2.4互感和自感 教学设计-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

该高中物理教学设计聚焦互感和自感现象，作为电磁感应规律的重要应用，既深化法拉第电磁感应定律理解，又为交流电、变压器学习奠定基础。课堂导入从学生熟悉的生活现象切入，如手机充电器拔插头时的火花、日光灯关闭后的短暂闪烁，搭建生活与物理的桥梁，引导学生探究电流“惯性”的本质，形成知识脉络。 该资料以实验探究为核心特色，通过灯泡亮度变化（闭合开关时延迟变亮、断开时短暂闪亮）直观呈现互感与自感动态过程，结合楞次定律分析自感电动势的阻碍作用，培养科学思维中的模型建构与科学推理能力。注重联系实际应用，如无线充电、变压器原理，强化物理观念中电磁感应的应用认知，通过“电磁惯性”类比帮助学生理解磁场能量转化，提升科学探究能力。对学生而言，实验现象与生活实例结合降低抽象概念难度；对教师而言，提供清晰的实验设计、问题链及教学反思，便于直接应用于课堂，有效达成核心素养目标。

2.4互感和自感教学设计 教材分析 互感与自感现象是电磁感应规律的重要应用，在知识体系中承前启后，既是对法拉第电磁感应定律的深化理解，又为后续学习交流电和变压器奠定基础。核心概念包括互感电动势、自感电动势、自感系数等物理量，以及楞次定律的应用，这些内容共同构建了电磁感应现象的系统认知。教材通过对比实验（图2.4-1灯泡亮度变化）和示意图（图2.4-2感应电动势阻碍作用）直观呈现电磁感应的动态过程，将抽象的磁场能量概念转化为可观察的灯泡延迟熄灭现象。学习难点主要集中在三个方面：一是理解自感电动势阻碍电流变化的双重表现（阻碍增加也阻碍减小），二是掌握自感系数与线圈特性的关系，三是建立磁场储能这一抽象概念。学生容易混淆互感与自感的产生条件，对自感现象中"电流惯性"的物理实质理解不深，需要结合实验现象和能量转化过程进行突破。 学情分析 学生已掌握电磁感应的基本概念及楞次定律，具备分析简单电路的能力。高二学生具备一定的抽象思维能力，但对自感和互感现象的理解仍需借助直观实验和生活实例。本节重点在于理解互感和自感现象的物理本质及其在实际中的应用，难点在于自感现象中感应电动势对电流变化的阻碍作用及自感系数的影响因素，要求学生能结合实验现象进行逻辑推理和归纳总结。 教学目标 物理观念： 能够解释互感现象和自感现象的本质，理解电磁感应在实际电路中的应用原理。 科学思维： 能够运用楞次定律分析自感电动势对电流变化的阻碍作用，建立电磁感应现象的因果关系模型。 科学探究： 能够通过观察灯泡亮度变化的实验现象，设计实验验证自感现象的影响因素。 科学态度与责任： 能够认识到电磁感应现象在电工技术中的重要性，理解安全用电的必要性。 重点难点 教学重点： 通过互感与自感实验，理解互感电动势和自感电动势的产生条件 通过公式分析，掌握自感电动势与电流变化率的关系及自感系数的意义 教学难点： 通过断电瞬间灯泡闪亮现象，理解自感电动势阻碍电流减小的惯性特征 通过能量转化过程，理解磁场能的储存与释放机制 课堂导入 同学们，你们有没有遇到过这样的现象：拔掉手机充电器时，有时会看到插头处冒出小火花？或者注意到老式日光灯关闭后，灯管还会微弱地闪烁几秒钟？这些看似平常的现象背后，其实隐藏着一个有趣的物理原理。当电流发生变化时，电路会产生一种特殊的"惯性"，就像运动的物体会保持原有状态一样。那么，为什么电流也会有"惯性"？这种"惯性"又是如何影响我们日常生活中的电器工作的？ 互感现象 探究新知 创设情景 在日常生活中，手机无线充电器可以不通过导线直接为手机充电。当手机放置在充电板上时，即使没有金属接触，电能也能从充电器传递到手机电池中。这一过程的背后，是两个设备内部线圈之间的特殊电磁作用在起作用。 问题探讨 问题： 问题1： 为什么两个没有导线连接的线圈之间也能实现能量传递？ 问题2： 当一个线圈中的电流发生变化时，另一个线圈中为什么会产生产生电动势？ 问题3： 这种现象是否只发生在绕在同一铁芯上的线圈之间？ 问题4： 互感现象在实际应用中有哪些积极作用？ 问题5： 在某些电路中，互感可能带来干扰，这是为什么？ 探讨： 问题1： 无线充电器内部的发射线圈通有交变电流，产生变化的磁场。接收线圈处于该磁场中，由于磁场不断变化，穿过接收线圈的磁通量也随之变化，从而在其内部产生感应电动势，实现能量传递。 问题2： 根据电磁感应规律，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，就会产生感应电动势。当一个线圈电流变化时，其磁场随之变化，该磁场穿过邻近线圈，导致磁通量变化，因而产生感应电动势。 问题3： 这种现象不仅限于铁芯上的线圈，只要两个电路彼此靠近，且一个电路的磁场能穿过另一个电路，就可能发生互感。 问题4： 变压器正是利用互感实现电压变换，广泛应用于电力输送和电子设备供电中。 问题5： 当多个电路靠得较近时，一个电路电流变化可能在另一个电路中引起不必要的感应电动势，造成信号干扰或能量损耗，因此需采取屏蔽或布局优化来减小互感影响。 归纳总结 1. 互感现象定义：两个线圈之间虽无导线相连，但当一个线圈中的电流变化时，其产生的变化磁场会在另一个线圈中产生感应电动势，这种现象称为互感。 2. 互感电动势：由互感现象产生的感应电动势称为互感电动势。 3. 能量传递方式：利用互感可将能量从一个线圈传递到另一个线圈。 4. 应用实例：变压器是利用互感现象制成的典型设备。 5. 影响范围：互感不仅发生在共用铁芯的线圈间，也可发生于任何相互靠近的电路之间。 6. 工程影响：互感在电工和电子技术中有广泛应用，但也可能干扰电路正常工作，需设法减小。 概念深化 问题 为什么变压器必须使用交流电才能正常工作？ 答案 变压器基于互感原理工作，要求原线圈产生的磁场持续变化，才能在副线圈中产生感应电动势。直流电电流恒定，产生的磁场不随时间变化，无法引起磁通量变化，因此不能产生互感电动势。而交流电的电流大小和方向周期性变化，产生持续变化的磁场，使副线圈中磁通量不断变化，从而产生感应电动势，实现电压变换。故变压器只能在交流电路中工作。 自感现象 探究新知 创设情景 在日常生活中，我们经常遇到日光灯启动时缓慢变亮的现象。刚打开开关时，灯管并不是立即达到最亮，而是逐渐发光。这种现象与电路中某些元件对电流变化的“阻碍”作用有关。类似地，在含有线圈的电路中，当开关突然断开时，有时会看到短暂的闪光或火花，这背后也隐藏着一种特殊的电磁现象。 问题探讨 问题： 问题1： 闭合开关瞬间，为什么与线圈串联的灯泡比另一个灯泡亮得更慢？ 问题2： 线圈中的电流发生变化时，为什么会在线圈自身中产生感应电动势？ 问题3： 自感电动势的方向总是阻碍电流变化吗？依据是什么？ 问题4： 开关断开后，灯泡为什么会短暂闪亮一下？电流从哪里来？ 问题5： 为什么大功率设备断开时容易产生电火花？这与线圈的什么特性有关？ 探讨： 问题1： 闭合开关瞬间，电流开始增大，线圈中的磁场也随之变化。根据电磁感应规律，变化的磁场会在原线圈中激发出感应电动势。这个电动势不是由外部电源提供的，而是由线圈自身电流变化引起的。 问题2： 当线圈自身电流变化时，它产生的磁场也随之变化，而变化的磁场会在线圈自身中产生感应电动势，这就是自感现象的本质。 问题3： 根据楞次定律，感应电动势总是阻碍引起它的磁通量变化。电流增加时，自感电动势方向与电流相反；电流减小时，方向相同，因此始终阻碍电流的变化。 问题4： 断开开关后，线圈中电流减小，产生自感电动势，试图维持原有电流。此时线圈相当于临时电源，感应电流通过灯泡形成回路，导致灯泡短暂闪亮。 问题5： 线圈匝数越多、电流越大，自感系数越大，断开时产生的自感电动势越高，可能击穿空气形成电火花。因此需使用安全开关。 归纳总结 1. 自感现象：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。 2. 自感电动势：由于自感而产生的感应电动势叫作自感电动势。 3. 楞次定律的应用：自感电动势总是阻碍电流的增加或减小。 4. 开关断开时的现象：线圈可看作临时电源，提供感应电流，路径通过与其并联的灯泡。 5. 实际应用中的问题：大线圈断开时产生高自感电动势，易产生电火花，需使用安全开关。 概念深化 问题 为什么增加线圈匝数可以使自感现象更明显？从磁通量的角度解释。 答案 线圈匝数越多，在相同电流下产生的磁场越强，磁通量越大。电流变化时，磁通量变化率也更大，根据法拉第电磁感应定律，自感电动势随之增大，因此现象更显著。 自感系数 探究新知 创设情景 在日常生活中，日光灯启动时常常会看到短暂的闪烁，随后才正常发光。这是因为日光灯电路中有一个镇流器，其核心部件是一个线圈。当电路接通或断开的瞬间，线圈会产生一个较大的电动势，影响电流的变化。这种现象与线圈自身的电磁特性密切相关。 问题探讨 问题： 问题1： 为什么在断开含有线圈的电路时，有时会出现火花？ 问题2： 线圈中的电流变化是否会引起自身产生电动势？这种电动势与什么因素有关？ 问题3： 如果两个线圈匝数不同，其他条件相同，它们对电流变化的阻碍作用是否相同？ 问题4： 如何定量描述线圈自身产生的电动势与电流变化之间的关系？ 探讨： 问题1： 断开电路时，线圈中的电流迅速减小，导致穿过线圈的磁通量发生剧烈变化。根据电磁感应规律，这种变化会在线圈自身中产生电动势，试图维持原有电流，从而可能产生瞬时高电压，击穿空气形成火花。 问题2： 实验表明，线圈中电流的变化会引起自身磁通量的变化，从而产生感应电动势，这种现象称为自感。该电动势的大小与电流变化的快慢有关，电流变化越快，电动势越大。 问题3： 线圈匝数越多，相同电流下产生的磁场越强，磁通量变化也越大，因此自感作用更明显。说明线圈的几何特征会影响其电磁响应能力。 问题4： 通过实验可得，自感电动势正比于电流变化率，引入比例系数，得到，其中即为自感系数。 归纳总结 1. 自感电动势遵从法拉第电磁感应定律，其大小为。 2. 自感电动势正比于电流的变化率，即。 3. 写成等式为，其中称为自感系数，简称自感或电感。 4. 自感系数与线圈的大小、形状、匝数以及是否有铁芯等因素有关。 5. 电感的单位是亨利（H），常用单位有毫亨（mH）和微亨（H）。 概念深化 问题 为什么在含有铁芯的线圈中，自感系数会显著增大？ 答案 铁芯由铁磁性材料构成，能显著增强线圈内部的磁场。当电流通过线圈时，铁芯被磁化，使相同电流下产生的磁通量大幅增加。由于自感系数反映的是线圈产生磁通量的能力，磁通量越大，越大。因此，加入铁芯后，线圈的自感系数明显提高。 磁场的能量 探究新知 创设情景 在日常生活中，我们常看到日光灯或节能灯在关闭开关后仍会短暂闪烁或持续发光一会儿。这种现象不仅出现在家用照明设备中，也常见于一些电动工具断电后的余光。这说明电能并未在断电瞬间完全消失，而是以某种形式继续释放。 问题探讨 问题： 问题1： 断开电源后灯泡还能短暂发光，能量从何而来？ 问题2： 线圈中的电流变化时，为何会产生阻碍电流变化的电动势？ 问题3： 当开关闭合瞬间，电流为何不能立即达到稳定值？ 问题4： 线圈的自感系数越大，对电流变化的阻碍越明显，这说明了什么物理意义？ 探讨： 问题1： 灯泡断电后仍发光，说明仍有能量供给。这部分能量并非来自电源（已断开），而是来自线圈内部储存的能量。线圈中有电流时会产生磁场，因此可推断能量储存在磁场中。 问题2： 当线圈中电流变化时，穿过线圈的磁通量也随之变化，根据电磁感应规律，线圈自身会产生感应电动势。这个电动势总是阻碍原电流的变化，称为自感电动势。 问题3： 开关闭合瞬间，电流从零开始增大，磁场也从无到有建立。此时自感电动势阻碍电流增加，导致电流逐渐上升，而非突变。 问题4： 自感系数大表示线圈“抵抗”电流变化的能力强，意味着其储存磁场能的能力更强，体现出类似“惯性”的特性。 归纳总结 1. 磁场的能量来源：电源在接通电路时将能量输送给磁场，储存在其中。 2. 能量储存位置：电流通过线圈时产生磁场，能量储存在磁场中。 3. 自感电动势的作用： · 接通电源时，阻碍电流增大； · 断开电源时，阻碍电流减小。 4. 自感现象的惯性特征：线圈的自感系数越大，电流变化越缓慢，现象越明显。 概念深化 问题 为什么说线圈中的自感现象体现了“电磁惯性”？请结合能量转化过程解释。 答案 “惯性”原指物体保持原有运动状态的性质。在线圈中，电流类似于“运动状态”，自感电动势总是阻碍电流的改变——无论是增大还是减小，就像质量阻碍速度变化一样。当电流试图增加时，自感电动势延缓其增长，能量逐步由电源转移至磁场；当电流减小时，磁场释放储存的能量维持电流一段时间。这一延迟响应和能量缓冲过程，正如同力学中的惯性表现，故称“电磁惯性”。 课堂练习 第1题 【题文】如图所示灯泡LA、LB完全相同，带铁芯的线圈L的电阻可忽略。在开关闭合和断开的过程中，LA、LB的亮度变化情况是（灯丝不会断）则（　　） A．S闭合的瞬间，LA、LB同时发光，接着LA变暗，LB更亮，最后LA熄灭 B．S闭合瞬间，LA不亮，LB立即亮 C．S闭合瞬间，LA、LB都不立即亮 D．稳定后再断开S的瞬间，LB熄灭，LA比LB（原亮度）更亮 【答案】A 第2题 【题文】如图所示电路中，灯泡与带铁芯的线圈（直流电阻可忽略）并联接在电源上，则（　　） A．S闭合后，灯泡逐渐变亮 B．S闭合后，灯泡一直亮 C．S断开时，灯泡立即熄灭 D．S断开时，灯泡先闪亮后又熄灭 【答案】D 第3题 【题文】如图所示，P和Q是两个相同的小灯泡，L是自感系数很大的线圈，其电阻小于灯泡的电阻，两灯泡在以下操作中不会被烧坏。下列说法正确的是（　　） A．开关S闭合时，P灯先亮，Q灯后亮 B．开关S闭合一段时间后，两灯的亮度相同 C．开关S断开前后通过P灯的电流方向改变 D．开关S由闭合变为断开时，Q灯闪亮后熄灭 【答案】C 课堂总结 互感现象： 两线圈间无导线连接，电流变化→磁场变化→另一线圈产生感应电动势 应用：变压器、能量传递 可能干扰电路，需减小互感 自感现象： 电流变化→自身产生感应电动势（阻碍原电流变化） 演示：灯泡亮起/熄灭延迟，断开时可能闪亮 自感电动势 ，为自感系数 自感系数 ： 与线圈大小、形状、匝数、铁芯有关 单位：亨（H）、毫亨（mH）、微亨（μH） 磁场能量： 自感现象中，电能与磁场能相互转化 线圈具有“电磁惯性”，越大，现象越明显 教学反思 本节课围绕互感与自感现象展开，通过演示实验观察灯泡亮度变化，结合楞次定律分析感应电动势的阻碍作用，并建立自感系数与磁场能量的概念。教学基本达成目标，约80%学生能解释互感现象在变压器中的应用，但对自感电动势瞬时性的理解存在困难。成功之处在于实验设计直观有效，通过"灯泡延迟熄灭"现象生动展示磁场能量的转化过程，帮助学生建立电磁感应的动态模型；不足之处是自感系数的影响因素分析较为抽象，部分学生在理解L与线圈参数的定量关系时缺乏直观认知，需增加不同形状线圈的对比实验，并补充工程应用中抑制互感干扰的实例分析，以强化理论与实际的联系。 学科网（北京）股份有限公司 $