人教版选修二 第四节互感和自感

电磁感应第4节互感和自感教材分析《互感和自感》是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》选择性必修2“电磁感应及其应用”主题下的内容，课程标准要求为：通过实验，了解自感现象，能举例说明自感现象在生产生活中的应用。在物理观念方面，教材在之前已经介绍了感应电流的产生条件、楞次定律和法拉第电磁感应定律，即学生从产生条件、定性分析和定量计算等角度对电磁感应问题有了基本的认识，也学习了感生和动生两种基本的电磁感应模型。本节课提出了电磁感应的新的问题，该内容既是对电磁感应规律的巩固和深化，也为以后学习交变电流、电磁波等知识奠定了知识基础，因此本节课起着承上启下的关键作用，也为学生形成完整的电磁感应物理观念奠定了基础。同时在科学态度与责任方面，互感、自感现象知识与人们日常生活、生产技术有着密切的关系，教材中也给出了许多互感和自感现象在生活中实际应用的例子，因此本节课十分需要教师从STSE(科学、技术、社会、环境)角度对学生介绍互感和自感现象在生活中的应用及防止，真正做到学习该部分知识对于为学生树立正确的科学态度与责任有着重要的现实意义．学情分析学生已经学习了分析电路的动态变化情况，知道了判断产生电磁感应的条件、判断感应电流的方向，以及感应电动势的大小的计算等电磁感应的规律等电磁感应的基本知识和分析电磁感应问题的基本方法，对于互感现象也有了初步的感性认识。但是学生头脑中没有互感这个概念，也没有意识到当线圈通过变化的电流时，线圈本身也会产生电磁感应现象。同时学习中对自感现象的解释以及分析相关的自感现象的特点也是学生遇到的最大挑战。因此，为了加深学生对此节内容的理解，培养学生的科学思维，教师需要在教学过程中利用已有的电磁感应相关知识和分析电磁感应问题的方法解决互感和自感的新问题，培养他们基于已知信息和方法分析未知问题的科学推理和科学论证的能力；同时也通过相关实验现象的分析加深学生对于互感模型的建构和理解，也在分析过程当中引导学生认识到互感模型也是电磁感应模型一种特殊情况。这样不仅可以锻炼学生建构模型的能力，也可以将新旧模型进行联系，加深对电磁感应模型的理解，这对于今后学生学习交变电流有着重要的作用。在科学探究能力上，学生已经具备一定的探究、合作学习的能力，已经掌握了一定的科学方法和实验技能。但是学生在设计实验以及改进实验使其达到最佳实验效果的能力上还有待加强。因此本节课着重引导学生对实验进行设计引导，对现象不明显的实验设计进行分析与改进，而不是机械的让学生按照实验步骤进行实验。教学目标1.物理观念(1)知道互感与自感现象及其产生原因，并且知道互感和自感都是一种特殊的电磁感应现象；(2)能说出自感电动势大小的影响因素。2.科学思维(1)利用电磁感应有关规律分析通电、断电时自感现象的原因；(2)会运用互感和自感的原理对该现象进行应用和防止。3.科学探究(1)通过对实验的观察讨论和体验，解释实验中发生的物理现象；(2)通过带领学生进行实验的设计与改进增强学生分析问题、解决问题的能力。4.科学态度与责任（1）认识互感和自感是电磁感应现象的两种现象，体验特殊现象的普遍性；（2）领悟科学家对科学执着和对名利的淡漠的科学献身精神。教学重难点（一）教学重点1.互感现象中的电磁感应规律。2.自感现象的理解。3.自感系数的理解。（二）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”。教学逻辑图教学准备实验仪器：学生电源一个，小灯泡两个，开关两个，演示电流表两个，滑动变阻器一个，自制线圈两个，软铁棒一个，闭合铁芯一个，导线若干。教学课件一份。教学方法讲授法、演示实验法、逻辑推理法。教学过程新课引入【演示实验1】这是两个大小不同的线圈A和B，两个线圈A、B之间并没有导线相连，小线圈可以套入大线圈。现在让小线圈A与手机的音频输出端连接，大线圈B与扩音器的输入端连接，如图所示。实验时，先打开手机的音乐，再把A线圈插入B线圈，请同学们观察实验现象。【学生】能听到音乐。【教师】同学们都听到了音乐，声音来自于扩音器。两组线圈之间没有导线直接连接，却能在扩音器上听到手机播放的音乐。请同学们思考以下两个问题：①什么是音频信号？②为什么能在扩音器上听见由手机输出的音乐？【学生】①手机输出的音频信号，是一种电流信号，它的强度和频率都在变化。可以认为是一种变化的电流。【学生】②所以当音频信号流经A线圈时，A线圈中就产生了变化的磁场，变化的磁场使B线圈的磁通量发生变化，从而在B线圈中产生感应电流，这个电流让扩音器发出音乐。【教师】最后再补充一个问题：感应电流的频率，与原电流的频率有什么关系呢？【学生】二者频率相同，才能输出不变的音乐。新课教学同学们，通过前3节的学习，我们已经初步掌握了“磁生电”的基本概念和基本原理，我们能用法拉第电磁感应定律计算感应电动势的大小，也能用楞次定律判断感应电流的方向，同时也了解了一些生活中的电磁感应现象。今天这节课，我们继续深入研究生活中两个常见的电磁感应现象：互感和自感。互，顾名思义，互相，感，感应，互感，互相有感应。我们知道，两者谓之互，互感是哪两者之间的感应呢？物理中的互感，是两个电路之间的感应。两个电路之间有怎样的感应呢？下面，我们通过实验来研究这个问题。【演示实验2】设计电路，提出问题，当电路1开关闭合的瞬间，电路2能否感应到电路1的变化呢？【学生思考】能感受到，会看到电流表2指针发生偏转。【实验现象】电流表2的指针并没有偏转。说明电路2对电路1的变化没有感应。【设计目的】造成认知冲突，引发学生思考，为接下来的电路改造，原理解释提供铺垫。【教师】接下来，我们对电路进行改造，怎么改造呢？【学生】将相互靠近的两根导线换成线圈。【演示实验3】换成线圈后，再次闭合电路1的开关，观察电流表2的指针偏转情况。【实验现象】电流表2的指针有一点偏转。说明电路2对电路1的变化有一点感应。【演示实验4】在线圈中插入软铁棒，增强线圈的磁场。再次进行实验。【实验现象】电流表2的指针发生了明显的偏转，说明电路2对电路1的变化有了较为明显的感应。【教师提问】感应的原理是什么？通过演示实验3和演示实验4的现象对比，增强磁场之后，感应变强，则学生就可以从电磁感应的原理上解释发生感应的原理------实质上是电磁感应现象。通过PPT动画展示此原理的过程。【教师提问】如果一开始去掉的不是电路2的电源，而是电路1的电源，则电路2开关闭合的瞬间，电路1能否感应到电路2的变化呢？【学生思考】可以。【物理思想】由对称的思想，可知电路1也可以感应到电路2的变化。【教师提问】如果两个电路的电源都不去掉，开关闭合的瞬间，两个电路能否感应到对方的变化呢？【学生思考】可以【物理思想】根据叠加的思想，两个电路都能感应到对方的变化。【教师总结】这就叫互有感应，简称互感。通过实验改造，一步一步引发学生观察现象，思考原理，引出互感的概念，符合学生的认知过程。【知识总结】【知识应用1】回到最初电路，换成线圈之前，要求同学们解释是否真的没有感应。【学生解释】开关闭合的瞬间，电路1的电流增大，穿过电路2的磁通量增大，电路2对电路1的变化应该有感应，只是感应太微弱，电流表测不出来。【知识应用2】如果把软铁棒换成闭合铁芯，会有怎样的感应现象？【学生猜想】闭合铁芯会大大增加磁场，因此感应现象会变得更加明显。【演示实验5】将闭合铁芯套在两个线圈上，观察感应现象。【实验现象】电流表指针发生了强烈的偏转，说明电路2对电路1的变化产生了强烈的感应。【知识讲解】关于线圈在电路中的符号【教师提问】单个电路中电流变化，会有电磁感应现象吗？即线圈会在自己身上产生感应电动势吗？【学生思考】学生思考该问题并给出解释：开关闭合，电流增大，磁场变强，磁通量增加，应该会有电磁感应现象。【教师进一步追问】如果线圈能自己感应自己的变化，按照电磁感应规律，理论分析可能出现的结果？【学生回答】S闭合，电流表的指针会滞后【演示实验6】开关闭合，观察电流表指针的偏转是否滞后。【实验现象】电流表指针偏转确实滞后。【教师提问】电流表指针的偏转滞后是否说明出现了电路自己感应自己的现象呢？【教师分析】分析电流表内部结构，电流表指针滞后还可能由于内部软铁芯等具有惯性导致。【教师提问】如何避免电流表惯性因素的影响？【学生思考并回答】可以将电流表换成灯泡，用灯泡亮度变化是否滞后来表示电路是否出现自己感应自己的现象。【演示实验7】闭合开关，观察灯泡变亮是否有滞后。【实验现象】很难观察到灯泡亮度的滞后【教师提问】那要怎样才能明显观察到灯泡亮度是否滞后呢？【学生思考并回答】可以在电路中并联一条没有线圈但是有灯泡的支路。通过两个灯泡变亮的先后顺序来观察有线圈时，开关闭合瞬间，灯泡亮度是否滞后。【演示实验8】并联上对比电路，重复实验，观察现象。【实验现象】有线圈的支路灯泡变亮滞后于没有线圈的支路。【实验结论】确定线圈发生了自己感应自己的现象。【历史介绍】该实验完成于上世纪六十年代，限于当时的条件，只能用灯泡的亮暗来反映电流的变化，现在我们有了更高科技的电流传感器，用电流传感器精确地显示出电流的大小和方向。【演示实验9】将电流表换成电流传感器，重复实验，观察现象。【实验现象】闭合开关时，有线圈的支路电流缓慢增大，没有线圈的支路电流瞬间增大。【知识总结】自感：由于线圈本身电流变化，在自身中激发出感应电动势的现象。自感也是一种电磁感应现象。【教师提问】电路稳定后，断开开关，两条支路的电流怎样变化？给出两个可能的结果，要求学生思考后做出选择。【学生思考并回答】开关断开，蓝色电路电流瞬间消失，红色电路因为自感现象，电流缓慢减小，故A是正确的。【实验验证】教师利用电流传感器演示断电瞬间两条支路电流变化情况。学生观察实验现象。【实验现象】实验结果表明答案既不是A，也不是B，说明科学的探究往往没有标准答案。【学生思考】为什么会出现如图所示的电流情况呢？【学生回答】断开开关瞬间，蓝色电路电流瞬间消失，红色电路电流缓慢减小，但是两条支路构成闭合回路，导致红色支路的电流流过蓝色支路，且和蓝色支路原来的电流方向相反，故看到如图所示的电流变化。【教师提问】在刚才的实验现象中，线圈相当于电源，即线圈具有感应电动势，那么自感现象中产生的感应电动势大小和什么因素有关？【学生思考】可能和线圈本身有关，也可能和电路中的电流有关。【理论推导】教师带领学生理论推导自感电动势的表达式，提高学生科学论证能力。【知识应用】若把线圈那条支路的小灯泡去掉，则开关断开的瞬间，观察小灯泡L2的亮度变化？【演示实验10】去掉小灯泡，断开开关瞬间，观察另一条支路小灯泡亮度变化。【实验现象】小灯泡闪烁了一下。【教师提问】闪烁的原因是什么？【学生回答】去掉灯泡后，线圈支路的电流大于蓝色支路的电流，断开开关瞬间，这个大电流反向流过灯泡L2，导致灯泡L2闪烁了一下。【教师追问】闪烁意味着更大的能量，这个更大的能量来源于哪里？【学生回答】来源于线圈【教师总结】线圈在开关闭合时发生自感现象储存了能力，在断电时再次发生自感现象把原本储存的能量释放出来，说明自感现象伴随着能量的储存和释放。【演示实验11】去掉并联支路，要求学生观察，开关断开瞬间，注意观察开关接触点有什么现象？【实验现象】看到了电火花。【现象分析】开关断开瞬间，因为没有闭合回路，电流快速减小，从自感电动势表达