对初高中电磁感应产生条件表述的思考

苏炳超

（福建省泉州第十一中学,福建  泉州  362011）

《物理教学探讨》2019年第八期   ISSN 1003-6148;CN50-1061/G4

摘 要:电磁感应定律实验是物理学中的一个重要实验,在初高中物理材中均有涉及,本人根据在初高中十几年的物理教学经验,对学生容易产生的困惑进行思考和实验验证,与大家做个交流.

关键词:感应电流  切割  磁通量

电磁感应是自奥斯特发现通电导体周围存在磁场之后,在电磁学中的另一伟大发现,它揭示了电与磁之间的内在联系,为电与磁之间的相互转化奠定了基础.在初高中物理教学中,电流产生磁场,电磁感应等知识在教材中均有涉及,而在感应电流产生条件的表述上,初高中物理教材的表述不一致,很多学生在学习时会产生初高中两者表述自相矛盾，或对一些实验及电磁感应的应用产生困惑.对此,教师如果能联系初高中物理教材对学生的困惑进行答疑,将有助于学生知识的建构.

1 对教材编写的理解

1.1 初高中物理教材电磁感应的描述

在沪科版九年级物理教材中，对电磁感应的描述为“闭合电路的部分导体在磁场中做切割磁感线运动时产生电流的现象是一种电磁感应现象,电磁感应现象中产生的电流称为感应电流”.鲁科版高中物理选修3-2教材中，对感应电流产生条件归纳为“只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路中就会产生电流”。两者表述不一致,但都对电磁感应的产生提出了需要一定的条件,人们经过大量的探究和验证,电磁感应现象存在必须满足两个必要条件.第一,闭合电路中存在一个导体,且导体与磁场之间存在有相对运动；第二,穿过穿过闭合电路磁通量发生变化.

1.2 电磁感应现象的产生原因

闭合电路中的一部分导体与磁场发生相对运动时,由于导体中的自由电子随导体一块运动,受到了磁场洛伦兹力的作用,自由电子在洛伦磁力的作用下发生定向移动形成电流,称为动生电流.而穿过闭合电路的磁通量发生变化时,根据电磁场理论,变化的磁场周围会产生电场,导体中的自由电子在电场的作用下发生定向移动形成电流,称为感生电流.两种表述实际上都是穿过闭合电路的磁通量发生变化.

1.3 学生产生的困惑及教师答疑

在鲁科版高中物理3-2教材中,对于磁生电的实验探究一（如图1）,学生结合初中所学的物理知识很容易想到感应电流的产生是因为闭合电路的部分导体在磁场中做切割磁感线运动时而产生,而经过实验二(如图2)和实验三（如图3）的系列探究和验证后,学生渐渐明白感应电流的产生条件是因为穿过闭合电路的磁通量发生了变化.此时学生就会产生疑问一:图1实验中让导体AB与垂直磁感线水平运动,在磁感应强度B不变的情况下,线圈面积S发生了变化,根据Φ=B·S·cosθ,闭合电路的磁通量发生了变化,同时闭合电路中的一部分导体也在做切割磁感线运动,与初中感应电流产生条件相符合.

     图1                                    图2                               图3

疑惑一:在沪科九年级物理全册教材“实验探究：怎样产生感应电流”一节中（如图4）,教师在演示感应电流产生时常常用金属线圈代替金属棒,让金属线圈竖直放置在蹄形磁体上方水平移动,此时电流计指针发生偏转,说明有电流.对于高中刚学完电磁感应条件后的学生会产生疑问:这个实验中的蹄形磁铁中间部分是匀强磁场,线圈面积不变,穿过闭合线圈的磁通量没有变化,为何电流计指针会偏转?造成错觉,从而产生初高中感应电流产生的条件相矛盾的想法.

教师答疑:蹄形磁体的磁感线分布如图5所示,对于中间磁场分布可近似看做匀强磁场,磁感线竖直向下,与金属线圈相平行,但是N极上方并非是匀强磁场,所以穿过竖直放置的金属线圈水平移动时其磁通量是有发生变化的,所以会产生感应电流.而当我们把金属线圈竖直放置在N极上方水平移动时,也可以看到电流计指针微小偏转,但是若让金属线圈穿过蹄形磁铁的N极水平移动时,由于磁通量变化为△Φ=Φ_内-Φ_外,N极周边的磁通量变化比只放在上方的磁通量变化得多,所以穿过蹄形磁体的闭合线圈水平移动比放在磁体上方水平移动时磁通量变化大,现象也更为明显.

             图4                                       图5

疑惑二:在图6发动机模型中（法拉第发电机）,图6

很多同学对此产生疑惑,认为通过圆盘的磁通量没有发生变化,不会有感应电流.

教师答疑:铜盘可以看作许多沿着圆半径方向的导线组合而成的,每一根导线跟圆盘之外的灯泡连接成闭合回路,圆盘转动时,每一根导线都在作切割磁感线运动,此时灯泡与任何一根导线组成的回路面积发生变化（导线是回路的部分导体,其位置不断变化,而外部的灯泡和两条导线构成的外电路面积不变,从而使整个回路的面积因部分导体做切割磁感线运动而发生变化）,因为磁感应强度B虽然不变,但回路面积S不断变化,所以磁通量会发生变化产生感应电流.

疑惑三:直流电动机通电转动时,金属线圈既有在做切割磁感线运动,穿过线圈的磁通量也发生了变化,此时线圈会不会产生感应电流？

教师答疑:直流电动机通电转动时不会产生感应电流.感应电流的产生是因为电路中产生了感应电动势使自由电子发生定向移动形成电流.直流电动机工作时,线圈两边切割磁感线产生感应电动势,但是由于电路中有外加电源的电动势,两者方向相反,而电流的方向取决于整个电路电动势的方向,所以直流电动机刚通电时会先加速转动,直到感应电动势与电源电动势相等时变成匀速运动.矩形线圈垂直穿过匀强磁场时,由于线圈两端产生的感应电动势大小相等,方向相反,相互抵消,所以整个电路中电动势为零,也不会有感应电流的产生.

3 结束语

总而言之,电磁感应现象虽然简单,在生活中也有广泛的应用,作为一名中学物理教师,要关注初高中物理教材的联系,对于教学中学生出现的困惑甚至对教材的质疑,应多给予指导,不可简单否定,马虎应答,扼杀学生的想法.关于磁通量不变能否产生感应电流的问题很多教师也曾展开激烈讨论,如在《中学物理》《物理教师》等权威期刊都可寻得踪迹,更何况是学生.作为新时代的老师,面对可以随时接触网络学习的学生,要提高自己专业素养,加强学习,做适应现代教育改革的老师.

参考文献:

[1]韩海若.电磁感应在生活中的应用[J]科技论坛2018,14(91).

[2] 马剑.电磁感应教学的一点思考[J]物理教学2017,6(14).

[3] 王俊.直流电动机工作时会产生感应电流吗-----对一道中考物理试题的思考[J]物理通报2017,9(112).