人教版(新教材)高中物理选择性必修2教学设计5：2 4互感和自感教案

人教版(新教材)高中物理选择性必修第二册PAGEPAGE12.4互感和自感〖教学目标〗物理观念：通过互感、自感及自感电动势等概念的提出，体会物理概念的产生过程。科学思维：认识互感和自感是电磁感应现象的两种现象，感悟特殊现象中有它的普遍规律，而普遍规律中包含了特殊现象的辩证唯物主义观点。科学探究：知道自感电动势大小受到哪些因素影响。科学态度与责任：通过互感和自感现象在生产、生活中的应用，体会科学对社会发展的推动作用。〖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。〖教学准备〗多媒体课件、自感现象演示仪。〖教学过程〗一、新课引入两个线圈A、B之间并没有导线相连，线圈A与手机的音频输出端连接，线圈B与扩音器的输入端连接。把线圈A插入线圈B时就能在扩音器上听见由手机输出的声音，这是为什么?二、新课教学（一）互感现象就是互相有感觉，不过这有感觉可不是说人和人，而是电路跟电路之间的感觉。那么两个电路之间怎么会有感觉呢？1.互感的定义法拉第是通过这个实验装置发现电磁感应现象。他把两个线圈绕在同一个铁芯上。闭合或者断开左边开关的瞬间，就可以通过这个电流表观察到右边的电路中产生了电流。在这个实验中两个电路之间并没有直接相连，但当一个电路中的电流发生变化时，它所产生的磁场也发生变化，会是另一个电路中产生感应电动势和感应电流，这种现象就叫做互感现象。互感现象中产生的感应电动势叫做互感电动势。2.互感的应用利用感现象可以把电能从一个电路传递到另一个电路，因此它在电学技术中有着广泛的应用。主要有以下几个：①变压器。它们的结构是这个样子，它有两个线圈套在同一个铁芯上，向其中一个线圈通入变化的电流时，在另一个线圈中就会产生感应电动势，对外供电。电能从一个线圈儿传到了另一个线圈。②收音机。收音机中的磁性天线也是利用互感现象。把广播电台的信号从一个线圈传递到另一个线圈的。③无线充电等。3.互感的危害与防止影响互感的因素：两个线圈的形状，大小，匝数，有无铁芯甚至相对位置，当都会影响互感的大小。而且实际上互感现象不仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间，也可以发生在任何两个相互靠近的电路之间。只是互感的这种相互作用会随着两个电路之间距离的增加而快速的减小。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。课堂练习例1：如图甲所示，A、B两绝缘金属环套在同一铁芯上，A环中电流iA随时间t的变化规律如图乙所示，下列说法中正确的是()A．t1时刻，两环作用力最大B．t2和t3时刻，两环相互吸引C．t2时刻两环相互吸引，t3时刻两环相互排斥D．t3和t4时刻，两环相互吸引〖答案〗B〖解析〗t1时刻B中感应电流为零，故两环作用力为零，A错误；t2和t3时刻A环中电流在减小，则B环中产生与A环中同向的电流，故相互吸引，B正确，C错误，t4时刻A中电流为零，两环无相互作用，D错误。（二）自感现象如果某个电路中的电流发生变化，在它自身的回路中能不能也产生感应电动势呢？1.自感现象的定义当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场在线圈本身激发出感应电动势。这种现象称为自感，由于自感而产生的感应电动势叫作自感电动势。演示实验1：观察两个灯泡的发光情况图中A1和A2是两个完全相同的小灯泡，R1和R是两个滑动变阻器用来调节电流。闭合开关之后，先调节R使两个小灯泡一样亮，再调节干路中的，R1使两个灯都正常发光。然后断开开关S，当再闭合S时可以看到两个灯泡点亮的情况是不一样的？现象：A2立刻就正常发光了，但A1却是逐渐变亮，延迟了一会儿才正常发光的。这是为什么呢？分析：这个支路中有一个电感，看来就是这个家伙造成了这些反常现象。在闭合开关的瞬间通过电感线圈的电流增加，使得穿过线圈的磁通量增大。由楞次定律此时在线圈中会产生一个与通入的电流方向相反的感应电动势阻碍行程中的磁通量增大，也就是阻碍线圈中的电流达到正常值。所以与电感串联的小灯泡不会立刻亮起来，而是随着电流的增大逐渐亮起来。我们把这种自感现象称为通电自感。演示实验2：观察开关断开时灯泡的亮度把小灯泡和一个电感并联后，连入电路线闭合开关，使小灯泡正常发光。然后再断开电路观察灯泡亮度变化。现象：A灯并不是立即熄灭，而是先闪亮一下才熄灭。分析：在开关断开前电感和灯泡中都会有向右的电流。当开关断开的瞬间，灯泡中由电源提供的电流立即消失，通过电感线圈的电流减弱，使得穿过线圈的磁通量也迅速减弱。根据楞次定律，此时线圈中就会产生一个与原电流方向相同的感应电动势，阻碍线圈中的磁通量减小，也就是阻碍线圈中的电流减小。而这个电流只能通过小灯泡形成回路，所以小灯泡上的电流不是立刻变为零，而是逐渐减小到零。我们把这种自感现象称为断电自感。实验归纳这两个实验可以说明，当线圈回路本身的电流发生变化时，回路中会产生感应电动势，总是阻碍原电流的变化，即仍然遵循增反减同的规律。其实无论什么样的电路，电流变化时都会产生感应电动势，只是在没有电感的电路中通常产生的感应电动势太小，所以现象不明显。但在刚才这两个实验中由于有电感L的存在，使得感应电动势很大，这些现象就很明显。1.通电自感与断电自感现象第一个实验有灯泡与电感串联的电路，通电自感：A2立刻就正常发光，A1逐渐变亮。断电自感：A1和A2缓慢熄灭第二个实验灯泡与电感串联的电路，通电自感：A灯立刻就正常发光，随后缓慢变暗，甚至熄灭。断电自感：A灯缓慢熄灭你会看到与电感串联的灯通电时受到影响，与它并联的都会立刻发光。那么小灯泡什么时候会闪亮一下呢？2.断电自感与小灯泡的闪亮断开开关后，对电感线圈中储存的能量逐渐释放出来，转化为了电能使得小灯泡没有立即熄灭，所以小灯泡闪亮，小灯泡闪不闪亮，要看流过灯泡的电流大小的变化，闪亮说明说明电流大。如图所示：现在电路中的电流变化进行具体分析，假设流过电感的电流为IL，流过小灯泡的电流为IA。当开关闭合时，由于电感和小灯泡并联，电感和小灯泡中的电流方向都是向右。在断开开关的瞬间小灯泡中，原来从左到右的电流IA立即消失，而电感中的电流IL由于自感电动势的存在不会立即消失，也就是说此时通过电感的电流大小，方向都不会变化还是IL。同时由于开关断开了电感和小灯泡构成了新的回路，所以小灯泡内的电流方向变为从右到左，大小也从IA突变成了IL。即如果IL>IA则小灯泡就会闪亮一下再熄灭。如果IL≤IA则小灯泡就会缓慢的熄灭。同样的在如图所示的这个电路中如果IL>IA2则A2就会闪亮一下再熄灭。如果IL≤IA2则A2就会缓慢的熄灭。由于A1与电感串联电流相等，它不会闪亮。由此可见，小灯泡能不能闪亮取决于电感中的电流。4.通电自感与断电自感的电流变化我们再来看自感前后的电流方向的变化情况。闭合开关后它的流过电感和灯泡的电流方向是这样的，断开开关后，根据前面的分析电流方向变为这样。发现流过A1的电流与原来的相同，流过A2的电流与原来的相反。同样的。开关闭合前后流过灯泡的电流是不一样的。总的来说①断电前线圈与灯泡串联，则感应电流与原来电流同向。②断电前线圈与灯泡并联，则感应电流与原来电流反向。做一做：用电流传感器显示自感对电流的影响5.自感的应用与防止如图所示的电路中，当电路稳定后断开开关的一瞬间，小灯泡会先闪亮一下，再逐渐熄灭。如果电感的电阻非常小，在断开开关的瞬间，在短时间内形成了很大的电流，那么闪亮的现象会更加明显。发现了吗，电感可以在电压不太大的情况下，通过自感现象在瞬间产生巨大的电流。这在生活中有很重要的应用。①应用日光灯的镇流器，就是利用这个原理来产生启动时所需要的高电压的。再比如在无线电技术中，电感和电容组成振荡电路，用来发射无线电波。②危害更多的时候，这么大自感电动势会造成很大的危害。像大型电动机中的绕线组，大型变压器的线圈等原件。它们的自感系数非常大，在切断电路的瞬间会产生很高的自感电动势，使开关附近的空气被电离击穿形成电弧。电弧会把开关烧坏，甚至引起火灾。③防止油浸开关：把开关放在绝缘性良好的油中防止空气被击穿。双线绕法：电阻丝通常采用这样的双线绕法。当电流流过电阻丝时，两股电阻丝中的电流所产生的磁场相互抵消，就不会产生感应电动势。课堂练习例2：L是自感系数很大的线圈，但其自身的电阻几乎为0。A和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两个灯泡的亮度将如何变化?(2)当开关S由闭合变为断开时，A、B两个灯泡的亮度又将如何变化?〖解析〗(1)当开关由断开变为闭合时，两灯立即有电压，同时发光，由于线圈的电阻很小，B灯被线圈短路，由亮变为变暗直到不亮；A灯由亮变为更亮。(2)当开关断开时，A灯没有了电压立即熄灭；当电流减少，线圈产生自感电动势，相当于电源，给B灯提供短暂的电流使B灯缓慢熄灭（三）自感系数你已经知道了当电路中存在电感线圈时，它会对通过它自身的电流的变化有阻碍作用，从而使得自感现象非常明显。在物理中用自感系数L：描述电感线圈对其中电流的阻碍作用。在自感现象中穿过电感线圈的磁通量Φ，跟电感线圈中的磁感应强度B成正比，而磁感应强度B又是跟产生磁场的电流I成正比。即Φ∝B∝I所以有ΔΦ∝ΔB∝ΔI同时除以一个Δteq\f(ΔΦ,Δt)∝eq\f(ΔB,Δt)∝eq\f(ΔI,Δt)eq\f(ΔΦ,Δt)这不就是法拉第电磁感应定律里的那个式子吗。所以自感电动势E＝Leq\f(ΔΦ,Δt)在个式子中L是比例系数，称为自感系数，它是描述电感线圈对其中电流的阻碍作用的物理量，单位是亨利用H表示。自感系数越大，电流变化时产生的自感电动势就越大，意味着线圈阻碍电流的本领也越大。那么决定一个线圈的自感系数的因素有哪些呢？要记住自感系数的大小取决于线圈的结构。比如线圈的长度，形状，疏密，圈数，是否带有铁芯的，而与电流变化情况无关。实验演示自感系数随着线圈的结构的变化情况。再演示一个有无铁芯的。没有铁芯吸不起硬币，加了铁芯之后可以吸起很多硬币。了解了自感系数的含义，咱们再看看再具体的电路中它是怎么影响电流变化的。（四）磁场的能量如图所示实验中，开关断开后，灯泡的发光还能维持一小段时间，有时甚至会比开关断开之前更亮。这时灯泡的能量是从哪里来的?上面的通电自感实验中，当闭合开关后，这个小灯泡并不会马上发光，其实是因为电能中的一部分储存在了电感线圈中。断开开关后，又是因为电感线圈中储存的能量被释放出来啦，使得灯泡并不是马上熄灭，还会再亮一会儿。发现没线圈中有电流时就有磁场就能储存能量，物理上把这种储存于磁场中的能量称为磁场能或者磁能。当开关闭合时，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。显然电感线圈中储存的磁场能大小与线圈的自感系数和线圈中的电流有关。课堂练习例3：如图所示，L为自感系数较大的线圈，电阻很小，电路稳定后，当断开开关S的瞬间会有什么现象（）A．甲中，灯A立即熄灭B．乙中，灯A慢慢熄灭C．甲中，灯A突然闪亮一下再慢慢熄灭D．乙中，灯A突然闪亮一下再慢慢熄灭〖答案〗AD〖解析〗甲电路，开关断开后没有构成闭合回路，所以灯立即灭；乙中由于电感电阻小，流过的电流很大，所以开关断开后灯突然闪亮，再灭。〖板书设计〗2.4互感和自感1.互感现象2.自感现象①通电自感与断电自感现象②断电自感与小灯泡的闪亮：如果IL>IA则小灯泡就会闪亮一下再熄灭。如果IL≤IA则小灯泡就会缓慢的熄灭。③通电自感与断电自感的电流变化断电前线圈与灯泡串联，则感应电流与原来电流同向。断电前线圈与灯泡并联，则感应电流与原来电流反向。3.自感系数L：来描述电感线圈对其中电流的阻碍作用。4.磁场的能量：储存在磁场中的能量①通电自感：电能中的一部分储存在电感线圈中。②断电自感：电感线圈中储存的能量被释放出来。〖教学反思〗2.4互感和自感〖教学目标〗物理观念：通过互感、自感及自感电动势等概念的提出，体会物理概念的产生过程。科学思维：认识互感和自感是电磁感应现象的两种现象，感悟特殊现象中有它的普遍规律，而普遍规律中包含了特殊现象的辩证唯物主义观点。科学探究：知道自感电动势大小受到哪些因素影响。科学态度与责任：通过互感和自感现象在生产、生活中的应用，体会科学对社会发展的推动作用。〖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。〖教学准备〗多媒体课件、自感现象演示仪。〖教学过程〗一、新课引入两个线圈A、B之间并没有导线相连，线圈A与手机的音频输出端连接，线圈B与扩音器的输入端连接。把线圈A插入线圈B时就能在扩音器上听见由手机输出的声音，这是为什么?二、新课教学（一）互感现象就是互相有感觉，不过这有感觉可不是说人和人，而是电路跟电路之间的感觉。那么两个电路之间怎么会有感觉呢？1.互感的定义法拉第是通过这个实验装置发现电磁感应现象。他把两个线圈绕在同一个铁芯上。闭合或者断开左边开关的瞬间，就可以通过这个电流表观察到右边的电路中产生了电流。在这个实验中两个电路之间并没有直接相连，但当一个电路中的电流发生变化时，它所产生的磁场也发生变化，会是另一个电路中产生感应电动势和感应电流，这种现象就叫做互感现象。互感现象中产生的感应电动势叫做互感电动势。2.互感的应用利用感现象可以把电能从一个电路传递到另一个电路，因此它在电学技术中有着广泛的应用。主要有以下几个：①变压器。它们的结构是这个样子，它有两个线圈套在同一个铁芯上，向其中一个线圈通入变化的电流时，在另一个线圈中就会产生感应电动势，对外供电。电能从一个线圈儿传到了另一个线圈。②收音机。收音机中的磁性天线也是利用互感现象。把广播电台的信号从一个线圈传递到另一个线圈的。③无线充电等。3.互感的危害与防止影响互感的因素：两个线圈的形状，大小，匝数，有无铁芯甚至相对位置，当都会影响互感的大小。而且实际上互感现象不仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间，也可以发生在任何两个相互靠近的电路之间。只是互感的这种相互作用会随着两个电路之间距离的增加而快速的减小。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。课堂练习例1：如图甲所示，A、B两绝缘金属环套在同一铁芯上，A环中电流iA随时间t的变化规律如图乙所示，下列说法中正确的是()A．t1时刻，两环作用力最大B．t2和t3时刻，两环相互吸引C．t2时刻两环相互吸引，t3时刻两环相互排斥D．t3和t4时刻，两环相互吸引〖答案〗B〖解析〗t1时刻B中感应电流为零，故两环作用力为零，A错误；t2和t3时刻A环中电流在减小，则B环中产生与A环中同向的电流，故相互吸引，B正确，C错误，t4时刻A中电流为零，两环无相互作用，D错误。（二）自感现象如果某个电路中的电流发生变化，在它自身的回路中能不能也产生感应电动势呢？1.自感现象的定义当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场在线圈本身激发出感应电动势。这种现象称为自感，由于自感而产生的感应电动势叫作自感电动势。演示实验1：观察两个灯泡的发光情况图中A1和A2是两个完全相同的小灯泡，R1和R是两个滑动变阻器用来调节电流。闭合开关之后，先调节R使两个小灯泡一样亮，再调节干路中的，R1使两个灯都正常发光。然后断开开关S，当再闭合S时可以看到两个灯泡点亮的情况是不一样的？现象：A2立刻就正常发光了，但A1却是逐渐变亮，延迟了一会儿才正常发光的。这是为什么呢？分析：这个支路中有一个电感，看来就是这个家伙造成了这些反常现象。在闭合开关的瞬间通过电感线圈的电流增加，使得穿过线圈的磁通量增大。由楞次定律此时在线圈中会产生一个与通入的电流方向相反的感应电动势阻碍行程中的磁通量增大，也就是阻碍线圈中的电流达到正常值。所以与电感串联的小灯泡不会立刻亮起来，而是随着电流的增大逐渐亮起来。我们把这种自感现象称为通电自感。演示实验2：观察开关断开时灯泡的亮度把小灯泡和一个电感并联后，连入电路线闭合开关，使小灯泡正常发光。然后再断开电路观察灯泡亮度变化。现象：A灯并不是立即熄灭，而是先闪亮一下才熄灭。分析：在开关断开前电感和灯泡中都会有向右的电流。当开关断开的瞬间，灯泡中由电源提供的电流立即消失，通过电感线圈的电流减弱，使得穿过线圈的磁通量也迅速减弱。根据楞次定律，此时线圈中就会产生一个与原电流方向相同的感应电动势，阻碍线圈中的磁通量减小，也就是阻碍线圈中的电流减小。而这个电流只能通过小灯泡形成回路，所以小灯泡上的电流不是立刻变为零，而是逐渐减小到零。我们把这种自感现象称为断电自感。实验归纳这两个实验可以说明，当线圈回路本身的电流发生变化时，回路中会产生感应电动势，总是阻碍原电流的变化，即仍然遵循增反减同的规律。其实无论什么样的电路，电流变化时都会产生感应电动势，只是在没有电感的电路中通常产生的感应电动势太小，所以现象不明显。但在刚才这两个实验中由于有电感L的存在，使得感应电动势很大，这些现象就很明显。1.通电自感与断电自感现象第一个实验有灯泡与电感串联的电路，通电自感：A2立刻就正常发光，A1逐渐变亮。断电自感：A1和A2缓慢熄灭第二个实验灯泡与电感串联的电路，通电自感：A灯立刻就正常发光，随后缓慢变暗，甚至熄灭。断电自感：A灯缓慢熄灭你会看到与电感串联的灯通电时受到影响，与它并联的都会立刻发光。那么小灯泡什么时候会闪亮一下呢？2.断电自感与小灯泡的闪亮断开开关后，对电感线圈中储存的能量逐渐释放出来，转化为了电能使得小灯泡没有立即熄灭，所以小灯泡闪亮，小灯泡闪不闪亮，要看流过灯泡的电流大小的变化，闪亮说明说明电流大。如图所示：现在电路中的电流变化进行具体分析，假设流过电感的电流为IL，流过小灯泡的电流为IA。当开关闭合时，由于电感和小灯泡并联，电感和小灯泡中的电流方向都是向右。在断开开关的瞬间小灯泡中，原来从左到右的电流IA立即消失，而电感中的电流IL由于自感电动势的存在不会立即消失，也就是说此时通过电感的电流大小，方向都不会变化还是IL。同时由于开关断开了电感和小灯泡构成了新的回路，所以小灯泡内的电流方向变为从右到左，大小也从IA突变成了IL。即如果IL>IA则小灯泡就会闪亮一下再熄灭。如果IL≤IA则小灯泡就会缓慢的熄灭。同样的在如图所示的这个电路中如果IL>IA2则A2就会闪亮一下再熄灭。如果IL≤IA2则A2就会缓慢的熄灭。由于A1与电感串联电流相等，它不会闪亮。由此可见，小灯泡能不能闪亮取决于电感中的电流。4.通电自感与断电自感的电流变化我们再来看自感前后的电流方向的变化情况。闭合开关后它的流过电感和灯泡的电流方向是这样的，断开开关后，根据前面的分析电流方向变为这样。发现流过A1的电流与原来的相同，流过A2的电流与原来的相反。同样的。开关闭合前后流过灯泡的电流是不一样的。总的来说①断电前线圈与灯泡串联，则感应电流与原来电流同向。②断电前线圈与灯泡并联，则感应电流与原来电流反向。做一做：用电流传感器显示自感对电流的影响5.自感的应用与防止如图所示的电路中，当电路稳定后断开开关的一瞬间，小灯泡会先闪亮一下，再逐渐熄灭。如果电感的电阻非常小，在断开开关的瞬间，在短时间内形成了很大的电流，那么闪亮的现象会更加明显。发现了吗，电感可以在电压不太大的情况下，通过自感现象在瞬间产生巨大的电流。这在生活中有很重要的应用。①应用日光灯的镇流器，就是利用这个原理来产生启动时所需要的高电压的。再比如在无线电技术中，电感和电容组成振荡电路，用来发射无线电波。②危害更多的时候，这么大自感电动势会造成很大的危害。像大型电动机中的绕线组，大型变压器的线圈等原件。它们的自感系数非常大，在切断电路的瞬间会产生很高的自感电动势，使开关附近的空气被电离击穿形成电弧。电弧会把开关烧坏，甚至引起火灾。③防止油浸开关：把开关放在绝缘性良好的油中防止空气被击穿。双线绕法：电阻丝通常采用这样的双线绕法。当电流流过电阻丝时，两股电阻丝中的电流所产生的磁场相互抵消，就不会产生感应电动势。课堂练习例2：L是自感系数很大的线圈，但其自身的电阻几乎为0。A和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两个灯泡的亮度将如何变化?(2)当开关S由闭合变为断开时，A、B两个灯泡的亮度又将如何变化?〖解析〗(1)当开关由断开变为闭合时，两灯立即有电压，同时发光，由于线圈的电阻很小，B灯被线圈短路，由亮变为变暗直到不亮；A灯由亮变为更亮。(2)当开关断开时，A灯没有了电压立即熄灭；当电流减少，线圈产生自感电动势，相当于电源，给B灯提供短暂的电流使B灯缓慢熄灭（三）自感系数你已经知道了当电路中存在电感线圈时，它会对通过它自身的电流的变化有阻碍作用，从而使得自感现象非常明显。在物理中用自感系数L：描述电感线圈对其中电流的阻碍作用。在自感现象中穿过电感线圈的磁通量Φ，跟电感线圈中的磁感应强度B成正比，而磁感应强度B又是跟产生磁场的电流I成正比。即Φ∝B∝I所以有ΔΦ∝ΔB∝ΔI同时除以一个Δteq\f(ΔΦ,Δt)∝eq\f(ΔB,Δt)∝eq\f(ΔI,Δt)eq\f(ΔΦ,Δt)这不就是法拉第电磁感应定律里的那个式子吗。所以自感电动势E＝Leq\f(ΔΦ,Δt)在个式子中L是比例系数，称为自感系数，它是描述电感线圈对其中电流的阻