2022-11-11 19:31:45 [显示全部楼层]
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[项目] 信息技术与物理学科深度融合案例 电磁感应现象及应用

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本帖最后由 云天 于 2022-11-11 20:09 编辑

课程背景
“电磁感应”是高中人教版教材必修三第四章第2节的内容,本节内容把电与磁彻底的联系在一起。从物理学的角度看,电磁感应在电磁学中的地位,正是由于电磁感应现象的发现,把人类社会带入了电气化时代,体现了“划时代的发现”。另外本课的实验部分将信息技术与物理学科融合,并引导学生通过活动和思考来主动地获得知识。。
本节课通过自制的电动机、发电机装置及列举生活中有关电磁感应的实例,不但将信息技术与物理学科深度融合,还体现了物理来源于生活,跟生活紧密相连的特点。学生通过观看“自发电”(伪永动机)制作视频,利用自己自习所学理论知识,反驳其虚假言论。
今天就带领同学们从这个基础的现象入手,通过Microbit主板制作的电磁感应演示装置,学习物理学中的电磁感应的应用。
课前准备
教师准备:使用Micro:bit主板及扩展板,L289N驱动板,光电传感器,钕磁铁、线圈、锂电池组,易拉罐、充电宝制作电动机;利用减速电机制作发电机演示装置。
电动机装置实物图:
IMG_20221111_141754.jpg
学习目标
1.物理观念:知道感应电流的产生条件及相应实验方法;智能用感应电流的产生条件去判断回路中是否产生感应电流。
2.科学思维:通过物理学史的学习,体会电磁相互转化的思想。
3.科学探究:通过学生实验,进行实验观察、归纳分类,达到能够判断回路中磁通量如何变化和因为什么而变化的目的。
4.科学态度与责任
俯科学家对自然现象、自然规律的探究,以科学不怕困难、勇于面对挫折的坚强意志激励自己。 利用能量守恒定律反驳网络上的电磁永动机。体会物理与生产生活的紧密联系。
教学重点与难点
教学重点:通过实验观察和实验探究,理解电磁感应现象产生的条件
教学难点:产生感应电流条件的得出。
教学过程
一、创设情境,导入新课
1.演示自制有刷电动机
图3.jpg

有刷电机,此电动机分为三个部分,第1个部分包括电刷,两块磁铁,第2个部分是换向器,由3块导电铜箔胶带组成,相接处必须有一点缝隙,否则就无法起到变换磁场的目的,也就无法和2块钕磁铁产生同性相斥的原理,第3个部分是比较重要的,那就是转子(易拉罐),易拉罐上有三个线圈,通电后,就会变成3块电磁铁,他会和钕磁铁产生出同性相斥的原理。
2.演示改进的无刷电动机
图4.jpg
(1)功能介绍
在易拉罐(转子)上平均间隔固定四块钕磁铁,下方放置线圈。Micro:bit主板通过光电传感器接收由挡板(与对应钕磁铁平行放置)返回的信号,控制L289N驱动板给线圈供电,产生与钕磁铁同极磁性,驱动易拉罐转动。
(2)电路图
图7.png
光电传感器接Micro:bit扩展板引脚8,L289N驱动板IN1、IN2分别接引脚12、16,使用12V锂电池组供电,且与Micro:bit供地。
(3)程序代码
图6.jpg
循环检测引脚8(接光电传感器)是否为真(检测到有挡板),引脚12为高电平、引脚16为低电平,使用L289N驱动板在A口输出电压给线圈供电。否则,引脚12为低电平、引脚16为低电平,使用L289N驱动板在A口断电。
(4)演示操作
2、划时代的发现——奥斯特:电生磁
奥斯特发现的电流的磁效应,震动了整个科学界,它证实电现象与磁现象是有联系的。
电能生磁,根据对称性,为什么不能用磁来生电呢?
法拉弟他就坚信磁也能生电。
二、法拉第:磁生电
于是从1822年开始进行了将近十年的实验。直到1830年8月他发现给一个线圈通电和断电的瞬间,另一个线圈出现了电流。
于是,他又设计并动手做了几十个实验,发现了各种深藏不露的各种“磁生电”的现象,从实验现象中领悟到:“磁生电”是在一种变化、运动的过程中才能出现的效应。总结起来是这么五类:
1.  变化的电流
2.  变化的磁场
3.  运动的恒定电流
4.  运动的磁铁
5.  在磁场中运动的导体
并且他把这些现象命名为电磁感应,在这种情况下产生的电流叫做感应电流。
法拉第的这一伟大发现完善了电与磁的内在联系,所以便有了电磁学这门学科的诞生。
三、产生感应电流的条件
法拉第发现了电磁感应现象,那么具体产生感应电流的条件是什么呢?
1. 演示自制发电机
IMG_20221111_141445.jpg
利用下方小马达通电旋转驱动上方小马达旋转发电,再驱动空心杯电机带动螺旋桨旋转。
改进使用减速电机做为发电机。
IMG_20221111_142513.jpg
其中一个“发电机”直接与空心杯电机连接,另一个“发电机”,与两个LED灯连接。
图8.png
2.实验探究:感应电流产生的积极条件
合理猜测
导体切割磁感线,会在闭合回路中产生感应电流。
     
实验验证
图9.png

(1)ab静止的时候,电路中没有感应电流;
(2)ab沿着磁感线运动的时候,电路中没有感应电流;
(3)仅有ab切割磁感线的时候,才会产生感应电流。
分析:ab切割磁感线时,磁声场的大小和方向没有变化,变化的只有电路abcd的面积。那么,与磁场相关的哪个物理量发生了变化呢?
我们学过磁通量的表达式是Φ=BS闭合电路abcd的面积发生了变化,也就是说,穿过电路abcd的磁通量发生了变化。
那么,感应电流的产生是否与磁通量的变化有关呢?
     
下面我们通过实验来研究这个问题:
图10.png
线圈与电流表连接,将磁铁插入、抽出或停在线圈中时,我们观察电流表指针如何动作?
图12.jpg

归纳总结
以上实验及其他事实表明:
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。这就是产生感应电流的条件。
四、电磁感应现象的应用
师:发电机,1831年圣诞节前夕的一次科学报告会上,法拉第向大众展示了人类历史上最早的发电机——法拉第圆盘发电机,开辟了人类社会的电气化时代。1873年,比利时人格拉姆发明大功率电动机,电动机从此开始大规模用于工业生产。
师:同学们小组讨论电磁感应现象在生活中有哪些应用,然后进行分享。
生:电磁炉的原理是电磁感应现象,交变电流通过陶瓷板下方的线圈产生磁场,磁场内的磁力线穿过铁锅、不锈钢锅等底部时,产生涡流电流,令锅底迅速发热,达到加热食品的目的。
生:动圈式扬声器, 当处于磁场中的音圈有音频电流通过时,就产生随音频电流变化的磁场,这一磁场和永久磁铁的磁场发生相互作用,使音圈沿着轴向振动,带动纸盆振动,反复推动空气而发声。
     
生:变压器(Transformer)是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置,主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯(磁芯)。
师:课外探究——摇绳发电
图11.jpg
将多股导线拧成了长约10米的跳绳,将跳绳的两端与固定在地面上的灵敏电流计相连,当图中摇绳的男女同学按______(选填“东西”、“南北”或“任意”)方向站位摇绳时,灵敏电流计的指针左右摆动的幅度较大。本实验的原理是______现象,间接说明了地球周围存在______。
五、去伪——电磁永动机
永动机是一类想象中的不需外界输入能源、能量或在仅有一个热源的条件下便能够不断运动并且对外做功的机械。在热力学体系建立后,人们通过严谨的逻辑证明了永动机是违反热力学基本原理的设想。网络上有很多利用电机、磁铁制作的无需其它能源就能不断发电点亮灯泡的视频,这些视频都是将电池巧妙的隐藏在底座、灯泡或大电机壳内,制作的假发电机。大家利用所学习知识辩假,并向周围人宣传科普知识。
六、小组实践活动
师:结合本节课学习的内容,小组合作分工,多匝线圈接在电压不断变化的电源上,放上铁心构成一个电磁铁。另一个多匝线圈与小灯泡两端相连构成闭合电路,然后套在电磁铁的铁心上,当接通电源后让学生观察实验现象并解释实验现象。
课后反思
本节课利用信息技术与物理学科教学进行融合,使用同学们直观的看到电磁感应现象。并通过实验探究了电磁感应现象的产生条件,总结出只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,在闭合电路中就有感应电流产生。尽管我们只用了一节课的时间就探究出电磁感应现象的产生条件。但伟大的实验科学家、电磁学的奠基人——法拉第,当年为研究电磁感应现象,却坚持了长达十年的研究。同学们,科学造福人类,但科学研究的道路充满了曲折和艰辛,最后送给同学们一句话共勉,机遇总是青睐那些有准备的头脑,成功也只能属于坚持不懈的有心人。

(演示视频)

rzyzzxw  版主

发表于 2022-11-11 21:02:21

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rzegkly  版主

发表于 2022-11-12 07:23:59

创客融合课程,喜欢
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Gin66  学徒

发表于 2022-11-12 11:52:57

超強完整演繹了電磁感應
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木子呢  NPC

发表于 2022-11-14 11:49:22

太强了
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曾剑波  高级技师

发表于 2022-11-15 19:47:22

这个不错!值得研究
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