自感现象及其应用教学设计.doc

《自感现象及其应用》教学设计

广州市花都区实验中学 物理科 陈丽华

★新课标要求
（一）知识与技能
1．知道什么是自感现象。
2．知道自感系数是表示线圈本身特征的物理量，知道它的单位及其大小的决定因素。
3．知道自感现象的利与弊及对它们的利用和防止。
4．能够通过电磁感应部分知识分析通电、断电自感现象的原因及磁场的能量转化问题。
（二）过程与方法
1．通过对两个自感实验的观察和讨论，培养学生的观察能力和分析推理能力。
2．通过自感现象的利弊学习，培养学生客观全面认识问题的能力。
（三）情感、态度与价值观
自感是电磁感应现象的特例，使学生初步形成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。
★教学重点
1．自感现象。
2．自感系数。
★教学难点
分析自感现象。
★教学方法

7

通过演示实验，引导学生观察现象、分析实验
★教学用具：
自感现象示教板，CAI课件。
★教学过程
（一）引入新课
教师：在电磁感应现象中，产生感应电流的条件是什么？
学生：只要穿过闭合回路的磁通量发生变化，回路中就有感应电流产生.
教师：引起回路磁通量变化的原因有哪些？
学生：磁场的变化；回路面积的变化；电流的变化引起磁场的变化等。
教师：这里有两个问题需要我们去思考：
（1）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？
（2）当电路自身的电流发生变化时，会不会产生感应电动势呢？
本节课我们学习这方面的知识。
（二）进行新课
1、自感现象
教师：当电路自身的电流发生变化时，会不会产生感应电动势呢？下面我们首先来观察演示实验。
［实验1］演示通电自感现象。
教师：出示示教板，画出电路图（如图所示），A1、A2是规格完全一样的灯泡。闭合电键S，调节变阻器R，使A1、A2亮度相同，再调节R1，使两灯正常发光，然后断开开关S。重新闭合S，观察到什么现象？（实验反复几次）
学生：跟变阻器串联的灯泡A2立刻正常发光，跟线圈L串联的灯泡A1逐渐亮起来。
教师：为什么A1比A2亮得晚一些？试用所学知识（楞次定律）加以分析说明。
学生：分组讨论（可以提醒学生这时出现了新电源，电源在哪里？电动势方向又如何？）
师生共同活动：电路接通时，电流由零开始增加，穿过线圈L的磁通量逐渐增加，L中产生的感应电动势的方向与原来的电流方向相反，阻碍L中电流增加，即推迟了电流达到正常值的时间。
［实验2］演示断电自感。
教师：出示示教板，画出电路图（如图所示）接通电路，待灯泡A正常发光。然后断开电路，观察到什么现象？
学生：S断开时，A灯突然闪亮一下才熄灭。
教师：为什么A灯不立刻熄灭？
学生：分组讨论（可以提醒学生这时出现了新电源，电源在哪里？电动势方向又如何？）
师生共同活动：当S断开时，L中的电流突然减弱，穿过L的磁通量逐渐减少，L中产生感应电动势，方向与原电流方向相同，阻碍原电流减小。L相当于一个电源，此时L与A构成闭合回路，故A中还有一段持续电流。灯A闪亮一下，说明流过A的电流比原电流大。
教师：用多媒体课件在屏幕上打出i—t变化图，如下图所示.
（师生共同活动：总结上述两个实验得出结论）
导体本身电流发生变化而产生的电磁感应现象叫自感现象。自感现象中产生的电动势叫自感电动势。
教师：自感现象有其有利的一面，也有其有害的一面。请同学们课下查阅资料，举出自感现象在电工技术和电子技术中有哪些应用，又有哪些需要避免的实例。
2．自感系数
教师：自感电动势的大小决定于哪些因素呢？请同学们阅读教材内容。然后用自己的语言加以概括，并回答有关问题。
学生：阅读教材。
教师：自感电动势的大小决定于哪些因素？说出自感电动势的大小的计算公式。
学生：自感电动势的大小与线圈中电流的变化率成正比，与线圈的自感系数L成正比。写成公式为
E =L
教师：电流的变化率是什么？
学生：与磁通量的变化率相似，电流的变化率反映电流变化的快慢，其值等于电流的变化与所用时间的比值。
教师：什么叫自感系数呢？
学生：自感系数是用来表示线圈的自感特性的物理量。
教师：线圈的自感系数与哪些因素有关？
学生：线圈的自感系数与线圈的大小、形状、圈数、是否带有铁芯等因素有关。
教师：实验表明，线圈越大，越粗，匝数越多，自感系数越大。另外，带有铁芯的线圈的自感系数比没有铁芯时大得多。
教师：自感系数的单位是什么？
学生：亨利，符号H，更小的单位有毫亨（mH）、微亨（μH）
1H=103 mH 1H=106μH
3．磁场的能量
教师：在断电自感的实验中，为什么开关断开后，灯泡的发光会持续一段时间？甚至会比原来更亮？试从能量的角度加以讨论。
学生：分组讨论。
师生共同活动：推断出能量可能存储在磁场中。
教师指出：以上只能是一种推断，电磁场具有能量还需要进一步的实验验证。
教师：教材最后一段说，线圈能够体现电的“惯性”，应该怎样理解？电的“惯性”大小与什么有关？
学生：当线圈通电瞬间和断电瞬间，自感电动势都要阻碍线圈中电流的变化，使线圈中的电流不能立即增大到最大值或不能立即减小为零，因此可以借用力学中的术语，说线圈能够体现电的“惯性”。线圈的自感系数越大，这个现象越明显，可见，电的“惯性”大小决定于线圈的自感系数。
（三）课堂总结、点评
教师活动：让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。
学生活动：认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。
点评：总结课堂内容，培养学生概括总结能力。
教师要放开，让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架。
（四）实例探究
☆自感现象的分析与判断
【例1】如图所示，电路甲、乙中，电阻R和自感线圈L的电阻值都很小，接通S，使电路达到稳定，灯泡D发光。则 （ ）
A．在电路甲中，断开S，D将逐渐变暗
B．在电路甲中，断开S，D将先变得更亮，然后渐渐变暗
C．在电路乙中，断开S，D将渐渐变暗
D．在电路乙中，断开S，D将变得更亮，然后渐渐变暗
解析：因R、L阻值很小，在电路甲中，线圈L与灯泡D串联，L中电流很小，断开S时自感电动势较小，自感作用使D与L中的电流值从S接通稳定后开始减小，D将逐渐变暗，而不是立即熄灭。在电路乙中，L与D、R并联，稳定时L中电流比D中电流大，断开S的瞬间，L中电流从开始的稳定值逐渐减小，所以断开瞬间，通过灯泡D的电流变大，D将变得更亮，然后渐渐变暗。正确选项为AD
点评：S接通后电路稳定，比较L与D中电流大小，S断开后，因自感作用L、D、R构成回路有电流，判断D变暗还是变亮，关键是看S断开后从L流到D中的电流比D中原来（S未断开时）的电流是大还是小。
【例2】如图所示，自感线圈的自感系数很大，电阻为零。电键K原来是合上的，在K断开后，分析：
（1）若R1＞R2，灯泡的亮度怎样变化？
（2）若R1＜R2，灯泡的亮度怎样变化？
解析：灯泡的亮度由它的实际功率I2R即流过灯泡中的电流来决定。因而必须从题设条件出发讨论在各种情况下流过灯泡中的电流。
K断开后，原来电源提供给小灯泡的电流立即消失，但L中因自感而产生逐渐减弱的电流流过小灯泡，使小灯泡逐渐变暗到熄灭。
（1）因R1＞R2，即I1＜I2，所以小灯泡在K断开后先突然变到某一较暗状态，再逐渐变暗到最后熄灭。
（2）因R1＜R2，即I1＞I2，小灯泡在K断开后电流从原来的I2突变到I1（方向相反），然后再渐渐变小，最后为零，所以灯泡在K断开后先变得比原来更亮，再逐渐变暗到熄灭。
点评：（1）若是理想线圈，即直流电阻为零。
①L与灯泡串联时，通过灯泡的电流与L中电流始终同步，因而不能突变。
②L与灯泡并联时，通过灯泡的电流与L中的电流在电路接通时不同步，即灯丝中电流突变到最大再渐渐变小到零，而L中电流从零逐渐增大到最大；断开电路时，L因自感而对灯丝供电，使灯丝中的电流从零突变到原来L中的电流值，再渐渐变为零。
（2）当L与灯丝并联且L的电阻不为零时，接通电源时灯丝中电流突变为最大，再慢慢减小，而L中的电流由零开始逐渐增大到稳定；稳定后L和灯丝中都有电流，因而灯不会熄灭。
断开电源时：要讨论RL=R灯、RL＞R灯、RL<R灯时，电流变化情况。
★巩固练习
1．下列关于自感现象的说法中，正确的是 （ ）
A．自感现象是由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象
B．线圈中自感电动势的方向总与引起自感的原电流的方向相反
C．线圈中自感电动势的大小与穿过线圈的磁通量变化的快慢有关
D．加铁芯后线圈的自感系数比没有铁芯时要大
2．关于线圈的自感系数，下面说法正确的是 （ ）
A．线圈的自感系数越大，自感电动势一定越大
B．线圈中电流等于零时，自感系数也等于零
C．线圈中电流变化越快，自感系数越大
D．线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁芯决定
3．磁通量的单位是_____，磁感强度的单位是_____，自感系数的单位是_____。
4．如图所示，L为一个自感系数大的自感线圈，开关闭合后，小灯能正常发光，那么闭合开关和断开开关的瞬间，能观察到的现象分别是 （ ）
A．小灯逐渐变亮，小灯立即熄灭
B．小灯立即亮，小灯立即熄灭
C．小灯逐渐变亮，小灯比原来更亮一下再慢慢熄灭
D．小灯立即亮，小灯比原来更亮一下再慢慢熄灭
5．如图所示是一演示实验的电路图。图中L是一带铁芯的线圈，A是一灯泡。起初，开关处于闭合状态，电路是接通的。现将开关断开，则在开关断开的瞬间，通过灯泡A的电流方向是从_____端经灯泡到_____端.这个实验是用来演示_____现象的。
6．如图所示的电路中，灯泡A1、A2的规格完全相同，自感线圈L的电阻可以忽略，下列说法中正确的是 （ ）
A．当接通电路时，A2先亮，A1后亮，最后A2比A1亮
B．当接通电路时，A1和A2始终一样亮
C．当断开电路时，A1和A2都过一会儿熄灭
D．当断开电路时，A2立即熄灭，A1过一会儿熄灭
7．如图所示电路中，A1、A2是两只相同的电流表，电感线圈L的直流电阻与电阻R阻值相等.下面判断正确的是 （ ）
A．开关S接通的瞬间，电流表A1的读数大于A2的读数
B．开关S接通的瞬间，电流表A1的读数小于A2的读数
C．开关S接通电路稳定后再断开的瞬间，电流表A1的读数大于A2的读数
D．开关S接通电路稳定后再断开的瞬间，电流表A1数等于A2的读数
8．如图所示，L是电感足够大的线圈，其直流电阻可忽略不计，D1和D2是两个相同的灯泡，若将电键S闭合，等灯泡亮度稳定后，再断开电键S，则 （ ）
A．电键S闭合时，灯泡D1、Ｄ2同时亮，然后D1会变暗直到不亮，D2更亮
B．电键S闭合时，灯泡D1很亮，D2逐渐变亮，最后一样亮
C．电键S断开时，灯泡D2随之熄灭，而D1会亮一下后才熄灭
D．电键S断开时，灯泡D1随之熄灭，而D2会更亮后一下才熄灭
参考答案：
1．ACD 2．D 3．Wb T H 4．A 5．b、a、自感（或断电自感）6．C 7．BD 8．AC
★课余作业
1、认真阅读教材。
2、思考并完成“问题与练习”中的习题。
★教学体会
思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。
★资料袋
亨利
亨利（Henry Joseph）1797年12月17日生于美国纽约州奥尔贝尼市。1822年毕业于奥尔贝尼学院，1826年被聘为奥尔贝尼学院物理学教授。1867年任美国科学院第一任院长。
1829年，亨利改进电磁铁，他用绝缘导线密绕在铁芯上，制成了能提起近一吨重物的强电磁铁；同年，亨利在用实验证明不同长度的导线对电磁铁的提举力的影响时，发现了电流的自感现象；断开通有电流的长导线可以产生明亮的火花；1832年，他在发表的论文中宣布发现了自感现象；1835年1月，亨利向美国哲学会介绍了他的研究结果，他用14个实验定性地确定了各种形状导体的电感的相对大小.他还发现了变压器工作的基本定律。
1830年8月，亨利在实验中已经观察到了电磁感应现象，这比法拉第发现电磁感应现象早一年.但是当时亨利正在集中精力制作更大的电磁铁，没有及时发表这一实验成果，失去了发明权，亨利的电磁铁为电报机的发明做出了贡献，实用电报的发明者莫尔斯和惠斯通都采用亨利发明的继电器。

日光灯
1、日光灯的主要组成（如图）

（1）日光灯管.灯管内两端各有一个灯丝，内部充有微量的氩和稀薄气体.两灯丝间气体导电时发出紫外线，使管壁上的荧光粉发出可见光.启动时，要激发气体导电所需的电压比220 V高得多.正常发光时灯管内只允许通过不大的电流，这时要求加在灯管上的电压低于电源电压.
（2）镇流器是一个带铁芯的线圈，自感系数很大
（3）启动器是一个充有氖气的小玻璃泡，里面装有两个电极，一个是静触片，一个是由两个膨胀系数不同的金属制成的U形动触片.通常不接触，受热时，接触。
2、启动器在电路中的作用
当接通电键时，电源电压加在启动器的两电极之间，使启动器的氖管放电.放电使U形动触片受热膨胀与静触片接触，从而将电路自动接通，使灯丝和镇流器线圈中有电流流过。电路接通后，U形动触片遇冷收缩，要与静触片分离，自动切断电路.这以后启动器使命就已完成。
3、镇流器在电路中作用
启动阶段，当启动器的动触片与静触片接触时，镇流器的线圈中有了电流.当动触片与静触片分离时，电路突然中断，流过镇流器的电流急剧减少，线圈中会产生很大的自感电动势，电动势的方向与原电流方向相同.设这时B端为电源正极，A端为电源负极，则镇流器中产生的自感电动势D端相当于正极，C端相当于负极，如图所示，加在灯管两端EF上的电压相当于两同向串联电源的电压即UEF=E电源+E自感，使灯管点燃。

日光灯点燃后，镇流器线圈中不断有变化的电流通过，因此同样产生自感电动势。对交流电来说它相当于一个电阻，与灯管组成串联电路，分担了一部分电压.因此说镇流器有分压限流作用。
4、日光灯的启动
日光灯启动可分为三个阶段：1.灯丝预热。2.灯管两端加高压点亮灯。 3.正常发光。
第一阶段：电键闭合后，启动器动触片与静触片接触，使灯丝和镇流器线圈中有电流流过，使灯丝预热。
第二阶段：启动器的动触片与静触片分离时，使镇流器线圈中电流减小，产生很大的自感电动势，与电源电压相串联加在灯管两端点亮灯管。
第三阶段：灯管点亮后，镇流器与灯管组成串联电路，镇流器起分压限流作用，使灯管正常发光。
要点提示：
1．日光灯工作时是靠紫外线激发荧光粉而发光，只有镇流器中有少量内能产生（电感的电阻很小），大部分电能都转化为光能。
2．启动器并联在灯管两端而镇流器与灯管串联
3．启动器在电路中起自动开关作用
4．镇流器在日光灯的启动和工作过程中，都起着重要的作用，即启动时，产生瞬时高压，正常工作时起降压限流作用