第 4 节  互感和自感  教学建议

1．教学建议

（1）通过实验了解互感与自感现象，会用自感与互感解释简单的电磁现象；知道互感现象与自感现象是磁场能变化的一种表现。

（2）会从法拉第电磁感应定律的视角认识自感现象，了解自感系数，体会推理分析的科学思维方法。

（3）知道互感现象与自感现象的防止和应用。

2．教材分析与教学建议

互感和自感现象都是电磁感应现象的特例。学习“互感电动势”和“自感电动势”的重要性在于它们具有实际的应用价值。

本节教学内容主要包括互感现象、自感现象和磁场的能量三部分。教学的重点是自感现象和自感系数，难点是对与自感有关规律的认识。

（1）问题引入

教师先演示手机通过导线直接与扩音器相连，说明手机中随音乐变化的电流通过导线传输到了扩音器中。断开电路，扩音器中的音乐消失。引导学生思考：有没有办法不用导线相连从扩音器中听到手机中的音乐？教师再演示问题中的实验：把线圈 A 插入线圈 B 时就能在扩音器上听见由手机输出的声音，两个线圈 A，B 之间并没有导线相连，但是能量从 A 线圈传递到了 B 线圈。这是为什么？引导学生用所学的电磁感应知识解释现象。

（2）互感现象

互感现象是一种常见的电磁感应现象。法拉第发现电磁感应现象的第一个成功实验就是互感现象。教材对互感的教学要求不高，只要求知道互感现象产生的原因，以及互感现象在电工技术和电子技术中有广泛的应用。互感现象是变压器工作的基础，有些问题可以在下一章的变压器部分解决。

教材关于“互感现象”教学内容展开的流程如下。

教学中要注意两点：一是从“共性”与“个性”关系的角度，说明互感现象是电磁感应现象的特例之一；二是做好教材本节问题引入的实验，使学生对互感现象有一个感性认识。

另外，还可以利用可拆变压器，自己绕制原、副线圈进行实验，并使副线圈电路中的灯泡发光；或者利用收音机中的“磁性天线”演示，加深学生对互感现象的了解，进一步明确，尽管两个线圈之间并没有导线连接，互感现象却可以使能量由一个线圈传递到另一个线圈。

（3）自感现象

自感现象是一种特殊的电磁感应现象，即由导体本身电流的变化而产生的电磁感应现象。所谓“自感”，就是当通过线圈的电流发生变化时，在线圈本身激发出的感应电动势。这个自感电动势总是阻碍原电流的变化。在教学中，要使学生明白自感现象的规律都符合电磁感应现象的一般规律。基于培养学生物理核心素养的要求，本课建议采用探究式教学的思路进行设计：问题→探究→建构→概念。下面推荐一个“有惊无险”的自感实验，可用作新课（或断电自感现象）的导入。

 

教学片段

用断电自感引入课题

实验装置：如图 2–6 所示。让几位同学“串联”在电路中，电源只需一节干电池即可。

操作方法：

• 闭合开关 S 前，学生谈体验——“无感觉”；
• 闭合开关 S 后，学生再谈体验——“无感觉”；
• 断开开关 S 瞬间，同学突然受到电击——“迅速收回双手”。

一节干电池何以能使这么多同学同时受到电击？学生感到惊奇，并引发疑问而提出问题，从而引入本节研究的课题——自感现象。

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以这种方式引入课题的优点在于，学生体验深刻，能很好激发学生的探究欲望，学生参与面较广，且器材简单易得，改装方便（图中自感线圈可以用常见日光灯的镇流器替代）。

基于物理核心素养的培养目标，教师也可以利用已有的互感知识引入，提出问题：“在之前所学的互感现象中，一个线圈中电流变化引起另一个线圈中产生电磁感应现象，其本质是线圈中磁通量发生了变化。那么，当一个线圈中电流发生变化时，会在自身产生电磁感应现象吗？”学生通过与互感现象的对比分析，会猜测电流的变化将会引起自身产生电磁感应现象，但是不敢确认，教师可以进一步引导学生设计实验验证猜想。通过教学，培养学生猜想假设、逻辑推理、实验验证的科学探究能力。

自感电动势是一个抽象的概念，它产生的原因学生较容易接受，但它对电流变化所引起的“阻碍”作用，以及自感电动势方向的确定却是教学的一个难点。本节教学的关键是做好通电自感和断电自感两个实验。教学中也可以先不给出自感的概念，而是在实验过程中通过对实验现象的分析、猜想、验证，让学生自行归纳总结出自感的概念，这样对概念的理解更为深入，准确。

教材中关于“自感现象”教学内容展开的流程如下。

上述教学设计的基本思路：先做演示实验，观察实验现象，然后运用电磁感应的有关规律（主要是楞次定律）对实验现象进行分析，使学生了解自感现象产生的原因和理解自感电动势的作用。这样展开教学，思路清晰，易于被学生接受。

为便于学生理解与思考，教材对通电自感现象成因的分析，采用了正面表述的方式，而对断电自感现象成因的分析，改用问题串的方式。前者是示范提示，后者为设问引导。该问题串所设置的问题瞄准对自感现象成因分析的要点和易错点，环环相扣，逐渐深入，实际是借助问题串的方式为学生的理解与思考提供“支架”，借以化解难点。

分析通电自感和断电自感这两个实验时要注意把握以下两点：

一、导体本身电流变化，引起磁通量的变化，这是产生自感现象的原因。

二、自感电动势的作用是阻碍电流变化，即电流增大时，自感电动势阻碍电流增大；当电流减小时，自感电动势阻碍电流减小．总是起着推迟电流变化的作用。

在教学中，建议教师向学生强调：分析自感现象，关键是分清电流变化，并抓住“阻碍电流变化”这一特点，确定自感电动势（或自感电流）的方向。正是因为自感线圈具有“阻碍电流变化”这一特性，才使得通过它的电流不能发生“突变”，因而显示出电的“惯性”。

值得说明的是，自感现象的教学可以先从分析通电自感和断电自感的实验电路图入手，提出问题，再引导学生运用已学过的电磁感应的有关规律进行理论探究，对可能产生的实验现象做出预测，然后再用实验加以验证。这种教学设计适用于基础好的学生，既有利于提高他们分析问题的能力，又有助于对产生自感原因的理解。

 

教学片段

通电自感

设计实验：选出学生设计的通电自感实验电路图（图 2–7）．请大家分析是否合理。如果不合理，请你提出改进方案。

分析讨论：

方案一  如图甲所示。

（无法判断电流的变化，不合理。）

方案二  如图乙所示。

（开关 S 接通瞬时，灯泡能发光。灯泡的明暗程度及明暗变化快慢显示了线圈中电流的变化情况，但是一个灯泡没有对比，无法说明问题，不合理。）

方案三  如图丙所示。

（两个灯泡能发光，也能对比，其原因是 R 为限流电阻，且已调节好，使通电后，A₁、A₂ 正常发光且亮度相同，合理。）

预测：开关 S 闭合瞬时，会出现灯泡 A₁ 立即变亮，A₂ 逐渐变亮的现象……

分析原因：由楞次定律，在通电瞬间，线圈中电流增大时，穿过线圈的磁通量增加，线圈中产生感应电动势（自感电动势）．它阻碍了线圈中电流的增大，推迟了电流达到正常值的时间，因此，出现 A₂ 逐渐变亮。这种阻碍有别于阻止，A₂ 的电流最终达到正常值。

进行实验：动手实验操作，证实自己的猜测。

可以进一步利用方案三的电路，调节 R，研究断电自感中灯泡 A₂ 是否会闪亮的问题。

 

教学片段

断电自感

演示：实验电路图如图 2–8 所示。

当开关 S 闭合后，B 灯亮（二极管 D₂ 导通），A 灯不亮（二极管 D₁ 截止）；当开关 S 断开后，B灯不亮（二极管 D₂ 截止），A 灯亮（二极管 D₁ 导通）。

实验结果表明，开关 S 断开前，A 灯不亮（二极管 D₁ 截止）；断开后的瞬间，有电流通过 A 灯，但电流方向相反。所以，通过 A 灯的电流源自电感线圈。即线圈中有电流时，电流产生感应磁场，磁场也具有能量。当开关断开后的瞬间，磁场能通过电磁感应转化为电能，由线圈提供给灯 A。这说明电磁感应遵循能量守恒定律。

结论：不管是通过导体本身的电流增大也好，或者是减小也好，产生自感现象的关键在于自感线圈中的磁通量发生变化。当自感线圈中的电流减小时，自感电动势对其也有阻碍作用。由此可知，自感电动势的作用便是阻碍线圈中电流的变化，即电感线圈中的电流不能发生突变，只能渐变。

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通过进一步的分析可知，为使断电自感实验的效果更明显，对线圈的要求主要有两方面：一是线圈自身的电阻要明显小于灯泡的电阻，二是线圈的自感系数 L 要大。鉴于此，教学中可将“演示”栏目中的第 4 问分解为 3 个不同层次的小问题，安排在不同的教学环节分别设问。

①开关断开后，通过灯泡的感应电流是否可能比原来的电流大？（可能性判断）

②为了使实验效果更明显，对线圈的电阻有什么要求？（半定量判断）

③为了使实验效果更明显，要求线圈的自感系数 L 是大些好，还是小些好？

本节”做一做”栏目中的内容，旨在提供一种方案，以便更形象地说明含有线圈电路的电流不能“突变”。运用传感器进行物理实验，是促进信息技术与学科课程整合的大势所趋。运用传感器进行数字化的实验，可以将采集到的电流数据以图形形式呈现，能形象、直观地反映数据间的规律，让学生关注数据分析，培养读图和数据解析的能力。

（4）自感系数

自感电动势也是感应电动势，同样遵循法拉第电磁感应定律，在推导自感电动势计算式时要注意以下几点。

①自感系数的引入是以实验为基础的。教学中可以用不同的线圈来做演示实验，以便学生从感性上加深对自感系数的认识。

②教学中应引导学生弄清自感系数的物理意义、决定因素及其单位。对于相同的电流变化率，自感系数越大的线圈自感电动势越大，自感作用越强。自感系数的大小与线圈的大小、形状、匝数以及有无铁芯等因素有关。

③E = L\(\frac{{\Delta I}}{{\Delta t}}\) 公式的引入，目的是使学生进一步认识数学公式在物理学中的作用．即从公式中能看剑物理量之问的关系。一般来说，“系数”一定是在两个物理嚣发生相关变化时的某个不变的量，它在确定这两个物理量的关系时是是非常重要的。所以，教材没有用这个公式进行计算的例题，节后也没有这方面的习题。

（5）磁场的能量

为加强学生对磁场的认识，教材通过对自感实验现象的分析，说明磁场具有能量。按照“场”的观点，充电电容器的电能是以电场能的形式储存在电容器两极板间的电场中的。与此类似，通电自感线圈中的能量是以磁场能的形式储存在线圈的磁场中的。也就是说，磁场是能量的载体。教材借助对断电自感实验现象的观察，从能量转化的角度提出问题，并加以定性分析，说明磁场具有能量。

磁场具有能量也可以融入互感现象的教学过程中，因为互感现象的基本原理就是通过磁场将能量从一个线圈传递到另一个线圈。因此，可以从能量传递和转化的角度重新审视互感教学中有关的演示实验，教学中可以结合实例进行分析，加深学生对“磁场的能量”的感性认识。

3．“练习与应用”参考答案与提示

本节共 3 道习题。第1题是互感现象应用的实例，让学生了解互感在生活中的应用。第 2 题是断电自感过程中产生较大自感电动势的一个实例。第 3 题分析电路断开、闭合时，电路中电流的变化，一方面强调导体内电流的变化引起磁通量变化产生自感电动势，另一方面强调自感电动势有阻碍电流变化的作用。本节的 3 道习题都与实际生活紧密相连，体现了物理的应用性。

 

1．（1）当开关 S 断开后，使线圈 A 中的电流减小并消失时，穿过线圈 B 的磁通量减小，因而在线圈 B 中将产生感应电流，根据楞次定律，感应电流的磁场要阻碍原磁场的减小，这样就使铁芯中磁场减弱得慢些，即在开关 S 断开后一段时间内，铁芯中还有逐渐减弱的磁场，这个磁场对衔铁 D 依然有力的作用，因此，弹簧 K 不能立即将衔铁拉起。

（2）如果线圈 B 不闭合，不会产生延时效果。在开关 S 断开时，线圈 A 中电流臧小并很快消失，线圈 B 中只有感应电动势而无感应电流，铁芯中的磁场很快消失，磁场对衔铁 D 的作用力也很快消失，弹簧 K 很快将衔铁 D 拉起。

 

2．当李辉把多用电表的表笔与被测线圈断开时，线圈中的电流将减小，发生自感现象。由于线圈自感系数较大，会产生较大的自感电动势，两只表笔间有较高电压，刘伟接通了电路，因此被电击了一下。当李辉再摸多用电表的表笔时，线圈已经完成放电，因此不再有被电击的感觉。

 

3．（1）当开关 S 由断开变为闭合，由于线圈的自感作用，通过线圈的电流由 0 逐渐增大，A、B 同时发光，然后 A 灯由亮变得更为明亮，B 灯逐渐变暗，直到不亮。

（2）当开关 S 由闭合变为断开，发生断电自感现象．A 灯不亮，B 灯突然变亮再逐渐变暗，直到不亮。