初高中电磁感应问题的教学探讨

来源:用户上传      作者:陈贵金

　　摘 要：电磁感应为初中、高中阶段重要的物理课程内容，也是学生存在认知与理解困难、易出错的知识点，因而以电磁感应基础理论知识为切入点，对广大初高中学生展开电磁感应理论内容、实验实践的教育教学，可以创新专业课程教学内容与教学方式。本文主要从初高中物理电磁感应的理论知识为出发点，对电磁感应习题的重难点问题进行分析，运用多种方式强化物理知识原理、实验操作流程的教学，以有效方法实现中学电磁感应知识教育、问题解答的目标。
　　关键词：初高中;电磁感应;问题;教学
　　一、 前言
　　初高中物理课程的电流磁效应、磁场产生感应电流等知识点中，包含着一系列名词定义、物理原理、综合性电路问题，涉及电路、能量动力之间的互相转换，而且需要对电磁感应图像进行多种定义、定则的分析研究，列出不同物理情境的求解方程，才能够解决电磁感应的重难点问题。基于此，对于初高中物理课程电磁感应知识的教育教学，需通过基础理论“口诀”教学、重难点知识实验教学相结合的方式，使抽象的电磁学理论直观形象化，降低对电磁感应实验的理解难度，进而引导启发学生逐步完成电磁感应知识的理解和掌握。
　　二、 初中、高中电磁感应知识的主要内容及其异同点
　　初高中电磁感应是中学物理课程教学的难点内容，其包含着大量的物理知识点、物理理论实现原理等，电学、磁学之间的互相照应与连接，使得电磁感应问题求解的综合性较高，因而需要教师进行电磁感应知识点的归纳总结、讲解分析与推理应用。首先初中电磁感应知识点，在整个初中物理专业课程中所占的比例较小，主要包括磁体、磁极、磁场等基本概念的物理内容，如磁体的吸铁性与指向性、磁极间作用性、磁场方向性，以及通电螺线管的电流方向、电流磁场性，所以初中阶段电生磁、磁生电的原理分析更加简单，仅仅对电磁感应现象做出定性研究，缺乏不同电磁状况的定量计算，因此初中物理电磁学教育教学不具有深度。而高中物理不仅涉及电磁感应现象，还着重讲述法拉第电磁感应定律、楞次定律等知识点，对导体切割磁感线时的自感现象、感应电动势进行分析，并判断电路中磁通量、磁感应强度、安培力等的变化状况，其中存在着大量的电磁力学转换、定量数据分析的内容。
　　因而相比于初中物理将磁场、电磁场知识点结合的教学大纲安排，高中物理则从磁场、电磁感应、交变电流等角度，对电磁感应的电路问题、动力学问题、能量转换问题展开研究。以法拉第電磁感应定律、楞次定律为指导，绘制电磁感应现象的等效电路图，按照重力、弹力、摩擦力和安培力等顺序，对不同物体的运动状态做出受力分析，进而得出电磁能、其他动能之间的转换情况。所以高中物理是对初中电磁感应知识的补充与拓展，其通过将电磁感应现象与现实生活中的电磁波、交变电流等知识点进行连接，考察学生对电磁感应条件、法拉第电磁感应定律的认知和理解，对学生电磁知识的综合性应用提出更高的要求，以保证学生在基础理论知识学习后的学以致用。
　　三、 初高中电磁感应课程存在的重难点问题
　　（一）楞次定律与安培定则、左右手定则的比较问题
　　楞次定律主要用于感应电流、感应电动势的方向判定，在电磁感应现象发生后，感应电流磁场会对电流磁通量变化产生强烈的阻碍作用。所以对于楞次定律的理解与求解，应解决谁阻碍谁、如何阻碍、阻碍的结果等方面认知问题，这是楞次定律教学要关注的重要难点课题之一。其中感应电流磁场是阻碍原磁场、磁通量的变化，在磁通量不断增加过程中，感应电流磁场会与原磁场呈相反方向，而磁通量减少时感应电流的磁场方向，则与原磁场保持一致。同时另一方面，部分学生在楞次定律原理的学习中，容易与安培定则、左手定则、右手定则互相混淆。左手定则是“因电而动”，磁场对运动电流、电荷产生作用力，左手定则属于“因动而电”，是导体切割磁感线而产生的电磁感应，因此要对感应电流、原电流的方向做出区分。楞次定律是在电路闭合回路中磁通量的变化情况，更加注重于感应电流磁场阻碍效果的分析，这需要教师在课程教学中引起重视。
　　（二）法拉第电磁感应定律、感应电动势的求解问题
　　法拉第电磁感应定律是“磁生电”的重要内容，也是闭合电路中磁通量、磁感应强度、磁感线切割速度、感应电动势计算的重要依据。其中感应电动势数值的大小，与整个电路磁通量的变化率成正比，计算公式为E=nΔΦΔt、E=BLv、Em=nBSω。而在感应电动势两种求解方式的计算中，需要区分E=nΔΦΔt、E=BLv适用的不同情况。其中E=nΔΦΔt适用于某一回路电路的研究对象，可以对任何状况下引起磁通量的变化进行计算，包括非匀强磁场中感应电动势的求解。而E=BLv则仅仅适用于导线切割磁感线的求解，且求解的条件为L、B、v之间两两相垂直，L为切割磁感线导体的有效长度。因此在运用电磁感应定律进行不同对象、不同情况问题的求解时，要注意相应公式的适用范围、适用条件，以得出较为准确的电磁感应问题处理结果。
　　（三）其他综合性电磁感应的分析与求解问题
　　在利用法拉第电磁感应定律，计算得出感应电动势的大小、方向后，要先画出整个电磁场内的等效电路图，再进行串联、并联电路中各个物理量数值的求解。之后对于电磁感应现象动力学问题的求解分析，要借助于牛顿三大定律、运动学平衡方程，展开某一运动物体的受力分析，从而得出物体在受电磁感应影响时的运动状态变化情况。最后在电能、其他形式能转换的求解中，要根据安培力做功、动能的转换，对安培力、重力、摩擦力做功后，物体重力势能、内能、电能的产生与变化状况做出分析，列方程求解出能量转换与变化的状况。
　　四、 初高中电磁感应问题的教学改革创新策略
　　（一）运用“口诀教学法”加强电磁感应理论的识记与理解
　　电磁感应现象中存在着大量的判定理论、实现原理，如何对感应电动势大小、方向，以及感应电流在磁场中的运动方向作出分析，成为解决电磁感应问题面临的重要课题。面对众多的物理基本概念、定则定律等的知识结构，可以通过口诀示范教学的方式，进行左手定则、右手螺旋定则、安培定则、楞次定律、法拉第电磁感应定律的分析与讲解，这样不仅能够引起学生电磁感应知识学习的积极性，而且有助于学生对电磁感应理论的理解与记忆。如左手定则、右手定则、安培定则为“左手力、右发电，右手螺旋磁感线”。而且“力”的最后一笔向左，所以用左手，电磁学中产生力的都是左手，包括安培力、洛仑兹力;“电”最后一笔向右，所以用右手，电磁学中产生电时都用右手，包括安培定则和右手定则。安培定则的口诀为“通电螺管磁极判，安培定则伸右手，四指沿着电流走，旋转方向不能反，大拇所指为N极”。楞次定律的口诀为“阻碍磁通增和减，相对运动受反抗，自感电流想阻挡，能量守恒理应当”。教师运用电磁感应口诀、手势演示相结合，能够更加形象生动地突出重难点，引导学生条理清楚地进行物理概念、电磁感应理论原理的识记。 　　（二）创设电磁感应教学情境引导学生参与课堂实践
　　传统电磁感应教学以课堂教材大纲为主，教师采取“讲授式”课程教学方法，对本节课、本单元涉及的知识点进行讲解，缺乏多元化教学情境的创设与组织，因此学生在电磁感应知识学习中的积极性较弱，很少与教师产生热烈的课堂互动，由此导致电磁感应理论知识教学的效果较差。所以这一情况下，首先通过引入多媒体软件、PPT课件等网络教学设备，运用文字、图像、视频或音频等信息媒介，进行磁场、交变电流、电磁感应等知识内容的形象化展示，可以逐一引导学生理解磁通量、磁感应强度、感应电动势的概念，以及左手螺旋定则、右手螺旋定则、安培定则、楞次定律等定理的实现方式，这样不仅能够形成电磁感应知识点的完整系统，而且可以将相似的理论知识做出对比分析，以进一步帮助学生理解不同概念的区别。如利用PPT课件等多媒体设备，展开电场线、磁感应线、等势线的教学对比，采取图片表示电场线、等势线之间的垂直关系，用线的疏密表示场强的强弱。其次，在电磁感应知识的课堂实践教学中，初中教师可以应用方形线圈、U形磁铁，灵敏电流计等实验器材对感应电流方向的影响因素进行探究。高中教师可以使用条形磁铁、1号线圈、2号线圈、软铁棒灵敏电流计等实验器材，进行闭合电路感应电流、感应电动势的检测实验，并由学生分为多个小组，参与到整个实验的演示步骤中，共同实验得出线圈周围的感应电动势，实验仪器如右图所示。
　　因此经过多元化电磁感应教学情境创设、课堂实践教学，能在帮助学生准确理解电磁理论的同时，激发学生电磁感应学习的参与积极性、创造性思维，从而解决课堂教学、学习中面临的障碍问题。
　　（三）加强重难点电磁感应知识的习题讲解、课堂总结
　　由于初中电磁学知识应用能力要求不高，只要课堂中讲解分析到位了，习题大部分学生都能解答。而高中教师对于电磁感应课程的教育教学，不能仅仅要求学生熟悉基础物理理论，还要加强电磁感应重难点习题的讲解，根据感应电流、感应电动势等物理量之间的关系，选择具有代表性的电磁感应习题进行讲授，来使学生掌握不同电磁感应问题的求解方案。以导轨中金属棒的运动为例：两导轨间的距离为L，导轨与水平面的夹角为α，导轨平面有垂直于导轨的匀强磁场，其中磁感强度为B，导轨两端连接的电阻值为R，导轨上放着一根金属棒ab，质量为m，该金属棒由静止沿导轨向下滑动，分析金属棒的受力情况、下滑最大速度值。通过设置多种不同类型的电磁感应习题，向学生讲述其中的电磁感应现象、物理变化状态，之后在引导学生进行电磁感应习题的反复练习，就能够有效掌握感应电流、感应电动势、磁场力等的求解方式，以提升物理理论知识教育教学效率、教学质量。
　　五、 结语
　　初高中电磁感应物理课程教学，应在现有学科教学大纲的指导下，对不同单元的电磁感应知识点進行分类与整合。之后展开传统物理课程教学内容、教学模式的改革创新，由教师利用多媒体软件、PPT课件等网络平台，进行电磁感应知识的演示、课堂案例实践，引导学生对电磁感应理论知识做出“口诀记忆”，来解决学生在电磁感应知识学习中的认知障碍，从而完成中考、高考必考知识点、习题内容的教育教学任务。
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　　作者简介：
　　陈贵金，福建省三明市，福建省宁化第五中学。
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