高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册4 互感和自感优质课ppt课件

第二章 电磁感应

第4节 互感和自感

教学目标与核心素养

物理观念：知道互感现象和自感现象都属于电磁感应现象.

科学思维：了解自感现象在生产生活中的应用和怎样预防其带来的不利影响

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：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。

教学重难点

教学重点：（1）通过实验，观察并理解“通电自感”和“断电自感”。

（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：“断电自感”灯泡闪亮的原因

教学过程

【新课引入】

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。

我们先一起来看一个实验：

【新知探究】

一、互感现象

【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。

【教师】通过这个实验，我们发现：A线圈中变化的电流，会使得B线圈产生感应电流。那么反过来， B线圈中变化的电流，是否也会使A线圈中再次产生感应电流呢？同学们先猜想，再说明理由。

【学生】根据感应电流产生的条件，应该会产生。

【教师】答案是肯定的，实际上，在这个过程中，A、B两组线圈将会发生互相感应的现象。在物理学中，把这个现象叫作互感，即：当一个线圈中的电流变化时，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。这种感应电动势叫作互感电动势。

上面这个实验，我们发现互感现象会在两个线圈之间传递电流信号，那么在实际生活中还有哪些类似的现象呢？

【学生】可能会想到上节课学习的内容：电磁炉、探雷器、变压器。

【教师】确实如此，这些都用到了互感现象。

【教师】互感现象不仅可以发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间，像变压器一样；还可以发生于任何两个相互靠近的电路之间。这个现象广泛应用于生活当中。

但在有的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。

【教师】在法拉第的实验中两个线圈并没有用导线连接，当一个线圈中的电流变化时，在另一个线圈中为什么会产生感应电动势呢？

【学生】两个线圈之间并没有导线相连，但当一个线圈中的电流变化时，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

例. 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(　B  )

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

二、自感现象

合作探究1：【教师】接下来，我们继续思考下一个问题：当一个线圈中的电流变化时，它产生的变化的磁场能在邻近的电路中激发出感应电动势，是否也能在它本身激发出感应电动势呢？

【学生】基于已有知识，进行思考、讨论、猜想。

【教师】在回答这个问题之前，我们先来观察一个实验。

【演示实验2】实验电路图如图所示，电路由两个支路组成，上面支路：是灯泡A1串联一个带铁芯的线圈，下面支路：是一个相同的灯泡A2串联一个可变电阻（预先调节阻值，使其等于线圈电阻）。

这是实验的器材，电源、导线、电阻箱、带铁芯的线圈，实验电路面板，上面已安装好了灯泡和开关。为了便于观察实验现象，我们只把灯泡、开关放置于面板前，其余元件都放置于面板后，并按电路图连接好电路。

请同学们仔细观察：闭合开关S的一瞬间，电路中两个灯泡的亮度变化情况。为了便于观察，我们分别在亮光和暗光条件下进行实验。

【学生】灯A2先变亮，灯A1后变亮。

【教师】开关闭合瞬间，灯A1后变亮，我们通过慢放，还会发现，灯A1是逐渐变亮的，说明通过A1支路的电流是逐渐增大的。

请同学们结合实验前的猜想，从电流变化的角度，尝试分析A1逐渐变亮的原因。

【学生】实验说明了实验前提出的问题：线圈电流变化也能在它本身激发出感应电动势。

当开关闭合时，通过A1支路的电流I增大，则其磁通量增大，根据楞次定律：线圈自己要产生感应电流，再根据“增反减同”，感应电流I感与原电流I反向→阻碍磁通量增大，而阻碍不是阻止，所以A1中的电流只能缓慢增大，所以A1灯泡在缓慢变亮。

【教师】以上实验说明：当一个线圈中的电流变化时，它产生的变化的磁场不仅能在邻近的电路中激发出感应电动势，也能在它本身激发出感应电动势。这种现象叫“自感”。

上面这个实验，起个名字，叫“通电自感”现象。

下面我们再来看一个实验，叫“断电自感”现象。

合作探究2：【演示实验3】实验电路图如图所示，将一个灯泡和电感线圈并联后，接入电路。这是实验的实物，电源、导线、带铁芯的线圈，实验电路面板，也已安装好灯泡和开关，为了便于观察实验现象，我们将灯泡、开关放置于面板前，其余元件放置于面板后，并按电路图连接好电路。

实验前先闭合开关，点亮灯泡。大家仔细观察：断开开关S的一瞬间，灯泡A的亮度变化情况，并分析原因。

【学生】A灯泡先闪亮一下，再熄灭。

【教师】为什么会闪亮后熄灭？同学们能否用“自感”的原理来解释？

【学生】开关断开瞬间，线圈支路中的电流I减小，磁通量减小，根据楞次定律，“增反减同”，感应电流I感与原电流I同向，则线圈L与灯泡A能组成一个闭合电路，使得感应电流从A中流过，所以A要缓慢熄灭。

【教师】按照刚才的分析，开关断开前后，通过灯A中的电流方向有什么变化？

【学生】电流反向了。线圈中的感应电流与原电流同向，但流经灯A时，与原电流反向。

【教师】那怎么解释灯泡要突然闪亮一下呢？

【学生】说明感应电流要大于灯泡原来的电流。

【教师】根据电磁感应的规律，线圈中的感应电流要从原值开始减小。当线圈的电阻RL<灯泡电阻RA时，线圈电流IL>灯泡的IA。断开开关后，虽然灯泡电流直接减到0，但线圈的电流从一个较大值逐渐减小，大电流流过灯泡时，灯泡就要闪亮一下再熄灭。

【教师】通电自感的进一步实验和解释（多媒体逐步分析）

如图用电流传感器收集开关断开前后通过灯泡A、线圈L的电流IA、IL随时间变化的数据：（1）若 RL=RA相等，请定性作出电脑上显示的IA、IL时间变化图像？

（2）若 RL 远小于RA ，请定性作出电脑上显示的IA、IL时间变化图像？

三、自感系数

【教师】实验表明，磁场的强弱正比于电流的强弱，也就是说，磁通量的变化正比于电流的变化。因此，自感电动势正比于电流的变化率

L 自感系数简称自感或电感

单位：亨利 H    L：与线圈的大小、形状、圈数及有无铁芯有关

美国著名物理学家

1867年起，任美国科学院第一任院长

1829年制成了能提起一吨重铁块的电磁铁；

1830年发现电磁感应现象，

1832年发现了电流的自感现象；

……

四、磁场的能量

在图2.4-3的实验中，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？

1. 自感现象中的磁场能量

（1）线圈中电流从无到有时：磁场从无到有，电源的能量输送给磁场，储存在磁场中。

（2）线圈中电流减小时：磁场中的能量释放出来转化为电能。                                                         

2. 电的“惯性”

自感电动势有阻碍线圈中电流变化的性质。

理解：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，线圈能够体现电的"惯性"。

【课堂小结】

【随堂演练】

1.有关自感现象,下列叙述中正确的是：（   B   ）

A、有铁芯的多匝金属线圈中,通过的电流强度   不变时,无自感现象发生,线圈的自感系数为零

B、导体中所通电流发生变化时,产生的自感电   动势总是阻碍导体中原来电流的变化

C、线圈中所通电流越大,产生的自感电动势也越大

D、线圈中所通电流变化越大,产生的自感电动势也越大

2.如图所示的电路中，A1和A2是两个相同的小灯泡，线圈L的电阻可以忽略，下列说法正确的是(   AD  )

A.合上开关S接通电路时,A2先亮,A1后亮,最后一样亮

B.合上开关S接通电路时,A2和A1始终一样亮

C.断开开关S切断电路时,A2立刻熄灭,A1过一会儿才熄灭

D.断开开关S切断电路时,A2和A1都要过一会儿才熄灭

3. 如图所示甲、乙中，自感线圈L的电阻很小，接通S，使电路达到稳定，灯泡A发光，下列说法正确的是(      D    )

A．在电路甲中，断开S，A将立即熄灭

B．在电路甲中，断开S，A将先变得更亮，然后逐渐变暗

C．在电路乙中，断开S，A将逐渐变暗

D．在电路乙中，断开S，A将先变得更亮，然后渐渐变暗

4.如图所示电路中，A、B是两个完全相同的灯泡，L是—个理想电感线圈，下列说法正确的是(　AC　)

A．S闭合时，A立即亮，然后逐渐熄灭

B．S闭合时，B立即亮，然后逐渐熄灭

C．S闭合足够长时间后，B发光，而A不发光

D．S闭合足够长时间后，B熄灭，而A发光

5、某同学利用如图所示电路研究自感现象。电源的电动势为E，内阻不计，电感线圈L的电阻不计。在t=0时刻闭合开关S，电路稳定后，在t=t1时刻断开S，发现灯泡L闪亮一下后逐渐熄灭。若取由A到B的电流方向为电流的正方向，则下列图中表示通过灯泡D的电流随时间t变化的图像中正确的是（　A　）

教学反思

X&

为了增加学生的感性认识，并增强他们对物理学习的兴趣，我利用了演示实验教学设计思路，分为以下几步。提出问题—理论分析—实验验证—得出结论。这种教学方法。既培养了学生的探究分析解决问题的能力，又培养了学生的交流合作的精神，同时还培养了学生的实验观察能力，总结归纳能力和语言表达能力，在课堂中充分体现了师生互动。