高二物理(人教版和教科版)-涡流 自感教案

1、教 案教学基本信息课题涡流 自感学科物理学段： 高中年级高二教材书名： 出版社： 出版日期： 年 月教学设计参与人员姓名单位联系方式设计者夏维宏北京汇文中学实施者夏维宏北京汇文中学指导者张国北京汇文中学指导者张思宇东城教师研修中心课件制作者夏维宏北京汇文中学其他参与者张豫红北京汇文中学其他参与者王斯宇北京汇文中学其他参与者丁新美北京汇文中学教学目标及教学重点、难点教学目标：1.了解电磁炉的结构和原理，学会通过装置的结构认识其工作原理的方法。2.通过实验，了解涡流和自感现象，养成分析现象所蕴含原理的意识。3.能举例说明涡流和自感现象在生产生活中的应用，进而形成关注生活环境的习惯。重点：通过实验观

2、察和理论分析，理解与涡流和自感现象相关的物理原理。难点：结合实验事实和理论分析，知道变化的磁场在周围空间产生涡旋电场。教学过程(表格描述)教学环节主要教学活动设置意图明确学习任务教师介绍学习内容及特点：1.两种电磁感应现象，涡流和自感。2.学习内容，与生产生活联系密切，还有不少有趣的实验。3.先简单了解大家熟悉的电磁炉。明确学习内容属于电磁感应现象调动学习兴趣进一步拉近学生与学习内容的距离初步认识涡旋电场教师设计系列问题，用问题引导学生的思考：涡旋电场的存在及其方向问题1：电荷定向移动形成电流。那么，这里推动电荷定向移动的力是什么力呢？问题2：向下的磁场增强时，判断回路中感应电流的方向问题3：

3、容易看出来，推动电荷定向移动的力不是磁场力。那还能是什么力呢？问题4：结合图片介绍英国科学家麦克斯韦的理论研究和发现，变化的磁场在其周围空间激发一种旋涡状的特殊电场。可以看出，这种电场的方向与磁场方向垂直，与感应电流的方向一致。涡旋电场的方向为什么要与感应电流的方向一致呢？问题5：（自问自答）根据感应电流的方向逆推正、负两种电荷定向运动方向和收到电场力方向，如图所示。问题6：归纳概括涡旋电场的方向。介绍应用：科学家根据变化磁场激发的涡旋电场可以加速电子的原理，设计制造了电子感应加速器。分解任务，降低难度，让抽象的涡旋电场更具体启发深入思考用熟悉的任务（判断感应电流方向）铺垫相信学生的基础，留有

4、余地通过认识涡旋电场的方向来熟悉这种特殊的电场“可以看出”提醒学生观察图片用追问引导思考限于网课形式，不得已自问自答。正常上课时，这是一个很好的让学生通过充分的讨论去发现的机会对涡旋电场的认识应循序渐进，比如涡旋电场与静电场的对比应该在这节课后适当的时机完成概括前面的分析联系实际，理解抽象模型真实可信、有用涡流及其应用介绍涡流：变化磁场中的金属块，可以看成是一系列半径不同的圆环嵌套、拼接而成的，每个圆环自成一个闭合回路，当这些金属块处在变化的磁场中或相对磁场运动时，在它们的内部会产生旋涡状的感应电流，即涡电流，简称涡流。解释家用电磁炉结构和原理：家用电磁炉主要由两部分构成。一是结构性外壳。二是

5、电路系统，它将50Hz的低频交流电转换成20000Hz的高频交流电；通电线圈的磁场，将铁锅磁化的同时，变化磁场激发的涡旋电场，主要在铁锅的锅底形成涡流，涡流直接加热铁锅，再通过铁锅传热给食物，这就是电磁炉的加热原理。进一步了解涡流在工业生产中的应用：高频电磁感应炉也用到涡流，而且直接加热金属材料，加热效率高、速度快，节能环保。问题讨论：在不改变金属块的前提下，你有哪些方法增大金属块里的涡流呢？ 说明：特意回避了涡流的防止，原因是给学生自主思考和学习的机会和空间。通过老师的介绍，学生领悟灵活选取研究对象的方法，同时了解涡旋电场的广泛应用通过老师的介绍，学生领悟先了解结构后探索原理的方法通过老师的

6、多次示范，学生尝试主动解决问题学生对比家用电磁炉和高频电磁感应炉加热方式的异同逐步过渡到学生自主解决问题也为变压器的教学带来一些不一样的思考电磁阻尼和电磁驱动（阻碍相对运动）介绍金属块相对磁场运动时产生的涡流。问题1：如图所示，铝板进、出磁场时，铝板内感应电流的方向？受磁场力的方向？概括1：涡流受磁场力的作用效果实验视频1：将铝板挂在固定的转动轴上，释放后，铝板来回摆动。闭合开关，通电线圈产生磁场，正如刚才分析的情况，铝板里产生的涡流在磁场力的作用下，阻尼效果明显，铝板很快停止摆动。应用1：磁电式电表通电后，指针能够迅速地稳定在相应的新位置上，就是利用了这种阻尼作用。问题2：涡流受到的磁场力能

7、让运动的物体停下来，能不能让静止的物体运动起来呢？实验视频2：我们一起来看实验视频：轻弹簧下端，靠磁力吸住了一组强磁铁。手拿铝环上下往复运动，原来静止的磁铁跟随铝环运动起来；铝环静止后，磁铁也很快停了下来。概括2：铝环内涡流与磁铁见的相互作用力阻碍二者的相对运动！实验视频3：磁铁转动，铝框里的感应电流受到磁场力，让铝框跟着转动起来，改变转动方向，铝框的转动先减慢，接着反向加速，紧追磁铁的转动，也是阻碍相对运动的体现。应用2：大家可以课后进一步了解电磁驱动在电动机中的应用，其中三相交流电产生的变化磁场起了旋转磁场的作用。还是涡流的应用，分立出来作为一个环节，从内容上考虑这里的涡流源自相对运动，从

8、教学活动上考虑，学生差不多能够自主解决实验证实理论分析的结果，同时留存直观记忆有兴趣的同学可以自主学习借问题引导学生活动强调阻碍相对运动的含义，同时留存阻碍相对运动的直观记忆！不断提炼，不断升华留存更丰富直观记忆的同时，也期待自主生成一些问题更深入的学习，靠积极思考，靠自主学习自感原理分类：前面我们研究的电磁感应现象，有一个共同点，提供磁场的通电线圈和产生感应电流的线圈是两个不同的线圈，它们借助涡旋电场的感应是相互的！应用：通过互感可以使能量在线圈间传递，手机的无线充电就是这个原理。问题：变化的磁场在周围空间产生涡旋电场对场源线圈自身是不是也应该有影响呢？这就是下面我们要研究的自感现象。分析自

9、感原理：如图，闭合开关，线圈里的电流从无到有，发生变化，磁场也同步变化，在涡旋电场的作用下，线圈里会产生感应电动势。感应电动势的方向可以用楞次定律判断，与线圈中电流反向，阻碍电流的增加。感应电动势的大小，根据法拉第电磁感应定律计算，线圈里的感应电动势与磁通变化率成正比；磁通量等于磁感强度与垂直面积的乘积，其中面积没有改变，感应电动势与磁感强度的变化率成正比；磁感强度与线圈中的电流成正比，感应电动势与电流的变化率成正比。明确自感特点：可以看出，这里提供磁场的线圈和产生感应电动势的线圈是同一线圈，所以这个现象叫自感现象，产生的电动势叫自感电动势，与电流的变化快慢成正比，比例系数叫做自感系数。讨论：

10、增大自感系数的方法有？增加线圈的匝数或截面积；增加k值的方法之一，是插入铁芯，会大幅度增加k值。自感系数的单位是亨利，简称亨。还有毫亨和微亨。同理，断开开关时，线圈里的电流变化，也有自感电动势，方向与线圈中原来电流方向相同，大小与闭合开关时计算方法一样。找异同，明特征，是分类的基础应用是最好的实证突出涡旋电场的机理本质，同时自然过渡。先从一般电磁感应的角度去熟悉，还是用楞次定律确定方向，还是用法拉第电磁感应定律确定大小再强调自感的特征，是从一般到特殊的思路。讨论增大自感系数的方法，特别有助于学生理解自感系数增大k值得另外一个方法是增加单位长度内的线圈匝数，可以根据学生情况选择介绍自感现象通电自

11、感：实验准备：为便于对比观察，设计如图所示的电路，灯泡A1与带铁芯的线圈串联，灯泡A2与可变电阻串联，实验前先闭合开关，调节滑动变阻器，使得电路稳定时，两盏灯的亮度几乎一样。然后断开开关，完成准备工作。理论分析：实验时再闭合开关。容易理解，与可变电阻串联的灯泡A2会立即亮起来；但是线圈中电流从无到有瞬间增大，电流产生的磁场也相应增大，根据前面的分析，线圈中的感应电动势与线圈中的电流方向相反，阻碍线圈中的电流增大，与线圈串联的灯泡A1亮起来会明显晚一点。电流的增大会变慢，最终稳定下来，不再增大。图像描述：可以定性画出两盏灯的电流变化情况。实验观察：注意闭合开关时两盏灯的亮度变化。可以看到，与可变

12、电阻串联的灯的确立即亮起来，与线圈串联的灯亮起来的确明显要晚一点。放大画面，再观察一遍你看清楚了吗？关掉照明灯大家是不是看到了，与线圈串联的灯亮起来总是要晚一点。断电自感：理论分析：如图，特意选用自感系数大一些，直流电阻小一些的线圈，闭合开关，待电路稳定后，通过线圈的电流会明显大一些。再断开开关， 线圈只能与灯泡构成回路，灯泡原来的电流立即消失的同时，就换成了线圈的大电流。断电时的自感电动势阻碍电流的减小，随着线圈中的磁场能释放完毕，这份电流也会同时消失。灯泡的亮度变化情况就应该是：突然闪亮之后很快熄灭。图像描述：选取向右的方向为正，可以定性地画出线圈和灯泡中电流的变化情况。实验观察：实际情况

13、会怎样呢？实验电路如图，先闭合开关，与灯泡并联的发光二极管，由于正负极反接，没有发光。稳定后再断开开关，注意灯的亮度变化情况。哇！断开开关时，灯泡明显闪亮了一下！放大画面，再观察一遍你看清楚了吗？关掉照明灯你看清楚了吗？与灯泡并联的发光二极管一起闪亮！现在是不是可以理解，选用直流电阻很小的线圈的目的？对啦，就是为了断开开关后，流过灯泡的电流换成了线圈的大电流，这就是能看到灯泡闪亮的关键！显然，能量来自于线圈储存的磁场能。反接的发光二极管呢？通电时不亮，断电时与灯泡一起闪亮，说明明确自感现象与能明显观察到的自感现象的区别特意用发光二极管替换小灯泡，目的是尽量避免普通灯泡灯丝受温度对实验效果的影响

14、分析观察通电自感的电路，激活对自感的认识既抽象又直观的呈现方式，呈现完整过程分别设计三个层次的观察：常规观察、放大观察和暗室观察，变换方式重复，是不是很有效！分析观察通电自感的电路，继续深化对自感的认识实验电路特意选择自感系数大、直流电阻小的线圈想一想反接发光二极管的目的？既抽象又直观的呈现方式，呈现完整过程仍然设计三个层次的观察：常规观察、放大观察和暗室观察，变换方式重复，是不是很值得！揭开谜底！正常教学时和学生一起揭开谜底，应该很有意思有关自感的拓展分析拓展分析1：如图所示，描述灯泡的亮度变化情况。（1）开关闭合的一小段时间：（2）开关闭合一段时间后：（3）开关断开瞬间：追问：分析断电自感

15、之前，先要闭合开关，这里也有通电自感，有多少人注意到了？追问：实验过程中闭合开关时，并没有观察到A灯的亮度变化，注意到理论分析的电路与实验电路的区别了吗？拓展分析2：如图所示，两盏灯A、B的规格参数完全一样，带有铁芯的线圈自感系数很大，直流电阻很小（可以忽略不计），试比较实验过程中两盏灯的亮度。（1）开关闭合的一小段时间：（2）开关闭合一段时间后：（3）开关断开瞬间：理解原理，解决问题，形成能力通过问题，潜移默化，渗透对主动思考的关注，渗透对认真观察的关注进一步巩固对自感现象的理解有关自感的实际应用利用自感工作：（1）日光灯：结构与工作原理结构：灯管、启动器、镇流器工作过程：闭合开关、启动器辉

16、光放电发热、动触片接通静触片、灯丝发射电子、动触片冷却离开静触片、镇流器断电自感产生高压、加速电子、与管内稀薄气体作用最终产生紫外线、荧光效应灯亮了、镇流器自感分压、启动器不再放电、灯保持正常发光。（2）延时继电器：衔铁D在弹簧弹力、电磁铁吸引力和自重的共同作用下上抬或下压，通过触头C控制下一级工作电路的通断。闭合开关时，A线圈提供迅速增强的磁场激发涡旋电场，通过A的自感和B的互感一起阻碍磁场增强，从而延缓触头C接通工作电路；稳定后，很明显，B线圈里没有电流；断开开关时，A线圈里的电流消失，变化磁场在B线圈产生感应电流，之后通过B的自感延缓工作电路的断开。选择合适的线圈，就可以实现自动控制需要的延时作用。防止自感危害：大型电动机定子绕组，是自感系数比较大的线圈。断电时，自感电动势在开关处的电弧危害开关、甚至人员的安全，你能看出与线圈并联的二极管的作用了吗？正常工作时，二极管反接，不影响电路；断电时，二极管正向接通，保护电路。重点体会先弄清楚结构后理解原理的研究方法了解镇流器通过自感起到的作用延时继电器虽已更新换代