中学物理教学中对电磁感应的理解

1、中学物理教学中对“电磁感应”的理解钦州市钦北区大寺中学 朱世臣摘要：对电磁感应现象，高中物理教师应作深层次理解。电磁感应是高中物理教学的难点和高考的热点，如何激活学生思维，突破难点。电磁感应现象是中学物理的重要教学内容。不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭事电路中就有电流产生，这种利用磁场产生电流的现象叫做电磁感应现象，产生的电流叫做感应电流。在电磁感应现象中，既然闭合电路中有感应电流，这个电路中就一定有电动势，电路断开时，虽然没有感应电流，电动势依然存，在电磁感应现象中产生的电动势叫做感应电动势。对电磁感应现象，高中物理教师应作深层次理解一、法拉第电磁感应定律是完整的高中物理

2、教材通过三个实验引入电磁感应现象：第一个是让闭合回路的一部分导体垂直切割磁感线产生感应电流；第二个是让条形永磁体与闭合线圈做相对运动，磁体插入或拉出线圈产生感应电流；第三个是同轴旋转原副线圈，然后改变原线圈中的电流磁场，使副线圈产生感应电流实验从形象到抽象，从回路的局部到回路的整体逐步深入探索产生电磁感应现象的各种可能形式，最后归纳出产生电磁感应的根本原因是穿过回路的磁通量变化，除此之外，没有别的原因因此，法拉第电磁感应定律E=/t 的磁通量变化，可归因于两种情况：一种是由回路边界(扩张或收缩)运动引起的；另一种是由回路内的磁感应强度变化所致如图1所示，金属滑棒ab与导轨组成的闭合回路abcd

3、平面与磁感应强度B垂直，当磁场稳定时，金属棒ab以速度V沿导轨运动，则感应电动势为E1=BS/t=Blv;当金属棒静止不动，只有磁感应强度B变化时，感应电动势为E2=(B/t)S在一般情况下，由回路边界运动产生的电 动势也叫做动生电动势，用矢量积分表示E1=(vB)dl由磁感应强度变化产生的感应电动势叫做感生电动势，用矢量积分表示E2=- B/ tdS所以，有些参考书把感应电动势的普遍形式写成E=(vB)dl- B/ tdS由此可以看出，法拉第电磁感应定律是完整的，它概括了产生电磁感应现象的两种基本形式。 二、电磁感应现象的本质 事实上感应电动势的产生与是否存在导体无关对于感生电动势的情况，回

4、路固定不动，而磁通量的变化完全由磁感应强度变化所引起，麦克斯韦认为这是由于变化的磁场在空间激发了感生涡旋电场，产生电动势E2=Edl麦克斯韦在法拉第感应电动势的基础上加上感生涡旋电场的假设，得到了电磁场基本方程之一Edl= B/ tdS微分形式为E=- B/ t 此式说明变化的的磁场总会感应出电场,这是客观存在的,而有了导体,感应电场可以驱使导体内部的自由电荷运动,从而显示出感应电流即使没有导体，涡旋电场同样可以驱动真空中的电荷做加速运动电子感应加速器就是利用这一原理来工作的。 由回路边界运动产生的动生电动势的机理，通常用金属电子论和洛伦兹力来解释。如图2所示，取闭合回路上的部分导体ab作为孤

5、立部分在磁场中做切割磁感线运动，导体内的自由电子会受到洛伦兹力的作用Fevb，于是电子发生迁移，在a b两端出现过剩正；负电荷，在导体内部产生静电场E，反过来又阻碍电子迁移平衡时eEevB，所以E=vB导体棒的电动势E1，用棒两端的电势差来量度E1=El=Blv和感生电动势一样，动生电动势同样不依赖于导体的存在根据狭义相对性原理，当观察者相对于电场(产生电场的电荷)运动时会观察到磁场；观察者相对于磁场(产生磁场的电路)运动时一般也会观察到电场当wc 时，非相对论电磁场变换式为E/=E+vB,B/=B-v/C2E。所以，从固定在导体上的参考系来看，除了磁感应强度B/=B之外，还观察到了电场E/v

6、B由此看来，洛伦兹力的本质还是电场对电荷的作用在各量相互垂直的情况下，动生电动势E1E/1Blv，同样与导体无关，但当有导体时，电场E/，会驱使导体的自由电子运动。电场和磁场是同一物质的两个方面，既是统一的，又是相对的在稳定时、静止时，电场和磁场表现出不同的性质，但在变化时、运动时，它们可以相互转化，并随时空的变化而变化所以，电磁感应的本质其实就是磁场到电场的转化。电磁感应历来是高中物理教学的难点，也是高考的热点，一般认为，该内容高度的综合性和学生思维能力的不够是造成学生学习电磁感应困难的主要因素，为了突破这一难点，本人对此做了一些探索，教学中始终坚持采用运动、辩证、转换、守恒的观点，使学生获

7、得知识的同时，构造了对电磁感应中的概念、模型、规律、方法的辩证理解，以激活学生的思维，有效地增强他们分析问题和解决问题的能力。下面是对电磁感应里的法拉第电磁感应定律和楞次定律教学理解和把握。法拉第电磁感应定律一 教学目标1在物理知识方面的要求。(1)掌握导体切割磁感线的情况下产生的感应电动势。(2)掌握穿过闭合电路的磁通量变化时产生的感应电动势。(3)了解平均感应电动势和感应电动势的即时值。2通过推理论证的过程培养学生的推理能力和分析问题的能力。3运用能的转化和守恒定律来研究问题，渗透物理思想的教育。二 重点、难点分析1重点是使学生掌握感应电动势和感应电动势与哪些因素有关。2在论证过程中怎样运

8、用能的转化和守恒思想是本节的难点。三 主要教学过程（一）引入新课复习提问：在什么情况下，电路中会有感应电流产生？要求学生回答：电路要闭合电路的磁通量要发生变化（二）教学过程设计1设问既然会判定感应电流的有无，那么，怎样确定感应电流的强弱呢？既然有感应电流，那么就一定存在感应电动势。只要能确定感应电动势的大小，根据欧姆定律就可以确定感应电流了。2导线切割磁感线的情况。(1)如图所示，矩形闭合金属线框abcd置于有界的匀强磁场B中，现以速度v匀速拉出磁场，我们来看感应电动势的大小。在水平方向ab边受到安培力Fm=BIl的作用。因为金属线框是做匀速运动，所以拉线框的外力F的大小等于这个安培力，即 F

9、=BIl。在匀速向外拉金属线框的过程中，拉力做功的功率 P=Fv=BIlv。拉力的功并没有增加线框的动能，而是使线框中产生了感应电流I。根据能的转化和守恒定律可知，拉力F的功率等于线框中的电功率P。闭合电路中的电功率等于电源电动势(在这里就是感应电动势)与电流I的乘积。显然 Fv=I，即 BIlv=I。得出感应电动势 =Blv。 (1)式中的l是垂直切割磁感线的有效长度(ab)，v是垂直切割磁感线的有效速度。(2)当ab边与磁感线成角(如图2)做切割磁感线运动时，可以把速度v分解，其有效切割速度v=vsin，那么，公式(1)可改写为：=Blvsin，这就是导体切割磁感线时感应电动势的公式。在国

10、际单位制中，它们的单位满足：V=Tm2/s。3穿过闭合电路的磁通量变化时。(1)参看前图，若导体ab在t时间内移动的位移是l，那么 （3）式中ll是ab边在t时间内扫过的面积，llsin是ab边在t时间内垂直于磁场方向扫过的有效面积。Bllsin是ab边在t时间内扫过的磁通量(磁感线的条数)，对于金属线框abcd来说这个值也就是穿过线框磁通量在t时间内的变化量。这样(3)式可简化为(2)在一般情况下，线圈多是由很多匝(n匝)线框构成，每匝产生的感应电动势均(4)式的值，串联起来n匝，则线圈产生的感应电动势可用（5）式表示。这个公式可以用精密的实验验证。这就是法拉第电磁感应定律的表达式。(3)电

11、路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。这就是法拉第电磁感应定律。4几个应该说明的问题。(1)在法拉第电磁感应定律中感应电动势E的大小不是跟磁通量成正比，也不是跟磁通量的变化量成正比，而是跟磁通量的变化率成正比。(2)法拉第电磁感应定律反映的是t一段时间内平均感应电动势，只有当t趋近于零时，才是即时值。(3)公式=Blvsin中，当v取即时速度则E是即时值，当v取平均速度时，E是平均感应电动势。(4)当磁通量变化时，对于闭合电路一定有感应电流，若电路不闭合，则无感应电流，但仍然有感应电动势。(5)感应电动势就是电源电动势，是非静电力使电荷移动增加电势能的结果，电路中感应电流

12、的强弱由感应电动势的大小E和电路总电阻决定，符合欧姆定律。（三）课堂小结1导体做切割磁感线运动时，感应电动势可由=Blvsin确定。2感应电动势就是电源电动势，有关闭合电路相关量的计算在这里都适用。3同学们应该会证明单位关系：V=Wb/s。五 教学说明1这一节课是从能的转化和守恒定律入手展开的，其目的在于渗透一点物理思想。2这一节课先讲感应电动势再过渡到感应电动势，其目的是隐含地告诉学生在某些情况下可以从具体到一般。楞次定律楞次定律是一条电磁学的定律，从电磁感应得出感生电动势的方向。 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。注意：“阻碍”不是“相反”，原磁通量增大时方向相反，原磁通

13、量减小时方向相同；“阻碍”也不是阻止，电路中的磁通量还是变化的.1833年, 楞次 在概括了大量实验事实的基础上,总结出一条判断感应电流方向的规律，称为楞次定律。楞次定律可表述为 ： 闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来阻碍引起感应电流的磁通量的变化 楞次定律也可简练地表述为 ： 感应电流的效果，总是阻碍引起感应电流的原因。 一、难点分析1. 从静到动的一个飞跃 学习“楞次定律”之前所学的“电场”和“磁场”只是局限于“静态场”考虑，而“楞次定律”所及的是变化的磁场与感应电流的磁场之间的相互关系，是一种“动态场”，并且“静到动”是一个大的飞跃，所以学生理解起来要困难一些。 2. 内

14、容、关系的复杂性 “楞次定律”涉及的物理量多，关系复杂。产生感应电流的原磁场与感应电流的磁场两者都处于同一线圈中，且感应电流的磁场总要阻碍原磁场的变化，它们之间既相互依赖又相互排斥。如果不明确指出各物理量之间的关系，使学生有一个清晰的思路，势必造成学生思路混乱，影响学生对该定律的理解。 3. 学生知识、能力的不足 要能理解“楞次定律”必须具备一定的思维能力，而大多数学生抽象思维和空间想象能力还不是很强，对物理知识的理解、判断、分析、推理常常表现出一定的主观性、片面性和表面性，所以在某些问题的理解上容易出差错。 二、突破难点的方法 1. 正确理解“楞次定律”的内容及“阻碍”的含义 （1）“楞次定

15、律”的内容：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。 （2）对“阻碍”二字的理解：要正确全面地理解“楞次定律”必须从“阻碍”二字上下功夫，这里起阻碍作用的是“感应电流的磁场”，它阻碍“原磁通量的变化”，不是阻碍原磁场，也不是阻碍原磁通量。不能认为“感应电流的磁场必然与原磁场方向相反”或“感应电流的方向必然和原来电流的流向相反”。所以“楞次定律”可理解为：当穿过闭合回路的磁通量增加时，感应电流的磁场方向总是与原磁场方向相反；当穿过闭合回路的磁通量减小时，感应电流的磁场方向总是与原磁场方向相同。另外“阻碍”不能理解为“阻止”，应认识到，原磁场是主动的，感应电流的

16、磁场是被动的，原磁通量仍然要发生变化，阻止不了，而感应电流的磁场只是起阻碍作用而已。感应电流的磁场的存在只是削弱了穿过电路的总磁通量 变化的快慢，而不会改变 的变化特征和方向。例如：当增大感应电流的磁场时， 原磁场也将在原方向上一直增大，只是增大得比没有感应电流的磁场时慢一点而已。如果磁通量变化被阻止，则感应电流就不会继续产生。无感应电流，就更谈不上“阻止”了。 2. 掌握应用“楞次定律”判定感应电流方向的步骤 （1）明确原磁场的方向及磁通量的变化情况（增加或减少）。 （2）确定感应电流的磁场方向，依“增反减同”确定。 （3）用安培定则确定感应电流的方向。 3. 弄清最基本的因果关系 楞次定律揭示因果关系。感应磁场与原磁场磁通量变化之间阻碍与被阻碍的关系：原磁场磁通量的变化是因，感应电流的产生是果，原因引起结果，结果又反作用于原因，二者在其发展过程中相互作用，互为因果。 4. 正确认识“楞次定律”与能量转化的关系 “楞次定律”是能量转化和守恒定律在电磁运动中的体现，感应电流的