2.4 互感和自感 教学设计-2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

互感和自感教学设计 章节 人教版高中物理选修性必修2第二章第四节 课题 互感和自感 课时 1课时 课型 新授课 授课时间 教学内容分析 1.课标解读 2.2.3 通过实验，了解自感现象和涡流现象。能举例说明自感现象和涡流现象在生产生活中的应用。 根据课标要求，本节我们需要通过通电自感、断电自感等实验向学生介绍互感现象和自感现象，使学生理解互感现象和自感现象，并能够从本质上解释自感现象与互感现象，进一步举例生活中自感现象与互感现象的实例，让学生体会到其在生活的实用价值。 2.教材分析 本节课内容选自人教版高中物理选择性必修2第二章第四节互感和自感。 在学习本章之前学生已经学习过第二章电磁感应中的楞次定律、法拉第电磁感应定律、涡流、电磁阻尼和电磁驱动等知识，具有一定分析电磁感应现象的能力，因此在本节中揭示自感与互感现象的实质是电磁感应现象，学生理解较为容易。 根据本节教学内容的安排：通过线圈、扩音器、手机的实验引入课堂，引导学生思考为什么手机与扩音器没有相连，却可以传出音乐声？进而通过演示实验验证得到互感现象，向学生介绍生活中的互感现象：变压器、电磁炉、手持安检仪、无线充电、感应灯等，增加学生对于生活中处处有物理的认识；其次通过分析两个线圈的互感现象引发学生思考一个线圈是否也可以激发感应，进行通电自感、断电自感实验，带领学生分析实验实质，得到自感现象，并利用电流传感器验证理论分析，加强学生对于自感现象的认识。 学情分析 1、 前概念 部分学生可能存在错误的认知，如：手机与扩音器并没有利用导线连接，手机里的声音并不会通过扩音器放出；闭合开关的瞬间，灯泡都是同时发光；断开开关的瞬间，灯泡也会同时熄灭。 2、 已有知识基础 在前三节学生已经系统的学习了楞次定律、法拉第电磁感应定律，能够利用楞次定律结论“增反减同”解释电磁感应现象中电流变化的原因，对线圈也有一定的认识，能够分析出两个线圈的电磁感应现象，也能够在教师的引导下分析自感现象的本质；能够在教师的引导下通过电磁感应定律分析得到自感电动势的计算公式；由于之前已经学习过涡流，向学生进一步介绍手持安检仪、无线充电时学生更容易理解。 3、 已有能力基础 学生具备一定的学习探究的能力，具有较强的实验基础，动手能力较强，对于搭建电路、进行电路实验较为熟悉，能够较为轻松的搭建通电自感、断电自感实验电路并进行小组实验。 具体从生活经验、学习经验分析如下： 生活经验 有过利用扩音器与手机相连播放音乐的经历 对生活中常见的手持安检仪、电磁炉、门禁卡、公交卡、无线充电等较为熟悉 学习经验 概念规律 初步学习了楞次定律、法拉第电磁感应定律、涡流等基础知识 思想方法 掌握依据探究实验概括规律的思想 具有利用楞次定律解释电磁感应现象的思想 实验能力 具备观察分析能力、动手能力及物理规律的总结能力 对于电路搭建较为熟悉 教学目标 物理观念与物理知识 通过观察两个线圈互相传递音频信号现象，认识生活中的互感现象 通过改变电流大小演示实验，了解互感现象的实质 通过通电自感、断电自感实验及传感器绘制电流变化实验，了解自感现象 通过对断电自感实验和定性分析，学会类比通电自感分析断电自感的发生过程，并理解灯泡闪亮的原因 科学思维与探究 通过对通电自感实验和定性分析，理解灯泡缓慢变亮的原因，培养推理能力 通过学生动手对通电自感、断电自感实验进行探究，培养学生的实验能力、观察能力、分析推理能力 能够利用自感、互感现象解释一些简单问题，并对其有效防止与利用 科学态度与责任 通过学生动手实验、探究自感现象本质，培养学生从特殊得到普遍规律的意识及不断探索的精神 通过无线充电、手持安检仪、门禁卡等实例的介绍，培养学生的探索生活本质的意识 教学重点 理解自感现象、互感现象，能够利用楞次定律解释两个现象 了解生活中互感现象的实际应用 教学难点 能够从本质上解释自感现象，并进一步理解“阻碍”的意义 教学手段 教学资源 课件、视频 教学用具 小灯泡、导线、线圈、开关、电流传感器、电脑、滑动变阻器 教学方法 教法 讲授法 演示法 讨论法 实验法 学法 讨论法 实验法 练习法 教学过程 环节 教师活动 学生活动 设计意图 创设情境 新课引入 1. 播放提前录制好的实验视频或者有条件的话课堂演示实验： 两个线圈A、B之间并没有导线相连，线圈A与手机音频输出端连接，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。 观看视频。 通过学生在生活中熟悉的事物使学生快速融入课堂并激发学生学习的兴趣，对音乐赶兴趣的学生更有学习的欲望。 互感现象 新课讲授 1. 引导学生思考： （1） 提出问题组织学生小组讨论： ①什么是音频信号？ ②为什么能在扩音器上听见手机输出的声音？ （2）倾听学生回答，并给出正确答案。 ①手机输出的音频信号实际上是一种声波，声波通过导线转换为电信号，它的强度和频率都在变化，因此可以认为这是一种变化的电流。 ②A线圈中变化的电流→变化的磁场→B线圈磁通量发生变化→产生感应电流。 2. 引导学生思考： （1）根据分析再次提出问题： ①感应电流的频率与原电流的频率有什么关系吗？ ②如果反过来，B线圈中变化的电流是否也会使A线圈中产生变化的电流呢？ （2）倾听学生回答，并给出正确答案。 ①只有感应电流频率与原电流频率相同时才能输出不变的音乐，所以两个频率应该相同。 ②由电磁感应的条件可以得到也会产生感应电流。 3. 进行演示实验探究： 一个线圈电流变化时，另一个线圈电流是否变化，是否产生感应电动势，引导学生观察现象并总结： ①当电源接交流电连接线圈A时（即改变电流方向时），观察线圈B是否会产生感应电流。 ②在电路中增加滑动变阻器，通过改变滑动变阻器的阻值大小，改变电流，观察线圈B是否会产生感应电流。 4.通过对扩音器发声实验的解读及演示实验的进一步验证，进而引入互感现象，介绍： （1）定义：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，这种现象叫做互感；这种感应电动势叫做互感电动势。 （1） 实质：互感现象的实质是电磁感应现象。 应用：利用互感现象可以把能量由一个线圈传递到另一个线圈，因此互感在电工技术和电子技术中有广泛的应用，变压器便是利用互感现象制成的。 1.小组讨论并回答问题 （1）声音发出的信号 （2）音频信号的频率在变化 （3）音频的响度、频率、振幅在变化，所以信号肯定是变化的 （4）…… 2.思考并回答问题 （1）频率相同 （2）根据电磁感应原理，也会产生感应电流 3.学生观察实验现象，并总结： （1） 当电源接交流电连接线圈A时（即改变电流方向时），观察线圈B会产生感应电流。 （2） 增加滑动变阻器后，改变滑动变阻器的阻值大小，观察线圈B会产生感应电流。 4.在笔记本上记录互感现象的定义、实质、应用。 从生活情景中构建物理情景，可以培养学生从生活联系物理的习惯，同时通过设问从浅至深引导学生逐步得到结论。 通过问答法层层递进，引导学生思考并构互感现象。 通过演示实验，验证理论推导，学生眼见为实，便可以自然而然的引入互感现象的定义。 互感现象 实际应用 1. 提问：在生活中还有哪些互感现象的应用？ 2.倾听学生回答，纠正错误观点，并介绍几个典型的例子引导学生思考。 （1）演示感应灯实验：将变压器撤去右边的线圈，左边线圈接上220V生活用电（生活用电是一种变化的电流，又叫做交流电），手持线圈并连接一个额定电压是3V的发光二极管，将小线圈靠近变压器的铁芯，观察靠近的过程中所发生的实验现象。 介绍后提出：由此可见互感现象可以发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间。 （2） 手机充电实验：无线充电底座由控制电路和中间的线圈组成，当手机放到充电底座上时，手机显示开始充电，说明手机底部的线圈产生的感应电流，同时底座亮起了一圈绿色的呼吸灯，说明底座感受到有手机在充电。手机底部有个线圈，在充电时能产生感应电流，反过来这个感应电流又让充电底座也产生感应电流，就是所谓的反馈电流，“告知”底座有手机在充电，达到充电的目的，但是只有手机底部安装了接收线圈才能进行无线充电。 从而提出：互感现象还可以发生于任何两个相互靠近电路之间。 （3） 手持安检仪：当它扫过金属时，金属内会产生涡流，涡流会反过来使安检仪的线圈产生反馈电流。安检仪内部探测到这个反馈电流，就能发出报警信号。 （4） 门禁卡、饭卡等 互感现象广泛应用于生活、电力工程和电子电路中，但有时会影响电路的正常工作，这时我们要设法减小电路间的互感。 1.学生思考后回答： （1）探雷器 （2）变压器 （3）电磁炉 （4）…… 2.观察感应灯演示实验现象，思考其背后原理。 向学生介绍物理实验室中能够演示的互感现象，加深学生对互感现象的理解。 介绍无线充电、手持安检仪、电磁炉等生活中常见的仪器，一方面能够加深学生对于互感现象的理解，另一方面能够让学生意识到生活处处有物理。 实验探究自感现象 1. 引导学生思考：如果当一个线圈的电流发生变化时，它产生的变化的磁场能在另一个线圈中激发出感应变动势，是否也能在线圈自身激发出感应电动势呢？ 2. 利用通电自感实验验证猜想： （1）组织学生实验： 两个灯泡A1和A2的规格相同，A1与线圈L串联后接到电源上，A2与可调电阻R串联后接到电源上。先闭合开关S，调节电阻R，使两个灯泡的亮度相同，再调节可调电阻R1，使它们都正常发光，然后断开开关S。重新接通电路，注意观察在开关闭合的时候两个灯泡的发光情况，再将室内的灯关闭，闭合开关演示一次。提示学生观察实验现象。（如果条件不允许，则利用模拟仿真实验或录好的视频） （2）请学生小组实验、分享观察到的现象，讨论从电流变化的角度尝试分析灯泡A1逐渐变亮的原因。 （3）邀请小组分享结果，并引导学生正确分析过程：闭合开关瞬间，穿过线圈的电流从零开始增大→穿过线圈的磁通量增大→线圈中产生感应电动势→根据楞次定律：感应电流方向与原电流方向相反→阻碍电流增大→A1灯逐渐变亮。 1. 思考后回答问题 （1） 可以自身激发出感应电动势 （2） 不可以自身激发感应电动势 2. 根据教师介绍实验电路、实验原理后仔细实验、观察实验现象；小组讨论观察到的现象以及原因。 倾听教师讲解 通过设问自然引导学生思考，通过学生实验验证猜想，能够达到“眼见为实”的目的，使学生信服，既可以培养学生动手实验的能力，又可以培养学生自主分析的能力。 自感现象 新课讲授 3. 根据对于实验结果的分析，教师引入自感现象： ①定义：当一个线圈中的电流变化时，它产生的变化的磁场能在临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，这种现象叫做自感。 ②由于自感而产生的感应电动势叫作自感电动势，遵从法拉第电磁感应定律，即 实验表明，磁场的强弱正比于电流的强弱，磁通量的变化正比于电流的变化，自感电动势正比于电流的变化率，即 可得 ③自感系数： 符号：L 简称：自感或电感 影响因素：它与线圈的大小、形状、匝数，以及是否有铁芯等因素有关 单位：亨利（henry），简称亨，符号H 常用的单位：毫亨（mH）、微亨（μH） 4. 指出刚才进行的是通电自感实验，并进行断电自感实验。 （1） 介绍实验电路：先闭合开关使灯泡发光，然后断开开关。注意观察开关断开时灯泡的亮度。 （2）实验前设置思考问题： ①电源断开时，通过线圈L的电流减小，这时会出现感应电动势。感应电动势的作用是使线圈L中的电流减小得更快些还是更慢些？ ②产生感应电动势的线圈可以看作一个电源，向外供电。由于开关已经断开，线圈提供的感应电流将沿什么路径流动？ ③开关断开后，通过灯泡的感应电流与原来通过它的电流方向是否一致？ ④开关断开后，通过灯泡的感应电流是否有可能比原来的电流更大？为了使实验的效果更明显，对线圈L应该有什么要求？ （3）邀请学生上台搭建断电自感实验电路，并协助完成实验（在开灯、关灯两种情况下进行）。 （4）根据观察结果，组织学生小组讨论原因及实验问题。 5.组织学生汇报讨论结果，并给出正确解释： ①逐渐熄灭的原因：断开开关后，通过线圈的电流减小→穿过线圈的磁通量减小→线圈产生感应电动势→感应电流方向与原电流方向相同→阻碍电流减小→B灯逐渐熄灭 ②骤亮的原因： 根据对实验电流的分析解答实验前的问题：闭合开关，电流从正极流出，汇总回到电源负极，此时流过灯泡的电流方向向右，当断开开关时，线圈产生自感电动势会在回路中形成感应电流，此时通过灯泡的电流方向向左与原来电流方向相反。灯泡闪亮一下，说明流通灯泡的感应电流要大于灯泡原先电流，线圈中的感应电流总是要从原值开始逐渐减小，所以当电流中线圈的电阻RL小于灯泡电阻RA时，线圈中的电流IL就要大于灯泡的电流IA，所以断开开关后，虽然灯泡电流直接减到零，但线圈中的电流会从IL开始逐渐减小，较大的IL流过灯泡时大于灯泡原来的电流IA，所以灯泡就要闪亮一下再熄灭。 ③引导学生从能量的角度思考，为什么会骤亮？ 开关断开以后，线圈中的电流并未立即消失，线圈中有电流，有电流就有磁场，能量储存在磁场中。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。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”。 3. 学习自感现象的定义、自感电动势的相关知识。 4. 进行断电自感实验，并观察实验现象；小组讨论解释实验前设置思考问题，并选择代表人汇报。 5.倾听教师讲解，根据教师对电流的分析，进一步从能量角度独立思考骤亮原因，并发表见解。 培养学生理论分析实验现象的能力，将楞次定律与本节课知识串联可以加深学生对于自感、楞次定律的理解；通过能量角度分析培养学生多角度思考问题的能力。 演示实验 1. 演示实验用电流传感器显示自感对电流的影响 （1）介绍实验电路： 由之前的分析可知开关闭合时电流是逐渐增大的，为了说明这一点，将线圈拆掉再测一次，对比两次测得的电流—时间图像有什么不同。 将线圈L与电阻R并联后接到电池的两端，测量通过电阻R的电流，开关断开前后通过电阻R的电流方向及大小。 2.通过实验结果，引导学生加强对自感现象的认识与理解。 1.理解实验原理，并观察实验得到的数据图，验证之前的理论推理。 定量实验，观察电流变化，进一步加深对自感现象的认识，达到“眼见为实”的目的。 巩固应用 练习，讲评 做题、练习 通过练习回扣教学内容达到巩固课堂知识的目的。 板书 作业 查找关于“延时继电器”的相关知识 课后习题3 教学反思 学科网（北京）股份有限公司 $$