《自感和互感》教学设计

1《自感和互感》教学设计孙策【教学目标】1．知识与技能（1）理解互感现象的电磁感应特点。（2）会运用观察、实验、分析、综合等方法，认识自感现象及其特点。（3）理解自感电动势的作用，明确自感系数的意义及决定条件。（4）了解自感现象的利、弊以及对它的利用和防止。2．过程与方法（1）运用电磁感应原理和电路基本知识，设计实验，探究自感现象特点。（2）运用物理知识，解释生产和生活中的某些自感现象。3．情感态度和价值观培养、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】运用自感知识设计实验、分析现象、解决问题。【教学方法】讨论法、探究法、试验法【教学用具】可拆变压器(用400匝线圈、普通导线一段)、线圈两组、电源、3.8V0.3A灯泡两只、滑动变阻器、电源(3V)、导线若干、开关、多媒体课件【教学过程】一、实验演示、知识回顾、引入互感1．实验探究(1)实验仪器介绍：线圈L1套入普通的铁芯，线圈和铁芯之间是绝缘的，并与交流电源相联。线圈L2是一段普通的导线，在手上绕几圈然后套到铁芯上，导线外层有塑料层，它和铁芯之间也是绝缘的，L2和一个小灯泡串联起来构成一个闭合回路。(2)思考讨论把两个没有导线相连的线圈套在同一个闭合铁芯上，线圈L1连到交流电源的两端，线圈L2连到小灯泡上。小灯泡可能发光吗？为什么？请说出你的道理。(3)先让学生进行实验的预测，说出可能的结果。然后，教师进行实验演示。(4)请学生根据实验现象试着回答，教师根据学生的回答情况，共同进行实验分析。2．知识回顾设问：引起电磁感应现象的条件是什么？感应电动势的大小跟哪些因素有关？可拆铁芯手绕的几匝线圈L2学生电源线圈L12现象回顾：前面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时、闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时等，都会引起感应电动势，发生电磁感应现象。规律提示：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。感应电动势的大小跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。3．实验分析设问(1)：L1接的是交流电，电流大小在时刻变化。假定某段时间里电流是沿这个方向流进线圈的，而且在增大。那么大家来分析下看，穿过L1的磁场是哪个方向？过渡：铁芯有聚磁的作用，所以铁芯中的磁感线是沿顺时针方向，通过L2中的磁场方向向下。设问(2)：当电流增大时，穿过L2的磁通量怎样变化？过渡：根据楞次定律，感应电流产生的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，即线圈L2产生的感生磁场要阻碍线圈L2的磁通量的增大。所以，线圈L2的感生磁场方向是向上的。设问(3)：如何进一步判断感应电流的方向？线圈L2中哪一端电势较高？在以上几个问题的讨论中，师生边结合课件，边仔细体会其中的物理过程思路。4．理解互感(1)概念引入：像这种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，我们把这种现象取个名字叫互感。产生的感应电动势叫做互感电动势。当年法拉弟的研究实验，也如我们今日所研究的两个线圈。(2)互感现象介绍：利用互感现象可以把能量由一个线圈传递到另一个线圈。在电工技术和电子技术中有着广泛的应用。变压器、收音机里的磁性天线就是利用互感现象制成的，如图所示。互感现象是一种常见的电磁感应现象，在电力工程中和电子电路中，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。变压器收音机里的磁性天线电路板刻制时设法减小电路间的互感3SELA1R′A2RELSA1ELSSELA1R′A2(1)(2)(3)(4)二、实验探究、知识应用、分析自感1．思考讨论刚才我们分析的是当一个线圈中磁通量发生变化时，在另一个线圈中会产生感应电动势(自感电动势)。如果现在拿去另外一个线圈，只考虑一个线圈，当通过的线圈本身的电流发生变化时，是否也同样会产生感应电动势呢？这一问题先让学生进行猜想，接着进一步追问猜想的依据。要点提示：若流过线圈本身的电流是变化的，那么线圈本身的磁场在变化，线圈本身的磁通量也会发生变化。根据法拉第电磁感应定律在线圈本身可能也会产生感应电动势。如果线圈本身电流变化真的在自身产生了感应电动势，我们就把这一现象称之为自感现象，产生的感应电动势叫自感电动势。2．过渡设问：如何检测自感电动势的存在？请同学设计一下实验电路，来检测这个自感电动势的存在，并能较明显观察到它对电流变化的影响？提供的实验器材：线圈、滑动变阻器、3.8V0.3A灯泡一只或两只、电源(3V)、导线若干、开关，让学生进行实验的设计，教师巡视。3．实验设计：根据学生设计的情境方案，进行电路设计的启发，逐渐归纳出以下三个步骤。(1)由线圈与电源直接相连，如图(1)，分析实验研究的可能性，然后过渡如图(2)的设计；(2)分析如图(2)观察效果，提示：最好能有实验现象的对比效果，增加可观察性，然后过渡到如图(3)的电路设计；(3)分析如图(3)电路的缺陷，提示：为了进一步增加有较明显的观察效果，当开关闭合时，A2灯泡的亮暗最好能与A1的亮度相一致。最后，设计出如图(4)电路图。4．实验演示：(1)师生共同完成实验操作：实验准备：①先开关闭合s，调节R，使两灯泡亮度接近；②改变R′，让两灯泡亮度合适；③断开电键S。实验演示：闭合开关s，学生仔细观察，比较跟线圈串联的灯泡A1与跟电阻相联的灯泡A2亮起来的区别。观察结果：灯泡A2立即正常发光，而灯泡A1是逐渐亮起来的。设问：为什么会出现这种现象呢？实验分析借助多媒体课件(分析过程用动画模拟刚才的实验)。先请学生思考，然后对学生回答的进行追问。4提示1：闭合开关时，流过A1、A2的电流都在增大，而灯泡A1晚亮起来，说明流过灯泡A1的电流增大得慢了。提示2：为什么流过灯泡A1的电流增大会变慢呢，要考虑与灯泡A1串联的线圈L的影响。说明在闭合开关时，线圈L阻碍了该支路的电流的增大。提示3：开关闭合时，流过线圈L的电流从无到某一值，电流在增大，在线圈中确实激发出感应电动势(自感电动势)，并且阻碍了电流的增大。组织学生分组讨论：如何应用电磁感应规律分析阻碍电流增大的原因？5．实验分析(1)分析逻辑应把握以下几个环节，开关闭合时：流过线圈L的电流向右，且在增大→产生的磁感应强度B方向向右，且在增大→穿过线圈L的磁通量增大→感应电流的磁场向左→自感电动势方向向左→阻碍流过线圈的电流增大(2)质疑设问：那么流过线圈的电流究竟是怎样变化的呢？①先让学生动手定性画出这两个灯泡A1、A2的电流变化，教师巡视后，展示作图结果。设问：如何验证所作电流变化图的正确性？引出：借助电流传感器把电流变化的图像在计算机中显示出来。②教师介绍电流传感器的作用，传感器与计算机相结合能够即时反映电流随时间变化的图象。实验探究，显示图象。实验结果对比分析：如图所示，流过线圈L的电流是从零开始逐渐增大，到最后是稳定的电流图线，且图线的斜率逐渐减小。而流过电阻R的电流是瞬时增大的，直到某一电流稳定值。小结过渡：开关闭合，电流增大，产生了自感电动势；那么，从开关闭合到断开，流过线圈的电流减小了，照理也会产生自感电动势。而且这个自感电动势也会对断开开关后的这一回路产生影响，可是刚才的实验现象是两小灯泡同时熄灭，却并没有发现差别，这是怎么回事呢？设问：是电磁感应规律出了问题呢？还是在实验方法上还存在着缺陷？6．研究断电自感现象(1)思考讨论设计怎样的实验，可以检测断电时自感电动势的存在，观察它对电流减小的影响？SELA1R′A2RB0II感B感5SELA1R′A2R(1)AELS(3)(2)SELR′A2R教师结合刚才的实验电路，进行分析提示。组织学生分组讨论，重新设计实验电路。然后根据学生设计的情境方案，进行电路设计的启发，逐渐归纳出以下二个步骤。①从刚刚分析过的实验电路入手分析，假如在断电时真有自感电动势的存在，在图(1)中也无法观察到自感现象，原因在于断电后A1与A2形成串联回路，电流是同时变化的。②经启发讨论后，过渡到电路图(2)。在图(2)的基础上，还可以进一步简化电路过渡到图(3)电路。(2)实验演示结合实验电路分析对应的实物装置。实验：先闭合电键，接着断开电键。学生观察实验现象：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。(3)实验分析设问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，灯泡两端的电压比原来大。设问2：在开关断开这一瞬间，增大的电压从哪里来的。学生疑惑，再用实验启发。演示实验：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，增大的电压是线圈产生的。设问3：线圈本身并不是电源，它又是如何提供高电压的呢？组织学生讨论，引导学生运用已学过的电磁感应的知识来分析实验现象。分析把握的要点：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零，穿过线圈的磁通量也迅速减小到零，使线圈产生自感电动势，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，就产生了较大的自感电动势，这个电动势产生的电流使得小灯泡中出现了闪亮的过程，延迟了小灯泡的熄灭。教师进一步提示得出：通过灯泡中的电流从原来的水平向右，到后来水平向左变化的电流变化图线。同学们能不能画一下流过小灯泡的电流变化呢？组织学生讨论并作图。展示学生作图，简单分析。演示实验：利用传感器把电路断开前后小灯泡的电流变化显示出来，如图所示。It6断电自感，线圈中的自感电动势在电流减小时，会阻碍电流的减小，使得减小过程得到延迟。7．分析实验，深化理解实验1称为通电自感现象，实验2称为断电自感现象。那么，在实验1中电路断开的瞬间，线圈是否发生自感？在实验2中，把开关闭合时，线圈是否发生自感现象呢？分析中把握：自感现象无论在电路通电或断电时，只要电流有变化，就会有自感，只不过是限于实验电路难以直接观察到罢了。8．综合因素，讲解规律教师说明：在自感现象中，自感电动势的产生是由于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的。特点：自感电动势总是阻碍导体中原来电流的变化的。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↑，则E自(I自)与I原相反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↓，则E自(I自)与I原相同三、研究自感电动势、自感系数1．设问：自感电动势的大小跟什么因素有关？提示：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它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。2．分析表明：tEtIE写成等式：tILEL称为线圈的自感系数，简称自感或电感。自感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)1H=103mH=106μH四、研究磁场能量1．设问：在断电自感实验中，开关断开后，灯泡的发光还能维持一小段时间，有时甚至比开关断开之前更亮。这时灯泡的能量是从哪里来的？分析：①当电源断开后，线圈中的电流并未立即消失，这时电流仍然可以做功，说明线圈储存了能量。线圈中有电流，就有磁场，能量很可能储存在磁场中。②当开关闭合时，线圈中的电流从无到有，其中的磁场也是从无到有，这可以看做电源把能量输送给磁场，储存在磁场中。2．延伸拓展：关于磁场能量的讨论还只是一个合理的假设。有关电磁场能量的直接实验验证，要在认识了电磁波之后才有可能。五、课堂小结7本节课我们一起探究了电磁感应现象中的两类问题：互感现象和自