师:好,上课。同学们好,欢迎大家走进今天的课堂。我们先来看个小实验。这是一台手摇发电机,这是磁体,这是线圈。请大家仔细观察小灯泡,然后我摇动发电机手柄。
(老师摇动发电机手柄,灯泡亮了)
师:哇,灯泡亮了,说明发电机确实产生了电。那电流是如何产生的呢?早在1820年,丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应,实现了电能到机械能的转化。此后,人们就开始思考,既然电能够生磁,那磁能否生电呢?科学家们为此展开了激烈的探索,他们坚持不懈,直到1831年,英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象,揭开了磁生电的奥秘,实现了机械能到电能的转化。
好,接下来让我们进入今天的课程,探索磁生电的奥秘。实验表明,发电机的线圈只有在转动时才能产生电流,由此猜想电流产生可能与在磁场当中的运动有关。究竟怎样运动才能产生电流呢?我们用这个图示装置进行如下探究:
闭合开关,导体不动,观察灵敏电流表指针是否摆动;
闭合开关,导体上下运动,观察电流表指针是否摆动;
闭合开关,让导体水平运动,观察电流表指针是否摆动;
闭合开关,让导体斜向运动,观察电流表指针是否摆动。
(老师操作,学生观察并记录)
师:上下运动,指针基本不动。左右运动,指针摆动。导线斜向运动,指针摆动。我们把实验结果记录下来。我们发现,当导体静止的时候,电流表指针不动;当导体上下运动的时候,电流表指针也不动;导体左右运动时,电流表指针开始摆动;当导体斜向运动的时候,电流表指针也发生了摆动。同样是运动,为什么有的产生电流,而有的不能产生电流呢?我们试着借助磁感线来进行分析,请大家试着画出蹄形磁铁的磁感线分布图。
(学生画磁感线分布图)
师:同学们,你的磁感线分布图画对了吗?下面我们来分析一下导体的运动情况:导体静止、导体上下运动、导体水平运动、导体斜向运动。为了看得更清楚,我们不妨画出导体运动的轨迹:上下运动、左右运动、斜向运动。我们发现,当导体左右运动或斜向运动的时候,导体就像刀一样切割了磁感线,这时电流表指针发生摆动,从而产生电流。事实果真如此吗?我们来分析一下实验视频,验证一下我们的猜想。
(分析实验视频)
师:静止不切割,没有电流产生;上下运动不切割磁感线,也没有电流产生;垂直切割果然产生电流;倾斜切割也产生电流。无论是垂直切割还是倾斜切割,我们发现只要闭合电路的部分导体切割磁感线就会产生电流。至此,我们得出了电流产生的条件,那就是闭合电路的部分导体切割磁感线会产生电流。细心的同学可能会发现,当导体切割磁感线的时候,电流表指针方向不断摆动,说明电流方向也是变化的。那么电流方向与哪些因素有关呢?接下来我们研究一下电流的方向与哪些因素有关。
实验中我们知道,当闭合电路部分导体切割磁感线的时候产生电流,可见电流的方向可能与磁场方向有关,还可能与导体运动方向有关。接下来我们进行如下实验:
磁场方向向下,导体水平向左运动、水平向右运动,观察电流表指针摆动方向;导体斜向左运动、斜向右运动,观察电流表指针摆动方向。
让磁体的S极在上,导体水平向左运动、水平向右运动,斜向左、斜向右运动,分别观察电流表指针如何摆动。
(老师操作,学生观察并记录)
师:导线水平向左运动,指针向左摆动;导线水平向右运动,指针向右摆动;斜向左运动,指针向左摆动;斜向右运动,指针向右摆动。变换磁体方向,改变磁极方向。导线水平向左运动,指针向右摆动;导线水平向右运动,指针向左摆动;斜向左运动,指针向右摆动;斜向右运动,指针向左摆动。
我们把实验结果记录下来,如何运用这些结果进行分析,找到电流方向的影响因素呢?同学们是否还记得控制变量法的思想?请大家分析这两组实验的结果。只改变导体运动方向,发现什么了?
生:导体运动方向发生改变,电流方向发生改变。
师:可见电流方向与导体运动方向有关。好,我们再分析这两组实验结果,又发现什么了?
生:导体运动方向不改变,只改变磁场方向,电流方向发生了变化。
师:那我们可以得出什么样的结论呢?
生:电流方向与磁场方向有关。
师:结合以上分析,我们可以得出结论,电流的方向与磁场方向和导体运动方向都有关系。我们继续观察这两组结果,你又发现什么了?
生:磁场方向发生改变,导体运动方向也发生改变,电流方向就不变。
师:可见如果二者方向同时改变,电流方向就不变。至此,我们得出了影响电流方向的因素有两个,一是磁场方向,二是导体的运动方向。请同学们思考以下问题,如果导体的运动方向与磁感线方向不垂直,导体中还能产生电流吗?
生:能,无论导体是否垂直切割,只要闭合电路的部分导体切割磁感线回路中就会产生电流。
