第十三章 电磁感应与电磁波初步 学习活动设计四：电能生磁，磁能生电吗？

第十三章《电磁感应与电磁波初步》学习活动设计四：电能生磁，磁能生电吗？
　　课堂教学：
　　【任务情境】
　　1831年，法拉第把两个线圈绕在一个铁环上，一个线圈接电源，另一个线圈接“电流表”，第一次观测到了期待已久的感应电流。实验中也没有导体棒切割磁感线怎么会产生感应电流呢？感应电流产生的条件应该如何叙述？
　　【学习任务一】重温“切割”实验，“初识”感应电流产生的条件
　　教师活动：组织学生探究、交流和讨论。
　　情境一：闭合电路的部分导体切割磁感线
　　提问1：导体棒左右平动、前后平动、上下平动，哪种情况能产生感应电流？做实验验证你的猜测。
　　学生实验并回答：只有左右平动时才有电流产生，也就是ab切割磁感线时有电流产生。
　　提问2：对于产生感应电流的条件我们能得到的初步结论是什么？
　　引导学生总结：闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动，导体中才会产生感应电流。
　　提问3：是不是切割磁感线是产生感应电流的唯一方法呢？根据法拉第的领悟“磁生电是一种在变化、运动的过程中才出现的效应。”在上面的情境一中与磁场相关的哪个物理量发生了变化呢？
　　问题提示：为了便于分析产生感应电流的条件，我们把情境一的实验装置画成下图所示的示意图。
　　学生讨论总结：磁场不变而闭合电路ABCD的面积发生了变化，也就是说穿过闭合电路的磁通量发生了变化。
　　教师引导提升：感应电流的产生是否与磁通量的变化有关呢？我们继续来探究。
　　【学习任务二】模拟法拉第实验，寻找“磁生电”的条件
　　教师活动：组织学生探究、交流和分享。
　　情境二：线圈A通过滑动变阻器和开关连接到电源上，线圈B的两端与电流表连接，把线圈A装在线圈B的里面。
　　引导学生实验：观察下面几种情况下线圈B中是否有电流产生。
　　表1

　　提问1：在上面的实验中，哪种情况下线圈B中有电流产生？这些情况中与磁场相关的哪个物理量发生了变化呢？
　　学生分析总结：开关闭合、断开的瞬间及开关保持闭合迅速移动滑动变阻器的滑片的情况下B线圈中有感应电流产生；这些情况下穿过B线圈的磁场强弱在变化。
　　提问2：请结合前面两个实验，及法拉第观测到感应电流的实验说说产生感应电流的条件是什么？你的分析是怎样的？
　　学生分析论证并汇报：产生感应电流的条件应该是磁通量发生变化，因为实验1中是线圈面积发生变化引起了磁通量的变化，实验2中虽然线圈的面积不变，但是迅速移动滑动变阻器的滑片（或者由于开关的闭合、断开），线圈A中的电流迅速变化，又由于两个线圈套在一起，所以线圈B中的磁场强弱也迅速变化，从而也引起了线圈B中的磁通量变化；而任务情境中法拉第发现电磁感应现象的实验就跟我们实验中的开关断开、闭合的瞬间原理是一样的。
　　教师引导学生总结：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。这就是产生感应电流的条件。
　　教师引导学生实验：我们初步得到上面的结论，它是否经得起检验呢？下面我们就把它放到实践中去检验一下。
　　情境三：如图所示，把磁铁的某一个磁极向线圈中插入，或从线圈中抽出，或静止地放在线圈中。观察电流表的指针，把观察到的现象记录在表2中。
　　表2
　　提问：你能通过我们的结论完善整个表格吗？完成表格后用实验来证明你自己吧。
　　学生分析、实验并总结：产生感应电流的条件是穿过闭合回路的磁通量发生变化。
　　【学习任务三】电磁感应现象的应用
　　教师活动：引导学生发现电磁感应现象的应用
　　提问：1831年法拉第发明了第一台发电机，从此进入了电气化时代，你能否举例说明电磁感应现象在生活中的应用？
　　预测学生回答：发电机，变压器，电磁炉，手机无线充电……
　　教师总结提升：人类社会当前的信息化高科技时代，几乎每一个领域的高科技应用技术的原理，都离不开法拉第的电磁感应原理。在我们生产、生活和高科技领域中广泛使用的互联网技术、移动通信技术、航天技术等都与电磁感应原理密切相关。我们应该缅怀把一生献给了科学事业的法拉第，他发现了电磁感应现象打开了电气化时代的大门。
　　【学习小结】
　　1.经历感应电流产生条件的探究活动，提高分析论证能力。
　　2.通过模仿法拉第的实验，归纳得出产生感应电流的条件。
　　3.了解电磁感应现象发现的重大历史意义和电磁感应现象的广泛应用。
　　【学习评价自测】
　　1.匀强磁场中有一个矩形线框，在下列几种情况下，线框中是否产生感应电流？（1）保持线框平面始终与磁感线垂直，线框在磁场中上下运动(图甲)；（2）线框在磁场中左右运动(图乙)；（3）线框绕轴线AB转动(图丙)。
　　答案：图甲、图乙中没有感应电流产生，图丙中有感应电流产生。
　　解析：图甲中，线框在磁场中上下运动的过程中，穿过线框的磁通量没有发生变化，所以无感应电流产生；图乙中，线框在磁场中左右运动的过程中，尽管切割磁感线，但是穿过线框的磁通量没发生变化，所以无感应电流产生；图丙中，线框绕轴线AB转动，穿过线框的磁通量发生改变，有感应电流产生。
　　2.如图所示，线圈Ⅰ与电源、开关、滑动变阻器相连，线圈Ⅱ与电流计相连，线圈Ⅰ与线圈Ⅱ绕在同一个铁芯上，在下列情况下，电流计中是否有示数？
　　(1)开关闭合瞬间；
　　(2)开关闭合稳定后；
　　(3)开关闭合稳定后，来回移动滑动变阻器的滑片；
　　(4)开关断开瞬间。
　　答案：(1)有 (2)无 (3)有 (4)有
　　解析：本题主要考查闭合电路中电流变化导致磁场变化从而产生感应电流的情况。
　　(1)开关闭合时线圈Ⅰ中电流从无到有，故电流形成的磁场也从无到有，穿过线圈Ⅱ的磁通量也从无到有，故线圈Ⅱ中产生感应电流，电流计有示数。
　　(2)开关闭合稳定后，线圈Ⅰ中电流稳定不变，电流形成的磁场不变，此时线圈Ⅱ中虽有磁通量但磁通量稳定不变，故线圈Ⅱ中无感应电流产生，电流计无示数。
　　(3)开关闭合稳定后，来回移动滑动变阻器的滑片，电阻变化，线圈Ⅰ中的电流变化，电流形成的磁场也发生变化，穿过线圈Ⅱ的磁通量也发生变化，故线圈Ⅱ中有感应电流产生，电流计有示数。
　　(4)开关断开瞬间，线圈Ⅰ中电流从有到无，电流形成的磁场也从有到无，穿过线圈Ⅱ的磁通量也从有到无，故线圈Ⅱ中有感应电流产生，电流计有示数。