《電磁感應》教學淺探
2011-12-31 00:00:00梁顯勝
中學教學參考·理科版 2011年8期
《電磁感應》是中職物理(電磁學)的重要內容，是聯系電和磁的橋梁，是學習《電工學》、《電子技術》、《無線電技術》等課程的重要基礎。但《電磁感應》內容中的概念、規律較為抽象，不少學生在學習時感覺有一定的困難。教學過程中教師應發揮主導作用，在幫助學生理解、思考、總結的過程中，讓學生形成清晰的概念，自主發現知識規律，在實際應用中掌握解決問題的方法。
一、通過對比辨別，形成概念
要學好物理，掌握概念是前提.教學中，幫助學生形成正確的概念具有重要的意義。在《電磁感應》學習中，由于學生對一些概念的認識較模糊，理解膚淺，妨礙了他們對問題的深入學習和研究。教學中可通過對比和辨別，幫助學生形成清晰的概念。
1.辨別磁通量、磁通量的變化和磁通量的變化率
（1）磁通量(Φ)：磁感應強度B與垂直于磁場方向的面積S的乘積叫做穿過這個面的磁通量，定義式Φ=BS。如果面積S與B不垂直，應以B乘以在垂直于磁場方向上的投影面積S′，即Φ=BS′，國際單位是Wb。
（2）磁通量的變化(Δφ)：指磁通量的增加或減少，與磁感強度B的變化、面積S的變化有關。當回路中的磁通量發生變化時，回路中就會產生感應電動勢；如果回路是閉合的，則回路中同時產生感應電流。
（3）磁通量的變化率(ΔφΔt)：表示回路中磁通量變化的快慢，與磁通量的變化量Δφ和所用時間Δt有關。電路中感應電動勢的大小與磁通量的變化率成正比，而不是與磁通量的變化量成正比。
2.辨別感生電動勢與動生電動勢
感生電動勢和動生電動勢統稱為感應電動勢，均可用法拉第電磁感應定律求得。
（1）若回路中的面積保持不變，由于空間磁場隨時間變化，導致回路中產生感應電動勢就叫做感生電動勢，可用公式
E感＝nΔBΔtS求得。
（2）若磁場不隨時間變化，而回路中有部分導體切割磁感線運動，使回路面積發生變化，導致回路中的磁通量發生變化而產生感應電動勢就叫動生電動勢。可用公式E動＝nBΔSΔt＝BLv求得。
3.辨別感應電動勢與感應電流
（1）感應電動勢的有無，僅決定于穿過回路的磁通量有無變化，與回路的通斷、回路的組成等無關。
（2）電路中有感應電流，是閉合電路中有感應電動勢的必然結果，感應電動勢的存在是產生感應電流的必要條件。電磁感應現象中感應電動勢比感應電流更能反映電磁感應現象的本質。
二、在歸納、總結中，理解和掌握物理規律
物理概念是物理知識體系的基石，物理規律是建立在基石之上的主干知識。因此，在教學中不僅要抓好學生物理概念的學習，還要認真抓好學生物理規律的學習，使學生在歸納、總結中，理解和掌握物理規律。
1.理清知識脈絡
在《電磁感應》教學中，應把握好磁通量的“變化”，對于磁通量“變化”，應著重從三個層次去理解。
（1）磁通量是“變”還是“不變”：產生電磁感應現象的條件是回路中的磁通量發生“變化”，如果回路閉合，則同時產生感應電流；否則不產生電磁感應現象。
（2）磁通量怎么變（增加還是減少）：這是根據楞次定律的增反減同規律判斷感應電動勢（或感應電流）的方向的依據。
（3）磁通量變化的快慢：這是確定感應電動勢大小的依據（法拉第電磁感應定律——感應電動勢大小與磁通量變化率成正比）。
2.分類總結感應電動勢的生成規律
由于通過閉合回路的磁通量發生變化，而在回路中產生感生電動勢(或感生電流)的現象稱為電磁感應現象。電路中感應電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量變化率成正比，這就是法拉第電磁感應定律。變壓器、發電機及各種電感元件都是根據電磁感應原理工作的。感應電動勢的生成規律可總結為。
（1）單桿切割生電規律：從組合情況看有桿與電阻、桿與電容、桿與電感等組合；從導體桿所在的導軌看有“平面導軌”、“斜面導軌”、“豎直導軌”等；從運動形式看有單桿在磁場中“勻速運動”，單杠在磁場中“勻變速運動”，單桿在磁場中“變加速運動”等。回路中的感應電動勢都可以考慮用公式E=BLv求得，并且桿所受的安培力總是阻礙桿的相對運動的。
（2）矩形線圈轉動生電規律：矩形線圈在磁場中勻速轉動切割磁感線生電，可用公式E=nBSsinωt求得，交流電的產生就屬于此類。
（3）回路中磁通量變化生電規律：回路中僅磁通量發生變化而生電，可用法拉第電磁感應定律E＝nΔφΔt求得(式中Δφ=ΔB#8226;S=B#8226;ΔS=ΔB#8226;ΔS)。
三、在實際應用中形成知識體系
在平時的學習過程中，學生頭腦中常常是一個個孤立的概念和物理量，一條條獨立的定律和定理，不能形成體系，不能從整體上把握知識，因而很難綜合運用知識去解決實際問題。在應用《電磁感應》知識解決有關實際問題過程中，發現它與電學中電路的分析計算，力學中力的平衡、動量定理、功能關系、圖像等知識密切相關，屬于綜合知識的應用。因此，教學上必須指導學生及時總結整理所學知識，掌握知識之間的內在聯系，在頭腦中形成一個完整的知識體系。
1．《電磁感應》與電路問題
《電磁感應》中的電路問題的特點是閉合電路中磁通量發生變化或有部分導體在做切割磁感線運動，在回路中將產生感應電動勢和感應電流，從而涉及電流、電壓、電功、電功率等計算。其基本解題方法：產生感應電動勢的導體(或線圈)相當于一個電源，感應電動勢等效于電源電動勢，產生感應電動勢的導體(或線圈)的電阻等效于電源的內阻。產生感應電動勢的導體(或線圈)跟用電器連接，可以對用電器供電，按題意畫出等效電路，其余問題為電路分析和閉合電路歐姆定律的應用。
圖1
【例1】 如圖1所示，金屬棒AB長0.1米，
磁場的磁感應強度為0.5特，當AB在外力作用下
以10米/秒的速度向右勻速運動時，導體框和AB
的電阻不計，R=2歐，求R中電流的大小、方向和
它消耗的功率。
［解題方法指導］ 磁通量變化產生感應電動勢
→感應電流→作出等效電路→閉合電路的歐姆定律
→電功率。
2．《電磁感應》與力學問題
《電磁感應》中的力學問題，解題橋梁是磁場對感應電流的安培力。因為感應電流與導體運動的加速度有相互制約的關系，在這類問題中，導體一般不是做勻變速運動，而是經歷一個動態變化過程。再趨于一個穩定狀態，故解這類問題時，正確進行動態分析，確定最終狀態是解題的關鍵。其基本解題方法是：抓好受力分析，當導體處于平衡狀態時，導體處于靜止狀態或勻速直線運動狀態，合外力等于零；當導體處于非平衡狀態即做變速運動時，可根據牛頓第二定律進行動態分析。
圖2
【例2】如圖2所示，在磁感應強度為0.1特的勻強磁場中，
有一個金屬框ABCD(其電阻不計)，導線ab在重力的作用下，可在金屬框上向下滑動(不計摩擦)，ab的質量為0.2克，長0.1米，電阻為0.2歐，求ab棒下滑的最大速度。
［解題方法指導］ 切割磁感線產生感應電動勢→感應電流→通電導體受安培力→合外力變化→加速度變化→速度變化，當加速度等于零時，導體達到穩定運動狀態，此時速度達到最大值。
3．《電磁感應》與能量問題
《電磁感應》中的能量問題。解答這類問題，要求學生能理清電磁感應過程中做功及能量的轉化情況，然后選用相應的規律進行解答。電磁感應現象是由于安培力做功而導致能量轉化的，既要用到電磁感應知識，又要用到功能關系和能量守恒定律。其基本解題方法：用法拉第電磁感應定律和楞次定律確定感應電動的大小和方向；畫出等效電路，求出回路中電阻消耗電功率的表達式；分析導體機械能的變化，用能量守恒關系得到機械功率的改變與回路中電功率的變化所滿足的方程。
圖3
【例3】如圖3所示，水平面光滑，金屬環r=10cm、R=1Ω、
m=1kg，v=10m/s，向右勻速滑向有界磁場，勻強磁場B=0.5T；
從環剛進入磁場算起，到剛好有一半進入磁場時，圓環釋放
了32J的熱量，求：（1）此時圓環中電流的即時功率；
（2）此時圓環運動的加速度。
［解題方法指導］ 感應電動勢→感應電流→作出等效電路→閉合電路的歐姆定律→電功率→能量守恒定律。
4.《電磁感應》與圖像問題
《電磁感應》中的圖像問題常見的有B-t、Φ-t、E-t、F-t等圖像，B、Φ、E、F各物理量的大小由法拉第電磁感應定律判斷。解題時需注意的問題是：磁通量是否變化(變化是否均勻)、感應電動勢(感應電流)大小是否恒定、感應電動勢(感應電流)的方向、電磁感應現象產生的過程以及時間段。基本解題方法是：①從圖像上獲取已知條件、分析物理過程，②從抽象的圖
像出發，建立實際的物理模型。
圖4
【例4】 如圖4所示，豎直放置的螺線管和導線abcd構成回路，
螺線管下方水平桌面上有一導體環。當導線abcd所圍區域
內的磁場按下列哪一圖示方式變化時，導體環將受到向上的
磁場力作用？
圖5
［解題方法指導］ 從圖像上獲取已知條件、分析物理過程，再根據楞次定律的增反減同規律確定。
總之，作為教師，在平常的物理教學過程中，要充分挖掘和利用教材中內容的特點，結合學生思維能力的培養，使學生通過對比辨別，形成概念，在歸納、總結中，理解和掌握物理規律，在實際應用中形成知識體系。這些做法都是學生學習和掌握物理知識的基本途徑，也是教師提高教學效率和教學成績的方法。
參考文獻
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［4］李強.物理規律與學生物理思維能力培養［J］.科教文匯，2009(19).
(責任編輯 易志毅）
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