第二章 电磁感应及其应用 教学设计-2024-2025学年高二下学期物理教科版选择性必修第二册

《电磁感应现象及应用》教学设计 一 、教学内容分析 《电磁感应现象及应用》是人教版高中物理新教材必修3课程模块“电磁场与电磁波初步”主题下的内容，高中物理课程标准中对电磁感应现象这部分内容作了如下要求：收集资料，了解电磁感应现象的发现过程。通过实验，了解电磁感应现象，了解产生感应电流的条件。知道电磁感应现象的应用及其对现代社会的影响。收集资料，了解手机无线充电的原理。《普通高中物理课程标准(2017年版)解读》对该内容的解读为：通过实验，学生知道各种“磁生电”的现象叫电磁感应；通过实验，学生了解产生感应电流的条件是穿过闭合导体回路的磁通量发生变化。通过介绍科学家对“电生磁、磁生电”的研究，学生体会科学发展中科学思想方法的重要作用，体会物质世界的多样性和统一性。学生通过调查、查阅资料等活动，知道电磁感应现象在生产生活中的广泛应用，以及对现代社会的影响，体验科学知识在生活和科技中的应用，理解科学·技术·社会·环境关系。 本节课内容揭示了磁和电的内在联系，通过探究实验的方法归纳出了“磁生电”的规律，是学生今后学习法拉第电磁感应定律、楞次定律和交变电流产生的基础。本节课具有较强的综合性、应用性和抽象性，是电磁学部分的重点也是难点。在本节学习中，学生要用物质观念、运动和相互作用观念、能量观念来描述、分析、解释与磁场有关的自然现象，电磁感应现象的发现不仅在科学和实践上具有重要意义，而且其指导思想以及发现过程中表现出的科学态度与意志力对学生有重要的启迪和教育意义，所以本节课也是学生发展物理学科核心素养的重要载体。 二、学情分析 学生通过初中的学习，对闭合导体回路的一部分导体切割磁感线时能产生电流，已有一定的认识。学习本节内容之前，学生已经学习了磁通量的概念。但是对产生电磁感应现象的根本原因还缺乏全面和理性的认识。高中物理学习要求学生要有较强的抽象思维能力，很多物理问题的分析需要透过表面现象分析本质，许多物理过程的变化包含多个变量，需要学生进行抽象、假设以及逻辑推理等，才能正确的进行分析，得出相关的结论。学生在空间想象、探究问题本质等方面的能力还较为薄弱，对于科学探究的理论分析能力和拓展推理能力还不够成熟，还需要在实践中不断提升。 三、教学目标 物理观念：研究“磁生电”的过程就是研究闭合导体回路在磁场环境下产生感应电流的条件，提升“电磁相互作用”观念。学生通过一系列递进实验，基于事实证据分析综合、科学推理，对之前形成的观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而归纳得出产生感应电流的条件。 科学思维： 学会通过现象分析归纳事物本质特征的科学思维方法，认识实验观察能力与逻辑思维能力在科学探究过程中的重要作用。 科学探究：学生通过老师自制的实验器材进行实验探究， 并通过电流传感器与数字化信息系统获取I-t图像，观察实时信息，基于证据进行猜想，得出初步结论。亲身体验科学探究的过程，提升科学探究核心素养。 科学态度与责任：了解电磁感应现象曲折的发现过程，学习法拉第坚持理想信念、不畏艰辛、勇于探索的科学精神。会运用产生感应电流的条件分析具体实例。学生通过提出创意设计、查阅资料等活动，了解电磁感应现象在生产、生活中的应用，认识能源开发与利用对人类生活和社会发展的影响，认识到新技术、新产品的产生和发展源自科技进步。 四、教学重难点 教学重点：通过实验观察和实验探究，总结产生感应电流的条件。 教学难点：感应电流产生条件的实验探究、理论分析，以及几个实验之间的逻辑关系。 教学方法：以情境探究式教学为主，结合观察法、归纳法、DIS实验、多媒体辅助等， 学生自主学习与合作学习相结合，充分调动学生学习的积极性。教学方法的逻辑主线为 “观察-实验-探究”，用环环相扣的问题将探究活动层层深入，最终师生共同得出探究结论。 教学用具：自制带底座可绕三轴旋转的矩形线框实验教具（4套）、自制匀强磁场仪（4套）、自制3D打印磁通量不变模型分组实验教具（4套）、装有安全警示灯的自行车、自制法拉第圆盘发电机、激光点阵笔、亥姆霍兹线圈、毫电流传感器（4套）、数据采集器（4套）、计算机（4台）、学生电源、开关、滑动变阻器、导线若干。 五、教学过程 环节 情境 问题 教师活动 学生活动 设计意图 学生发展 引入新课 进入冬季，放学时已天黑，骑自行车回家的同学不易被司机发现，为降低隐患，可在自行车支架上安装警示灯，不需要任何外接电源和化学电池，行车时，车灯自动发光闪烁，提醒路上司机注意安全。 没有任何外接电源和化学电池，使车灯亮起的电从哪儿来呢？ 1.介绍安装自行车警示灯的缘由。 2.展示自行车后轮转动时，警示灯闪烁时的工作状态。 3.提出问题：没有外接电源和电池等供电来源，使车灯亮起的电从哪儿来呢？ 4.设疑，播放自行车后轮辐条上的小磁块画面，引导学生联想磁生电，引出本节课的主题。 1.一名学生根据老师指令，配合摇动自行车脚蹬让后轮转起来。 2.观察自行车后轮转动时，警示灯闪亮的情况。 3.积极思考没有外接电源和电池等供电来源，使车灯亮起的电来源于哪儿。 演示与学生息息相关的生活实际场景，学生知道学习本节课能降低生活中夜骑自行车的安全隐患，特别强调警示灯无需外接电源和化学电池，骑行时便会闪烁，激发学生的学习兴趣和探究欲望。 回想天黑时夜骑自行车可能存在的安全隐患，感受警示灯可起到的提醒作用，提升用物理知识解释实际现象的意识。 了解物理学史——划时代的发现 简要回顾物理学史上关于磁与电的研究历史。 谁发现了电磁感应现象？ 1.简要回顾奥斯特发现了电流的磁效应，证实电流周围有磁场。 2.根据对称、统一思想，人们自然想到，反过来磁能生电吗？ 3.介绍法拉第为研究磁生电进行了长达十年的实验探索，终于证实磁能生电，但是需要一定的条件，引出本节课的核心任务——探究产生感应电流的条件。 1.聆听老师概述的有关磁与电关系的物理学史。 2.感受物理研究发展中对称与统一思想的重要意义。 3.体会法拉第研究磁生电过程的漫长与不易，尊重其科学研究成果。 1.向学生渗透物理研究发展史中对称、统一思想的重要意义。 2.学生体会科学研究成果的来之不易。 3.提出本节课探究的核心任务是探究产生感应电流的条件。 通过了解磁、电关系的物理学史，能够体会物理学的对称统一之美，敬畏科学，尊重科学家。 复习初中表述 展示初中教材关于如何产生感应电流的表述。 初中关于产生感应电流说法的表述全面吗？ 1.展示初中教材表述：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就产生电流。 2.启发学生思考，这种说法全面吗？导体切割磁感线时一定有感应电流产生吗？导体不切割磁感线时能产生感应电流吗？ 1.根据老师复习的初中关于产生感应电流的说明，思考其说法的全面程度。 3.展开逻辑分析，闭合电路的一部分导体切割磁感线一定产生感应电流吗？闭合电路的导体不切割磁感线能产生感应电流吗？ 1.在初中已学习的电磁感应知识基础上，更加深入的思考其表述是否全面，激发学生有关产生感应电流一般条件的探究欲望。使后续实验的设计安排更加顺理成章。 2.学生明确磁生电现象中的两个研究对象，“磁”可由什么产生，“电”应在哪里生成。 1.在初中原有知识基础上，引发学生的深度思考：闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动是产生感应电流的充要条件吗？ 2.培养学生的物质观念，明确所要研究问题中的“磁”由什么产生，“电”在哪里生成。 实验一 检验闭合回路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，是否一定产生感应电流。 闭合矩形线框的一部分导体在匀强磁场中做切割磁感线 运动时，是否一直产生感应电流？ 1.指导学生如何选择合适的实验器材进行实验。 2.介绍实验器材及线路连接指南，提供可参考的实验方案及注意事项。 3.观察各组的实验探究过程，给予必要的指导。 4.组织学生汇报实验记录，结合实验现象和实验过程示意图，得出实验结论，磁感应强度B不变，矩形线框在匀强磁场中的有效面积变化时会产生感应电流。 1.思考如何利用合适的实验器材设计实验方案。 2.分组实验，连接线路进行实验，做好实验记录。 3.报告实验记录，分析实验过程，思考哪些物理量没变，哪个物理量变化时产生感应电流。 4.讨论分析出：磁感应强度B不变，矩形线框在匀强磁场中的有效面积变化时会产生感应电流。 利用实验说明，闭合矩形线框整体在匀强磁场中做切割磁感线运动时，导体中并没有产生感应电流。以此来产生强烈的认知冲突，激发学生的求知欲望，产生感应电流的一般条件究竟是什么呢？ 通过实验观察与分析，得出闭合回路的一部分导体在磁场中做切割磁感线不是产生感应电流的充要条件。基于事实证据对之前形成的观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正；提升学生使用各种科技手段实施实验的科学探究核心素养。 实验二 利用激光点阵模拟亥姆霍兹线圈中垂直于纸面向外的匀强磁场，将矩形导线框放入亥姆霍兹线圈产生的匀强磁场中，将其分别绕x、y、z三轴转动。 若磁感应强度B不变，矩形线框在磁场中的有效面积S也不变，闭合回路中能否有感应电流产生？ 1.介绍亥姆霍兹线圈的构造，其内部空间可近似看成匀强磁场。 2.将矩形线框放入亥姆霍兹线圈产生的匀强磁场中，让矩形线框分别绕x、y、z三轴转动，观察矩形线框是否产生感应电流的同时，观察其在垂直于磁场方向的投影面积是否变化。 3.引导学生分析出当磁感应强度B不变时，矩形线框在垂直于磁场方向的有效投影面积变化时，会有感应电流产生。 1.观察并了解亥姆霍兹线圈结构。 2.配合老师共同演示实验过程，观察并记录实验现象。 3.独立思考结合组内讨论，分析出：当磁感应强度B不变，矩形线框在磁场中的有效面积S也不变时，当矩形线框垂直于磁场方向的投影面积变化时就会产生感应电流。 在实验一的基础上，利用激光点阵模拟亥姆霍兹线圈中垂直于纸面向外的匀强磁场，学生通过直观观察矩形线框在匀强磁场中转动时其垂直于磁场方向的投影面积发生变化的现象，启发学生分析得出“导体切割磁感线”并不是产生感应电流的本质原因，投影面积变化才是隐藏着的重要影响因素之一。 通过本实验的光影配合演示，学生能有效挖掘出“转动切割”背后隐藏的产生感应电流条件的重要影响因素之一是闭合回路在垂直于磁场方向的投影面积变化。提升学生获取证据、处理信息，深入思考的实验探究核心素养。 实验三 矩形线框静置于亥姆霍兹线圈中，改变亥姆霍兹线圈中的电流，进而改变矩形线框所在处的磁感应强度B，观察矩形线框所在回路中有无感应电流产生。 若矩形线框在垂直于磁场方向的有效投影面积不变，闭合回路中能否有感应电流产生呢？ 1.介绍实验方案，说明两回路的作用，亥姆霍兹线圈中电流变化是为了改变磁场环境，应观察矩形线框所在回路是否产生感应电流。 2.指导学生连接线路，进行实验。 3.组织学生观察实验现象并进行记录。 4.引导学生综合分析以上三组实验现象，猜测产生感应电流的一般条件。 1.明确实验所要研究的问题，矩形线框的有效投影面积不变，线框所在处的磁感应强度B变化时，有无感应电流产生。 2.观察实验现象并进行记录。 3.综合分析三组实验现象，猜测产生感应电流的条件可能是穿过闭合回路的磁通量发生变化。 实验一和实验二的线索表明，仅当矩形线框的有效投影面积变化可产生感应电流，引导学生逆向思考，仅改变磁感应强度B时也可以产生感应电流。帮助学生突破难点，哪个物理量既和磁感应强度B有关，还和线圈在垂直于磁场方向的有效投影面积有关？学生可顺理成章地猜想到闭合回路的磁通量变化可能是产生感应电流的原因。 综合分析三组实验结论，独立思考结合小组讨论，推理猜测穿过闭合导体回路的磁通量发生变化可能是产生感应电流的条件。学生基于事实证据分析综合、科学推理，对之前形成的观点进行修正，进而归纳得出产生感应电流的条件。 实验四 利用自制3D打印磁通量不变模型的教具做分组实验，当磁感应强度B和线圈在磁场中的有效面积都变化，但保持磁通量不变时，验证闭合回路有无感应电流产生。 若闭合回路的磁通量不变，回路中就无感应电流产生吗？ 1.向学生介绍3D打印磁通量不变模型的原理。 2.分组实验，使线圈紧贴模型表面向下扩张，观察有无感应电流产生。 3.通过以上实验及大量其他事实表明：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。 1.了解实验教具的制作过程。 2.进行实验操作，使线圈贴近模型表面向下扩张，观察并记录当磁感应强度B减小，线圈在磁场中的有效面积S增大，但磁通量不变时，有无感应电流产生。 通过这个实验，可验证学生们关于磁通量变化是产生感应电流的条件的这个猜想是否正确。 逆向思维，反证前三组实验得出的猜想，提升使用证据验证猜想的能力，提升学生推理、 论证的科学思维。 学以致用 1.展示法拉第圆盘发电机，及电磁感应现象在水力发电等领域的应用。 2.展示自行车警示灯内部结构图。 3.展示安装小电机的自行车 4.展示利用自行车发电的同时给手机无线充电。 5.提供实验器材，学生设计创意实验方案。 能否利用本节课所学知识，解释电磁感应现象在以下情境中的应用。 1.简要介绍自制的法拉第圆盘发电机，感兴趣的学生课后可继续对该器材进行深入研究。 2.引导学生解释自行车警示灯的基本设计原理。 3.展示升级改装的自行车发电系统，同时渗透电磁感应现象中的能量转化。 4.引导学生解释手机无线充电的基本原理。 1.观察法拉第圆盘发电机。 2.独立思考结合小组讨论分析自行车警示灯的基本设计原理。 3.观察升级改装的自行车发电系统，体会化学能向机械能转化，再向电能转化的过程。 会运用产生感应电流的条件分析具体实例。学生通过提出创意设计、查阅资料等活动，了解电磁感应现象在生产、生活中的应用，认识能源开发与利用对人类生活和社会发展的影响，认识到新技术、新产品的产生和发展源自科技进步。 1.学生面对每一个真实情境问题时，都应该先明确“磁”由什么产生，“电”在哪里生成，培养学生的物质观念。 2.初步建立电磁感应中的能量观念。 3.提高学生解决生产生活中实际问题的能力。 课堂小结 简述心得体会。 通过本节课，你的收获有哪些？ 展示自制实验教具过程中记录的照片。 了解从原理到实践可能遇到的困难。 学生学习知识之余，应了解科研工作的不易。 提升和发展学生的科学态度与责任，敬畏科学，尊敬科学工作者，致敬科学家。 六、学业质量水平表 目标 对应学业质量水平 质量标准解释 1.形成对“磁生电”的认识，能够从分析归纳产生感应电流的条件建立磁通量的概念。 “物理观念”水平4 理解“磁生电”中的“磁”可由永磁体或通电线圈提供，“电”应在某一闭合导体回路中产生，“回路中的磁通量变化是产生感应电流的原因”的物理观念与认识；能用简单的能量观点分析电磁感应现象。 2.从有序设计的系列递进实验，用归纳思维得出产生感应电流的一般条件。 “科学思维”水平4 对一系列的实验得出的结论用归纳思维的方法来建立一个物理模型“磁通量”；用磁通量是否变化的概念来解释感应电流产生的条件。 3.通过实验发现“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应；通过实验探究电磁感应现象中产生感应电流的条件，分析实验数据，归纳总结，得出结论。 “科学探究”水平4 能根据可供参考的科学探究方案，使用基本的器材获得数据；能与他人合作，描述现象，解释原因；能综合分析数据，发现其中规律，进行合理的猜想，闭合导体回路的磁通量发生变化时，闭合导体回路中产生感应电流；再通过反证法验证猜想，闭合导体回路的磁通量不发生变化时，闭合导体回路中不产生感应电流，形成合理的结论。 4.有关电磁感应现象的应用，能分析生产生活中实例的基本设计原理，基于证据和逻辑推理发表自己的见解。 “科学态度与责任”水平4 面对与电磁感应现象相关的实际问题，学生独自思考后，小组成员也可保持良好的交流与合作，能解释其中简单的技术原理；以自行车举例倡导绿色出行理念，体验一边骑车一边给手机充电，既锻炼身体又可产生清洁的电能；展望前沿科技，着手眼前实验，理论联系实际。 11 学科网（北京）股份有限公司 $