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2019-2020年高中物理 《自感現(xiàn)象與日光燈》教案 滬科版選修3-2 【教學(xué)目的】 1、 通過(guò)邏輯推理和對(duì)實(shí)驗(yàn)的觀察和分析，使學(xué)生在電磁感應(yīng)知識(shí)的基礎(chǔ)上理解自感現(xiàn)象的產(chǎn)生的它的規(guī)律，明確自感系數(shù)的意義和決定條件 2、 通過(guò)分析理解在自感現(xiàn)象中能量形式的轉(zhuǎn)化情況，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)電磁振蕩打下基礎(chǔ) 3、 通過(guò)對(duì)兩個(gè)自感實(shí)驗(yàn)的觀察和討論，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和分析推理能力 4、 日光燈的原理 【重點(diǎn)難點(diǎn)】 重點(diǎn)：使學(xué)生在掌握了自感現(xiàn)象與電磁感應(yīng)現(xiàn)象統(tǒng)一性的基礎(chǔ)上，把握自感現(xiàn)象的特點(diǎn)。 難點(diǎn)：斷電自感現(xiàn)象中，燈泡突然閃亮一下學(xué)生很難理解，是教學(xué)中的難點(diǎn)。 【教具】電源（6V）、導(dǎo)線、帶閉合鐵芯的線圈、電鍵、燈泡等 【教學(xué)過(guò)程】 ○、復(fù)習(xí)&引入 師：上節(jié)課提到了幾種不同形式的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，你們認(rèn)為引起電磁感應(yīng)現(xiàn)象最重要的條件是什么？ ☆生：穿過(guò)電路的磁通量發(fā)生變化 師：對(duì)！不論采用什么方式，只要能使穿過(guò)電路的磁通量發(fā)生變化，均能引起電磁感應(yīng)現(xiàn)象。 1、 揭示現(xiàn)象，提出問(wèn)題 [實(shí)驗(yàn)]：（6V電源，A、B為裸露銅線，L為帶閉合鐵芯的線圈） 提出問(wèn)題：在A、B觸點(diǎn)斷開(kāi)瞬間，A、B間的高壓從何而來(lái)？ 2、 分析現(xiàn)象，建立概念 在上圖所示的電路中，當(dāng)電鍵K搭接后，線圈中存在穩(wěn)定的電流I，線圈內(nèi)部鐵心中存在很強(qiáng)的磁場(chǎng)，穿過(guò)線圈的磁通量很大；在電鍵K斷開(kāi)瞬間，在很短的時(shí)間內(nèi)，線圈中的電流迅速減小到零，穿過(guò)線圈的磁通量也迅速減小到零，磁通量的變化量雖然不是很大。但由于時(shí)間很短，在電鍵K由接通至斷開(kāi)瞬間，對(duì)于線圈來(lái)說(shuō)，在線圈上產(chǎn)生了很高的感生電動(dòng)勢(shì)，這就是引起試驗(yàn)學(xué)生強(qiáng)烈觸電感覺(jué)的高壓的來(lái)源。 上述現(xiàn)象屬于一種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，其中穿過(guò)電路磁通量的變化是由于通過(guò)導(dǎo)體本身的電流發(fā)生變化而引起的。這種由于導(dǎo)體本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，叫做自感現(xiàn)象。在自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，叫做自感電動(dòng)勢(shì)。（板書(shū)） 3、 演示現(xiàn)象，強(qiáng)化概念（課本上的實(shí)驗(yàn)） 總結(jié)1：電路接通時(shí)，電流由零開(kāi)始增加，L支路中感應(yīng)電流方向與原來(lái)電流方向相反，阻礙電流的增加，即推遲了電流達(dá)到正常值的時(shí)間（見(jiàn)上左圖）。啟發(fā)學(xué)生說(shuō)出這時(shí)L相當(dāng)于瞬時(shí)電源（將原電流方向及自感電流的方向在力中標(biāo)出） 問(wèn)：如果不斷地用手按動(dòng)K，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？（燈1始終達(dá)不到正常發(fā)光亮度）加快按動(dòng)頻率，又有什么現(xiàn)象？（燈1逐漸變得更暗）思考這是什么原因？ 總結(jié)2：K斷開(kāi)，電源切斷，但燈不僅不立刻熄滅，反而產(chǎn)生了更強(qiáng)的延時(shí)電流，這是為什么？提醒學(xué)生，這時(shí)一定又出現(xiàn)了新電源，這個(gè)電源在哪里？電動(dòng)勢(shì)的方向如何？ K斷開(kāi)時(shí)，線圈L產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，方向與原來(lái)電流方向相同，阻礙電流的減小。L相當(dāng)一瞬時(shí)電源，此電源與燈A形成回路（在圖中畫(huà)出電流方向），故燈A還有一段時(shí)間的持續(xù)電流。燈A比原來(lái)更亮地一閃，說(shuō)明這瞬間電流比原來(lái)電流大。顯然這是由L產(chǎn)生的。原來(lái)L支路中電流iL比A支路中電流iA大很多（如上右圖），K斷開(kāi)時(shí)，iA立即減為零，而iL由原原值逐漸減為零，推遲了減到零的時(shí)間，可見(jiàn)在一段時(shí)間內(nèi)，流過(guò)A的電流還大于原來(lái)的電流iA，故而發(fā)出更亮的光。 板書(shū)：自感電動(dòng)勢(shì)的方向總是阻礙原來(lái)電流的變化。 自感現(xiàn)象既然也是一種電磁感應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)然仍然遵守楞次定律，即自感電動(dòng)勢(shì)的方向總是阻礙原來(lái)電流的變化。 4、 自感現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化 電能 磁場(chǎng)能 5、 自感系數(shù) 演示“千人震”實(shí)驗(yàn)，折掉鐵芯，觸電感覺(jué)消失，說(shuō)明線圈中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)還與線圈本身有關(guān)。 1） 自感系數(shù)反映了線圈對(duì)電流變化阻礙作用的大小，不同線圈，自感系數(shù)不同，它由線圈本身決定（S、n、密集、鐵心） 2） 單位：享利 3） 大?。? 【鞏固練習(xí)】 1、在如圖所示的電路（a）、（b）中，電阻R和自感線圈L的電阻值都很?。油↘，使電路達(dá)到穩(wěn)定，燈泡S發(fā)光．（A、D） （A）在電路（a）中，斷開(kāi)K， S將漸漸變暗． （B）在電路（a）中，一斷開(kāi)K，S將先變得更亮，然后漸漸變暗． （C）在電路（b）中，斷開(kāi)K，S將漸漸變暗． （D）在電路（b）中，斷開(kāi)K，S將先變得更亮，然后漸漸變暗． 2、在如圖所示的電路中，S1和S2是兩個(gè)相同的小燈泡，L是一個(gè)自感系數(shù)相當(dāng)大的線圈，其直流電阻值與R相等．在電鍵S接通和斷開(kāi)時(shí)，燈泡S1和S2亮暗的順序是（A） （A）接通時(shí)，S1先達(dá)到最亮，斷開(kāi)時(shí)，S1后暗 （B）接通時(shí)，S2先達(dá)到最亮，斷開(kāi)時(shí)，S2后暗 （C）接通時(shí)，S1先達(dá)到最亮，斷開(kāi)時(shí)，S1先暗 （D）接通時(shí)，S2先達(dá)到最亮，斷開(kāi)時(shí)，S2先暗 分析與解答：從等效的觀點(diǎn)看，在S接通時(shí)，相當(dāng)于L表現(xiàn)為很大的電阻，故S1先達(dá)到最亮．選項(xiàng)A正確． 3、如圖所示，多匝線圈L的電阻和電源內(nèi)阻都很小，可忽略不計(jì)，電路中兩個(gè)電阻器的電阻均為R，開(kāi)始時(shí)電鍵S斷開(kāi)．此時(shí)電路中電流強(qiáng)度為I0，現(xiàn)將電鍵S閉合、線圈L中有自感電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，下列說(shuō)法中正確的是（D） （A）由于自感電動(dòng)勢(shì)有阻礙電流的作用，電路中電流最終由I0減小到零． （B）由于自感電動(dòng)勢(shì)有阻礙電流的作用，電路中電流最終總小于I0． （C）由于自感電動(dòng)勢(shì)有阻礙電流的作用，電路中電流將保持I0不變． （D）自感電動(dòng)勢(shì)有阻礙電流增大的作用，但電路中電流最終還要增大到2 I0 4、右圖中a、b燈分別標(biāo)有“36V 40W”和“36V 25W”，閉合電鍵調(diào)節(jié)，能使a、b都正常發(fā)光．?dāng)嚅_(kāi)電鍵后重做實(shí)驗(yàn)：電鍵閉合后看到的現(xiàn)象是什么？穩(wěn)定后那只燈較亮？再斷開(kāi)電鍵，又將看到什么現(xiàn)象？ 分析：閉合瞬間， a將慢慢亮起來(lái)，b立即變亮．穩(wěn)定后兩燈都正常發(fā)光，a的功率大，較亮．這時(shí)的作用相當(dāng)于一只普通的電阻（就是該線圈的內(nèi)阻）；斷開(kāi)瞬間，通過(guò)a的電流將逐漸減小，a漸漸變暗到熄滅，而ab組成同一個(gè)閉合回路，所以b燈也將逐漸變暗到熄滅，而且開(kāi)始還會(huì)閃亮一下，這時(shí)相當(dāng)于一個(gè)電源． （二）日光燈的主要組成 日光燈主要由燈管、鎮(zhèn)流器、啟動(dòng)器組成。 分別將燈管、鎮(zhèn)流器、啟動(dòng)器的實(shí)物模型展示在投影儀上，對(duì)其結(jié)構(gòu)及其原理進(jìn)行講解。 教師出示碎日光燈，如右圖，向?qū)W生介紹燈管的構(gòu)造及發(fā)光原理。 教師講解：燈管內(nèi)充有微量的惰性氣體（如：氬）和稀薄的汞蒸氣，兩個(gè)燈絲之間的氣體導(dǎo)電時(shí)發(fā)出紫外線，使涂在管壁上的熒光粉發(fā)出柔和的可見(jiàn)光。 教師說(shuō)明：①管內(nèi)所充氣體不同、管壁所涂的熒光粉不同，發(fā)光的顏色就不同；②日光燈開(kāi)始點(diǎn)燃時(shí)，要激發(fā)汞蒸氣導(dǎo)電需要一個(gè)高出電源電壓很多的電壓，而正常發(fā)光時(shí)，燈管的電阻變得很?。ㄒ?yàn)闅怏w導(dǎo)電的電阻?。?，只允許通過(guò)不大的電流，這時(shí)要求加在燈管上的電壓低于電源電壓。 教師出示拆開(kāi)的鎮(zhèn)流器，如右圖，向?qū)W生介紹鎮(zhèn)流器的構(gòu)造——是一個(gè)帶鐵芯的線圈，自感系數(shù)很大。 教師出示拆開(kāi)的起動(dòng)器，如右圖，要求學(xué)生觀察并總結(jié)啟動(dòng)器的主要構(gòu)造： 啟動(dòng)器主要是一個(gè)充有氖氣的小玻璃泡，里面裝有兩個(gè)電極，一個(gè)是靜觸片，一個(gè)是由兩個(gè)膨脹系數(shù)不同的金屬制成的U形動(dòng)觸片。 教師演示雙金屬片受熱彎曲的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)講述溫度升高時(shí)，動(dòng)觸片與靜觸片接通的原理。 平常動(dòng)觸片與靜觸片之間不接觸，有小縫隙，雙金屬片受熱時(shí)，兩金屬片膨脹程度不同，下層的膨脹大一些，使U形動(dòng)觸片稍伸開(kāi)一點(diǎn)，與靜觸片接觸。 教師說(shuō)明：?jiǎn)?dòng)器中與動(dòng)、靜觸片并接的電容器只是起一個(gè)使動(dòng)、靜觸片在分離時(shí)不產(chǎn)生火花，以免燒壞觸點(diǎn)。即使沒(méi)有電容器，啟動(dòng)器也能工作。 （二）電路連接 教師利用投影儀出示日光燈的電路連接圖。如右圖。 （三）日光燈的工作過(guò)程 引導(dǎo)學(xué)生分析并掌握日光燈工作的全過(guò)程。 1、K閉合，啟動(dòng)器的動(dòng)、靜觸片先接通，后分離。 K閉合時(shí)，電源將電壓加在起動(dòng)器兩極間，使氖氣放電發(fā)出輝光，輝光產(chǎn)生熱量使U形動(dòng)觸片膨脹伸長(zhǎng)，與靜觸片接通。于是在鎮(zhèn)流器線圈和燈管的燈絲間有電流通過(guò)。電路接通后，起動(dòng)器的氖氣停止放電，U形動(dòng)觸片冷卻收縮，兩觸片分離，電路自動(dòng)斷開(kāi)。 2、啟動(dòng)器的動(dòng)、靜觸片分離的瞬間，鎮(zhèn)流器由于自感產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)高壓并與電源電壓一起加在燈管的兩燈絲間，使燈管中的汞蒸氣導(dǎo)電，氣體導(dǎo)電時(shí)發(fā)出的紫外線，使涂在管壁的熒光粉發(fā)出柔和的可見(jiàn)光。 3、日光燈啟動(dòng)后，鎮(zhèn)流器由于自感作用使加在燈管上的電壓低于電源電壓，使燈管正常工作。 日光燈點(diǎn)燃后，只允許通過(guò)不大的電流。由于燈管正常工作時(shí)，因?yàn)槭菤怏w導(dǎo)電，電阻小，故要求加在燈管兩端的電壓不能太大（低于電源電壓220V）。日光燈用交變電源供電，正常工作時(shí)，在鎮(zhèn)流器中產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)阻礙電流變化，鎮(zhèn)流器等效于一個(gè)大電阻并與一個(gè)小電阻（燈管）串聯(lián)在220V的電源電壓兩端，使燈管兩端所加的電壓較小而正常工作。 教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)鎮(zhèn)流器在日光燈工作過(guò)程中的作用： ⑴啟動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生瞬時(shí)高壓。⑵正常工作時(shí)，降壓限流。 要求學(xué)生思考下面的問(wèn)題并作出回答。 問(wèn)題1：日光燈的可見(jiàn)光是誰(shuí)發(fā)出呢？是不是汞蒸氣發(fā)出？ 問(wèn)題2：日光燈為什么能節(jié)電? 學(xué)生回答： 1．汞蒸氣導(dǎo)電時(shí)發(fā)出紫外線，使涂在管壁上的熒光粉發(fā)出柔和的可見(jiàn)光。不是汞蒸氣發(fā)出。 2．日光燈由于靠離子導(dǎo)電，電阻很小，故電流的熱效應(yīng)很小，這樣日光燈能節(jié)約電能。 三、鞏固練習(xí) 1．如圖所示，L是自感系數(shù)很大，直流電阻很小的線圈，電表的零刻度都在表盤(pán)的中央，且量程均較大，閉合電鍵S，各表的指針都偏向零刻度的右邊，則在斷開(kāi)電鍵的瞬間，哪幾個(gè)表指針偏向零刻度的左邊？ A.A1表 B.A2表 C.A3表 D.V表 （ CD ） 2．在日光燈的連接線路中，關(guān)于啟動(dòng)器的作用，以下說(shuō)法正確的是： A.日光燈起動(dòng)時(shí)，為燈管提供瞬時(shí)高壓； （ C ） B.日光燈正常工作時(shí)，起降壓限流的作用； C.起到一個(gè)自動(dòng)開(kāi)關(guān)的作用，實(shí)際上可用一個(gè)彈片開(kāi)關(guān)代替(按下接通，放手?jǐn)嚅_(kāi))； D.以上說(shuō)法均不正確。 3．日光燈鎮(zhèn)流器的作用是： （ BC ） A．啟動(dòng)時(shí)限制燈管中電流； B．啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生瞬間高壓，點(diǎn)燃燈管； C．工作時(shí)降壓限流，使燈管在較低電壓下工作； D．工作時(shí)維持燈管兩端有高于電源的電壓，使燈管正常工作。