高中物理人教版选修3-2教案设计 4.1《划时代的发现》

划时代的发现

【教学目标】

1．知识与技能

(1)知道奥斯特实验、电磁感应现象．

(2)了解电生磁和磁生电的发现过程．

(3)知道电磁感应和感应电流的定义．

2．过程与方法

(1)通过阅读使学生掌握自然现象之间是相互联系和相互转化的．

(2)通过学习了解科学家们在探究过程中的失败和贡献，从中学习科学探究的方法和思想．

(3)领悟科学探究中提出问题、观察实验、分析论证、归纳总结等要素在研究物理问题时的重要性．

3．情感、态度与价值观

(1)通过学习，培养学生正确的探究自然规律的科学态度和科学精神．

(2)领会科学家对自然现象、自然规律的某些猜想在科学发现中的重要性．

(3)以科学家不怕失败、勇敢面对挫折的坚强意志激励自己．

【教学重难点】

(1)知道与电流磁效应和电磁感应现象的发现相关的物理学史．

(2)领悟科学探究的方法和艰难历程．

【教学准备】

小磁针、长直导线、电源，开关、导线若干、闭合铁芯、两个线圈、电流计等。

【导入新课】

[事件1]

教学任务：作为全章的第1节，首先导入整章概貌。

教师引导：

在上一册(选修3—1)我们学习了有关电场和磁场的知识，对电现象和磁现象有了较为深刻的理解。我们已经知道电荷能够通过“感应”使附近的导体出现电荷，电流能够在其周围“感应”出磁场，那么磁场能否“感应”出电流呢？回答是肯定的，这就是电磁感应现象。从这节课开始，我们就来学习这方面的知识。

[事件2]

教学任务：创设情景，导入本节新课。

情景导入：

【演示】 电流的磁效应实验：连接通电直导线、电源、开关，并且将直导线南北方向放置，小磁针平行放在直导线下面，然后闭合开关，观察小磁针的运动。 教师引导：大家看到了什么现象？

观察并描述：接通电源时，小磁针发生了转动。

讨论与交流：上述现象说明了什么问题？

总结与归纳：这就是电流的磁效应现象，是由奥斯特发现的。这个现象说明了在电流的周围产生了磁场，而通过磁场的作用使得小磁针发生转动。

教师引导：电流的磁效应是在什么样的背景下发现的？它的发现有着怎样的曲折历程？电流能够在其周围“感应”出磁场，那么磁场能否“感应”出电流呢？这节课我们就来了解科学家们的探究历程，领悟其中的科学道理……

【讲授新课】

[事件3]

教学任务：奥斯特梦圆“电生磁”——电流磁效应的发现。

问题引导：谁能说一说奥斯特发现电流的磁效应的故事？

学生活动：学生自由发言，说出自己知道的奥斯特发现电流的磁效应的故事……

教师活动：教师适时补充，然后展示思考题：

(1)是什么信念激励奥斯特寻找电与磁的联系的？在这之前，科学研究领域存在怎样的历史背景？

(2)奥斯特发现电流磁效应的过程是怎样的？用学过的知识如何解释？

(3)奥斯特的研究是一帆风顺的吗？能不能说奥斯特非常幸运，“碰巧”发现了电流的磁效应？

(4)电流磁效应的发现有何意义？谈谈自己的感受。

学生活动：结合思考题，认真阅读教材，分成小组讨论，发表自己的见解。

总结与归纳：(1)在19世纪20年代之前的漫长岁月里，电和磁的研究始终独立地发展着，包括库仑在内的众多物理学家，仍然认为电与磁是互不相关的。

到了18世纪末，人们开始思考不同自然现象之间的联系，一些独具慧眼的哲学家如康德等，提出了各种自然现象之间相互联系和相互转化的思想。深受其影响的丹麦科学家奥斯特相信电与磁之间可能存在着某种联系。

1803年奥斯特指出：“物理学将不再是关于运动、热、空气、光、电、磁以及我们所知道的各种其他现象的零散的罗列，我们将把整个宇宙纳在一个体系中。”

(2)奥斯特在1820年4月的一次演讲中，碰巧在南北方向的导线下面放置了一枚小磁针。当电源接通时，小磁针发生了转动。说明电流对小磁针产生了作用，证明电流在其周围产生了磁场，这就是发现电流磁效应的过程。通过前面的学习，我们知道，地磁场是南北方向的，小磁针静止时指示南北方向，通电直导线的磁场方向遵守安培定则。当通电导线南北放置时，导线下方的磁场沿东西方向，小磁针受到电流的磁场作用由原来的南北方向转向东西方向。奥斯特由小磁针的偏转，确定了电和磁的联系，也就是电流的磁效应。

(3)奥斯特的研究并不是一帆风顺的。经历了好多次失败，但奥斯特始终没有放弃。

机遇总是青睐那些有准备的头脑。一直坚信电和磁之间存在着某种联系的奥斯特，在那一次讲演中，碰巧发现了在南北方向的通电导线下面放置的小磁针居然转动了。听众中大概没有人注意到这个现象，但是奥斯特注意到了，他以敏锐的洞察力注意到了这个现象。并随后做了相关的实验，再次证明载流导线的确能使磁针偏转，这种作用称为电流的磁效应。

(4)电流磁效应的发现揭示了电现象和磁现象之间存在的某种联系。奥斯特的思维和实践突破了人类对电与磁认识的局限性。电流磁效应的发现引发了科学认识领域的思考，推动了电磁学的发展。

科学的发展是艰辛曲折的。从中我们得到，要想成功离不开坚定的信念、坚持不懈的努力和敏锐的洞察力。

教师活动：教师倾听学生回答，及时给出点评。

[事件4]

教学任务：法拉第心系“磁生电”——电磁感应现象的发现—讲法1

教师活动：电磁感应现象的发现是一个划时代的发现，它揭开了人类社会迈进电气化时代的序幕。英国科学家法拉第受奥斯特发现的启发，敏锐地觉察到磁与电之间也应该有类似的“感应”，并在1822年的一篇日记中留下了“由磁产生电”这样闪光的思想字迹。

法拉第初期观点，受到奥斯特等科学家的实验启发，既然电能产生磁，那么，磁也应该能产生电。

设置问题：如果你是法拉第，以此观点你能尝试设计一个用以探索“磁生电”的实验方案吗？

设计实验：限定学生在法拉第时代所具有的知识和经验基础上设计实验方案，旨在把学生带到历史上探究的事件中去，让学生转换角色，体验探究。

交流评价：交流学生设计的实验方案，并进行简要评价。一是借以让学生进一步了解当时的知识和认知背景；二是为学生理解法拉第为探索磁生电所做的初始假设及未果实验的合理性和局限性做好铺垫。

让磁生电的扭 秤式实验装置

教师介绍：科学的道路绝不平坦，法拉第于1822年12月、1825年11月和1828年4月做过三次集中的实验研究，然而均以失败告终。

实验1：他用两根长约4 m的导线平行放置，相隔约两张纸厚的距离，先把其中的一根导线接到电池的两端通电，再把另一根与电流计相连。

实验2：把一根螺旋线与电池两极连接，直导线穿过它，后者两端连接电流计。

实验3：如下图所示，法拉第用一根线把一个铜线环固定在导线上并把它悬挂起来，像一个扭秤一样，把强磁棒的磁极放置在环内。

每个实验将装置呈现后由学生先预测结果，教师再通过实验进行检验，以增加悬念，调动学生学习的积极性。

提出问题：法拉第这些实验失败的原因是什么？

原因分析：回顾法拉第做过的失败实验，可以看出，这些实验都是在以往经验的启发下，通过类比方法设计的。主要原因还在于受传统观念的影响，只注意寻找静态的和稳定的感生电流，而忽略了对动态过程的观察。另一个原因是，为了避免电流磁效应的影响，检测感生电流的电流计(当时用的是类似小磁针那样的电流计)一般都用较长的的导线连接，离实验装置较远，不利于观察动态过程。

启迪：科学研究是立足于已知去探索未知，总是以已有的知识和方法、经验和理论为指导去进行研究的。这种指导作用是必要的、有益的，但同时也会带来限制和束缚，特别是对于新领域的开创性的研究工作。突破传统，才能创新。

提出问题：那应该如何调整思路？

引导回答：在变化、运动的过程中，能否出现“磁生电”的效应。

法拉第第一个成功的“电生磁”的实验装置

介绍：1831年8月29日，法拉第把两个线圈绕到同一个铁环上，如上图所示。他发现，当把与电池、开关相连的线圈A的开关2接通，使线圈A中的电流由零增大到某恒定值的瞬间，在闭合线圈B附近的小磁针偏转、振动并且最终停在原来的位置上。当把线圈A的开关2断开，使线圈A中的电流由某恒定值减小到零，在此瞬间，闭合线圈B附近的小磁针反向偏转、振动并且最终停在原来的位置上。

[实验演示]演示下图法拉第第一个成功的“电生磁”的实验，请两名学生当众演示，其余学生仔细观察实验现象，感受成功的喜悦。

提出问题：经过长达11年的艰苦探索，法拉第终于发现了“磁生电”现象，并且认识到“磁生电”是一种在变化、运动过程中才能出现的效应。你认为法拉第成功的“秘诀”是什么？

引导回答：成功的诀窍是——不懈地努力，敏锐的洞察力。

教师评价：经过许多次失败之后，法拉第毫不气馁，仍不懈地坚持研究，最后凭借他“敏锐的洞察力”捕捉到了稍纵即逝的偶然现象，终于看清“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。

教师活动：法拉第因此茅塞顿开，但他并没有就此沾沾自喜不再作为，而是抓住新现象的端倪，进行深入研究。经过大量的实验研究法拉第把引起电流的原因概括为五类，它们都与变化和运动相联系，这就是：变化的电流，变化的磁场，运动的恒定电流，运动的磁铁，在磁场中运动的导体。他把这些现象定名为电磁感应，产生的电流叫做感应电流。

教学任务：法拉第心系“磁生电”——电磁感应现象的发现——讲法2

[事件5]

教师引导：奥斯特发现的电流磁效应，震动了整个科学界，也激发了科学家们的探索热情，引发了这种对称性的思考：既然电流能够引起磁针的运动，那么为什么不能用磁铁使导线中产生电流呢？

教师活动：引导学生阅读教材中有关法拉第发现电磁感应的内容。并提出以下问题，引导学生思考并回答：

(1)奥斯特发现电流磁效应引发了怎样的哲学思考？法拉第持怎样的观点？

(2)法拉第的研究是一帆风顺的吗？法拉第面对失败是怎样做的？

(3)法拉第做了大量实验都以失败告终，失败的原因是什么？

(4)法拉第经历了多次失败后，终于发现了电磁感应现象，他发现电磁感应现象的具体过程是怎样的？他成功发现电磁感应现象的“秘诀”是什么？

(5)从法拉第探索电磁感应现象的历程中，你学到了什么？谈谈自己的体会。

学生活动：结合思考题，认真阅读教材，分成小组讨论，发表自己的见解。

教师活动：倾听学生回答，及时对学生观点给予激励性评价。

结论总结：

(1)奥斯特发现电流磁效应引发了对称性的普遍思考：既然电流能够引起磁针的运动，那么磁铁也会使导线产生电流。法拉第坚信：磁与电之间也应该有类似的“感应”。

(2)法拉第的研究并不是一帆风顺的。经历了好多次失败，但法拉第始终没有放弃。直到1831年8月29日，他苦苦寻找了10年之久的“磁生电”的效应才被发现了。

(3)法拉第在1822年12月、1825年11月、1828年4月做过三次集中的实验研究，均