互感和自感 教案高中物理新人教版選擇性必修第二冊（2022年）

1、2.4互感和自感互感和自感和上節(jié)課一樣都是法拉第電磁感應現象的重要實例，因此互感、自感現象的學習，其實也是在鞏固電磁感應規(guī)律的內容。為后續(xù)學習交變電流奠定了知識基礎。同時，本節(jié)知識與生活用電安全相聯系，因此，本節(jié)的學習有重要的現實意義。物理觀念通過互感、自感及自感電動勢等概念的提出，體會物理概念的產生過程?？茖W思維認識互感和自感是電磁感應現象的兩種現象，感悟特殊現象中有它的普遍規(guī)律，而普遍規(guī)律中包含了特殊現象的辯證唯物主義觀點?？茖W探究：知道自感電動勢大小受到哪些因素影響?？茖W態(tài)度與責任通過互感和自感現象在生產、生活中的應用，體會科學對社會發(fā)展的推動作用。 教學重點：自感現象產生的原因及特點。

2、教學難點：運用自感知識解決實際問題。多媒體課件、自感現象演示儀。一、新課引入兩個線圈A、B之間并沒有導線相連，線圈A與手機的音頻輸出端連接，線圈B與擴音器的輸入端連接。把線圈A插入線圈B時就能在擴音器上聽見由手機輸出的聲音，這是為什么？二、新課教學（一）互感現象就是互相有感覺，不過這有感覺可不是說人和人，而是電路跟電路之間的感覺。那么兩個電路之間怎么會有感覺呢？1.互感的定義法拉第是通過這個實驗裝置發(fā)現電磁感應現象。他把兩個線圈繞在同一個鐵芯上。閉合或者斷開左邊開關的瞬間，就可以通過這個電流表觀察到右邊的電路中產生了電流。在這個實驗中兩個電路之間并沒有直接相連，但當一個電路中的電流發(fā)生變化時，

3、他所產生的磁場也發(fā)生變化，會是另一個電路中產生感應電動勢和感應電流，這種現象就叫做互感現象。互感現象中產生的感應電動勢叫做互感電動勢。2.互感的應用利用感現象可以把電能從一個電路傳遞到另一個電路，因此他在電學技術中有著廣泛的應用。主要有以下幾個：變壓器。他們的結構是這個樣子，他有兩個線圈套在同一個鐵芯上，向其中一個線圈通入變化的電流時，在另一個線圈中就會產生感應電動勢，對外供電。電能從一個線圈兒傳到了另一個線圈。收音機。收音機中的磁性天線也是利用互感現象。把廣播電臺的信號從一個線圈傳遞到另一個線圈的。無線充電等。3.互感的危害與防止影響互感的因素：兩個線圈的形狀，大小，匝數，有無鐵芯甚至相對位

4、置，當都會影響互感的大小。而且實際上互感現象不僅發(fā)生于繞在同一鐵芯上的兩個線圈之間，也可以發(fā)生在任何兩個相互靠近的電路之間。只是互感的這種相互作用會隨著兩個電路之間距離的增加而快速的減小。 在電力工程中和電子電路中，互感現象有時會影響電路的正常工作，這時要設法減小電路間的互感。例1：如圖甲所示，A、B 兩絕緣金屬環(huán)套在同一鐵芯上，A環(huán)中電流 iA 隨時間t的變化規(guī)律如圖乙所示，下列說法中正確的是( ) At1時刻，兩環(huán)作用力最大 Bt2和t3時刻，兩環(huán)相互吸引 Ct2時刻兩環(huán)相互吸引，t3時刻兩環(huán)相互排斥 Dt3和t4時刻，兩環(huán)相互吸引解題提示：t1時刻B中感應電流為零，故兩環(huán)作用力為零，A錯

5、誤；t2和 t3 時刻A環(huán)中電流在減小，則B環(huán)中產生與A環(huán)中同向的電流，故相互吸引，B正確，C錯誤，t4時刻A中電流為零，兩環(huán)無相互作用，D錯誤。（二）自感現象如果某個電路中的電流發(fā)生變化，在他自身的回路中能不能也產生感應電動勢呢？1.自感現象的定義當一個線圈中的電流變化時，它所產生的變化的磁場在線圈本身激發(fā)出感應電動勢。這種現象稱為自感，由于自感而產生的感應電動勢叫作自感電動勢。演示實驗1：觀察兩個燈泡的發(fā)光情況圖中A1和A2是兩個完全相同的小燈泡，R1和R是兩個滑動變阻器用來調節(jié)電流。閉合開關之后，先調節(jié)R使兩個小燈泡一樣亮，再調節(jié)干路中的，R1使兩個燈都正常發(fā)光。然后斷開開關S，當再閉合

6、S時可以看到兩個燈泡點亮的情況是不一樣的？現象：A2立刻就正常發(fā)光了，但A1卻是逐漸變亮，延遲了一會兒才正常發(fā)光的。這是為什么呢？：分析：這個支路中有一個電感，那看來就是這個家伙造成了這些反?，F象。在閉合開關的瞬間通過電感線圈的電流增加，使得穿過線圈的磁通量增大。由楞次定律此時在線圈中會產生一個與通入的電流方向相反的感應電動勢阻礙行程中的磁通量增大，也就是阻礙線圈中的電流達到正常值。所以與電感串聯的小燈泡不會立刻亮起來，而是隨著電流的增大逐漸亮起來。我們把這種自感現象稱為通電自感。演示實驗2：觀察開關斷開時燈泡的亮度把小燈泡和一個電感并聯后，連入電路線閉合開關，使小燈泡正常發(fā)光。然后再斷開電路

7、觀察燈泡亮度變化?，F象：A燈并不是立即熄滅，而是先閃亮一下才熄滅。分析：在開關斷開前電感和燈泡中都會有向右的電流。當開關斷開的瞬間，燈泡中由電源提供的電流立即消失，通過電感線圈的電流減弱，使得穿過線圈的磁通量也迅速減弱。根據楞次定律，此時線圈中就會產生一個與原電流方向相同的感應電動勢，阻礙線圈中的磁通量減小，也就是阻礙線圈中的電流減小。而這個電流只能通過小燈泡形成回路，所以小燈泡上的電流不是立刻變?yōu)榱?，而是逐漸減小到零。我們把這種自感現象稱為斷電自感。實驗歸納這兩個實驗可以說明，當線圈回路本身的電流發(fā)生變化時，回路中會產生感應電動勢，總是阻礙原電流的變化，即仍然遵循增反減同的規(guī)律。其實無論什么

8、樣的電路，電流變化時都會產生感應電動勢，只是在沒有電感的電路中通常產生的感應電動勢太小，所以現象不明顯。但在剛才這兩個實驗中由于有電感L的存在，使得感應電動勢很大，這些現象就很明顯。1.通電自感與斷電自感現象第一個實驗有燈泡與電感串聯的電路，通電自感：A2立刻就正常發(fā)光，A1逐漸變亮。斷電自感：A1和A2緩慢熄滅第二個實驗燈泡與電感串聯的電路，通電自感：A燈立刻就正常發(fā)光，隨后緩慢變暗，甚至熄滅。斷電自感：A燈緩慢熄滅你會看到與電感串聯的燈通電時受到影響，與它并聯的都會立刻發(fā)光。那么小燈泡什么時候會閃亮一下呢？2.斷電自感與小燈泡的閃亮斷開開關后，對電感線圈中儲存的能量逐漸釋放出來，轉化為了電

9、能使得小燈泡沒有立即熄滅，所以小燈泡閃亮，小燈泡閃不閃亮，要看流過燈泡的電流大小的變化，閃亮說明說明電流大。如圖所示：現在電路中的電流變化進行具體分析，假設流過電感的電流為IL，流過小燈泡的電流為IA。當開關閉合時，由于電感和小燈泡并聯，電感和小燈泡中的電流方向都是向右。在斷開開關的瞬間小燈泡中，原來從左到右的電流IA立即消失，而電感中的電流IL由于自感電動勢的存在不會立即消失，也就是說此時通過電感的電流大小，方向都不會變化還是IL。同時由于開關斷開了電感和小燈泡構成了新的回路，所以小燈泡內的電流方向變?yōu)閺挠业阶?，大小也從IA突變成了IL。即如果ILIA則小燈泡就會閃亮一下再熄滅。如果ILIA

10、則小燈泡就會緩慢的熄滅。同樣的在如圖所示的這個電路中如果ILIA2則A2就會閃亮一下再熄滅。如果ILIA2則A2就會緩慢的熄滅。由于A1與電感串聯電流相等，它不會閃亮。由此可見，小燈泡能不能閃亮取決于電感中的電流。4.通電自感與斷電自感的電流變化我們再來看自感前后的電流方向的變化情況。閉合開關后它的流過電感和燈泡的電流方向是這樣的，斷開開關后，根據前面的分析電流方向變?yōu)檫@樣。發(fā)現流過A1的電流與原來的相同，流過A2的電流與原來的相反。同樣的。開關閉合前后流過燈泡的電流是不一樣的?？偟膩碚f斷電前線圈與燈泡串聯，則感應電流與原來電流同向。斷電前線圈與燈泡并聯，則感應電流與原來電流反向。做一做：用電

11、流傳感器顯示自感對電流的影響5.自感的應用與防止如圖所示的電路中，當電路穩(wěn)定后 斷開開關的一瞬間，小燈泡會先閃亮一下，再逐漸熄滅。如果電感的電阻非常小，在斷開開關的瞬間，在短時間內形成了很大的電流，那么閃亮的現象會更加明顯。發(fā)現了嗎，電感可以在電壓不太大的情況下，通過自感現象在瞬間產生巨大的電流。這在生活中有很重要的應用，應用日光燈的鎮(zhèn)流器，就是利用這個原理來產生啟動時所需要的高電壓的。再比如在無線電技術中，電感和電容組成振蕩電路，用來發(fā)射無線電波。危害更多的時候，這么大自感電動勢會造成很大的危害。像大型電動機中的繞線組，大型變壓器的線圈等原件。他們的自感系數非常大，在切斷電路的瞬間會產生很高

12、的自感電動勢，使開關附近的空氣被電離擊穿形成電弧。電弧會把開關燒壞，甚至引起火災。防止油浸開關：把開關放在絕緣性良好的油中防止空氣被擊穿。雙線繞法：電阻絲通常采用這樣的雙線繞法。當電流流過電阻絲時，兩股電阻絲中的電流所產生的磁場相互抵消，就不會產生感應電動勢。例2：L是自感系數很大的線圈，但其自身的電阻幾乎為0。A和B是兩個相同的小燈泡。(1)當開關S由斷開變?yōu)殚]合時，A、B兩個燈泡的亮度將如何變化？2)當開關S由閉合變?yōu)閿嚅_時，A、B兩個燈泡的亮度又將如何變化？解：1、當開關由斷開變?yōu)殚]合時，兩燈立即有電壓，同時發(fā)光，由于線圈的電阻很小，B燈被線圈短路，由亮變?yōu)樽儼抵钡讲涣粒籄燈由亮變?yōu)楦?/p>

13、。2、當開關斷開時，A燈沒有了電壓立即熄滅；當電流減少，線圈產生自感電動勢，相當于電源，給B燈提供短暫的電流使B燈緩慢熄滅（三）自感系數你已經知道了當電路中存在電感線圈時，他會對通過他自身的電流的變化有阻礙作用，從而使得自感現象非常明顯。在物理中用自感系數L：描述電感線圈對其中電流的阻礙作用。在自感現象中穿過電感線圈的磁通量，跟電感線圈中的磁感應強度B成正比，而磁感應強度B又是跟產生磁場的電流I成正比。即所以有同時除以一個t這不就是法拉第電磁感應定律里的那個式子嗎。所以自感電動勢在個式子中L是比例系數，稱為自感系數，它是描述電感線圈對其中電流的阻礙作用的物理量，單位是亨利用H表示。自感系數越大

14、，電流變化時產生的自感電動勢就越大，意味著線圈阻礙電流的本領也越大。那么決定一個線圈的自感系數的因素有哪些呢？要記住自感系數的大小取決于線圈的結構。比如線圈的長度，形狀，疏密，圈數，是否帶有鐵芯的，而與電流變化情況無關。這幅圖給我們展示了自感系數隨著線圈的結構的變化情況。再來看一個有無鐵芯的動圖。這個沒有鐵芯吸不起硬幣，加了鐵芯之后可以吸起很多硬幣。(動圖展示自感系數與鐵芯）了解了自感系數的含義，咱們再看看再具體的電路中它是怎么影響電流變化的。（四）磁場的能量如圖所示實驗中，開關斷開后，燈泡的發(fā)光還能維持一小段時間，有時甚至會比開關斷開之前更亮。這時燈泡的能量是從哪里來的？上面的通電自感實驗中

15、，當閉合開關后，這個小燈泡并不會馬上發(fā)光，其實是因為電能中的一部分儲存在了電感線圈中。斷開開關后，又是因為電感線圈中儲存的能量被釋放出來啦，使得燈泡并不是馬上熄滅，還會再亮一會兒。發(fā)現沒線圈中有電流時就有磁場就能儲存能量，物理上把這種儲存于磁場中的能量稱為磁場能或者磁能。當開關閉合時，當線圈剛剛接通電源的時候，自感電動勢阻礙線圈中電流的增加；當電源斷開的時候，自感電動勢又阻礙線圈中電流的減小。顯然電感線圈中儲存的磁場能大小與線圈的自感系數和線圈中的電流有關。 例3：如圖所示，L為自感系數較大的線圈，電阻很小，電路穩(wěn)定后，當斷開開關S的瞬間會有什么現象（ ）A甲中，燈A立即熄滅B乙中，燈A慢慢熄滅C甲中，燈A突然閃亮一下再慢慢熄滅D乙中，燈A突然閃亮一下再慢慢熄滅 解析：甲電路，開關斷開后沒有構成閉合回路，所以燈立即滅；乙中由于電感電阻小，流過的電流很大，所以開關斷開后燈突然閃亮，再滅。2.4互感和自感互感現象自感現象通電自感與斷電自感現象斷電自感與小燈泡的閃亮：如果ILIA則小燈泡就會閃亮一下再熄滅。如果ILIA則小燈泡就會緩慢的熄滅。通電自感與斷電自感的電流變化斷電前線圈與燈泡串聯，則感應電流與原來電流同向。斷電