高中物理-{6互感和自感}教学设计(二)新人教版选修3.doc

教学设计(二)

教学目标　　　　　
1．了解互感现象的电磁感应特点。
2．明确自感系数的意义及决定因素。
3．指导学生运用观察、实验、分析、综合的方法，认识自感现象及其特点。
4．了解日光灯的工作原理。
5．能用电磁感应原理，解释生产和生活中的某些自感现象。
6．提高学生分析问题的能力和运用物理知识解决实际问题的能力。
7．培养、提高学生尊重科学，利用实验探索研究自然的科学素养。
教学重点　　　　　
自感现象产生的原因及特点。
教学难点　　　　　
运用自感知识解决实际问题。
教学方法　　　　　
讨论法、探究法、实验法、练习法。
教学用具　　　　　
变压器原理说明器(用400匝线圈)、3.8 V　0.3 A灯泡两只、滑动变阻器、电源(3 V)、导线、开关、日光灯组件、多媒体课件。

引入新课　　　　　
师：前面我们学习了电磁感应现象，了解了几种不同形式的电磁感应现象。如磁铁向线圈中插入或拔出、闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动等，都会引起感应电动势，发生电磁感应现象。你们认为引起电磁感应现象最重要的条件是什么？
生：穿过电路的磁通量发生变化。
师：不论用什么方式，也不管是什么原因，只要穿过电路的磁通量发生了变化，都能引起电磁感应现象。如果电路是闭合的，电路中就会有感应电流。
新课教学　　　　　
在法拉第的实验中两个线圈并没有用导线连接，当一个线圈中的电流变化时，在另一个线圈中为什么会产生感应电动势呢？

(一)互感现象
两个线圈之间并没有导线相连，但当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势。这种现象叫做互感，这种感应电动势叫做互感电动势。
利用互感现象可以把能量由一个线圈传递到另一个线圈。变压器就是利用互感现象制成的。如下图所示：

在电力工程和电子电路中，互感现象有时会影响电路的正常工作，这时要设法减小电路间的互感现象。例如在电路板的刻制时就要设法减小电路间的互感现象。

(二)自感现象
1．通过实验演示，提出思考问题。

演示实验1：断电自感现象。实验电路如图所示。

接通电路，灯泡正常发光后，迅速断开开关，可以看到灯泡闪亮一下再逐渐熄灭。演示多媒体课件。
问1：灯泡闪亮一下，说明了什么问题？
(引导学生分析得出：灯泡的亮度由其实际功率决定。灯泡闪亮一下，表明在开关断开这一瞬间，通过灯泡的电流比原来大。)
问2：在开关断开这一瞬间，增大的电流是从哪里来的？
(学生一时回答不了，再用实验启发。)
演示实验2：将与灯泡并联的线圈取掉，再演示上述实验，这时灯泡不再闪亮。
引导学生分析得出：在开关断开这一瞬间，增大的电流是线圈产生的。
问3：线圈本身并不是电源，它又是如何提供电流的呢？
2．分析实验现象，建立科学概念。
(1)讨论：组织学生讨论。出示实验电路图，引导学生运用已学过的电磁感应的知识来分析实验现象。
①引导学生将这里的线圈与P6图42.2所示实验中的线圈加以对比。在P6图42.2所示实验中，线圈本身也不是电源，但在磁铁插入或拔出线圈的过程中，由于线圈中的磁通量发生了变化，故线圈中产生了感应电动势，从而使电路中产生了感应电流。
②问：这个实验中，在线圈中也发生了电磁感应。那么是什么原因引起在线圈中发生电磁感应的呢？
③引导学生进一步分析：
问1：开关接通时，线圈中有没有电流？
(有电流。)
问2：有电流通过线圈时，在线圈中会不会产生磁场？根据是什么？
(在线圈中会产生磁场。根据电流的磁效应。)
问3：既然在线圈中产生了磁场，那么就有磁感线穿过线圈，穿过线圈的磁通量就不等于0。开关断开后，线圈中还有磁通量吗？
(没有磁通量了。)
问4：那么，在开关断开这一过程中，穿过线圈的磁通量变了吗？如何变化？
(变了。从有到无。)
问5：穿过线圈的磁通量发生了变化，会发生什么现象？
(会发生电磁感应现象，线圈会产生感应电动势。)
(2)讨论小结：开关接通后，线圈中存在稳定的电流，线圈内部铁芯存在很强的磁场，穿过线圈的磁通量很大；在开关断开瞬间，线圈中的电流迅速减小到0，穿过线圈的磁通量也迅速减小到0，使线圈产生感应电动势，这时线圈就相当于一个电源。由于开关断开很快，故穿过线圈的磁通量变化很快，就产生了感应电动势，阻碍电流减小，并给灯泡供电。
(3)建立概念：上述现象属于一种特殊的电磁感应现象，发生电磁感应的原因是通过导体本身的电流发生变化而引起磁通量变化。这种电磁感应现象称为自感。
自感现象：由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象。
自感电动势：在自感现象中产生的感应电动势。

练习：在实验中，若线圈L的电阻RL与灯泡A的电阻RA相等，则电键断开前后通过线圈的电流随时间的变化图象为________图，通过灯泡的电流随时间的变化图象为________图；若RL远小于RA，则电键断开前后通过线圈的电流随时间的变化图象为________图，通过灯泡的电流图象为________图。

答案：A　C　B　D
3．通过实验演示，强化概念理解。

演示实验3：演示通电自感现象。实验电路如图。

开关接通时，可以看到，灯泡2立即正常发光，而灯泡1是逐渐亮起来的。
问：为什么会出现这种现象呢？
(开关接通时，线圈中的电流从无到有，使得穿过线圈的磁通量从无到有，线圈中产生了自感电动势，阻碍线圈中磁通量的增大，使灯泡1不是立即亮而是逐渐亮起来。)
4．总结规律
教师说明：在自感现象中，自感电动势的产生是由导体本身的电流发生了变化而引起的，而自感电动势却总是阻碍导体中原来电流的变化。
特点：自感电动势总是阻碍导体中原来电流的变化。
具体而言：①如果导体中原来的电流是增大的，自感电动势就要阻碍原来电流的增大。
I原增大，则E自(I自)与I原相反
(引导学生思考、讨论之后对通电自感的解释。)
②如果导体中原来的电流是减小的，自感电动势就要阻碍原来电流的减小。
I原减小，则E自(I自)与I原相同
5．实验分析，深化理解。
①实验1称为断电自感现象，实验2称为通电自感现象。那么，在实验1中电路接通的瞬间，线圈是否发生自感？在实验2中，把开关断开时，线圈是否发生自感现象呢？
(都发生自感。只不过是我们观察不到。)
②实验2中，如果以很高的频率反复打开、闭合开关，会出现什么现象呢？
(灯1不亮，灯2闪亮。)
③实验1中开关断开了，电源已不再给灯泡提供电能了，灯还闪亮一下。这些能量是哪里来的呢？是凭空产生了能量吗？

(线圈提供的。线圈中有电流时，线圈产生磁场，磁场也具有能量。当开关断开后，磁场能通过电磁感应转化为电能，由线圈提供给灯泡。这说明电磁感应中也遵循能量守恒。)
练习：实验中，当电键闭合后，通过灯泡1的电流随时间变化的图象为________图；通过灯泡2的电流随时间变化的图象为________图。

答案：C　A
(三)自感系数
问：感应电动势的大小跟什么因素有关？
(感应电动势的大小跟磁通量的变化快慢有关。)
自感电动势的大小跟其他感应电动势的大小一样，跟穿过线圈的磁通量的变化快慢有关。而在自感现象中，穿过线圈的磁通量是由电流引起的，故自感电动势的大小跟导体中电流变化的快慢有关。
(引导学生阅读教材P23第2、3段。)
理论分析表明：
E＝LΔI/Δt
L称为线圈的自感系数，简称自感或电感。自感是表示线圈产生自感电动势本领大小的物理量。
L的大小跟线圈的形状、长短、匝数、有无铁芯有关。
单位：亨利(H)
1 H＝103 mH＝106 μH
(四)自感现象的应用——日光灯的原理
日光灯就是利用自感现象的例子。灯管的两端各有一个灯丝，灯管内充有微量的氩和稀薄的天然汞蒸汽，灯管内壁涂有荧光物质。当灯管内的气体被击穿而导电时，灯管两端的灯丝就会释放出大量的电子，这些电子与汞原子碰撞而放出紫外线，涂在灯管内的荧光物质在紫外线的照射下发出可见光，根据不同的需要充以不同的气体，并在管的内壁上涂上不同的荧光物质，就可制造出不同颜色的日光灯了。

日光灯的电路图如下图所示：

其中，启动器的作用是当开关闭合时电源把电压加在启动器两极间，使氖气放电发出辉光，辉光产生的热量使U形触片膨胀变形接触静触片使电路导通，于是镇流器中的线圈和灯管中的灯丝就有电流通过，电路接通后，启动器中的氖气停止放电，U形触片冷却收缩恢复原状，电路断开，镇流器线圈因自感产生一个瞬时高压，这个高压加上电源两端的电压一起加在灯管的两端，使水银蒸汽开始放电导通，使日光灯发光。在启动器两触片间还并联了一个电容，它的作用是在动静触片分离时避免产生火花而烧毁，没有电容器，启动器也能正常工作，日光灯启动后，启动器就不需要了。
镇流器就是一个自感系数很大的线圈，在日光灯点燃时，利用自感现象，产生瞬时高压，在日光灯正常发光时，利用自感现象起降压限流的作用。
(五)磁场中的能量
开关闭合时线圈中有电流，电流产生磁场，能量储存在磁场中，开关断开时，线圈作用相当于电源，把磁场中的能量转化成电能。
课堂练习　　　　　
1关于自感现象，正确的说法是(　　)
A．感应电流一定和原电流方向相反
B．线圈中产生的自感电动势较大的其自感系数一定较大
C．对于同一线圈，当电流变化越大时，线圈中产生的自感电动势也越大
D．自感电动势总是阻碍原来电流的变化
答案：D

2如图所示，两个电阻的阻值都是R，多匝线圈的电阻和电源内阻均可忽略不计。电键S原来断开，此时电路中的电流为I0＝ε/2R。现将S闭合，于是线圈产生自感电动势，此自感电动势的作用是(　　)

A．使电路的电流减小，最后由I0减小到0
B．有阻碍电流增大的作用，最后电流小于I0
C．有阻碍电流增大的作用，因而电流总保持不变
D．有阻碍电流增大的作用，但电流还是增大，最后等于2I0
答案：D
说明：要深刻理解“阻碍”的意思。阻碍并不等于“阻止”。当原电流增大时，自感电动势要阻碍电流的增大，但电流最后还是要增大的，只不过增大得慢些(如通电自感实验中所见)；当原电流减小时，自感电动势要阻碍电流的减小，但电流最后还是要减小的，只不过减小得慢些(如断电自感实验中所见)。自感电动势的作用只不过是起一个“延时”作用。
3如图所示的电路中，L是一带铁芯的线圈，R为电阻。两条支路的直流电阻相等。那么在接通和断开电键的瞬间，两电流表的读数I1、I2的大小关系是(　　)

A．接通时I1<I2，断开时I1>I2
B．接通时I1<I2，断开时I1＝I2
C．接通时I1>I2，断开时I1<I2
D．接通时I1＝I2，断开时I1<I2
答案：B
课堂小结　　　　　
本节课我们一起探究了电磁感应现象中的另一类问题——自感现象，自感现象也是电磁感应现象的一种，只是导体本身的电流发生变化而在自己身上产生的电磁感应现象，它不违背法拉第电磁感应定律，自感现象也遵从楞次定律“增反减同”的规律。由于线圈自身自感的作用，使得电路中的电流变化的时间延长了，我们所看到的现象是灯泡逐渐地变亮或灯泡亮一会再熄灭，还有的灯要闪亮一下。特别是自感的应用——日光灯，与我们的生活很接近，我们平时都应该注意生活中的电现象。

6　互感和自感
1．当一个线圈中电流变化时，在另一个线圈中产生感应电动势的现象，称为互感。互感现象产生的感应电动势，称为互感电动势。
2．由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，叫自感现象。
3．自感现象中产生的电动势叫自感电动势。
(1)自感电动势的作用：阻碍导体中原来电流的变化。
(2)自感电动势的大小：E＝L
4．自感系数L：与线圈的大小、形状、匝数及有无铁芯有关。
5．磁场具有能量。
6．日光灯的工作原理。
作业布置　　　　　
完成课本后思考与练习题。
教学反思　　　　　
学生能从现象和楞次定律来理解自感和互感，上课例题的正确率也很高，但在电流大小和方向的变化上还需加强。特别是在灯是否闪亮一下上存在很多问题，例如说自感系数很大的线圈，我们能等效地看成一个电阻非常大的电阻，这样来解释现象学生会更容易懂一些。

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