《互感和自感》說課稿(省級獲獎實驗說課案例)

《互感和自感》說課稿使用教材普通高中課程標準實驗教科書物理人教版選修3-2。二、實驗器材線圈A（1000匝）、塑料圓筒（透明）、可拆粗導線（帶接口）、細導線（較軟，約1米長）、音箱、手機、支架、2節(jié)干電池、1個開關、1個自感線圈、1個小燈泡、1個滑動變阻器、電流傳感器A、電流傳感器B、燃氣灶電磁打火裝置等。三、實驗創(chuàng)新要點實驗一“互感現象演示”，教材配套的互感實驗用的是燈泡，通過燈泡的亮度知道互感現象，這是視覺效果。這個實驗改用聽覺效果，并且在課堂上選擇播放節(jié)奏明快、時尚流行的歌曲，學生的情緒很快就被調動起來，實驗操作過程盡收眼底，帶點玩魔術的性質，學生興趣盎然。實驗二“斷電自感”以及實驗三“通電自感”，教材上有配套的相關實驗，但這兩個實驗只能對自感進行定性分析。新設計的實驗四“利用電流傳感器研究自感”能對自感現象進行更為精準地研究，巧妙地利用A、B兩個電流傳感器代替燈泡接入兩條支路，連接數據采集器，再傳送到電腦，電腦屏幕上能夠即時反映電路中電流隨時間的變化情況，使學生對自感現象的規(guī)律有更為深刻的理解。實驗五“探究自感的應用與防止—燃氣灶點火裝置”，本實驗將物理知識與生活實踐相聯(lián)系，進一步培養(yǎng)學生實驗探究與合作的能力，進一步提高學生的物理學科核心素養(yǎng)。四、實驗原理實驗一：如果有兩只線圈互相靠近，則其中第一只線圈中電流所產生的磁通量有一部分穿過第二只線圈。當第一線圈中電流發(fā)生變化時，則穿過第二只線圈的磁通量也發(fā)生變化，在第二只線圈中產生感應電動勢。這種現象叫做互感現象。圖1互感現象演示實驗如圖1所示，當打開手機音樂時，盡管線圈1和線圈2彼此相距數十厘米，并且并不直接用引線相連接，喇叭（或音箱）卻能發(fā)出悅耳的音樂樂曲，此時我們只要關閉手機A的電源則喇叭立即不發(fā)音，由此可見喇叭發(fā)出聲音正是通過線圈L1和L2的互感作用將音樂電信號傳遞到喇叭的。如此一來，互感線圈能將一個電信號從一個線圈傳遞到另一個線圈直觀地、形象地演示出來。這就是簡單的無線通信的演示實驗。實驗二：如圖2所示，電路閉合穩(wěn)定狀態(tài)時，由于小燈泡的電阻大于自感線圈的電阻，因此流過線圈的電流I2大于流過燈泡的電流I1，線圈中有電流就會產生磁場，線圈內部磁場方向方向向左。開關斷開瞬間，燈泡中的電流I1瞬間消失，同時，線圈的電流也要減小，則穿過線圈的磁通量減小，根據楞次定律，感應電流的磁場方向與原磁場方向也要向左，所以感應電流的方向與原電流的方向相同。線圈此時相當于一個電源，與燈泡構成了一個閉合回路，這個自感電動勢，在這一瞬間保持了線圈這一支路中的電流大小與方向不變。于是線圈中的電流就會從右向左流過燈泡，并且大于原來的電流I1。所以燈泡會閃亮一下。圖2斷電自感實驗三：如圖3所示，支路上有兩個規(guī)格完全相同的燈泡，燈泡A2與一個線圈串聯(lián)，燈泡A1與一個滑動變阻器串聯(lián)，調節(jié)滑動變阻器可以改變燈泡A1的亮度，為了方便比較，將兩條支路的電阻調到了相等。開關閉合瞬間，線圈中的電流增大，穿過線圈的磁通量增大，根據電磁感應定律，線圈中就會產生自感電動勢，因而阻礙線圈中電流的增加，于是就延遲了電流達到穩(wěn)定值的時間，所以我們看到了A2燈逐漸變亮。圖3通電自感實驗四：如圖4所示，用A、B兩個傳感器代替燈泡接入兩條支路，連接數據采集器，再傳送到電腦，這樣，電腦屏幕上就能夠即時反映電路中電流隨時間的變化情況。這兩條支路的電流我們用不同的顏色表示，紅色圖線表示通過線圈的電流，藍色圖像表示通過滑動變阻器的電流，即可研究自感現象中電流的變化規(guī)律。圖4利用電流傳感器研究自感現象實驗五：如圖5所示，本實驗利用自感現象，根據楞次定律，線圈會產生自感電動勢阻礙電流的變化，從而產生高壓，高壓擊穿空氣，出現電火花。圖5探究自感的應用與防止五、實驗教學目標知識與技能1、理解互感現象及其應用。2、會運用觀察、實驗、分析、綜合等方法，認識自感現象及其特點。3、理解自感電動勢的作用，明確自感系數的意義及其決定條件。過程與方法運用電磁感應原理和電路基本知識，設計實驗，探究自感現象特點。運用物理知識，解釋生產和生活中的自感現象。情感態(tài)度與價值觀進一步提高學生的物理學科核心素養(yǎng)。六、實驗教學內容本節(jié)課主要由五個實驗依次推進，實驗教學內容分別為互感現象演示、斷電自感、通電自感、利用傳感器研究自感現象以及探究自感的應用與防止。七、實驗教學過程（一）、互感 互感現象的引入：線圈聽音樂，讓學生通過聲音感知“互感”教師：這是一個手機，這是一個音箱，兩者通過導線相連，手機中隨音樂變化的電流將通過導線傳送到了音箱，下面我們一起來欣賞（播放10秒鐘音樂）演示：拆開對接的導線，音樂停了。（問：還有聲音嗎）教師：如果不用導線直接相連，還有其它方法來傳送嗎？下面我們一起來嘗試一下。介紹裝置：這是一個底座，這是一個線圈，現在我把手機與線圈構成一個閉合回路，線圈中就有了隨聲音變化的電流。這是一個塑料圓筒（放在線圈上聽不到聲音），我這里有一根導線，與音箱構成一個閉合回路，現在我把導線繞成線圈，請大家注意聽（隨著圈數的增加聲音變大）。為了區(qū)別，我們把這個線圈稱為A線圈，把這個線圈稱為B線圈。教師：這兩個線圈之間根本沒有用導線相連，但是能量從一個線圈傳遞到了另一個線圈，它們是怎么傳遞的呢？（停頓片刻）由于A線圈中的電流發(fā)生變化，所產生的磁場也是變化的，就會引起B(yǎng)線圈中的磁通量變化，從而在B線圈中產生了感應電動勢,這樣,與B線圈相連的音箱中就有了音樂聲。分析現象，建立概念：像這種當一個線圈中的電流發(fā)生變化時，它所產生的變化的磁場會在另一個線圈中產生感應電動勢的現象，我們就稱之為互感現象。（投影互感概念）板書：一、互感現象在互感過程中產生的感應電動勢叫互感電動勢。教師：利用互感現象，可以傳遞能量，比如說：變壓器，它就是把電能從一個線圈傳送到另一個線圈。再比如說收音機里的磁性天線，也是利用互感把廣播電臺的信號從一個線圈傳遞到另一個線圈。（二）、自感教師：下面我們應用自感的知識來分析兩種常見的自感現象?！狙菔緦嶒灐繑嚯娮愿薪處煟簲嚯娮愿芯褪瞧渲兄话鍟?、斷電自感教師：在這個電路中小燈泡與線圈串聯(lián)，閉合開關，燈泡亮了，這個電路中，線圈的電阻小于燈泡的電阻，那么哪一條之路的電流大些？學生：（齊答）線圈中的電流大些教師：接下來，請大家注意觀察：開關斷開時小燈泡的亮度。教師：看到什么現象了？學生：（齊答）燈泡閃亮了一下教師：哦?。?！是吧?。?！那開關斷開瞬間，電源已經停止供電了，小燈泡為什么還會突然閃亮一下？學生：學生討論后分析。。。。（教師認真聽學生的回答）引導學生分析燈泡閃亮的原因。（重點詳細分析）教師：（結合課件分析）下面我們一起來分析一下：電路閉合穩(wěn)定狀態(tài)時，流過線圈的電流I2大于流過燈泡的電流I1，線圈中有電流就會產生磁場，線圈內部磁場方向（方向向左）。開關斷開瞬間，燈泡中的電流I1瞬間消失，同時，線圈的電流也要減小，則穿過線圈的磁通量減小，根據楞次定律，感應電流的磁場方向與原磁場方向。。。。也要向左，所以感應電流的方向與原電流的方向相同。線圈此時相當于一個電源，與燈泡構成了一個閉合回路，這個自感電動勢，在這一瞬間保持了線圈這一支路中的電流大小與方向不變。于是線圈中的電流就會從右向左流過燈泡，并且大于原來的電流I1。所以燈泡會閃亮一下。教師：線圈中電流減小時會產生自感現象，那么線圈中電流增大時，會不會產生自感現象呢？【演示實驗】通電自感連接電路如圖，調節(jié)滑動變阻器電阻與線圈的直流電阻相等，保證開關閉合后兩個燈泡亮度相同。先引導學生分析推測將會看到什么現象，然后進行實驗。教師：同學們請看這個電路，這里有兩條支路，支路上有兩個規(guī)格完全相同的燈泡，燈泡A與一個線圈串聯(lián)，燈泡B與一個滑動變阻器串聯(lián)，調節(jié)滑動變阻器可以改變燈泡B的亮度，為了方便比較，將兩條支路的電阻調到了相等。提醒：接電源教師：大家能不能預測一下，在開關閉合瞬間，會出現什么樣的現象？我們來看看開關閉合瞬間，兩個燈泡的發(fā)光情況？（閉合兩次）教師：找同學描述一下所觀察到的現象。觀察與描述：B燈瞬間變亮，A燈逐漸變亮。教師：為什么與線圈串聯(lián)的燈泡A是逐漸變亮呢？交流與討論（學生回答，課件動態(tài)分析）開關閉合瞬間，線圈中的電流增大，穿過線圈的磁通量增大，根據電磁感應定律，線圈中就會產生自感電動勢，它在這里起到了什么樣的作用？阻礙線圈中電流的增加，于是就延遲了電流達到穩(wěn)定值的時間，所以我們看到了A燈逐漸變亮。教師：這就是另一種常見的自感現象：通電自感板書：2、通電自感【演示實驗】利用電流傳感器研究自感現象教師：前面的實驗中，我們對自感現象進行了定性的分析，我們也可以借助電流傳感器來進行更為精準的分析。用A、B兩個傳感器代替燈泡接入兩條支路，連接數據采集器，再傳送到電腦，這樣，電腦屏幕上就能夠即時反映電路中電流隨時間的變化情況。這兩條支路的電流我們用不同的顏色表示，紅色圖線表示通過線圈的電流，藍色圖像表示通過滑動變阻器的電流。【演示】用電流傳感器串聯(lián)在兩條之路上，通過電腦作圖精確分析通電自感過程中的電流變化，驗證上述分析是否正確。教師：好，我們看看兩條支路的電流隨時間的變化。當電流從紅色接線柱流入時圖像在t軸的上方。（設置）我們以時間為橫軸，電流為縱軸，建立直角坐標系。為了方便比較我們把兩條支路的電流顯示在同一個圖像中。交流與討論：教師：現在屏幕中是開關閉合時，電路穩(wěn)定狀態(tài)以及開關斷開時分別記錄下來的i－t圖像。下面請同學們分組討論一下：這三段圖像的特征，以及產生的原因。學生：。。。。。。。。。。。。。。教師：（擊掌）好，我們討論到此，下面請同學來說說這三段圖像的特征，以及產生的原因。（學生起來之后）教師：為了方便，我們在電路圖中進行分析。（黑板轉邊）教師：回答得非常好！說明同學們對自感現象已經理解得很好。教師：其他組還有沒有不同的意見或要補充的？（演示板轉邊，在電路圖中分析）教師：再請大家仔細觀察一下，開關斷開時，這兩條圖線有什么幾何特征？（對稱）教師：對稱說明什么？（電流大小相等）教師：為什么會有電流大小相等？（電路圖中分析）開關斷開時，電源提供給滑動變阻器的電流瞬間消失，線圈中的電流減小，產生了一個自感電動勢，線圈相當于一個電源，線圈中的感應電流就會繞著這個電路構成一個閉合回路（貼上回路箭頭），兩個燈泡串聯(lián)，所以電流大小相等。但是流過燈泡B的電流方向與開關斷開之前的電流方向相反，所以我們看到了藍色圖像突然反向的現象。（三）、自感的應用和防止教師：自感現象在生產生活中應用很廣泛。今天老師也給大家?guī)砹艘粋€小裝置，我們也可以現場試一試。請同學們按照屏幕上的裝置圖構建好電路，要求能看到電火花的閃現。（學生實驗）教師：（擊掌）好，請大家整理好器材。教師：同學們動手能力不錯，實驗都很成功。教師：大家想一想，這樣的裝置在生活中有什么應用？（打火機應用的不是自感現象，而是壓電陶瓷技術，大家可以課后了解。還有什么？煤氣灶里面的點火裝置），自感現象的應用還有很多，比如：日光燈里面的鎮(zhèn)流器利用的也是自感現象。教師：當然，自感現象在生活中有時也會造成危害，比如說電動機等設備中有匝數很多的線圈，當電路中的開關斷開時會產生很大的自感電動勢，使得開關中的金屬片之間產生電火花，燒蝕接觸點，甚至引起人身傷害。為了避免產生電火花，常常把電動機等大功率用電器的開關觸點放在絕緣性很好的油中，這樣就不會產生火花放電，這種開關一般我們把它叫做油浸開關