高中物理 6互感和自感教案 新人教版选修3

1 6 6 互感和自感互感和自感 教学设计教学设计 一一 整整体体设设计计 教学分析 互感与自感现象都是电磁感应现象在技术中的应用 本节对互感现象要求不高 只要 求知道互感现象的产生 以及互感现象在电工技术和电子技术中的广泛应用 互感现象是 变压器的工作基础 有些内容可以在变压器一节中提及 本节的重点和难点应放在自感的 学习上 通过对自感现象的分析 引导学生理解自感的原理和规律 教学内容涉及自感对 电路电流的影响 自感系数 自感电动势等 教学目标 1 知道什么是互感现象以及互感现象在实际生活中的应用 2 知道什么是自感现象以及自感电动势 3 知道自感系数是表示线圈本身特征的物理量 以及自感系数的单位 4 通过演示通断电自感实验 结合实际生活体验 特别是通过传感器对通电自感和断 电自感的准确演示 体会并分析自感现象的本质及自感电动势对电路的影响 5 在实验探究的过程中 对磁场中能量的传递和转化作出合理猜测 加深对能量守恒 定律的理解 教学重点难点 本节重点是引导学生正确理解自感现象的产生原因和结果 探究自感现象的规律 本 节课的难点是分析自感电动势对原电流变化产生的阻碍作用 在教学过程中 可以采用演 示实验 学生分组讨论等方式分析实验现象 进一步采用电流传感器精确地显示电流随时 间的变化情况 帮助学生验证结论 同时更直观地体验自感的实质 教学方法与手段 以演示实验为先导 引导学生在实验现象的基础上 运用电磁感应的相关知识分析互 感和自感的实质 以分组讨论的方法 调动学生积极思考 以电脑和传感器为手段 得到 准确的 It 图象 得到更有说服力的结论 课前准备 教学媒体 两个多匝线圈 匝数可调 开关 导线若干 干电池两节 自感现象演示仪 通电 断 电自感 电流传感器 多媒体设备 PPT 课件 视频片段 知识准备 温故知新 1 感应电流产生的条件 闭合电路中 2 楞次定律 感应电流具有这样的方向 即感应电流的磁场总要阻碍 3 法拉第电磁感应定律 电路中的感应电动势的大小 跟穿过这一电路的 成 正比 表达式为 4 能量守恒定律 能量既不会 也不会 它只会从一种形式 为其他形式 或者从一个物体 到另一个物体 而在 和 2 的过程中 能量的总和 预习自学 1 互感 两个线圈之间并没有导线相连 当一个线圈中的 发生变化时 它所 产生的 会在另一个线圈中产生 这种现象叫做互感 2 互感电动势 在 过程中产生的感应电动势 3 自感 当一个线圈中 发生变化时 它产生的 不仅在邻近的电路中 激发出感应电动势 同样也在 激发出感应电动势 这种现象称为自感 4 自感电动势 由于 而产生的感应电动势叫做自感电动势 表达式 5 自感系数 L 与线圈的 有关 单位是 符号 常用单位有 教学过程 导入新课 事件 1 教学任务 学习互感的概念 为后面变压器的学习奠定基础 师生活动 实验导入 演示两个相互靠近的线圈之间的电磁感应现象 重走法拉第的发现之路 引入新课 经历前辈科学家发现电磁感应现象的过程 运用已经学过的知识来解释看 到的现象 演示 两个线圈共用同一个铁芯 选用可拆分变压器做演示实验 一个线圈与直流 电源 开关串联 另一个线圈与电流表串联 如图 当闭合或断开开关时 电流表中都有 电流通过 请学生运用学过的知识解释这种现象产生的原因 现象 当开关闭合或断开的瞬间 电流表有示数 结论 两个线圈之间并没有导线相连 当一个线圈中的电流发生变化时 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 在互感过程中产生的感应电动势叫互感电动势 互感现象可以使能量从一个线圈传递到另一个线圈 尽管两个线圈之间没有导线相连 交流与讨论 互感现象在电工技术和电子技术中有着广泛的应用 但也有危害 请学 生课后搜集相关的资料 为后面变压器的学习作好铺垫 推进新课 事件 2 教学任务 自感现象的引入 师生活动 演示 将线圈 两节干电池和开关用导线串联 如下图 请同学用双手接触线圈两 端裸露的接线柱 提问学生当电路稳定时有什么现象 感觉 断开开关的瞬间又有什么现 象 感觉 3 现象 当电路稳定时 人接触线圈两端没有什么感觉 而当开关断开的瞬间 人会有 触电的感觉 演示 找三位同学手拉手参与上述实验 观察当电路稳定时 有什么现象 感觉 而当开关断开瞬间 又有什么现象 感觉 发生 现象 当电路稳定时 参与实验的同学接触线圈两端没有什么感觉 而当开关断开的 瞬间 三位同学会同时跳起来 同时有触电的感觉 观察并讨论 你能否画出人接入电路后的电路图 请猜测上述现象是由什么原因引起 的 人体接入电路的电路如下图 事件 3 教学任务 学习自感的概念和种类 师生活动 问题引导 当线圈自身电流发生变化的时候 能否使其自身产生电磁感应现象呢 结论 由于导体本身的电流变化 而在导体自身产生的电磁感应现象 叫做自感 自感现象中产生的感应电动势 叫做自感电动势 由电磁感应现象产生的条件可以断定 在通电和断电瞬间 线圈中都会发生自感现象 而刚才在引入实验中人体触电的感觉 应该也是一种自感现象的表现 交流与讨论 自感中的这个 自 是什么意思 自身 过渡 当电路中电流增大 自感电动势的作用是什么 当电路中电流减小 自感电动 势的作用又是什么 下面我们来研究这些问题 事件 4 教学任务 实验探究断电自感的现象和规律 师生活动 演示 电源 开关 小灯泡和线圈用导线连成如图所示电路 即用灯泡代替刚才人 的位置 提示学生由刚才的感受猜测开关断开瞬间灯泡会发生什么现象 然后再进行实验 观察现象 观察与描述 学生观察实验 描述实验现象 由其他学生补充和修正 参考描述 开关断开瞬间 灯泡不是立即熄灭 而是闪亮一下才灭 讨论与交流 如何解释上述实验现象 4 学生分组讨论上述问题 总结结论并分组汇报 提示问题 开关断开 电源不给灯泡供电 但灯泡没有立即熄灭 这时谁在给灯泡供电 由于自感 断电后线圈中的电流怎样 断电后通过灯泡的电流方向是否与原来一致 说明你的理由 线圈能阻碍电流立即消失 能否阻止电流最终消失 断电后至灯泡熄灭 电源不再给灯泡供电 灯泡中的能量从何而来 断电时 由于线圈的自感电动势阻碍原电流变化 所以线圈中的电流并没有立即变为 零 而是要继续流过与线圈组成的这个闭合回路 因此 电灯没有立即熄灭 断电后通过 灯泡的电流方向与原来通过灯泡的电流方向相反 此时线圈相当于电源 将以磁场形式储 存的能量转化为电能后提供给小灯泡 思维拓展 为什么会闪亮 什么情况下灯泡会闪亮 若原来流过线圈的电流比流过灯泡的电流大 也就是稳定时线圈电阻 线圈的直流电阻 比 灯泡小 自感现象发生时 原来线圈中的电流流入灯泡 此时流过灯泡的电流比原来大 所以灯泡比原来亮 出现的现象就是闪亮 事件 5 教学任务 用电流传感器探究断电自感 师生活动 演示 用电流传感器代替小灯泡的位置 通过电脑作图 观察电流变化情况 现象 断开开关瞬间 通过传感器的电流反向且突然变大 可以解释灯泡为什么会继续发光 为什么会闪亮 也可以使学生联想到前面实验中开关断开瞬间 人为什么会有触电的感觉 事件 6 教学任务 实验探究自感系数与哪些物理量有关 师生活动 交流与讨论 自感电动势的大小与哪些因素有关 5 由法拉第电磁感应定律 E t B B I I E 自感电动势正比于电流的变化率 I t 写成等式 E L 其中 L 自感系数 单位 亨利 I t 演示 以控制变量的方式 保持其他量不变 分别将触电实验的线圈匝数减少 抽 出铁芯 用滑动变阻器将电流缓慢变为零 用传感器观察感应电动势的变化情况 结论 L 自感系数 也称自感或电感 取决于线圈的大小 形状 匝数 有无铁芯 单位 H mH H 匝数越少 E 越小 即 L 越小 没铁芯的时候比有铁芯的时候 L 小很多 断开开关 有强烈的触电感觉 正是因为电流变化快 自感系数大 从而自感电动势 较大造成的 电动机 变压器都有较大线圈 断电时会产生很大的自感电动势 有让人触 电的危险 刚才实验用的线圈都会产生电火花 所以在生产和生活中 我们常常把开关浸 在绝缘油中 做成油浸开关 从而避免断电时巨大的自感电动势引发事故 交流与讨论 请同学们课后查阅资料 看一看在生产和生活中还有哪些地方可以应用自感现象 在 哪些方面必须防止自感现象发生 事件 7 教学任务 实验探究通电自感的现象和规律 师生活动 演示 连接电路如图 调节滑动变阻器电阻与线圈的直流电阻相等 保证开关闭合 后两个灯泡亮度相同 先引导学生分析推测将会看到什么现象 然后进行实验 观察与描述 A1立即亮 A2慢慢变亮 交流与讨论 学生分析产生这种现象的原因是什么 该过程能量是如何转化的 结论 通电时 电路中的电流要从无到有 线圈的自感电动势阻碍原电流增加 所以有线圈 的这一支路的灯泡亮得稍慢一些 当电流稳定后 线圈相当于直流电阻 两灯泡的亮度就 相同了 电能转化为磁场能 事件 8 教学任务 用电流传感器探究通电自感 师生活动 演示 用电流传感器代替线圈 通过电脑作图精确分析通电自感过程中的电流变化 验证上述分析是否正确 6 现象 开关接通瞬间 通过 A2的电流明显比通过 A1的电流在时间上滞后 但最终两支路的电 流强度相等并不再变化 事件 9 教学任务 采用慢放的手段帮助学生将瞬间现象观察得更清楚 师生活动 演示 将 事件 4 和 事件 7 中的实验现象拍成视频资料 通过慢放片段 将 事件 4 和 事件 7 的实验现象重复播放在大屏幕上 慢放后的视频资料学生更容易观察到实验 现象 课堂训练 1 下列关于自感现象的说法 正确的是 A 自感现象是由电流的变化产生的 与磁通量变化无关 B 感应电流一定和原电流方向相反 C 产生自感电动势较大的线圈其自感系数一定较大 D 对于同一线圈 当电流变化较快时 线圈中的自感电动势较大 结论 自感现象是 的一种特殊情况 其产生条件仍然是线圈中的 发 生变化 感应电流方向遵循 定律 自感电动势大小与 和 有关 2 如下图所示 L 是自感系数很大的线圈 但其自身的电阻几乎为零 A B 是两个相 同的小灯泡 1 当开关 S 由断开变为闭合时 A B 两个灯泡亮度如何变化 2 当开关 S 由闭合变为断开时 A B 两个灯泡亮度又将如何变化 3 如图是测定自感系数很大的线圈 L 的直流电阻的电路 L 两端并联一只电压表 用 来测量自感线圈的直流电压 在测量完毕后 为了器材的安全 将电路拆解时应怎样做 答案 答案 1 D 电磁感应 磁通量 楞次 自感系数 电流变化的快慢 7 2 通电瞬间 由于 L 自感作用 相当于暂未闭合的开关 通过线圈的电流为零 通 过 B 的电流必通过 A 因此 A B 同时亮且亮度相同 稳定后由于 L 电阻为零 相当于 一根导线 因此将 B 短路 B 不亮 A 更亮 断电瞬间 A 立即熄灭 B 与 L 构成闭合回路 由于 L 的自感作用 相当于电源给 B 供电 所以 原先熄灭的 B 会亮起来 随着线圈中储存的磁场能消耗殆尽 B 逐渐熄灭 3 先断开 S2 再断开 S1 再拆解各部件 课堂巩固与反馈 事件 10 教学任务 形成性测试 学生独立完成 时间 3 分钟 1 下列关于自感现象的说法 正确的是 A 自感现象是由导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象 B 线圈中自感电动势的方向总与引起自感的原电流的方向相反 C 线圈中自感电动势的大小与穿过线圈的磁通量变化的快慢有关 D 加铁芯后线圈的自感系数比没有铁芯时要大 2 关于线圈的自感系数 下面说法正确的是 A 线圈的自感系数越大 自感电动势一定越大 B 线圈中电流等于零时 自感系数也等于零 C 线圈中电流变化越快 自感系数越大 D 线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁芯决定 3 磁通量的单位是 磁感强度的单位是 自感系数的单位是 4 如图所示 L 为一个自感系数较大的自感线圈 开关闭合后 小灯泡能正常发光 那么闭合开关和断开开关的瞬间 能观察到的现象分别是 A 小灯逐渐变亮 小灯立即熄灭 B 小灯立即变亮 小灯立即熄灭 C 小灯逐渐变亮 小灯比原来更亮一下再慢慢熄灭 D 小灯立即亮 小灯比原来更亮一下再慢慢熄灭 答案 答案 1 ACD 2 D 3 韦伯 特斯拉 亨利 4 A 课堂小结 事件 11 教学任务 引导学生小结本节课的学习活动及结论 见课件 小结 自感是一种特殊的电磁感应现象 自感电动势总是阻碍 通电时 自 感电动势 原电流增大 断电时 自感电动势又要 原电流减小 这个结论被认 8 为是楞次定律的另一种表述 正是通过自感电动势的阻碍作用 实现了 能和 能 之间的相互转化 而自感系数越大 自感电动势就 线圈的这种阻碍作用就越明显 借助力学术语 我们说线圈能够体现电的 惯性 答案 答案 原电流变化 阻碍 阻碍 电 磁场 越大 布置作业 1 复习本节内容 2 完成课本课后问题与练习 思考与练习 1 如图所示是一演示实验的电路图 图中 L 是一带铁芯的线圈 A 是一灯泡 起初 开关处于闭合状态 电路是接通的 现将开关断开 则在开关断开的瞬间 通过灯泡 A 的 电流方向是从 端经灯泡到 端 这个实验是用来演示 现象的 2 如图所示的电路中 灯泡 A1 A2的规格完全相同 线圈 L 的电阻可以忽略 下列说法中正确的是 A 当接通电路时 A2先亮 A1后亮 最后 A2比 A1亮 B 当接通电路时 A1和 A2始终一样亮 C 当断开电路时 A1和 A2都过一会儿熄灭 D 当断开电路时 A2立即熄灭 A1过一会儿熄灭 3 如图所示电路中 A1 A2是两只相同的电流表 线圈 L 的直流电阻与电阻 R 阻值相 等 下面判断正确的是 A 开关 S 接通的瞬间 电流表 A1的读数大于 A2的读数 B 开关 S 接通的瞬间 电流表 A1的读数小于 A2的读数 C 开关 S 接通电路稳定后再断开的瞬间 电流表 A1的读数大于 A2的读数 D 开关 S 接通电路稳定后再断开的瞬间 电流表 A1的读数等于 A2的读数 以下题目仅供物理爱好者选做 4 如图 在断电自感实验中 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