“互感和自感”教学设计

“互感和自感”教学设计
一、教学设计思路
“自感和互感”是人教版选修3-2第4章《电磁感应》第6节的内容，两者是电磁感应现象的两个重要实例，本质上都是由于电流变化引起的电磁感应现象。

本节课为了让学生经历必要的认知过程，尝试利用“延迟判断”的探究教学策略，适当改进演示实验，变陈述性问题为设计性问题，让学生积极参与物理规律的发现和推理过程，主要的特色体现在以下几个方面：
1．对于“互感”的教学，采用“电磁炉”和“Mp4”两个实验从能量和信息两个角度引出互感及其应用，充分激发学生探索规律的积极性。

2．对于“自感”的教学，采用“积木式”的结构，在教学过程中随着问题的展开，逐步“装备”其实验装置，让学生在质疑、猜测和不断探究中了解实验中发生的物理过程。

二、前期分析
本节教学内容包括互感现象、自感现象和磁场的能量三个部分，是在学生学习了产生感应电流的条件、楞次定律和法拉第电磁感应定律后教学的，是电磁感应现象具体运用的两个实例。

因此，对互感、自感现象的研究，既是对电磁感应规律的巩固和深化，也为以后学习交流电、电磁波奠定了知识基础。

同时，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，因此，学习该部分知识有着重要的现实意义。

学生已经学习了分析电路结构，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，已经学会对互感现象的分析，但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。

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是学生遇到的最大挑战。

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。

本校具备完善的实验设施与条件，有优越的多媒体和网络。

重点与难点：
1．教学重点：自感现象和自感系数，
2．教学难点：分析自感现象产生的原因和特点。

三、教学目标
1．知识与技能：
图1：电磁炉实验 图2 ：Mp4实验 （1）知道互感和自感现象。

（2）能够利用电磁感应有关规律分析断电、通电时自感现象的原因。

（3）能说出自感电动势大小的影响因素、自感系数的单位及其决定因素。

（4）会运用互感和自感的原理应用和防止。

2．过程与方法：
（1）通过对实验的观察讨论和体验，解释实验中发生的物理过程，具备观察、分析和推理能力。

（2）通过分析电路结构和实验探究，体会比较研究这一物理学常用的重要方法。

3．情感与价值观：
（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。

四、教学准备
电磁炉、线圈、小灯泡、MP4、音箱、自制自感现象演示仪、电流传感器以及干电池、导线、小线圈若干组。

五、教学过程
1．互感现象
将一个与小灯泡连接的自制线圈放到一块绝缘毛巾上（内有电
磁炉），如图1，发现小灯泡发光了。

针对这一实验提出问题：两个线圈没有直接用导线相连，为什
么当电磁炉中大线圈电流变化时，与小线圈相连的小灯泡会亮？
引导学生利用所学知识分析实验现象，提出互感概念，并指
出互感就是一种电磁感应现象。

提出问题：不直接用导线与MP4连接，能否利用互感知识让音箱响起MP4中动听的歌曲呢？你觉得还需要什么器材？怎么做？有没有办法让声音变响（变轻）？
将MP4与一个线圈相连，音箱与另一线圈相连，如图2，音
箱果然传出了好听的歌曲，当手持MP4回路靠近和远离音箱回路
时，声音会变响（变轻）。

让学生主动参与本实验的设计和操作。

例举变压器、磁性天线等生活实例让学生感觉到互感现象在
生活中随处可见，通过互感实现了能量和信息的传递。

2．自感现象
为了让实验电路的结构及实验中所发生的物理过程清楚地展示，从互感中拆除一个线圈后的原始电路讲起，先理论分析通电时是否存在电磁感应，再设计实验电路进行验证，然后通过激发学生的认知冲突，讨论并改进实验电路，并利用所学的知识解释实验现象，从而引出自感的概念，断电自感的教学也用类似方法。

最后，借助传感器更加准确直观地反映实验规律。

整个教学流程如图3所示。

（1）通电自感
①提出猜想 问：互感现象中有一个共同的特点是A 线圈中电流的变化引起B 线圈中产生电磁感应现象，那么，如果拿掉其中一个线圈，另一个线圈自身还会出现电磁感应现象吗？
引导学生利用所学的知识得出：自身电流变化→线圈自身内部磁场变化→线圈自身内部 磁通量变化→电磁感应现象发生。

②设计电路
能否用实验的方法来验证呢？我们该如何设计实验电路让我们能观察到这个线圈的电磁感应现象呢？选择什么测量器材更便于我们观测？
引导学生根据上述的问题得出需要接入一个更直观反映电流变化的器件——小灯泡，根据它的亮度变化来反映电流的变化。

③激发思维
要让电流变化不难，比如将开关闭合（方便且变化明显），你认为通电瞬间可能观察到什么实验现象？小灯泡的亮度如何变化？是瞬间变亮还是逐渐变亮呢？你做出这种预测的依据是什么？
启发学生利用楞次定律去分析，引发思维冲突。

④改进电路
从实验中看到延迟现象了吗？为什么？大家分析一下，谈谈自己的看法。

线圈中到底有图3：自感教学流程
没有电磁感应现象？当我们相信理论分析应该没问题时，那是不是延迟的时间太短，我们肉眼观察不出来呢？应该怎么办呢？你觉得应该通过什么办法
来改进实验？
利用生活中赛跑的实例引导学生用比较法改进为如图
4实验电路。

⑤解释现象 利用楞次定律分析，强调线圈此时相当于一个电源，正是线圈的这种阻碍作用，延迟A 灯变亮的时间。

⑥得出概念
指出自感也是一种电磁感应现象。

（2）断电自感
①预测现象
问：线圈中电流增大时，会产生自感电动势，那么线圈中电流减小时，又会怎么样呢？我想答案是肯定的，是否也能用实验的方法得到证实呢？要达到电流减小的目的，只需要断开开关，此时从电路结构上看，A 、B 两灯组成一个回路，当电流减小时，如果线圈会产生自感电动势，根据楞次定律势必将阻碍电流的减小，你能预测一下断电瞬间可能观察到的实验现象吗？两灯是一起瞬间熄灭还是一起延迟熄灭呢？
引导学生利用楞次定律去分析，为再次引发思维冲突做准备。

②改进电路
我们没有观察到预期的实验现象，小灯泡熄灭真的没有出现延迟吗？是不是我们观察的方法有缺陷，如何改进实验电路让我们能观察到更明显的实验现象？
引导学生分析电路结构，综合考虑（构成回路又安全）想
到将A 灯移到导线回路，与线圈一起并联在电源两端的改进
实验电路如图5。

③解释现象
A 灯出现了“闪亮”说明什么？既然与开关已经断开， 为什么通过A 灯的电流能比原先还要亮呢？到底谁在起作用呢？
线圈相当于一个电源，阻碍电流的减小，起到让A 灯延迟熄灭的作用。

闪亮恰好说明延迟。

哪位同学能解释这一现象的原因？
引导学生利用楞次定律分析，强调线圈此时相当于一个电源，正是线圈中产生的这种阻图4：通电自感演示电路
图5：断电自感演示电路
碍作用，延迟A 灯熄灭的时间。

④引出新知
既然与电源已经断绝关系，但我们还是能够看到灯泡出现闪亮，延迟熄灭，那么这个能量从哪里来呢？引导能量很可能储存于磁场中（磁场能），开关断开时，线圈中的电流从有到无，其中的磁场也是从有到无，此时线圈充当电源，阻碍电流减少，把磁场中的能量转化成电能。

（3）自感电动势及自感系数
①规律总结
通过实验和分析，发现线圈中电流发生变化时，线圈会产生自感电动势，那么自感电动势在电路中到底起到了什么作用？
引导学生体会当原电流增加时，自感电动势起到“反抗”作用；当原电流减少时，自感电动势起到“补偿”作用，总结得到自感电动势的作用是阻碍原电流的变化。

启发学生“线圈不允许通过它的电流发生突变”，这一点有点像力学中物体的“惯性。

并强调“阻碍”不是“阻止”，增加的最终还是得增加，减少的最终还是要减少，自感电动势延缓了电流变化的时间，体现了它“赖皮”的特性。

②理论探究
自感电动势的大小与什么因素有关呢？
引导学生运用法拉第电磁感应定律，对于给定的线圈回路（面积不变），磁通量的变化是由于磁场变化引起的，而磁场变化又是由于电流变化而变化，得到B I E t t t φ∆∆∆∞∞∞⇒∆∆∆ I E L t
∆=∆ ③自主学习
自感系数大小的物理意义、决定因素、单位及科学家亨利的介绍。

（4）用传感器研究自感现象
启发学生知道通过灯泡亮度的变化定性地来研究自感现象，但是不能准确地反映这一短暂过程中的电流大小如何变化、电流的
方向有没有变化，通过借助传感器可以
准确直观地反映电流大小和方向变化的
规律。

为了方便比较，将流过电阻和线
圈的电流变化图象显示到同一幅i-t 图中
图6：传感器演示自感现象
（甲） （乙）
如图6。

针对图象讨论相关问题：
①比较分析通电时、稳定后、断电时的电流大小和方向的变化情况，并作出相应的解释。

②体会到借助传感器我们可以将断电时没有明显观察到的自感现象非常直观地呈现出来。

③改变滑动变阻器的阻值，稳定后比较流过线圈和变阻器的电流关系，观察并解释开关断开瞬间图象的特征。

可以解释出现“闪亮”的原因。

（5）体验自感
依据所学的自感知识，利用简单的实验器材擦出 电火花实验和体验电击感如图
7，启发学生通过这样
的实验现象想象生活中关于自感的应用和防止。

（煤气 灶的电子点火器，日光灯中的镇流器，油浸开关，绕
线电阻的双线绕法）
3．课堂小结
学习了电磁感应现象的两个实例——互感和自感，知道什么是互感，通过互感实现能量与信息的传递。

知道什么是自感，明确自感电动势的作用和大小由自感系数和电流变化快慢共同决定。

但不管互感、自感都是由于变化的磁场所引起的电磁感应现象，都可以结合电路结构和利用楞次定律去分析解释。

六、形成性评价
1．关于自感电动势，下列说法正确的是（ ）
A ．线圈中电流恒定不变，自感电动势也不变
B ．线圈中电流恒定不变，自感电动势为零
C ．自感电动势的方向总是与原电流方向相反
D ．自感电动势的方向可能与原电流方向相同
2．关于自感系数，下列说法中正确的是（ ）
A ．其他条件相同，线圈越长，自感系数越大
B ．其他条件相同，线圈匝数越多，自感系数越大
C ．其他条件相同，电流变化越快，自感系数越大
D ．其他条件相同，有铁芯的线圈比没有铁芯的线圈自感系数大
3．如图8是一种延时继电器的示意图。

铁芯上有两个线圈A 和B.线圈A
跟电源连接，线圈B 的两端接在一起，构成一个闭合电路。

在拉开开
关S 的时候，弹簧K 并不能立即将衔铁D 拉起，使触头C （连接工作
电路）立即离开；而是过一段短时间后触头C 才能离开，延时继电器
图7：体验自感实验参考电路
就是这样得名的。

（1）当开关断开后，为什么电磁铁还会继续吸住衔铁一段短时间？（2）如果线圈B不闭合，是否会还会有延时效果？为什么？
4．如图9所示，L是自感系数很大的线圈，但其自身的电阻较小，则：（1）当开关S由断开变为闭合时，A灯泡的亮度将如何变化？
（2）当开关S由闭合变为断开时，A灯泡的度又将如何变化？（3）做一做图10这个实验以检验你的预测。

图9：自感实验电路图图10：自感实验实物图。