2020高中物理 第四章 第一节 划时代的发现学案 新人教版选修3-2 10页

第四章 电磁感应 ‎ ‎§4.1划时代的发现 ‎【学习目标】‎ ‎1．知道与电流磁效应和电磁感应现象的发现相关的物理学史。‎ ‎2.了解奥斯特、法拉第等科学家的科学思维方法，体会人类探究自然规律的科学态度和科学精神 ‎3．知道电磁感应、感应电流的定义。‎ ‎4.回顾理解磁通量的概念，会用公式Ф=BS计算穿过某一面积的磁通量和该公式中每一个物理量的物理意义。‎ ‎5．知道穿过某一面积的磁通量大小也可以用穿过这一面积的磁感线多少来表示，理解磁通量的变化ΔΦ等于末磁通量Φ2与初磁通量Φ1的差，即ΔΦ=Φ2-Φ1‎ ‎【重点难点】‎ ‎1.重点：探索电磁感应现象的历史背景，领悟科学探究的方法和艰难历程。理解磁通量的概念。‎ ‎2.难点：体会人类探究自然规律的科学态度和科学精神，理解磁通量的变化 ‎【背景材料】‎ ‎“科学技术是第一生产力”，经济建设离不开能源，人类发明也离不开能源，而电能是最好的能源之一，可以说人类离不开电．饮水思源，我们忘不了为发现和使用电能作出卓越贡献的科学家——法拉第。‎ 法拉第(MichaelFaraday)．1791一1867，英国物理学家、化学家，也是著名的自学成才的科学家。在物理学领域，法拉第有“电学之父”的美誉。‎ 法拉第出生在萨里郡纽因顿的一个铁匠之家，由于家境贫寒，法拉第没有在学校受到完整的初等教育。13岁起，就在一个图书装订商门下做学徒工，并在业余时间，法拉第读了这家店铺里装订的许多书籍，他从微薄的工资收入中挤出钱来拼凑成了自用的简陋实验室，在业余时间进行某些简单的实验．‎ 法拉第主要从事电学、磁学、磁光学、电化学方面的研究，并在这些领域取得了一系列重大发现．1820年奥斯特发现电流的磁效应之后，法拉第于1821年提出“由磁产生电”的大胆设想，并开始了艰苦的探索．1821年9月他发现通电的导线能绕磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了电磁运动向机械运动的转换，从而建立了电动机的实验室模型．接着经过无数次实验的失败，终于在1831年发现了电磁感应定律．这一划时代的伟大发现，使人类掌握了电磁运动相互转变以及机械能和电能相互转变的方法，成为现代发电机、电动机、变压器技术的基础，开辟了人类的电气化时代。‎ ‎【课前预习】‎ 一、奥斯特梦圆“电生磁”‎ ‎1.18世纪末19世纪初，一些独具慧眼的科学家提出了各种自然现象之相互联系和相互转化的思想，奥斯特相信_______之间可能存在着某种联系。‎ ‎2.奥斯特实验 在1820年4月的一次讲演中，奥斯特偶然在直导线附近，放置一枚小磁针，当导线中有电流通过时，磁针发生了偏转（如图）。这就是被后人称道的著名的奥斯特实验。实验表明：通电导线周围和永磁体周围一样都存在_______。‎ ‎3.电流的磁效应——“电生磁”现象 奥斯特进一步发现：任何通有电流的导线，都可以在其周围产生磁场，这种现象称为_____________。电流的磁效应是科学史上的一个重要发现，它揭示了____现象与____现象之间存在的某种联系，从此把电学和磁学联系起来了。‎ 答案：一、1.电与磁 2. 磁场 3. 电流的磁效应，电 磁 二、法拉第心系“磁生电”‎ ‎1.“电生磁”与“磁生电”‎ 电流磁效应的发现引起了这样的对称性的思考：既然能够“电生磁”，那么可不可以“磁生电”呢？也就是说，电流能够引起磁针的运动，那么为什么不能用磁铁使导线中产生电流呢？英国科学家_______深信磁与电之间也应该有类似的“感应”。‎ ‎2.法拉第“磁生电”实验 法拉第试图用恒定电流产生的磁场来观察在某个电路中是否产生电流，但结果均以失败告终。多次失败后，1831年8月29日，法拉第终于发现了“磁生电”效应：把两个线圈绕在同一个铁环上（如图甲），一个线圈接到电源上，另一个线圈接入“电流表”，在给一个线圈通电或断电的_____，另一个线圈中也出现了电流。（如图乙）‎ 图甲 图乙 法拉第用过的线圈 ‎3.电磁感应现象——“磁生电”现象 法拉第经过长期不懈的努力最终发现：“磁生电”是一种在_______的过程中才能出现的效应。法拉第把引起电流的原因概括为五类，它们都与变化和运动相联系，这就是：____的电流、____的磁场、运动的恒定电流、_______的磁铁、在磁场中运动的导体。他把这些现象定名为_________，产生的电流叫做________。电磁感应的发现使人们对电与磁内在联系的认识更加完善，宣告了电磁学作为一门统一学科的诞生。‎ 答案：二、1. 法拉第 2. 瞬间 3. 变化和运动 变化 变化 运动 电磁感应 感应电流 三、科学足迹 ‎1．科学发现的启迪阅读教材P3~P4‎ ‎2．伟大的科学家法拉第阅读教材P4~P5‎ 四、磁通量（回顾复习）‎ ‎1．定义：设在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面，磁感应强度B与面积S的乘积叫做穿过这个面的磁通量。表达式为Ф=BS．‎ ‎2．单位：韦伯(Wb)，lWb=1T·m2‎ ‎3．物理意义：表征穿过某面的磁感线条数。通过某一平面的磁通量的大小，可以用通过这个平面的磁感线的条数的多少来形象地说明。在同一磁场的中，磁感线越密的地方，也就是穿过单位面积的磁感线条数越多的地方，磁感应强度B越大。因此，B越大，S越大，穿过这个面的磁感线条数就越多，磁通量就越大。‎ ‎4．一般公式：Ф=BSsinθ(θ为平面S与磁感线之间的夹角)．‎ ‎（1）理解：如果面积S与磁感应强度B不垂直，可将磁感应强度B向着垂直于面积S和平行于面积S两方向进行正交分解，也可以将面积向着垂直于磁感应强度B的方向投影。‎ ‎（2）若B∥S时，Ф=0；若B⊥S时，Ф为最大（Фm=BS）‎ ‎5．磁通量是标量，却有正负之分。当我们规定从平面的一面穿进的磁感线条数为正通量，则从另一面穿进的磁感线条数为负通量，磁通量的运算遵从代数法则。‎ ‎6．磁通量的变化 ‎（1）磁通量的变化量ΔΦ：ΔΦ等于末磁通量Φ2与初磁通量Φ1的差，即ΔΦ=Φ2-Φ1‎ ‎（2）引起磁通量变化的原因 ‎①面积S发生变化；‎ ‎②线圈平面与磁场的夹角θ发生变化(如线圈在磁场中转动)；‎ ‎③B发生变化(往往是产生磁场的电流发生变化引起的)，‎ ‎（3）磁通量变化量的计算，一般还常见以下两种情况：‎ ‎①匀强磁场中只由回路面积变化时（如切割磁力线时），则ΔΦ=B·ΔS=B（S2-S1）‎ ‎②回路面积不变（如线圈的截面积）只由磁感应强度B发生变化，则ΔΦ=ΔB﹒S=（B2-B1）S ‎（4）特例：‎ 如一线圈垂直匀强磁场方向放置，穿过线圈的磁通量为BS，当线圈绕垂直磁场方向的轴翻转180O 后，则磁通量的变化量为2BS，因为磁感线一次从正面穿过，一次从反面穿过，即一次磁通量为BS，另一次为-BS，故磁通量变化量为2BS。如线圈不动，磁场方向变为反向，虽然磁通量大小保持不变，但方向变了，同理，磁通量变化量也是2BS。‎ ‎【预习检测】‎ ‎1.发电的基本原理是电磁感应。发现电磁感应现象的科学家是（）‎ A．安培 B．赫兹 C．法拉第 D．麦克斯韦 ‎2.下列现象中属于电磁感应现象的是（）‎ A．磁场对电流产生力的作用 B．变化的磁场使闭合电路中产生电流 C．插在通电螺线管中的软铁棒被磁化 D．电流周围产生磁场 ‎3．下列关于磁通量的说法中，正确的是（）‎ A．穿过一个面的磁通量等于磁感应强度与该面面积的乘积 B．在匀强磁场中，穿过某平面的磁通量等于磁感应强度与该面面积的乘积 C．穿过一个面的磁通量就是穿过该面单位面积的磁感线的条数 D．穿过一个面的磁通量就是穿过该面的磁感线的条数 ‎4．如图所示，矩形线框abcd的长和宽分别为‎2L和L，匀强磁场的磁感应强度为B，虚线为磁场的边界。若线框以ab边为轴转过60°的过程中，穿过线框的磁通量的变化情况是 a b c d L A．变大B．变小 C．不变D．无法判断 答案：1.C 2.B 3.D 4.C ▲ 堂中互动▲‎ ‎【典题探究】‎ 例1 奥斯特的实验证实了电流的周围存在磁场，法拉第经过10年的努力终于发现了利用磁场产生电流的途径，法拉第认识到必须在变化、运动的过程中才能利用磁场产生电流。法拉第当时归纳出五种情形，请说出这五种情形各是什么。‎ ‎【解析】法拉第把能引起感应电流的实验现象归纳为五类：变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体。它们都与变化和运动有关。‎ 拓展法国物理学家安培也曾将恒定电流或磁铁放在导体线圈的附近，希望在线圈中看到被“感应”出来的电流，可是这种努力均无收获。因为“磁生电”是在变化或运动中产生的物理现象。‎ 例2 史料记载“1831年8月29日这一天，法拉第在接通电池的一刹那，偶然看到检流计指针动了一下，接着便回到了原位，然后就一直停住不动。……”法拉第因此发现了电磁感应现象，图‎4-1-1‎是这个实验的示意图。又有史料记载“瑞士物理学家科拉顿设计了一个利用磁铁在闭合线圈中获取电流的实验：将一块磁铁在螺线管中移动，使导线中产生感应电流。为了排除磁铁移动对检流计指针偏转的影响，他把检流计放到隔壁房间中去，用长导线把检流计和螺线管连接起来。实验开始了，科拉顿把磁铁插到线圈中去以后，就跑到隔壁房间中去，但他十分痛心地看到检流计的小磁针静止在原位。”科拉顿没能发现电磁感应现象，他的实验示意图见图4-1-2。请你分析一下，科拉顿没能看到电磁感应现象的原因是什么？‎ ‎【解析】 科拉顿没能看到电磁感应现象的原因是因为电磁感应现象是在变化或运动的过程中出现的，当科拉顿赶到隔壁房间去时，检流小磁针已经动过了，所以他没能看到电磁感应现象。‎ 拓展 请你说说教科书把科学发现中经历的失败和挫折表达出来有什么意义？‎ 解答：失败和挫折能够起到警示作用，使我们更加聪明，少走弯路。‎ a d c b a′‎ b′′′′′′‎ d′‎ c′‎ 例3如图所示，一矩形线框，从.abcd位置移动到a′b′c′d′位置的过程中，关于穿过线框的磁通量情况下列叙述正确的是(线框平行于纸面移动)（）‎ A．一直增加B．一直减少 C．先增加后减少D．先增加，再减少直到零，然后再增加，然后再减少 A B S N ‎【解析】由安培定则可知直导线左边磁场向外，右边磁场向里且靠近导线的磁场强，故线圈达到导线之前磁通量增加，bc边越过导线到跨过一半的过程中线圈磁通量减少直到为零。之后线圈磁通量增加，全部越过导线后穿过线圈的磁通量减少，可得出结论，整个过程中穿过线圈的磁通量先增加，再减少直到零，然后再增加，最后再减少，故D正确。‎ ‎【变式训练1】如图所示条形磁铁竖直放置，闭合的金属线框水平地紧挨着磁铁从A端移至B端的过程中，穿过线框的磁通量的变化情况是（）‎ A．变大 B．变小 C．先变大后变小 D．先变小后变大 N S a b 例4条形磁铁竖直放置，闭合圆环水平放置，条形磁铁中心穿过圆环中心，如图所示，若圆环为弹性环，其形状由a扩大为b，那么圆环内磁通量变化情况是（）‎ A． 磁通量增大 B． 磁通量减小 A． 磁通量不变 B． 条件不足，无法确定 ‎【解析】此题所给条件是非匀强磁场，不能用Ф=B·S计算，只能比较穿过两环的磁感线净条数多少，来判断磁通量的大小。条形磁铁的磁感线是从N极出发，经外空间磁场由S极进入，在磁铁内部的磁感线是从S极向N极，又因磁感线是闭合的平滑曲线，所以条形磁铁内外磁感线条数一样多。从下向上穿过a、b环的磁感线条数一样多，而从上向下穿过b环的磁感线多于a环，则b环从下向上穿过的净磁感线少于a环，所以a环的磁通量大于b环的磁通量。故选B ‎【点评】本题中磁铁中磁感线条数一定，磁铁外部面积越大，磁铁外部磁感线返回的条数越多，则磁通量越少。常有同学对此题做出这样的错误分析：因为Ф=BS，而Sa