教科版选修32 第一章 第6节 自感 学案.doc

第6节自_感1.由于导体线圈本身的电流发生变化而产生的感应电动势叫自感电动势，它的作用是阻碍线圈自身电流的变化。2自感电动势ell，其中l为自感系数，它与线圈的形状、体积、匝数，以及是否有铁芯等因素有关。3镇流器是一个有铁芯的自感系数很大的线圈，能产生瞬时高压，点亮日光灯，日光灯点亮后镇流器又起着降压限流的作用，以保证日光灯的正常工作。一、自感现象1实验探究通电时的自感断电时的自感电路图现象d2立即正常发光，d1逐渐变亮灯泡d过一会才逐渐熄灭实验分析接通瞬间，线圈l中电流增大，磁通量增大，产生的感应电动势阻碍了原电流的增大，导致灯泡d1逐渐变亮电路断开时，线圈l中电流减小，磁通量减小，产生的感应电动势阻碍原电流的减小，导致灯泡d逐渐熄灭2自感现象(1)定义：由于导体线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应现象。(2)自感电动势：在自感现象中产生的电动势。二、自感系数1自感电动势大小公式ell。2自感系数(1)物理意义：表征线圈产生自感电动势本领的大小。(2)决定因素：自感系数是由线圈本身性质决定的，跟线圈的形状、体积、匝数等因素有关。另外有无铁芯对线圈的自感系数影响很大。(3)单位：亨(h)、毫亨(mh)、微亨(h)1 h103 mh106 h。三、自感的典型应用日光灯1构造如图161所示，由灯管、镇流器和启动器组成。图1612灯管(1)工作原理：在高压激发下，灯管内两灯丝间的气体导电，发出紫外线，管壁上的荧光粉在紫外线的照射下发出可见光。(2)气体导电的特点：只有当灯管两端的电压达到一定值时，气体才能电离导电；而要在灯管中维持一定大小的电流，所需的电压却低得多。3启动器的构造及作用(1)构造：双金属片(u形动触片和静触片)。(2)作用：在开关闭合后，使电路短暂接通再将电路断开。4镇流器的作用(1)启动时产生瞬时高压使灯管发光。(2)正常发光时，起着降压、限流的作用，保证日光灯的正常工作。1自主思考判一判(1)线圈的自感系数与电流大小无关，与电流的变化率有关。()(2)线圈自感电动势的大小与自感系数l有关，反过来，l与自感电动势也有关。()(3)线圈中电流最大的瞬间可能没有自感电动势。()(4)自感现象中，感应电流一定与原电流方向相反。()(5)一个线圈中的电流均匀增大，自感电动势也均匀增大。()(6)镇流器在点亮日光灯时产生瞬时高电压，点亮后就不起作用了。()2合作探究议一议(1)自感现象是否属于电磁感应现象，是否遵守楞次定律和法拉第电磁感应定律？提示：自感现象属于电磁感应现象，同样遵守楞次定律和法拉第电磁感应定律。(2)如何判断自感电动势的方向？提示：自感电动势总是阻碍导体中原来电流的变化，当原来电流增大时，自感电动势所对应的电流方向与原来电流方向相反；当原来电流减小时，自感电动势所对应的电流方向与原来电流方向相同。它们也遵循“增反减同”的规律。(3)断电自感的实验装置如图162所示，在断电自感电路中，线圈l的电阻较小(rlia，所以a先闪亮一下，再逐渐熄灭。可见s断开前后，流过a的电流方向相反。(4)在高电压的激发下，日光灯的灯管才能发光，这个使日光灯管发光的高电压是由谁来提供？提示：镇流器中的电流急剧减小，会产生很高的自感电动势，这个自感电动势与电源电压加在一起，形成一个瞬时高电压，加在灯管两端，使灯管中的气体放电，日光灯被点亮。对通电自感和断电自感的理解1自感电动势的产生原因通过线圈的电流发生变化，导致穿过线圈自身的磁通量发生变化，因而在原线圈上产生感应电动势。2自感电动势的方向当原电流增大时，自感电动势的方向与原电流方向相反；当原电流减小时，自感电动势的方向与原电流方向相同。3自感电动势的作用阻碍原电流的变化，起到推迟电流变化的作用。4决定自感电动势大小的因素(1)电流的变化率。(2)线圈的自感系数。5对自感系数的理解(1)线圈的自感系数是由线圈本身性质决定的，与电流的通断、电流的大小无关。(2)线圈的横截面积越大，线圈越长，匝数越多、越密，它的自感系数就越大。实际上它与线圈上单位长度的匝数n成正比，与线圈的体积成正比。除此之外，线圈内有无铁芯起相当大的作用，有铁芯比没有铁芯自感系数要大得多。6通、断电自感中灯泡亮度变化分析(1)通电自感如图163甲所示，线圈产生的自感电动势阻碍电流的增加，使线圈的电流从通电瞬间的0逐渐增大到正常值，所以与线圈串联的灯泡的亮度是逐渐亮起来。图163(2)断电自感如图乙所示，正常工作时线圈和电灯的电流分别为il和ia。断电后，线圈产生自感电动势，线圈与灯泡组成回路，线圈起到电源作用。线圈产生的自感电动势阻碍电流的减小，使线圈中的电流由il逐渐减小到0，因此灯泡中的电流也由断电前的ia突变为il，然后逐渐减小到0，亮度也是逐渐变小到熄灭，当然灯泡中的电流方向由断电前的dc突变为cd。若ilia，灯泡闪亮一下再逐渐熄灭；若ilia，灯泡逐渐熄灭，不闪亮。典例 (多选)如图164所示的电路中，a、b、c为三盏完全相同的灯泡，l是一个自感系数很大、直流电阻为零的自感线圈，e为电源，s为开关。关于三盏灯泡，下列说法正确的是()图164a合上开关，c、b先亮，a后亮b合上开关一会后，a、b一样亮c断开开关，b、c同时熄灭，a缓慢熄灭d断开开关，c马上熄灭，b闪一下后和a一起缓慢熄灭思路点拨(1)线圈的自感系数很大，能够产生足够大的自感电动势。(2)线圈的直流电阻为零，电路稳定后线圈相当于普通导线。解析闭合开关s时，由于线圈l的自感作用，流过a灯的电流逐渐增大，所以a灯后亮，b、c灯与电源构成回路，所以b、c灯先亮，故a正确。合上开关一会后，电路稳定，l是一个直流电阻为零的自感线圈，可视为导线，a、b灯完全相同，并联电压相同，故a、b灯一样亮，故b正确。断开开关瞬间，a、b灯与线圈构成闭合回路，由于l的自感作用，a、b灯的电流要逐渐减小，故c灯马上熄灭，a、b灯缓慢熄灭，c错误。由于电路稳定时，a、b灯中电流相同，故b灯无闪亮现象，d错误。答案ab(1)电流变化时，电感线圈对电流的变化有阻碍作用。(2)电流稳定时，电感线圈相当于一段导体，阻值即为直流电阻。对于理想线圈，此时相当于短路。 1. (多选)如图165所示的电路中，电源电动势为e，内阻r不能忽略。r1和r2是两个定值电阻，l是一个自感系数较大的线圈。开关s原来是断开的，从闭合开关s到电路中电流达到稳定为止的时间内，通过r1的电流i1和通过r2的电流i2的变化情况是()图165ai1开始较大而后逐渐变小bi1开始很小而后逐渐变大ci2开始很小而后逐渐变大di2开始较大而后逐渐变小解析：选ac闭合开关s时，由于l是一个自感系数较大的线圈，产生反向的自感电动势阻碍电流的变化，所以开始i2很小，随着电流达到稳定，自感作用减小，i2开始逐渐变大。闭合开关s时，由于线圈阻碍作用很大，路端电压较大，随着自感作用减小，路端电压减小，所以r1上的电压逐渐减小，电流i1逐渐减小，故选a、c。2.如图166所示，电感线圈l的自感系数足够大，其直流电阻忽略不计，la、lb是两个相同的灯泡，且在下列实验中不会烧毁，电阻r2阻值约等于r1的两倍，则()图166a闭合开关s时，la、lb同时达到最亮，且lb更亮一些b闭合开关s时，la、lb均慢慢亮起来，且la更亮一些c断开开关s时，la慢慢熄灭，lb马上熄灭d断开开关s时，la慢慢熄灭，lb闪亮后才慢慢熄灭解析：选d由于灯泡la与线圈l串联，灯泡lb与电阻r2串联，当s闭合的瞬间，通过线圈的电流突然增大，线圈产生自感电动势，阻碍电流的增加，所以lb比la先亮，a、b项错误；由于la所在的支路电阻阻值偏小，故稳定时电流大，即la更亮一些；当s断开的瞬间，线圈产生自感电动势，两灯组成的串联电路中，电流从线圈中电流开始减小，即从ia减小，故la慢慢熄灭，lb闪亮后才慢慢熄灭，c错误、d正确。3. (多选)如图167所示，带铁芯的电感线圈的电阻与电阻器r的阻值相同，a1和a2是两个完全相同的电流表，则下列说法中正确的是()图167a闭合s瞬间，电流表a1的示数小于a2的示数b闭合s瞬间，电流表a1的示数等于a2的示数c断开s瞬间，电流表a1的示数大于a2的示数d断开s瞬间，电流表a1的示数等于a2的示数解析：选ad闭合开关时，线圈中产生与电流反向的自感电动势起到阻碍作用，所以电流表a1的示数小于电流表a2的示数，a对、b错；断开开关时，线圈中产生与原电流同向的自感电动势，并与r组成临时回路，电流表a1与电流表a2示数相等，c错、d对。自感现象中的图像问题 典例如图168所示电路中，s是闭合的，此时流过线圈l的电流为i1，流过灯d的电流为i2，且i1i2，在t1时刻将s断开，那么流过灯d的电流随时间变化的图像是下列图中的()图168思路点拨(1)s断开瞬间，回路中电流的大小和方向由线圈l中的电流决定。(2)因线圈的自感作用，回路中的电流逐渐减小到零。解析注意分析各段时间内流过灯d电流的方向的变化情况。s闭合时流过灯d的电流大小为i2，方向由左向右；s断开时灯d中电流立即减小为零，由于线圈l的作用，i1不能立即减小为零，l与灯d构成闭合电路，其中电流由i1逐渐减小至零，流经灯d的电流方向由右向左，故选d。答案d(1)s断开时，因自感作用，线圈l中的电流不能立即减小为零，要通过回路逐渐减小为零。(2)回路中的电流方向与s断开前线圈l中的电流方向相同。(3)回路中的电流从线圈l中原来的电流大小开始逐渐减小，但不是均匀减小。 1. (多选)某线圈中通有如图169所示的电流，则线圈中自感电动势改变方向的时刻有()图169a第1 s末b第2 s末c第3 s末d第4 s末解析：选bd自感电动势el，当电流的变化率为零时，自感电动势的方向发生改变。由题图可知t2 s和t4 s时为零。故选项b、d正确。2.如图1610所示的电路中，电源的电动势为e，内阻为r，电感l的电阻不计，电阻r的阻值大于灯泡d的阻值。在t0时刻闭合开关s，经过一段时间后，在tt1时刻断开s。下列表示a、b两点间电压uab随时间t变化的图像中，正确的是()图1610解析：选b开关s闭合的瞬间，由于电感l的阻碍作用，由r与l组成的支路相当于断路，后来由于l的阻碍作用不断减小，相当于外电路并联部分的电阻不断减小，根据闭合电路欧姆定律i知，整个电路中的总电流不断增大，由u内ir得内电压不断增大，由uabeir得路端电压uab不断减小。电路稳定后，由于r的阻值大于灯泡d的阻值，所以流过l支路的电流小于流过灯泡d的电流。当开关断开时，由于电感l的自感作用，流过灯泡d的电流立即与l中的电流相等，与灯泡中原来的电流方向相反且逐渐减小，即uab反向且逐渐减小，选项b正确。3.在如图1611所示的电路中，两个相同的小灯泡l1和l2分别串联一个带铁芯的电感线圈l和一个滑动变阻器r。闭合开关s后，调整r，使l1和l2发光的亮度一样，此时流过两个灯泡的电流均为i。然后，断开s。若t时刻再闭合s，则在t前后的一小段时间内，图正确反映流过l1的电流i1、流过l2的电流i2随时间t变化的图像是()图1611解析：选b由题中给出的电路可知，电路由l与l1和l2与r两个支路并联，在t时刻，l1支路的电流因为有l的自感作用，所以i1由0逐渐增大，l2支路为纯电阻电路，i2不存在逐渐增大的过程，所以选项b正确。日光灯的工作原理1对启动器工作原理的认识启动器主要由电容器和玻璃泡组成，电容器与玻璃泡并联。玻璃泡内构造如图1612所示。玻璃泡内充有氖气，泡内装有两个金属片，一个是固定不动的静触片，另一个是由双金属片制成的u形动触片，动、静触片之间留有小缝隙，形成两个电极。图1612启动器的主要作用是在开关闭合后，利用氖管的辉光放电，通过动、静触片的接通和断开过程，使镇流器产生瞬时高电压。2对镇流器工作原理的认识镇流器是一个带铁芯的线圈，其自感系数很大。镇流器在日光灯启动阶段和正常发光阶段，起着不尽相同的作用，具体表现为：(1)在灯管启动时，镇流器能够产生一个高出电源电压很多的瞬时电压，使日光灯内的气体导电，而被点亮。(2)在日光灯启动后，因为日光灯的电阻变得很小，只允许通过不大的电流，否则就会将灯管烧坏。这时加在灯管两端的电压低于电源电压，此要求也是通过镇流器来实现的，镇流器起降压限流作用。1.人类生活中对能源的可持续利用可以通过节能方式体现，日光灯是最常用的节能照明工具，它的主要构成有灯管、镇流器、启动器。启动器的构造如图1613所示，为了便于日光灯工作，常在启动器两端并上一个纸质电容器c。现有一盏日光灯总是出现灯管两端亮而中间不亮，经检查，灯管是好的，电源电压正常，镇流器无故障，其原因可能是()图1613a启动器两脚a、b与启动器座接触不良b电容器c断路c电容器c击穿而短路d镇流器自感系数l太大解析：选c由题意知镇流器无故障，故d项错误。日光灯管两端亮而中间不亮，说明灯管两端的灯丝处于通电状态，即启动器接通，但不能自动断开，说明电容器c短路了，选c。2如图所示，s为启动器，l为镇流器，其中日光灯的接线图正确的是()解析：选a根据日光灯的工作原理，要想使日光灯发光，灯丝需要预热发出电子，灯管两端应有瞬时高压，这两个条件缺一不可。当动、静触片分离后，选项b中灯管和电源断开，选项b错误；选项c中镇流器与灯管断开，无法将瞬时高压加在灯管两端，选项c错误；选项d中灯丝左、右两端分别被短接，无法预热放出电子，不能使灯管气体导电，选项d错误。只有a项满足发光条件。1(多选)关于线圈自感系数的说法，正确的是()a自感电动势越大，自感系数也越大b把线圈中的铁芯抽出一些，自感系数减小c把线圈匝数增加一些，自感系数变大d电感是自感系数的简称解析：选bcd自感系数的大小是由线圈的匝数、材料、粗细、有无铁芯等决定的，与电流大小、自感电动势大小无关，匝数越多，自感系数越大，有铁芯时，自感系数显著增大，故a错误，b、c正确；同时，自感系数简称为电感，故d也正确。2(多选)下列说法正确的是()a当线圈中电流不变时，线圈中没有自感电动势b当线圈中电流反向时，线圈中自感电动势的方向与线圈中原电流的方向相反c当线圈中电流增大时，线圈中自感电动势的方向与线圈中电流的方向相反d当线圈中电流减小时，线圈中自感电动势的方向与线圈中电流的方向相反解析：选ac由法拉第电磁感应定律可知，当线圈中电流不变时，不产生自感电动势，选项a正确；当线圈中电流反向时，相当于电流减小，由楞次定律可知，线圈中自感电动势的方向与线圈中原电流的方向相同，选项b错误；当线圈中电流增大时，自感电动势阻碍电流增大，自感电动势的方向与线圈中电流的方向相反，选项c正确；当线圈中电流减小时，自感电动势阻碍电流的减小，线圈中自感电动势的方向与线圈中电流的方向相同，选项d错误。3. (多选)如图1所示，闭合电路中的螺线管可自由伸缩，螺线管有一定的长度，灯泡具有一定的亮度。若将一软铁棒从螺线管左边迅速插入螺线管内，则将看到()图1a灯泡变暗b灯泡变亮c螺线管缩短 d螺线管变长解析：选ad当软铁棒插入螺线管中时，穿过螺线管的磁通量增加，故产生反向的自感电动势，使总电流减小，灯泡变暗，每匝线圈间同向电流吸引力减小，螺线管变长，故a、d对。4.在制作精密电阻时，为了消除使用过程中由于电流变化而引起的自感现象，采用双线并绕法，如图2所示，其道理是()图2a当电路中的电流变化时，两股导线中产生的自感电动势互相抵消b当电路中的电流变化时，两股导线中产生的感应电流互相抵消c因电流反向，两股导线中产生的磁通量互相抵消，没有磁通量的变化d以上说法均不对解析：选c由于采用了双线绕法，两根平行导线中的电流反向，它们的磁场相互抵消，不论导线中的电流如何变化，线圈中的磁通量始终为零，所以消除了自感现象的影响。5. (多选)如图3所示的电路中，灯泡a1、a2电阻相同，自感线圈l的电阻跟灯泡相差不大。先接通s，使电路达到稳定，再断开s。下列表示通过a1、a2的电流随时间变化的关系图像中正确的是()图3解析：选bds接通时，流过线圈的电流发生变化，线圈中会产生自感电动势，阻碍电流的变化，经过一段时间后，电路达到稳定，自感作用消失，流过灯a1的电流如选项b所示；s接通且电路稳定时，流过灯a2的电流大于流过灯a1的电流，方向是从左到右，当s断开时，线圈l产生自感电动势，并与灯a2组成回路，产生自感电流，使流过灯a2的电流反向，逐渐减小到零，选项d正确。6图4所示的是日光灯的结构示意图，若按图示的电路连接，关于日光灯发光的情况，下列叙述中正确的是()图4as1接通，s2、s3断开，日光灯就能正常发光bs1、s2接通，s3断开，日光灯就能正常发光cs3断开，接通s1、s2后，再断开s2，日光灯就能正常发光d当日光灯正常发光后，再接通s3，日光灯仍能正常发光解析：选c当s1接通，s2、s3断开时，仅靠电源电压达不到灯管启动的高压值，日光灯不能发光，a错误；当s1、s2接通，s3断开时，灯丝两端被连通，日光灯不能发光，b错误；当日光灯正常发光后，再接通s3，则镇流器被短路，灯管两端电压过高，会损坏灯管，d错误；只有当s1、s2接通，灯丝被预热，发出电子，再断开s2，镇流器中产生很大的自感电动势，和电源电压一起加在灯管两端，使气体电离，日光灯正常发光，c正确。7.在如图5所示的电路中，l为电阻很小的线圈，g1和g2为零刻度在表盘中央的两个相同的电流表。当开关s闭合时，电流表g1、g2的指针都偏向右方，那么当断开开关s时，将出现的现象是()图5ag1和g2的指针都立即回到零点bg1的指针立即回到零点，而g2的指针缓慢地回到零点cg1的指针缓慢地回到零点，而g2的指针先立即偏向左方，然后缓慢地回到零点dg2的指针缓慢地回到零点，而g1的指针先立即偏向左方，然后缓慢地回到零点解析：选d根据题意，电流方向自右向左时，电流表指针向右偏。那么，电流方向自左向右时，电流表指针应向左偏。当开关s断开的瞬间，g1中原电流立即消失，而对于g2所在支路，由于线圈l的自感作用，电流不会立即消失，自感电流沿l、g2、g1的方向在由它们组成的闭合回路中继续维持一段时间，即g2中的电流按原方向自右向左逐渐减为零，此时g1中的电流和原电流方向相反，变为自左向右，且与g2中的电流同时缓慢减为零，故选项d正确。8.如图6所示的电路，l是自感系数较大的线圈，在滑动变阻器的滑动片p从a端迅速滑向b端的过程中，经过ab中点c时通过线圈的电流为i1；p从b端迅速滑向a端的过程中，经过c点时通过线圈的电流为i2；p固定在c点不动，达到稳定时通过线圈的电流为i0，则()图6ai1i2i0 bi1i0i2ci1i2i0 di1i0i2解析：选d当滑动片从a端迅速滑向b端时，总电阻减小，总电流增大，l产生的自感电动势阻碍电流增大，自感电流方向与原电流方向相反，故i1比p稳定在c点的电流i0小；当p从b端迅速滑向a端时，总电流在减小，l产生的自感电动势阻碍电流减小，自感电流方向与原电流方向相同，故i2大于p稳定在c点时的电流i0。故d正确。9. (多选)如图7所示，e为电池，l是电阻可忽略不计、自感系数足够大的线圈，d1、d2是两个规格相同且额定电压足够大的灯泡，s是控制电路的开关。对于这个电路，下列说法正确的是()图7a刚闭合开关s的瞬间，通过d1、d2的电流大小相等b刚闭合开关s的瞬间，通过d1、d2的电流大小不相等c闭合开关s，电路达到稳定时，d1熄灭，d2比原来更亮d闭合开关s，电路达到稳定时，再将s断开的瞬间，d2立即熄灭，d1闪亮一下后熄灭解析：选acd由于线圈的电阻可忽略不计，且自感系数足够大，在开关闭合的瞬间线圈的阻碍作用很大，线圈中的电流为零，所以通过d1、d2的电流大小相等，选项a正确，b错误。闭合开关s，电路达到稳定时线圈短路，d1中电流为零，回路中的总电阻减小，总电流增大，d2比原来更亮，选项c正确。闭合开关s，电路达到稳定时，再将s断开的瞬间，d2立即熄灭，线圈和d1形成闭合回路，d1闪亮一下后熄灭，选项d正确。10. (多选)某同学设计的家庭电路保护装置如图8所示，铁芯左侧线圈l1由火线和零线并行绕成。当右侧线圈l2中产生电流时，电流经放大器放大后，使电磁铁吸起铁质开关k，从而切断家庭电路。仅考虑l1在铁芯中产生的磁场，下列说法正确的有()图8a家庭电路正常工作时，l2中的磁通量为零b家庭电路中使用的电器增多时，l2中的磁通量不变c家庭电路发生短路时，开关k将被电磁铁吸起d地面上的人接触火线发生触电时，开关k将被电磁铁吸起解析：选abd当家庭电路正常工作时，火线和零线中的电流大小始终相等，方向始终相反，由于采用双线绕成，火线和零线在铁芯内部产生的磁场