2.4.2 互感和自感 教学设计-人教版（2019）选择性必修第二册（表格式）

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课程基本信息
课例编号 2020QJ11WLRJ055 学科 物理 年级 高二 学期 上学期
课题 互感和自感(第二课时)
教科书 书名：物理选择性必修(第二册) 出版社：人民教育出版社 出版日期：2020年5月
教学人员
姓名 单位
教学目标
教学目标： 1.通过“用电流传感器显示自感对电流的影响”,体会“现象观察→模型建构→理论分 析→实验验证”的科学研究方法。 2.从法拉第电磁感应定律出发，推导并认识自感系数，知道自感系数的单位及决定因 素。 3.从能量的观点分析并认识自感现象，理解电的“惯性”。 教学重点： 1.通过传感器实验，进一步理解“通电自感”和“断电自感”中电流的变化过程。 2.通过实验观察和理论分析，体会物理规律的探究过程。 教学难点： 1.“断电自感”灯泡闪亮的原因。 2.从能量的观点认识自感中体现电的“惯性”。
教学过程
时 间 教 学 环 节 主要师生活动
(
15
)分 钟 环 节 一 ： 用 电 流 传 感 器 显 上节课，我们学习了互感和自感，结合实验现象，从理论上分析了互感和 自感现象产生的原因，并分析了通电自感和断电自感现象中的电流变化的特点 和变化的原因。 这节课，继续继续研究自感现象，我们将使用电流传感器，对自感现象中 的电流变化，进行实验验证。 环节一：用电流传感器显示自感对电流的影响 【教师】电流传感器的作用相当于一个电流表，本书就用电流表的符号表 示。传感器与计算机相结合不仅能即时反映电流的迅速变化，还能在屏幕上显 示电流随时间变化的图像，即I-t图像。 我们先来回顾一下上节课“断电自感”实验中的电流变化： 【学生】断开开关前，通过线圈的电流大于灯泡电流，两个电流方向都向
示 自 感 对 电 流 的 影 响 右。断开瞬间，灯泡电流瞬间减为0,但线圈电流逐渐减小， 这个电流会反向流过灯泡，使得灯泡闪亮一下再熄灭。 【教师】同学说的很好，接下来我们用实验进行验证。 【演示实验1】实验电路如图所示，用电流传感器 A1监 测灯泡D 的电流变化，用红线标记；用电流传感器A2 监测线圈的电流变化， 用蓝线标记。实验电路图如图所示，两个电流传感器固定于铁架台上，灯泡、 开关放置于电路面板前，其余元件都放在电路面板之后，一开始让电路处于接 通状态。我们可以看到，蓝线电流大，即线圈支路的电流大于灯泡支路的电流。 接下来断开开关，让传感器记录电流的变化情况。得到I-t图如下图所示： 我们把断开开关前后的图像移到画面中央，再适当放大。可以看到，线圈 电流(蓝线)确实逐渐减小了，而灯泡的电流(红线)跟原来反向了，也逐渐 减小。同时也发现了灯泡闪亮的原因：反向的电流一开始大于原来的电流，所 以灯泡要更亮一些。 最后再观察一下：在断开开关之后，线圈和灯泡的电流大小什么关系呢 【学生】两个电流大小相等。 【教师】为什么会电流相等 【学生】因为灯泡和电流使串联的。 【教师】电流图像，证实了我们上节课的结论，即灯泡闪亮的原因，以即 灯泡要逐渐熄灭。 下面我们再来看一下“通电自感”现象中的电流变化情况。我们使用教材 的电路，把灯泡换成定值电阻，用电阻箱代替。 【演示实验2】先观察有线圈时电路的电流变化情 况，实验电路图如图所示，顺着电流方向，依次是电源、 开关、电流传感器、带铁芯的线圈、电阻箱(预先调好 一个阻值)。下面我们一起来观察一下，闭合开关后的电 流变化情况。 【教师】我们看到，开关从闭合到断开的整个过程中，电流变化如图所示：
在开关闭合瞬间，电流有一个逐渐增大的过程，先请同学思考第一个问题：
为什么电流会逐渐增大
2 分 环 【学生】因为线圈的自感作用，阻碍电流增大，电流只能逐渐增大。 【教师】那开关闭合后，电流瞬间减小为0,为什么没有上面的逐渐减小 的过程 【学生】因为这个电路没有回路，断开开关后，电流就瞬间减小为0。 【教师】电路中无感应电流，那会有感应电动势么 【学生】根据法拉第电磁感应定律，要产生感应电动势。 【教师】下面我们再做一个对照实验，把电路中的线圈去掉。实验电路图 如图所示，顺着电流方向，依次是电源、开关、电流传感器、电阻箱(预先调 好一个阻值)。我们继续观察，闭合开关后的电流变化情况。 最后，我们把上面两个实验合起来，即电路由两个支路并联，支路1由定 值电阻R 和线圈L 串联，支路2作为对照，没有线圈，两个电路分别串联电流 传感器，两路电流信号用一个图像显示，其中1电路电流用红线，2电路电流 用蓝线。请同学们再观察开关闭合和断开瞬间，电流的变化情况。
【教师】请同学们利用上节课所学内容，解释两个电路电流变化的原因。
【学生】闭合开关过程中，由于支路1由于线圈的自感，阻碍电流增大， 所以电流要逐渐增大。 【学生】断开开关瞬间，支路1电流减小，由于自感，线圈产生感应电动 势，通过支路2形成闭合回路，所以支路2的电流要反向，然后再逐渐减小。 【教师】我们发现两个电流要逐渐减小。若将电阻换成小灯泡，小灯泡应 该要逐渐熄灭。昨天的实验，我们通过慢动作回放，确实看到了逐渐熄灭的过 程。 环节二：自感现象的利用和危害 【教师】在实际生活中，有很多自感现象，例如变压器、电动机等设备中 有匝数很多的线圈，当电路中的开关断开时会产生很大的自感电动势，使得开 关中的金属片之间因为高电压而产生电火花，这个电火花会烧蚀接触点，甚至
钟 3分 钟 节 一 : 自 感 现 象 的 利 用 和 危 害 环 节 三 ： 自 感 系 数 会引起人身伤害。因此，切断这类电路时，必须采用特制的安全开关(油浸开 关),避免出现电火花。 再例如，静电实验时，老师用的感应圈，主 要是利用自感现象，它的工作原理，感兴趣的同 学可以在课下进行小组学习。 我们早期使用的日光灯，里面有个元件叫镇 流器，就是利用了自感的原理。 环节三：自感系数 【教师】接下来，我们定量地分析自感电动势的大小。 自感电动势也是感应电动势，同样遵从法拉第电磁感应定律。 下面，我们利用法拉第电磁感应定律分析：对于一个特定的线圈，自感电 动势与哪些因素有关呢
在学习电流的磁场时，我们已经知道，磁场的强弱正比于电流的强弱，即 B≈1。所以上式可得到 ,对于一个特定的线圈，n、S是定值，所 (
以认为
,
)即自感电动势正比于电流的变化量与所用时间之比。
取比例系数为L,写成等式，就是：
物理学中，把变化量与所用时间之比，叫做变化的快慢，又叫变化率。因 此：自感电动势正比于电流变化率。 【教师】把上面的比例系数叫做自感系数L,简称自感或电感，请同学们 思考：自感系数L可能与哪些因素有关呢 【学生】L与线圈的大小、形状、匝数、以及是否有铁芯有关。 【教师】线圈本身的结构决定(大小、形状、匝数、以及是否有铁芯有关) ,与线圈以外的其他因素无关。同学们看图，这3组线圈的电感，从左到右在 逐渐增大。 电感的单位是：亨利，简称亨，1H=10 mH=10 μH 【演示实验】再回到上节课，我们演示的两个线圈传递声音信号的实验， 当两个线圈互感传递声音信号时，我们再插入铁芯，会有什么不一样的效果呢 请看视频。 【教师】我们发现，插入铁芯前后，声音出现了明显的区别，虽然具体原 因我们目前无法详细解释，但这跟自感系数变大有关。
3分 钟 1分 钟 环 节 四 ： 自 感 现 象 中 的 能 量 转 化 环 节 五 : 总 结 环节四：自感现象中的能量转换： 【教师】最后，我们再从能量的角度，分析自感现象中的能量转换。 以断电自感的实验为例，开关断开后，灯泡的发光还能维持一小段时间， 有时甚至会比开关断开之前更亮。这时灯泡的能量是从哪里来的 【学生】既然是线圈的自感，所以能量应该来自于线圈。 【教师】实验表明：开关断开以后，线卷中的电流并未立即消失；理论研 究发现：线圈中有电流，有电流就有磁场，所以能量储应该储存在磁场中。 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 以看作电源把能量输送给磁场，储存在磁场中，这个能量叫磁场能。 当线圈刚刚接通电源的时候，自感电动势阻碍线圈中电流的增加；当电源 断开的时候，自感电动势又阻碍线圈中电流的减小。线圈的自感系数越大，这 个现象越明显。 有时候，我们把自感现象跟力学中的“惯性”进行类比，请同学先回顾一 下，什么是惯性 【学生】物体具有保持原来运动状态不变的性质，叫惯性。 【教师】所以线圈的自感，也使得电路具有“保持原有状态不变”的特点， 我们把自感现象比作变化电路中一种的“惯性”,而自感系数是这个“惯性”大 小的“量度”。 环节五：总结 【教师】同学们想一想，今天这节课研究了什么问题 采用哪些方法进行 研究 请同学们看这张表格。这节课我们主要围绕3各问题展开： 自感现象 自感系数 自感能量 ●观察现象 ●科学论证 ●科学推理 ●模型建构 ●实验验证 ●交流 。科学推理 ●实验验证 对于自感现象，我们这两节课，分别经历了这四个过程。 自感系数，我们经历了两个过程。 自感能量，我们经历了一个过程，最后的交流环节就由同学们课下通过小 组学习的形式进行。 【教师】类比电容器中储存电场能，同学们可以在课后进行小组探究，线 圈中的磁场能，跟哪些因素有关。 这些学习的过程，也是我们高中物理学的科学思维的具体体现。

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