动势瞬时值的平均值,
2-4 注意课本中给出的法拉第电磁感应定律公式中的磁通量变化率取绝对值,感应电动势也取绝对值,它表示的是感应电动势的大小,不涉及方向．
2-5 公式 表示导体运动切割磁感线产生的感应电动势的大小,是一个重要的公式．要使学生知道它是法拉第电磁感应定律的一个特殊形式,当导体做切割磁感线的运动时,使用比较方便．使用它计算时要注意B、L、v这三个量的方向必须是互相垂直的,遇到不垂直的情况,应取垂直分量．
建议在具体教学中,教师帮助学生形成知识系统,以便加深对已经学过的概念和原理的理解,有助于理解和掌握新学的概念和原理．在法拉第电磁感应定律的教学中,有以下几个内容与前面的知识有联系,希望教师在教学中加以注意.
由“恒定电流”知识知道,闭合电路中要维持持续电流,其中必有电动势的存在；在电磁感应现象中,闭合电路中有感应电流也必然要存在对应的感应电动势,由此引出确定感应电动势的大小问题．
电磁感应现象中产生的感应电动势,为人们研制新的电源提供了可能,当它作为电源向外供电的时候,我们应当把它与外电路做为一个闭合回路来研究,这和直流电路没有分别；
用能量守恒和转化来研究问题是中学物理的一个重要的方法．化学电源中的电动势表征的是把化学能转化为电能的本领,感应电动势表征的是把机械能转化为电能的本领．