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一、加强楞次定律的理解
楞次定律是解决感应电流的方向如何确定的问题,它的内容比较抽象,涉及电和磁之间的复杂关系,是高中物理教学中的难点之一。
楞次定律内容:闭合导体回路中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。其中包含两层含义:
因果关系,闭合导体回路中磁通量的变化是产生感应电流的起因,而感应电流的磁场的出现是感应电流存在的结果。因为感应电流也是电流,同样存在电流的磁效应,它也要产生磁场。直接地说:只有当闭合导体回路中的磁通量发生变化时,才会有感应电流的磁场出现(产生感应电流或产生感应电流的磁场的必要条件:导体回路闭合、磁通量发生变化)。
符合能量守恒定律:感應电流的磁场对闭合导体回路中磁通量的变化起到阻碍作用,这种阻碍作用是把其他形式的能转化成电能,符合能量转换守恒定律。
在这节教学过程中应注意讲清以下几点:
1.明确各个物理量之间的关系
当穿过闭合导体回路的磁通量变化时,闭合回路中会产生感应电流,感应电流也是电流,感应电流也存在着电流的磁效应,它同样产生磁场,即感应电流的磁场。这样回路中就有两个磁场:一个是原来的磁场(产生感应电流的磁场),另外一个是感应电流的磁场。
2.正确理解“阻碍”的含义
感应电流的磁场对于原来磁场的磁通量的变化有阻碍作用,但千万不能理解为“阻止”原来磁通量的变化。感应电流的磁通量是阻止不了原磁通量的变化的。感应电流的磁场对于原磁场磁通量的变化的“阻碍”作用应理解成:当原磁场的磁通量增加时,则感应电流的磁场方向与原磁场的方向相反;当原磁场的磁通量减少时,则感应电流的磁场方向与原磁场的方向相同。这里的“阻碍”就是当原磁场的磁通量增加时,它起“反抗”作用;当原磁场的磁通量减少时,它起“补偿”作用。即磁通量增加时反抗磁通量增加,磁通量减少时又补偿磁通量的减少。
3.明确应用楞次定律判断感应电流方向的方法步骤
(1)确定要研究的闭合回路。
(2)确定原磁场方向,再确定原磁场的磁通量的变化。
(3)如果原磁场的磁通量是增加的,则感应电流所产生的磁场的方向与原磁场的方向相反;如果原磁场的磁通量是减少的,则感应电流的磁场方向与原磁场的方向相同,从而确定感应电流的磁场方向。
(4)根据上述的感应电流的磁场方向,再运用安培定则来确定感应电流的方向。
4.明确符合能量守恒定律
楞次定律的另一种表述:“电磁感应所产生的效果总是要阻碍引起感应电流的导体(或磁体),靠近或远离过程中都要克服电磁力做功,外力克服电磁力做功的过程就是把其他形式的能转化为电能的过程。由此还可以判断电磁感应现象中导体间相对运动的方向。”
我认为,在教学中讲清以上几点,对学生深刻理解楞次定律的内容,掌握楞次定律的实质是必不可少的,只有这样才能使学生抓住定律的实质,融会贯通。
二、加强楞次定律的实验
实验1:如图1所示,闭合线圈对做简谐运动的弹簧(上的磁铁)的阻碍作用,(请学生动手验证)
实验2:用“物理实验微机辅助教学系统”演示在电磁感应现象中,感应电流的磁场对运动磁体的阻碍作用及电磁感应现象的瞬时性,演示实验装置如图2所示。
注意:①在本实验中,由于学生看不见磁体块(钕铁硼)在铝管中的下落情况,可能对屏幕上打出来的图像(如图3所示)有不同想法,注意引导学生利用图像上的数据分析磁体块的运动情况。②在以往的实验中,由于电流表指针回摆的影响,磁铁的插入和拔出不能连续进行,因此学生对电磁感应现象的瞬时性了解不足。在此实验中,要结合屏幕上打出来的图像进行认真讲解。③要仔细介绍利用“物理实验微机辅助教学系统”验证楞次定律的实验原理和装置,使学生体会到实验的真实性,培养学生应用现代化科技手段进行学习和研究的意识。
实验3:(备用实验)用可拆变压器演示电磁阻尼摆。
将屏幕切换到到习题2,分析磁铁插入和拔出时线圈所受到作用力的情况及该作用力将使线圈做什么运动的情况(磁体靠近时,推线圈远离;磁铁远离时,拉线圈随之运动)。
我们把在电磁感应现象中发生的这种现象,即对在发生电磁感应现象时被动运动的一方总是受到一个作用力的推动,使之随主动运动的一方同向运动的现象,叫做电磁驱动。
实验4:用楞次定律演示仪演示电磁驱动现象,并讲解和验证开口环中只有感应电动势而没有感应电流的问题(演示换用强磁场后,开口环也运动起来,且运动规律与闭合环的运动规律完全一样)。
实验时,先用普通条形磁铁演示:闭合环被驱动,开口环不动,引导学生分析,当磁体插入开口环的过程中,必有磁通增量△Φ,则开口环中应有感应电动势ε=△Φ/△t,并在开口处积聚电荷形成一个电势差,进而分析得出:感应电流应是大量电荷定向移动形成的,而由于积聚电荷对其它电荷的排斥作用,开口环处产生的感应电动势,应该只是由极少量电荷的定向移动形成的,它们在运动时也应受到磁场力的作用,只是作用力太小,无法使仪器转动。
让学生动手验证:换用钕铁硼磁体块(如图4所示),开口环果然运动起来,且被驱动的规律与见到的闭合环的情实验6:(备用实验)电磁驱动电动机模型,如图6所示。
三、加强楞次定律练习
习题1:两根光滑的平行导轨MN、PQ水平固定,磁感应强度为B的匀强磁场与两根导轨组成的平面垂直,现将两根导线ab、cd平行放置在导轨上(如图7所示),用外力拉导线ab向右运动。(1)请用左、右手定则判断回路中感应电流的方向及ab、cd导线受到的安培力的方向(a、b两点哪一点的电势高)?(2)请用楞次定律判断回路中感应电流的方向。
习题2:在图8中,试判断:(1)将条形磁铁插入螺线管中时,a、b两点的电势高?感应电流的磁场对磁铁的运动起什么作用?(2)将条形磁铁从螺线管左端拔出时,a、b两点哪点的电势高?感应电流的磁场对磁铁的运动起什么作用?(3)将条形磁铁从螺线管右端拔出时,a、b两点哪点的电势高?感应电流的磁场对磁铁的运动起什么作用?
注意:通过分析、引导使学生深刻理解感应电流的磁场的相对运动总是起着阻碍作用(磁铁靠近时,阻碍其靠近;磁铁远离时,阻碍其远离),我们把在电磁感应中发生的这种现象,即在发生电磁感应时主动运动的一方总是受到一个阻碍作用的现象,叫做电磁阻尼。
四、总结
当电磁感应现象是由线圈(或磁体)间的相对运动而产生时,感应电流的磁场(或导线受到的安培力)总是具有阻碍它们之间的相对运动的作用。
将屏幕返回到练习题2并分析:(1)阻碍它们之间的相对运动而不是阻碍“运动”;(2)磁铁插入和拔出时感应电动势的磁场是怎样阻碍它们之间相对运动的,尤其是电磁驱动现象应怎样解释为阻碍它们之间的相对运动的。
将屏幕返回到习题1,利用阻碍它们之间的相对运动直接分析导线ab、cd受到的安培力的方向。
五、结语
综上所述,学习的根本目的是学以致用,所以引导学生将物理知识与实验应用有机地结合起来,应是当今物理教学时时刻刻不能忘记的课题之一。
“磁场”与“电磁感应”两章中,将物理知识应用于实际生产、生活及科学研究的内容非常之多,其中电磁流量计和质谱仪的应用已在高考题中出现(2001年高考题中的质谱仪一题,甚至就是课本中的原题),在这两章的教学中,应用应该是教学重点之一。
楞次定律是解决感应电流的方向如何确定的问题,它的内容比较抽象,涉及电和磁之间的复杂关系,是高中物理教学中的难点之一。
楞次定律内容:闭合导体回路中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。其中包含两层含义:
因果关系,闭合导体回路中磁通量的变化是产生感应电流的起因,而感应电流的磁场的出现是感应电流存在的结果。因为感应电流也是电流,同样存在电流的磁效应,它也要产生磁场。直接地说:只有当闭合导体回路中的磁通量发生变化时,才会有感应电流的磁场出现(产生感应电流或产生感应电流的磁场的必要条件:导体回路闭合、磁通量发生变化)。
符合能量守恒定律:感應电流的磁场对闭合导体回路中磁通量的变化起到阻碍作用,这种阻碍作用是把其他形式的能转化成电能,符合能量转换守恒定律。
在这节教学过程中应注意讲清以下几点:
1.明确各个物理量之间的关系
当穿过闭合导体回路的磁通量变化时,闭合回路中会产生感应电流,感应电流也是电流,感应电流也存在着电流的磁效应,它同样产生磁场,即感应电流的磁场。这样回路中就有两个磁场:一个是原来的磁场(产生感应电流的磁场),另外一个是感应电流的磁场。
2.正确理解“阻碍”的含义
感应电流的磁场对于原来磁场的磁通量的变化有阻碍作用,但千万不能理解为“阻止”原来磁通量的变化。感应电流的磁通量是阻止不了原磁通量的变化的。感应电流的磁场对于原磁场磁通量的变化的“阻碍”作用应理解成:当原磁场的磁通量增加时,则感应电流的磁场方向与原磁场的方向相反;当原磁场的磁通量减少时,则感应电流的磁场方向与原磁场的方向相同。这里的“阻碍”就是当原磁场的磁通量增加时,它起“反抗”作用;当原磁场的磁通量减少时,它起“补偿”作用。即磁通量增加时反抗磁通量增加,磁通量减少时又补偿磁通量的减少。
3.明确应用楞次定律判断感应电流方向的方法步骤
(1)确定要研究的闭合回路。
(2)确定原磁场方向,再确定原磁场的磁通量的变化。
(3)如果原磁场的磁通量是增加的,则感应电流所产生的磁场的方向与原磁场的方向相反;如果原磁场的磁通量是减少的,则感应电流的磁场方向与原磁场的方向相同,从而确定感应电流的磁场方向。
(4)根据上述的感应电流的磁场方向,再运用安培定则来确定感应电流的方向。
4.明确符合能量守恒定律
楞次定律的另一种表述:“电磁感应所产生的效果总是要阻碍引起感应电流的导体(或磁体),靠近或远离过程中都要克服电磁力做功,外力克服电磁力做功的过程就是把其他形式的能转化为电能的过程。由此还可以判断电磁感应现象中导体间相对运动的方向。”
我认为,在教学中讲清以上几点,对学生深刻理解楞次定律的内容,掌握楞次定律的实质是必不可少的,只有这样才能使学生抓住定律的实质,融会贯通。
二、加强楞次定律的实验
实验1:如图1所示,闭合线圈对做简谐运动的弹簧(上的磁铁)的阻碍作用,(请学生动手验证)
实验2:用“物理实验微机辅助教学系统”演示在电磁感应现象中,感应电流的磁场对运动磁体的阻碍作用及电磁感应现象的瞬时性,演示实验装置如图2所示。
注意:①在本实验中,由于学生看不见磁体块(钕铁硼)在铝管中的下落情况,可能对屏幕上打出来的图像(如图3所示)有不同想法,注意引导学生利用图像上的数据分析磁体块的运动情况。②在以往的实验中,由于电流表指针回摆的影响,磁铁的插入和拔出不能连续进行,因此学生对电磁感应现象的瞬时性了解不足。在此实验中,要结合屏幕上打出来的图像进行认真讲解。③要仔细介绍利用“物理实验微机辅助教学系统”验证楞次定律的实验原理和装置,使学生体会到实验的真实性,培养学生应用现代化科技手段进行学习和研究的意识。
实验3:(备用实验)用可拆变压器演示电磁阻尼摆。
将屏幕切换到到习题2,分析磁铁插入和拔出时线圈所受到作用力的情况及该作用力将使线圈做什么运动的情况(磁体靠近时,推线圈远离;磁铁远离时,拉线圈随之运动)。
我们把在电磁感应现象中发生的这种现象,即对在发生电磁感应现象时被动运动的一方总是受到一个作用力的推动,使之随主动运动的一方同向运动的现象,叫做电磁驱动。
实验4:用楞次定律演示仪演示电磁驱动现象,并讲解和验证开口环中只有感应电动势而没有感应电流的问题(演示换用强磁场后,开口环也运动起来,且运动规律与闭合环的运动规律完全一样)。
实验时,先用普通条形磁铁演示:闭合环被驱动,开口环不动,引导学生分析,当磁体插入开口环的过程中,必有磁通增量△Φ,则开口环中应有感应电动势ε=△Φ/△t,并在开口处积聚电荷形成一个电势差,进而分析得出:感应电流应是大量电荷定向移动形成的,而由于积聚电荷对其它电荷的排斥作用,开口环处产生的感应电动势,应该只是由极少量电荷的定向移动形成的,它们在运动时也应受到磁场力的作用,只是作用力太小,无法使仪器转动。
让学生动手验证:换用钕铁硼磁体块(如图4所示),开口环果然运动起来,且被驱动的规律与见到的闭合环的情实验6:(备用实验)电磁驱动电动机模型,如图6所示。
三、加强楞次定律练习
习题1:两根光滑的平行导轨MN、PQ水平固定,磁感应强度为B的匀强磁场与两根导轨组成的平面垂直,现将两根导线ab、cd平行放置在导轨上(如图7所示),用外力拉导线ab向右运动。(1)请用左、右手定则判断回路中感应电流的方向及ab、cd导线受到的安培力的方向(a、b两点哪一点的电势高)?(2)请用楞次定律判断回路中感应电流的方向。
习题2:在图8中,试判断:(1)将条形磁铁插入螺线管中时,a、b两点的电势高?感应电流的磁场对磁铁的运动起什么作用?(2)将条形磁铁从螺线管左端拔出时,a、b两点哪点的电势高?感应电流的磁场对磁铁的运动起什么作用?(3)将条形磁铁从螺线管右端拔出时,a、b两点哪点的电势高?感应电流的磁场对磁铁的运动起什么作用?
注意:通过分析、引导使学生深刻理解感应电流的磁场的相对运动总是起着阻碍作用(磁铁靠近时,阻碍其靠近;磁铁远离时,阻碍其远离),我们把在电磁感应中发生的这种现象,即在发生电磁感应时主动运动的一方总是受到一个阻碍作用的现象,叫做电磁阻尼。
四、总结
当电磁感应现象是由线圈(或磁体)间的相对运动而产生时,感应电流的磁场(或导线受到的安培力)总是具有阻碍它们之间的相对运动的作用。
将屏幕返回到练习题2并分析:(1)阻碍它们之间的相对运动而不是阻碍“运动”;(2)磁铁插入和拔出时感应电动势的磁场是怎样阻碍它们之间相对运动的,尤其是电磁驱动现象应怎样解释为阻碍它们之间的相对运动的。
将屏幕返回到习题1,利用阻碍它们之间的相对运动直接分析导线ab、cd受到的安培力的方向。
五、结语
综上所述,学习的根本目的是学以致用,所以引导学生将物理知识与实验应用有机地结合起来,应是当今物理教学时时刻刻不能忘记的课题之一。
“磁场”与“电磁感应”两章中,将物理知识应用于实际生产、生活及科学研究的内容非常之多,其中电磁流量计和质谱仪的应用已在高考题中出现(2001年高考题中的质谱仪一题,甚至就是课本中的原题),在这两章的教学中,应用应该是教学重点之一。