新课标人教版11选修一31《电磁感应现象》WORD教案4.docx
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新课标人教版11选修一31《电磁感应现象》WORD教案4
选修1-1.3.1电磁感应现象阅读材料电磁感应现象的发现过程3
对电磁感应现象的探索有着深厚的历史背景，首先它来自于社会对电力的需求。
1800年意大利物理
学家伏打（Volta,1745—1827年）发明了伏打电堆，使人们第一次获得稳定而持续的电流。
1809年，戴维把由两千块铀锌片组成的伏打电堆的两极接上炭棒，当炭棒接近到一定程度时，产生了电火花，从而发明了弧光灯。
但是伏打电池所取得的电价太昂贵而且功率太小。
如何获得强大而廉价的电力是当时社会对物理学提出的一个十分紧迫的问题。
后来法拉第回忆道“我因为对当时产生电的方法感到不满意，因此急于想发现电磁与感应电流的关系，觉得电学在这一条路上一定可以有充分的发展。
”
在法拉第之前的一些物理学家已经开始探索磁产生电的途径。
安培于1821年到1822年间做了探求感应电流的实验，但他未能发现电磁感应现象。
1825年英国物理学家阿拉果设计了著名的圆盘实验。
他偶然发现金属可以阻尼磁针的振动，他进一步联想：
既然一个运动着的磁针可以被金属片吸引，那么一个静止的磁针了一定可被一个运动着的金属片带动。
根据这一设想，1825年他设计一个园盘实验，在一个可以绕着垂直轴旋转的铜盘的正上方悬挂一根磁针,当铜盘旋转时,磁针跟着旋转。
这一实验好像表明磁是因运动着的导体而产生的,为物理学界提出了一个多年来悬而未决的问题。
1823年,瑞士物理学家科拉顿（Colladon,1802-1892年）曾企图用磁铁在线圈中运动获得电流,他用一个线圈与一个检流计连成一个闭合回路,为了使磁铁不至于影响检流计中的小磁针,特意将检流计放在隔壁的房间里,他用磁棒在线圈中插入或拔出,然后一次又一次跑到另一房间里去观察检流计是否偏转,当然他观察不到指针的偏转,未能发现电磁感应。
法拉第发现电磁感应现象并不是一帆风顺的，而是经过了十年的艰苦探索。
1821年,法拉第开始转向电磁学研究,他发现了磁极绕着载流导线转动和载流导线绕磁铁转动的现象,这种现象称为电磁旋转现象。
通过电磁旋转的实验,使他想到,既然电对磁有作用,一定有磁对电的反作用；既然电流能产生磁,则磁也一定能产生电流。
1822年,他在日记上写下了他的光辉思想：
“磁能产生电流”，并以此作为自己研究的战略目标。
从1824年到1831年他经历了一系列的失败,在《法拉第日记》中,明确记载的失败的实验就有三次。
1824年12月28日,他把强磁铁放在接有检流计的电流线圈内期望会改变导线中的电流,结果没有发现检流计指针偏转。
1825年11月28日,他将导线回路放在另一通电回路附近,期望在导线回路中能感应出电流,但也没有发现任何效应。
1828年4月22日,他把磁铁穿入一个悬挂起来的铜线环内,期望环内产生感应电流,但把其它磁铁靠近导线,却没有任何效应产生。
实验没有得到他预想的结果。
虽然经受了这一系列的失败,但1动摇不了他对自然力的统一性怀有的坚定的信念。
他坚信电与磁的相互转化,磁一定可以转化为电。
他说：
“一方面,各种电流都伴随有相应强度的磁作用,它的方向与电流的方向呈直角；而另一方面,若将电流良导体放入有磁作用的环境中,在导体内竟然完全不会引起感应电流,也不产生可觉察的等效于这种电流的作用，这是很不平常的。
”“对这些问题及其后果的考虑,再加上想从普通磁中获得电的希望,时时激励着我从实验上去探求电流的感应效应。
”正在此时,英国物理学家斯特金发明了电磁铁。
他在一块原来没有磁性的软铁上绕以导线,通电以后,软铁就变成具有了强磁性的磁铁。
这一发明对法拉第的进一步研究有一定的启发和帮助。
1831年8月29日,法拉第在日记中记述了他第一次成功的实验。
他在软铁环的A边绕了三个线圈,可以串联起来使用,也可以分开使用。
在B边以同样的方向绕两个线圈。
他把B边的线圈接到检流计上,把A边的线圈接到电池组上（见图）。
当电路接通时,法拉第看到检流计的指针立即发生明显的偏转、振荡,然后停止在原来的位置上。
这表明线圈B中出现了感应电流。
当电路A断开时,他又看到指针向相反方向偏转。
把A边的三个线圈串联成一个线圈重做以上实验,对磁针产生的效应比以前更加强烈。
他看到B边的感应电流是明显的,又是瞬时的,只在A边断开和接上电源时的瞬间产生。
在第一次发现之后,法拉第继续进行了大量的实验,探讨电磁感应产生的条件。
他提出这样的问题：
是否可以用其它方法产生同样的效应?
铁环是必需的吗?
线圈A是必需的吗?
9月24日,法拉第在两条磁棒的N、S极之间放上一条带有线圈的圆铁棒,线圈与一检流计连接〈见下左图〉。
他发现当圆铁棒接触N、S极和脱离N、S极时,检流计的指针就会偏转。
他指出.这一效应不是永恒的而是瞬时的,“因此,在这里磁转化为电是清楚的。
”
10月1日,他把两条长203英寸的丝包铜线绕在木筒上。
其中一个线圈和检流计相连接,另一个线圈和电池相连接（见上右图）。
他发现当电流接通和断开的瞬间,“对电流计的指针有影响,但是如此之小,以至于很难感觉到。
因此在没有铁心的情形下也有感应效应。
”
10月17日,法拉第用另一种方式得到了感应效应。
他在直径为0.75英寸长为8.5英寸的空心纸筒上绕了8层螺旋线,把8层线圈并联后再接到检流计上（见下左图）。
当他把磁铁棒迅速地插入螺线管时,检流计的指针就偏转了,然后又迅速地拉出来，指针在相反的方向上发生了偏转。
他说：
“每次把磁棒插进或拉出时,这效应都会重复,因此电的波动只是从磁铁的接近而不是磁铁停止在那里产生的。
"
10月28日,他把一个空心螺线管迅速送入一对大的磁极之间（见上右图）,检流计的磁针受到强烈的影响，然后又迅速的取出，磁针同样受到强烈影响。
这是在磁铁与线圈有相对运动时所产生的一种效应。
1831年10月24日,法拉第在提交给皇家学会的一篇论文中,把产生感应电流的情况概括成5类：
变化着的电流,变化着的磁场,运动的稳恒电流,运动的磁铁,在磁场中运动的导体。
他在《电学的实验研究》第19节中还讲到感应电流的方向。
他写道：
“当一条载流导线与另一条与之平行的导线相互接近时，感应电流方向与施感电流的方向相反,它们彼此排斥,反抗互相接近；当两线离开时,感应电流的方向与施感电流的方向相同,它们彼此吸引,反抗互相分离。
”但这只是确定感应电流方向的一个特例,还没有提出确定感应电流方向的普遍法则。
他在《电学的实验研究》第119节中指出：
当一块金属通过磁极前面或两极之间时,所产生的电流与运动方向成直角。
据此理由他解释了阿拉果实验,当圆盘在磁场中旋转时,感应电流的方向近似沿半径方向,在盘内形成闭合的感应电流,即涡电流,这个电流趋向于阻止磁针和圆盘的相对运动,因此磁针就随着圆盘转动起来。
从10月底到11月初,法拉第进行了他著名的圆盘实验。
他在一个铜轴上安装了扁平的铜盘,把它放在磁铁的两极间,用一根导线从铜轴上引出,另一根导线与铜盘边缘接触,然后把这两根导线与电流计相连接,当铜盘转动时,指针就发生了偏转（见图）。
当反方向转动时,指针的偏转方向相反。
在铜盘继续转动时,指针持续地偏转。
这就是一台原始的发电机,通过铜盘的机械转动而产生了电流。
与此同时,法拉第还用磁感应线概念来解释电磁感应现象。
他在《电学的实验研究》第231节中指出：
“相对于磁铁运动的金属中存在的感应电流取决于金属横切的磁感应线。
”
1832年,法拉第发现在相同条件下不同金属导体中产生的感应电流与导体的导电能力成正比（欧姆定律已在1826年得出）,他由此意识到在电磁感应中产生了感应电动势。
这个电动势与导体的性质无关,只取决于导线和磁力的相互作用。
在闭合回路中感应电动势产生了感应电流,在开路中没有感应电流,但感应电动势还存在。
（本节内容摘自——《大学物理导论》——物理学的理论与方法、历史与前沿清华大学出版社）
电磁感应现象的发现
一、让磁生电的思考
奥斯特关于电流的磁效应的发现，揭开了关于电与磁联系的研究的序幕，普遍引起了这种对称的思考：
即能不能用磁体使导线中产生出电流来？
根据现象之间普遍联系的观点，答案应该是肯定的。
但是，最初在这方面的探索工作都没有成功，科学家找不到用磁产生电流的途径。
在奥斯特公布他的发现之后不久，菲涅耳就宣称他把磁铁放在螺旋线圈里，已经成功地由磁产生出了电。
虽然菲涅耳的这个报告被别人的重复实验所否定,却启发了物理学家进行这方面的进一步探索。
二．难以理解的衰减现象
阿拉果和塞贝克（T·J·Seebeck,1770～1831）分别于1824年和1825年发现了所谓“衰减”现象。
阿拉果用一个磁针作成单摆，让它在静止的金属盆上面按一定频率摆动，发现它的运动像受到阻碍作用一样很快衰减下来。
1825年他又发现，如果转动磁针下面的金属盘，磁针就会发生偏转，甚至连续转动。
这个实验后来被称为“阿拉果圆盘”实验。
1825年，塞贝克也用一块磁铁作成单摆，观察到了它在金属物体附近摆动时的衰减现象。
他还用一个铜块作成单摆，发现它在磁铁上方摆动比它作自由摆动时振幅衰减要快得多。
衰减现象虽然一度引起科学界广泛的兴趣，但是当时已有的电学和磁学理论却不能很好地解释它；科学家认为这是单纯的磁现象，没有把它和让磁生电的探索联系起来。
三．磁生电最初的探索与失败
电磁感应的发现和研究是法拉第的最重要的物理学贡献之一，法拉第寻找电磁感应现象也经过了漫长的探索和多次失败。
1820年,奥斯特发现电流磁效应的时候,法拉第正在忙于化学研究,没有顾及到新的电磁现象。
1821年,法拉第的一位朋友请法拉第为皇家学会的刊物《哲学杂志》撰写一篇文章,评介电磁学领域取得的新成果,这一偶然机会,把法拉第吸引到电磁学研究领域。
对奥斯特效应的理论解释,当时最有影响的是安培的理论,但是在法拉第的文章中,却表示出了对安培观点的怀疑,他认为安培的分子电流假设是靠不住的,应该从更多的实验现象中去寻找答案。
法拉第认为电和磁是一对和谐对称的自然现象,他坚定地相信存在着奥斯特效应的逆过程,即磁力转化为电力的可能。
他认为既然电荷可以在导体上产生感应电荷,电流也应该可以在导体上产生感应电流。
早在1822年,法拉第在笔记本中就记下了这样的信念:
“一定要转磁为电”,并且还记录下几个试图用磁体使线圈带电的不成功的实验尝试。
在1821年到1831年间，法拉第曾经由于冶炼不锈钢、改良光学玻璃和研究气体的液化而常常中断这一探索，但还是不时回到这个课题上。
起初，他试图用强磁铁靠近闭合导线或用强电流使邻近的闭合导线中产生出稳定的电流，但都一次次地失败了。
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在电磁感应现象发现之前6年,法拉第仿照静电感应,在日记中就使用了“感应”这个词。
从法拉第的日记中我们可以看到,明确记载的失败就有三次（1824年12月28日;1825年11月28日;1828年4月22日）,每次失败,他都记上“没有效果”。
例如:
1825年11月28日他做了以下几个实验:
实验1.两根长4米长的导线平行放置,用两张厚纸将它们隔开,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。
电流计的指针没有发生任何转动。
实验2.将空心螺线管接到电池的两极,把一直导线引进螺线管,直导线两端与电流计相连,没有任何效应发生。
实验3.将实验2中的直导线与电池两极相连,螺线管与电流计连接,仍无任何效应。
实验4.把两根导线互相缠绕着,先把其中的一根的两头接到电池上通电,把另一根的两头接到电流计上。
没有观察到任何现象。
1825年,法拉第也重复过阿拉果圆盘实验,他想利用这个实验来寻找电磁感应现象,但是,他没有获得任何进展。
四．法拉第的实验发现与研究
1831年，法拉第给皇家研究院打报告,请求暂停光学玻璃的研究,以便研究电磁铁和把磁变为电的问题。
1822年，法拉第曾经成功地实现了电磁转动。
法拉第一直思考着这一现象的物理本质，法拉第直觉地意识到环绕着载流导线有一个圆形的作用“线”；他设想这是当电流通过导线时在导线内的分子和周围的媒质中引起的某种“紧张”（strain）状态，这种状态是从张力的源――载流导线向周围传播开去的。
是否可以合理地猜想，如果这种张力能够加强和集中，它将能在邻近的导线内引起同样的紧张状态呢？
他探寻使磁体产生最大张力的最好形状是什么，最后得出结论说，可能是很厚的环。
为了制作高效率的电磁铁,他把铜线绕在一个铁环上。
在新的实验探索中，法拉第使用了自己制作的灵敏的电流检流装置。
1831年8月29日,法拉第在他的日记中留下了第一次成功的记录。
这一次法拉第订做了一个软铁环,厚度大约2厘米,外径约15厘米,圆环上绕两个彼此绝缘的线圈A和B,B边的两端用一条铜导线连接,形成一个闭合回路。
在铜线下面,平行放置一个小磁针。
然后把A边与一组由10只电池组成的电池组相连接。
法拉第在日记中记述道:
“这时立刻观察到磁针上的效应,它振动起来并且最后停在原来的位置上。
在断开A边与电池的接线时,磁针又受到扰动。
”这表明，一个电流通过铁环介质而感应出了另一个电流。
法拉第把这一现象称为“伏打电感应”。
这个实验通常被称为电磁感应的发现，但事实上并不完全如此。
因为法拉第虽然想到了这就是他寻找了将近十年的由磁产生电流的现象，但还没有明确地领悟到这一现象的暂态性的本质特点。
在这个发现之后，法拉第立即想到，铁环和线圈A是不是产生这一效应的必要条件，他很快就用实验找到了答案。
10月17日他在一个圆纸筒上绕了多层线圈，将一个圆柱形的磁棒插入线圈的一端。
然后把磁棒迅速地塞入螺线圈中，这时线圈所连的电流计的指针动了；抽出磁棒时，指针又动了，但偏转的方向相反。
每次把磁棒塞进或抽出时，这种效应都会重现。
这就是所谓“磁电感应”现象。
最后，10月28日，法拉第把巴罗轮反过来运行。
他转动一侧夹在马蹄形磁铁当中的铜盘，便可以在铜盘轴心和周缘两处引出电流。
这实际上就是最早的发电机的雏型。
考虑到电流的磁效应，这项发现也给阿拉果和塞贝克的衰减实验提供了解释。
至此，法拉第不仅实现了由永久磁体产生电流的设想，而且完全弄明白了这种转化的暂态性，这是他能够宣布已经证明了奥斯特发现的逆效应的确切日期；1831年11月24日，法拉第在向皇家学会提交的一个报告中，把这种现象定名为“电磁感应”，并概括了可以产生感应电流的五种类型：
变化着的电流，变化着的磁场，运动的稳恒电流，运动的磁铁，在磁场中运动的导体。
开始的时候，法拉第把上述的“伏打电感应”和“磁电感应”看做两类独立的现象。
后来，他用导体切割磁力线的概念，统一了包括随时间变化的电流，在空间中运动的电流，以及磁铁和导体的相对运动等所产生的感应现象，统称之为电磁感应。
法拉第又在1851年写出论文《论磁力线》，系统地阐述了他所用到的概念，总结了电磁感应定律。
发现第一个效应以后，法拉第用了大约1年的时间,对它作了专门的详细研究,他做了各种各样的实验,这一段时间,他在日记中共写了441条有关电磁感应的记录,并画了不少草图。
五、一项国际性发现
应该指出，关于电磁感应的探索，在当时是具有国际性的。
除了菲涅耳、安培和法拉第之外，日内瓦年轻的科拉顿（JeansDenielColladon,1802-1892）在1825年曾试图用一块磁铁在螺线管中移动使线圈中产生出感应电流。
为了排除磁铁移动对灵敏电流计的影响，他用很长的导线把连接于螺线管的电流计放在另一个房间内，他在两个房间里跑来跑去进行实验和观察，这当然是观察不到感应电流的。
有人说,如果科拉顿有一个助手专门来看管检流计,也许历史就要改写了。
当然,历史不能假设,我们在为科拉顿感到惋惜时,同样清楚地看到科拉顿认识的局限。
科拉顿发生错误的关键,并不是由于缺少助手,其主要原因还是未预料到磁产生电现象的暂态性,没想到产生的电流会很快消失,即没有预料到只有变化的磁才能产生电流,必须在磁发生变化时才能观察到检流计指针的偏转。
美国物理学家亨利（J.Henry,1799-1878）在这一时期同样提出了磁能不能产生电的问题。
1829年他在实验电磁铁的提举力并用这种装置进行电报机的早期实验时，意外地发现了通电线圈在断开时所产生的强烈的电火花。
1830年8月，他继续对这一现象进行研究。
他将一个线圈连接到电流计上，把线圈放在电磁铁的两端之间，发现在电磁铁接通和断开电流时，电流计的指针都会突然发生偏转。
由于繁重的教学工作，他的实验一度停顿下来。
直到1832年7月他才发表了一篇论文，叙述了他在听到法拉第的工作以前和以后所作的实验。
关于感应电流的方向，法拉第只是有过一些零碎的叙述。
俄国物理学家楞茨（H.F.E.Lenz,1804～1865）在获悉法拉第的发现之后，很快考察了电磁感应现象的全过程。
1832年11月，他得出了感应电动势与绕组导线的材料和直径无关，也与线圈的直径无关的结论。
1833年11月，他又得出了著名的“楞茨定律”，明确提出了确定感生电流方向的基本法则。
这个定律表明，感生电流所产生的磁场的作用，总是补偿施感磁场的变化，即阻碍磁体的运动。
1847年赫姆霍兹（H·VonHelmholtz,1821-1894）揭示出，楞茨定律正是电磁现象符合能量转化与守恒定律的具体表现。
六．成功的分析
法拉第终于成功了,如果我们把他1831年成功的实验与他1825年失败的实验,以及科拉顿等人的实验进行一下比较,我们会看到这些实验有很多相似的地方。
那么为什么以往的实验都失败了呢？
最主要的原因是,对于电磁感应现象的暂态特性没有认识。
科拉顿、阿拉果等人，包括法拉第在早期都没有这样的思想基础,而在1831年法拉第对于暂态现象已经有了很深刻的理解和浓厚的兴趣。
这一年他进行的多项研究课题都涉及暂态现象，而且都需要把不明显的弱效应变强。
如:
对与脆裂现象的研究,观察物体在脆裂的瞬间裂痕是如何形成的;极光对指南针影响的研究,观察随着极光的增加,指南针指向的变化;关于声音振动图形的研究,他把各种各样的液体涂到振动的金属盘上,来确定不断变化的振动怎样影响液体的运动。
这些都使法拉第对变化瞬间出现的情况更加敏感。
电磁感应现象与静电感应现象相比,它的最大特点就是过程的暂态性,只有变化的电流,才能在另一个闭合回路中感应出电流,正是没有能够把握住这一点,才使前人失去了发现的机遇。
其次,在寻找磁生电的10年研究中,法拉第更坚定地认为电与磁的这种联系一定存在,他积极地寻找、创造磁生电的条件,他设法使现象更明显,他意识到进行磁产生电流的研究要使用强磁性磁体。
1830年前后,亨利（J.Henry,1799--1878）等人制成了强马蹄形电磁铁,法拉第所使用的环形软铁正是受了他们工作的启发。
法拉第最终的成功主要是由于他：
相信自然现象之间普遍联系的坚定信念；高超的实验技巧，尤其是变化现象的敏锐捕捉能力；对科学新进展的关注与跟踪，利用新科学成果，推进研究工作。
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