提高课堂探究的有效性 注重发挥实验的作用

温博

《感应电动势与电磁感应定律》是鲁科版高中物理选修3-2模块第1章《电磁感应》第2节的内容，本章第1节是磁生电的探索，通过探究实验得出感应电流产生的条件，为感应电动势的探究奠定了基础。本节内容不仅是本章内容的重点和难点，也是电磁学的核心，揭示了电磁感应现象的本质。

高二的学生归因兴趣以及概括认识兴趣较强，乐于探索物理现象背后的原因，具备一定的物理探究能力。学生在3-1模块的学习中已经掌握了电场和磁场的相关知识，在前一节的学习中学生知道了电磁感应现象，通过探究理解感应电流产生条件，这为本节课学生的探究和知识的类比与迁移奠定了基础。学生对电磁感应现象的本质理解不够透彻，容易混淆感应电动势和感应电流间的因果关系；对磁通量、磁通量的变化量和磁通量变化率这三个概念的混淆，增加了学生探究物理规律的难度；学生要实现由定性关系到定量关系的过渡，认知上存在一定障碍；学生设计及动手实验能力较弱，较难定量探究影响感应电动势的影响因素及其数学关系。为了突破这一重难点，现设计了如下一堂基于科学探究的规律探究课。

一、利用学生课堂活动“摇绳发电”导入新课

教师提供长导线，并与微电流传感器连接，请学生利用“磁生电”的知识，思考如何利用长导线发电，请两名学生先缓慢摇绳再快速摇绳，摇绳同时教师突然断开电路，学生观察实验现象并回答问题。

二、探究教学

1.创设问题情境，引出探究主题

教师提问1：实验利用什么原理发电？

教师提问2：装置中的哪部分相当于电源？

教师提问3：如何操作使感应电流增大？

教师启发并总结出感应电动势的概念，引导学生分析感应电动势与感应电流的关系，揭示电磁感应的本质。

教师提问：如何获得较大的感应电动势？影响感应电动势的大小的因素有哪些？

2.学生自主探究—“如何获得较大的感应电动势？”

学生2人为一小组，全班分为甲乙两大组，两组实验桌上的仪器不同。学生小组合作完成实验和探究学案。

甲组学生实验桌上有如图1所示器材：螺线管、磁性不同的条形磁铁、电压表、开关、导线若干。乙组学生实验桌上有如图2所示器材：铁架台、线框、悬线、U型磁铁若干、灵敏电流计、开关、导线若干。

学生小组合作，自主选择仪器尽可能获得较大的感应电动势，教师巡视指导学生实验，请每大组中仪表指针偏转较大的小组展示交流获得较大感应电动势的方法并归纳实验结论和猜想。

学生根据自主探究实验提出猜想，甲乙组的猜想有所不同，教师将两组结论总结汇总。类比比值定义法得出加速度概念的过程，引导学生得出表示磁通量变化快慢的物理量——磁通变化率即。

教师分析甲、乙组学生实验模型的共性：甲组螺线管的横截面积不变，通过改变磁感应强度使通过闭合回路的磁通量改变；乙组磁场的磁感应强度不变，通过改变回路围成的面积使通过闭合磁通量改变。两组实验影响感应电动势的因素的共性是使磁通量发生改变。

教师提问：磁通量变化率和B、l、v之间有什么内在联系呢？

教师通过多媒体展示一根导体棒匀速切割匀强磁感线的过程（如图3），推导此时磁通量变化率的表达式。

教师指明导体棒匀速切割匀强磁场的过程是电磁感应一种特殊情况，当B、l一定时，磁通量的变化率就取决于垂直切割磁感线的速度v。

教师归纳总结学生猜想的影响因素有：磁通量变化量△Φ，磁通量变化率。

3.师生共同定量探究：法拉第电磁感应定律

（1）教师分析学生探究实验存在的问题：由于实验器材不够精密，磁通量变化量以及变化快慢不好控制，学生只能发现定性规律。

（2）定量实验探究。探究实验1：控制磁通量变化率不变，探究感应电动势E与磁通量变化量△Φ是否有关。

教师展示并介绍实验教具，引导学生设计实验。利用强磁铁、力学轨道、小车、线框、光电门、传感器，精心设计了如图4所示的实验装置，它可以探究E与△Φ的关系。

（是正对强磁铁槽，它们中间的磁场可以看成匀强磁场。是一个力学轨道，轨道上有一辆小车。小车上固定了一个线框。当小车运动起来线框红色这一段进入磁场切割磁感线，产生感应电动势。）

教师提问1：如何才能做到保持不变呢？（引导学生回想切割模型的推导）

学生回答：控制不变，只要让线框匀速切割磁感线。学生思考后可能提出如下方法：就像验证牛顿第二定律的实验那样，把轨道的一端适当调高，也可用拉力来平衡。

教师提问2：可是线框进入磁场的过程中，不但小车受到摩擦力，线框还受到安培力，该如何平衡这两个力呢？（教师展示用细线通过定滑轮挂上重物，用拉力来平衡这两个力。）

教师提问3：那又应如何测量感应电动势呢？

学生回答：电压表

教师展示数据采集装置——电压传感器及光电门，并通过多媒体课件动画演示挡光片匀速通过光电门1的过程（如图5），分析得出线框匀速进入磁场切割磁感线的过程中，磁通变化率保持不变，时间t不断增大，回路中磁通量Φ不断变大。

通过光电门记录下小车带着挡光片经过光电门的遮光时间Δt，同时光电门触发电压传感器记下挡光时间Δt内每个瞬间的感应电动势E。 数据采集系统不仅可以记录数据还可以画出感应电动势E和时间t的数据图像。

老师进行实验，得到的如下图像1，学生分析图像总结实验结论：在t不断变大，即ΔΦ不断变大的过程中，感应电动势E并没有变化。这就说明电磁感应现象中，因为回路磁通量变化而产生感应电动势，但当ΔΦ≠0时，ΔΦ大小并不决定E的大小。

接着连接光电门2（如图6），通过光电门2 的过程中（3到4位置的过程）线框全部进入磁场中，两条边均切割磁感线，探究此时感应电动势随时间变化情况。

教师提问4：为什么感应电动势为零？

学生回答：通过闭合回路磁通量没有发生改变。

总结探究实验1的结论：在磁通量变化率一定时，ΔΦ≠0时，ΔΦ大小并不影响E的大小。

探究实验2：探究感应电动势E和磁通量变化率的关系。

教师提问1：那如何做到多次改变呢？

学生回答：让线框以不同的速度进入磁场切割磁感线。

由于挡光片的宽度一定时，每次通过磁通量变化量均为△Φ。教师在小桶内加钩码，使小车做加速运动，让小车从不同位置出发保证线框以不同速度进入磁场，每次出发后通过光电门的挡光时间（也就是每次磁通量变化△Φ所需要时间）是不同的，它们都被光电门记录下来，这样就做到了多次改变。

教师提问2：ΔΦ不变时，探究E与的关系就相当于探究E和哪个量的关系？

学生回答：与 的关系。

教师进行多组实验并记录数据，得到如下图像3所示。

教师提问3：根据图像得到什么结论？

学生回答：得到一条过原点的直线，说明E与成正比，即与成正比。

教师归纳总结得出法拉第电磁感应定律。

三、法拉第电磁感应定律应用

教师介绍法拉第电磁感应定律在手压式自发电手电筒（图7）中的应用，为学生展示装置内部的结构（如图8、9）。连轴通过齿轮带动磁铁运动，与金属导体片发生相对运动，相当于导体片转动切割磁感线运动，产生感应电动势，使灯泡发光。

教師引导学生从应用中抽象出物理模型，导体棒绕O点转动切割匀强磁场。教师提示推导的方法（），学生课下完成推导作业。