汪銀山：淺談電磁感應(yīng)現(xiàn)象的教學(xué)

汪銀山

摘要：電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電和磁聯(lián)系的重要一環(huán)，而且是各類發(fā)電機(jī)最重要的工作原理。正確地認(rèn)識和理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象以及產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是教學(xué)的重點和難點。教學(xué)中，要充分調(diào)動學(xué)生的積極性，引導(dǎo)學(xué)生大膽探究磁生電的條件。通過大量的實驗探究，讓學(xué)生體會科學(xué)探究的艱辛，培養(yǎng)學(xué)生交流合作意識，培養(yǎng)他們敢于從失敗中總結(jié)經(jīng)驗，不怕困難、不折不撓的科學(xué)精神。為了使學(xué)生更好地理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象，對這部分內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐卣故呛苡斜匾摹Ｈ绾巫龊醚菔緦嶒灒箤嶒灛F(xiàn)象更明顯，需要教師認(rèn)真思考。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)現(xiàn)象感應(yīng)電流法拉第發(fā)電機(jī)

電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)揭示了電與磁的聯(lián)系，其在電磁學(xué)知識體系中有著突出的地位。結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗，本文做如下探討。

一、科學(xué)探究：感應(yīng)電流的產(chǎn)生

為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)文化素養(yǎng)，可簡單介紹發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的背景、內(nèi)容及其重大意義。我認(rèn)為，這節(jié)課教學(xué)的難點是引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗方案。很多教師在處理這節(jié)內(nèi)容時會這樣安排：先展示發(fā)電機(jī)的模型、介紹其基本結(jié)構(gòu);然后用手搖發(fā)電機(jī)讓燈泡亮起來，并請大家思考導(dǎo)體在磁場中做怎樣的運動才能產(chǎn)生感應(yīng)電流;接著做一些演示實驗并進(jìn)行歸納總結(jié)。學(xué)生在教師的“循循善誘”下得出實驗結(jié)論。而在課堂上，學(xué)生僅僅是看教師做實驗，這是不行的，教學(xué)效果差。為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，我認(rèn)為分組實驗很有必要。

怎樣利用磁場產(chǎn)生電流呢？

首先，教師可以和學(xué)生一起探討實驗方案。思考實驗需要的器材，如電池、開關(guān)、馬蹄形磁鐵、線圈、螺線管、鐵芯、電流表（計）、滑動變阻器、燈泡等。教學(xué)時先拋出第一個問題：實驗時電路是否要閉合？這個問題很容易回答，如果電路是斷開的，即便有電流產(chǎn)生我們也無法檢測到。接著拋出第二個問題：如何檢測回路中是否有電流產(chǎn)生？接入一個小燈泡，通過燈泡亮不亮來判斷合適嗎？大家通過討論得出結(jié)論——不合適（教師適當(dāng)加以引導(dǎo)）。如果產(chǎn)生的電流太小，而燈泡的實際功率比較小的話，燈泡可能不發(fā)光。因此，串聯(lián)一個靈敏電流計效果會更好。

實驗的雛形方案設(shè)計完畢后，就可以演示法拉第最初的實驗了：先將導(dǎo)線接在電流表上，放在磁場中，發(fā)現(xiàn)電流表指針沒有任何偏轉(zhuǎn);隨后，改用匝數(shù)較多的線圈繼續(xù)實驗，電流表指針仍然沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)。演示實驗結(jié)束后，可以讓學(xué)生扮演法拉第的助手這一角色試著提出一些建議，并說說理由。如果有困難的話，可以引導(dǎo)學(xué)生從能量的角度來思考這個問題——如果利用磁能夠生電，就一定有電能產(chǎn)生，是什么能轉(zhuǎn)化成電能呢？是磁能？還是機(jī)械能？是機(jī)械能！也就是說，是不是要讓磁鐵或者閉合線圈動起來呢？通過討論我們將實驗方案大致羅列一下：在磁鐵上纏若干圈漆包線，讓其一起動起來;只移動磁鐵，線圈不動;只移動線圈，磁鐵不動。由于時間有限，第一個實驗可安排為演示實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電流計沒有發(fā)生任何偏轉(zhuǎn)，回路中沒有電流產(chǎn)生。這是因為線圈匝數(shù)太少了，還是因為磁場不夠強(qiáng)？增加線圈的匝數(shù)、換用磁性較強(qiáng)的磁鐵后仍沒有任何變化。實際上，法拉第最早就是這樣研究的，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論怎么做都沒有電流產(chǎn)生。

教學(xué)時，可讓學(xué)生分組進(jìn)行探究實驗，每組4～6人。由于課堂時間有限，建議將幾個小組再分成兩大組，第一大組只移動線圈，第二大組只移動磁鐵。那線圈和磁鐵可以怎樣運動？將同學(xué)們討論的結(jié)果大致羅列一下：可以上下運動;可以左右運動;線圈可以在磁場中轉(zhuǎn)動起來，或者磁鐵在線圈里轉(zhuǎn)動。學(xué)生完成實驗后一起討論，并請小組代表匯報自己小組的做法以及相應(yīng)的實驗現(xiàn)象。匯報完畢后大家進(jìn)行歸納總結(jié)：

線圈上下運動，電流計沒有偏轉(zhuǎn);

線圈左右運動，電流計發(fā)生偏轉(zhuǎn);

線圈轉(zhuǎn)動，電流計發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

……

教學(xué)中“切割”二字不要輕易說出來，要引導(dǎo)學(xué)生說出來。由于磁感線本身就是人們?yōu)楸阌谘芯慷氲牟淮嬖诘募傧氲那€，所以想理解“切割磁感線運動”就更困難了。事實上，切割磁感線運動是為了方便而引入的一種說法，究其本質(zhì)，還是磁通量發(fā)生了變化。讓學(xué)生正確理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象尤為重要。以2015年安徽省中考題第5題為例進(jìn)行分析：題目中提到了動圈式話筒，問這種話筒應(yīng)用的原理是___________。

結(jié)合多年教學(xué)經(jīng)驗，我相信會有相當(dāng)一部分學(xué)生寫“切割磁感線”這個錯誤的答案。

這是因為課本上只提及了一種電磁感應(yīng)現(xiàn)象，所以學(xué)生對電磁感應(yīng)的理解有局限性。還有沒有其他產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況呢？如果教學(xué)中不進(jìn)行適度延伸，學(xué)生就容易出現(xiàn)上面的錯誤。為了加深學(xué)生對電磁感應(yīng)現(xiàn)象的理解，只有教材中的實驗（見圖a）是不夠的，教學(xué)中有必要演示其他類型的實驗。比如磁體跟線圈做相對運動（如圖b所示）;通電線圈跟閉合線圈做相對運動（如圖c所示）。但是，關(guān)于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)問題無須過多介紹，以免增加學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

二、發(fā)電機(jī)工作原理

發(fā)電機(jī)是這樣一種設(shè)備：工作中，通過外力驅(qū)動使線圈或磁體發(fā)生轉(zhuǎn)動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)電機(jī)在生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應(yīng)用，但其基本工作原理都是電磁感應(yīng)定律。教學(xué)中，我們主要介紹交流發(fā)電機(jī)的工作原理。首先可結(jié)合掛圖或者模型去介紹其基本結(jié)構(gòu);隨后可以讓學(xué)生自行閱讀課本并思考線圈中的電流方向為什么會不斷發(fā)生改變。由于這部分內(nèi)容對立體感要求較高，不易于理解，教師可以借助三維動畫演示交流發(fā)電機(jī)的工作機(jī)制。

在發(fā)電機(jī)工作過程中線圈轉(zhuǎn)動快一些，產(chǎn)生的電壓高一些，接入的燈泡會亮一些，學(xué)生有可能會注意到這一現(xiàn)象（教師可適當(dāng)加以引導(dǎo)），這里無須解釋，可讓學(xué)生課外自主探究。在發(fā)電機(jī)工作原理知識的教學(xué)中，教師可引導(dǎo)學(xué)生從以下幾個方面跟電動機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膶Ρ龋缃Y(jié)構(gòu)特點、工作原理、能量的轉(zhuǎn)化等。

三、生活中的電磁感應(yīng)現(xiàn)象

電磁感應(yīng)原理可用于很多設(shè)備和系統(tǒng)，其中包括發(fā)電機(jī)、變壓器、電磁爐、電磁感應(yīng)燈、充電電池的無接觸充電、磁浮列車等。對于這部分內(nèi)容的教學(xué)，教師無須過多地介紹，為激發(fā)學(xué)生的求知欲望，舉一到兩個例子進(jìn)行講解即可。

以電磁爐為例，電磁爐的爐面下方有一個線圈，當(dāng)有交流電通過線圈時會產(chǎn)生交變磁場。我們把金屬器皿放在上面時，處在交變磁場中的金屬器皿其內(nèi)部將會出現(xiàn)旋渦電流，旋渦電流的熱效應(yīng)使其溫度升高，從而實現(xiàn)加熱。在電磁爐內(nèi)附有溫度控制器，可以防止電磁爐過熱，這樣不僅省電而且安全。

以手機(jī)的無線充電技術(shù)為例，無線充電技術(shù)是指將手機(jī)直接放在充電板上無須接線就可以對其充電。這是因為充電板上有一個線圈（送電線圈），通入交流電后，線圈周圍就會產(chǎn)生變化的磁場。手機(jī)上也有一個線圈（受電線圈），該線圈處在變化的磁場中，就有感應(yīng)電流產(chǎn)生，從而進(jìn)行充電，其工作機(jī)制和變壓器的原理非常相似。

探究過程本身就是一種學(xué)習(xí)。經(jīng)過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)能夠正確地認(rèn)識電磁感應(yīng)現(xiàn)象，知道什么情況下才有感應(yīng)電流產(chǎn)生，能體會到感應(yīng)電流產(chǎn)生的同時也伴隨著能量的轉(zhuǎn)化。考慮到初三學(xué)生的認(rèn)知水平，以及切實減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，我認(rèn)為初中階段沒有必要深入地去研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)，但是適當(dāng)?shù)赝卣购徒榻B相關(guān)知識還是很有必要的。

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責(zé)任編輯：唐丹丹