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2019-2020年高中物理 16 自感 日光燈教案 教科版選修3-2 【教學目的】 1、 通過邏輯推理和對實驗的觀察和分析，使學生在電磁感應知識的基礎(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、 通過分析理解在自感現(xiàn)象中能量形式的轉(zhuǎn)化情況，為進一步學習電磁振蕩打下基礎(chǔ) 3、 通過對兩個自感實驗的觀察和討論，培養(yǎng)學生的觀察能力和分析推理能力 4、 日光燈的原理 【重點難點】 重點：使學生在掌握了自感現(xiàn)象與電磁感應現(xiàn)象統(tǒng)一性的基礎(chǔ)上，把握自感現(xiàn)象的特點。 難點：斷電自感現(xiàn)象中，燈泡突然閃亮一下學生很難理解，是教學中的難點。 【教具】電源（6V）、導線、帶閉合鐵芯的線圈、電鍵、燈泡等 【教學過程】 ○、復習&引入 師：上節(jié)課提到了幾種不同形式的電磁感應現(xiàn)象，你們認為引起電磁感應現(xiàn)象最重要的條件是什么？ ☆生：穿過電路的磁通量發(fā)生變化 師：對！不論采用什么方式，只要能使穿過電路的磁通量發(fā)生變化，均能引起電磁感應現(xiàn)象。 1、 揭示現(xiàn)象，提出問題 [實驗]：（6V電源，A、B為裸露銅線，L為帶閉合鐵芯的線圈） 提出問題：在A、B觸點斷開瞬間，A、B間的高壓從何而來？ 2、 分析現(xiàn)象，建立概念 在上圖所示的電路中，當電鍵K搭接后，線圈中存在穩(wěn)定的電流I，線圈內(nèi)部鐵心中存在很強的磁場，穿過線圈的磁通量很大；在電鍵K斷開瞬間，在很短的時間內(nèi)，線圈中的電流迅速減小到零，穿過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。但由于時間很短，在電鍵K由接通至斷開瞬間，對于線圈來說，在線圈上產(chǎn)生了很高的感生電動勢，這就是引起試驗學生強烈觸電感覺的高壓的來源。 上述現(xiàn)象屬于一種特殊的電磁感應現(xiàn)象，其中穿過電路磁通量的變化是由于通過導體本身的電流發(fā)生變化而引起的。這種由于導體本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應現(xiàn)象，叫做自感現(xiàn)象。在自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應電動勢，叫做自感電動勢。（板書） 3、 演示現(xiàn)象，強化概念（課本上的實驗） 總結(jié)1：電路接通時，電流由零開始增加，L支路中感應電流方向與原來電流方向相反，阻礙電流的增加，即推遲了電流達到正常值的時間（見上左圖）。啟發(fā)學生說出這時L相當于瞬時電源（將原電流方向及自感電流的方向在力中標出） 問：如果不斷地用手按動K，會發(fā)生什么現(xiàn)象？（燈1始終達不到正常發(fā)光亮度）加快按動頻率，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，電源切斷，但燈不僅不立刻熄滅，反而產(chǎn)生了更強的延時電流，這是為什么？提醒學生，這時一定又出現(xiàn)了新電源，這個電源在哪里？電動勢的方向如何？ K斷開時，線圈L產(chǎn)生自感電動勢，方向與原來電流方向相同，阻礙電流的減小。L相當一瞬時電源，此電源與燈A形成回路（在圖中畫出電流方向），故燈A還有一段時間的持續(xù)電流。燈A比原來更亮地一閃，說明這瞬間電流比原來電流大。顯然這是由L產(chǎn)生的。原來L支路中電流iL比A支路中電流iA大很多（如上右圖），K斷開時，iA立即減為零，而iL由原原值逐漸減為零，推遲了減到零的時間，可見在一段時間內(nèi)，流過A的電流還大于原來的電流iA，故而發(fā)出更亮的光。 板書：自感電動勢的方向總是阻礙原來電流的變化。 自感現(xiàn)象既然也是一種電磁感應現(xiàn)象，當然仍然遵守楞次定律，即自感電動勢的方向總是阻礙原來電流的變化。 4、 自感現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化 電能 磁場能 5、 自感系數(shù) 演示“千人震”實驗，折掉鐵芯，觸電感覺消失，說明線圈中產(chǎn)生的自感電動勢還與線圈本身有關(guān)。 1） 自感系數(shù)反映了線圈對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】 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↘，使電路達到穩(wěn)定，燈泡S發(fā)光．（A、D） （A）在電路（a）中，斷開K，S將漸漸變暗． （B）在電路（a）中，一斷開K，S將先變得更亮，然后漸漸變暗． （C）在電路（b）中，斷開K，S將漸漸變暗． （D）在電路（b）中，斷開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是兩個相同的小燈泡，L是一個自感系數(shù)相當大的線圈，其直流電阻值與R相等．在電鍵S接通和斷開時，燈泡S1和S2亮暗的順序是（A） （A）接通時，S1先達到最亮，斷開時，S1后暗 （B）接通時，S2先達到最亮，斷開時，S2后暗 （C）接通時，S1先達到最亮，斷開時，S1先暗 （D）接通時，S2先達到最亮，斷開時，S2先暗 分析與解答：從等效的觀點看，在S接通時，相當于L表現(xiàn)為很大的電阻，故S1先達到最亮．選項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，電路中兩個電阻器的電阻均為R，開始時電鍵S斷開．此時電路中電流強度為I0，現(xiàn)將電鍵S閉合、線圈L中有自感電動勢產(chǎn)生，下列說法中正確的是（D） （A）由于自感電動勢有阻礙電流的作用，電路中電流最終由I0減小到零． （B）由于自感電動勢有阻礙電流的作用，電路中電流最終總小于I0． （C）由于自感電動勢有阻礙電流的作用，電路中電流將保持I0不變． （D）自感電動勢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燈分別標有“36V 40W”和“36V 25W”，閉合電鍵調(diào)節(jié)，能使a、b都正常發(fā)光．斷開電鍵后重做實驗：電鍵閉合后看到的現(xiàn)象是什么？穩(wěn)定后那只燈較亮？再斷開電鍵，又將看到什么現(xiàn)象？ 分析：閉合瞬間， a將慢慢亮起來，b立即變亮．穩(wěn)定后兩燈都正常發(fā)光，a的功率大，較亮．這時的作用相當于一只普通的電阻（就是該線圈的內(nèi)阻）；斷開瞬間，通過a的電流將逐漸減小，a漸漸變暗到熄滅，而ab組成同一個閉合回路，所以b燈也將逐漸變暗到熄滅，而且開始還會閃亮一下，這時相當于一個電源． （二）日光燈的主要組成 日光燈主要由燈管、鎮(zhèn)流器、啟動器組成。 分別將燈管、鎮(zhèn)流器、啟動器的實物模型展示在投影儀上，對其結(jié)構(gòu)及其原理進行講解。 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，兩個燈絲之間的氣體導電時發(fā)出紫外線，使涂在管壁上的熒光粉發(fā)出柔和的可見光。 教師說明：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日光燈開始點燃時，要激發(fā)汞蒸氣導電需要一個高出電源電壓很多的電壓，而正常發(fā)光時，燈管的電阻變得很?。ㄒ驗闅怏w導電的電阻?。?，只允許通過不大的電流，這時要求加在燈管上的電壓低于電源電壓。 教師出示拆開的鎮(zhèn)流器，如右圖，向?qū)W生介紹鎮(zhèn)流器的構(gòu)造——是一個帶鐵芯的線圈，自感系數(shù)很大。 教師出示拆開的起動器，如右圖，要求學生觀察并總結(jié)啟動器的主要構(gòu)造： 啟動器主要是一個充有氖氣的小玻璃泡，里面裝有兩個電極，一個是靜觸片，一個是由兩個膨脹系數(shù)不同的金屬制成的U形動觸片。 教師演示雙金屬片受熱彎曲的實驗，同時講述溫度升高時，動觸片與靜觸片接通的原理。 平常動觸片與靜觸片之間不接觸，有小縫隙，雙金屬片受熱時，兩金屬片膨脹程度不同，下層的膨脹大一些，使U形動觸片稍伸開一點，與靜觸片接觸。 教師說明：啟動器中與動、靜觸片并接的電容器只是起一個使動、靜觸片在分離時不產(chǎn)生火花，以免燒壞觸點。即使沒有電容器，啟動器也能工作。 （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）日光燈的工作過程 引導學生分析并掌握日光燈工作的全過程。 1、K閉合，啟動器的動、靜觸片先接通，后分離。 K閉合時，電源將電壓加在起動器兩極間，使氖氣放電發(fā)出輝光，輝光產(chǎn)生熱量使U形動觸片膨脹伸長，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。電路接通后，起動器的氖氣停止放電，U形動觸片冷卻收縮，兩觸片分離，電路自動斷開。 2、啟動器的動、靜觸片分離的瞬間，鎮(zhèn)流器由于自感產(chǎn)生一個瞬時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電，氣體導電時發(fā)出的紫外線，使涂在管壁的熒光粉發(fā)出柔和的可見光。 3、日光燈啟動后，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。 日光燈點燃后，只允許通過不大的電流。由于燈管正常工作時，因為是氣體導電，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，在鎮(zhèn)流器中產(chǎn)生自感電動勢阻礙電流變化，鎮(zhèn)流器等效于一個大電阻并與一個小電阻（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。 教師引導學生總結(jié)鎮(zhèn)流器在日光燈工作過程中的作用： ⑴啟動時，產(chǎn)生瞬時高壓。⑵正常工作時，降壓限流。 要求學生思考下面的問題并作出回答。 問題1：日光燈的可見光是誰發(fā)出呢？是不是汞蒸氣發(fā)出？ 問題2：日光燈為什么能節(jié)電? 學生回答： 1．汞蒸氣導電時發(fā)出紫外線，使涂在管壁上的熒光粉發(fā)出柔和的可見光。不是汞蒸氣發(fā)出。 2．日光燈由于靠離子導電，電阻很小，故電流的熱效應很小，這樣日光燈能節(jié)約電能。 三、鞏固練習 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，則在斷開電鍵的瞬間，哪幾個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)于啟動器的作用，以下說法正確的是： A.日光燈起動時，為燈管提供瞬時高壓； （ C ） B.日光燈正常工作時，起降壓限流的作用； C.起到一個自動開關(guān)的作用，實際上可用一個彈片開關(guān)代替(按下接通，放手斷開)； D.以上說法均不正確。 3．日光燈鎮(zhèn)流器的作用是： （ BC ） A．啟動時限制燈管中電流； B．啟動時產(chǎn)生瞬間高壓，點燃燈管； C．工作時降壓限流，使燈管在較低電壓下工作； D．工作時維持燈管兩端有高于電源的電壓，使燈管正常工作。