高中物理 第4章 电磁感应 第6节 互感和自感教案 新人教版选修3

用心 爱心 专心1 第第 6 6 节节 互感和自感互感和自感 要点一要点一 如何进一步理解自感电动势 如何分析自感现象 如何进一步理解自感电动势 如何分析自感现象 1 对自感电动势的进一步理解 1 自感电动势产生的原因 通过线圈的电流发生变化 导致穿过线圈的磁通量发生变化 因而在原线圈中产生感 应电动势 2 自感电动势的作用 阻碍原电流的变化 而不是阻止 电流仍在变化 只是使原电流的变化时间变长 即 总是起着推迟电流变化的作用 3 自感电动势的方向 当原电流增大时 自感电动势方向与原电流方向相反 电流减小时 自感电动势方向 与原电流方向相同 2 自感现象的分析思路 1 明确通过自感线圈的电流怎样变化 是增大还是减小 2 判断自感电动势方向 电流增强时 如通电 自感电动势方向与电流方向相反 电 流减小时 如断电 自感电动势方向与电流方向相同 3 分析电流变化情况 电流增强时 如通电 自感电动势方向与原电流方向相反 阻 碍增加 电流逐渐增大 电流减小时 如断电 由于自感电动势方向与原电流方向相同 阻碍减小 线圈中电流方向不变 电流逐渐减小 要点二要点二 通电自感和断电自感是如何产生的 通电自感和断电自感是如何产生的 在处理通断电灯泡亮度变化问题时 不能一味套用结论 如通电时逐渐变亮 断电时 逐渐变暗 或闪亮一下逐渐变暗 要具体问题具体分析 关键要搞清楚电路连接情况 与线圈串联的灯泡与线圈并联的灯泡 电路图 通电时电流逐渐增大 灯泡逐渐变亮 电流突然变大 然后逐渐减小 达到稳 定 断电时 电流逐渐减小 灯泡逐渐变暗 电流方 向不变 电路中稳态电流为 I1 I2 若 I2 I1 逐渐变暗 若 I2 I1 灯泡先亮一下再变暗 两 种情况电流的方向都变化 一 日光灯是如何启动和工作的 一 日光灯是如何启动和工作的 1 构造 日光灯的电路如图 4 6 2 所示 由日光灯管 镇流器 开关等组成 图 4 6 2 用心 爱心 专心2 2 日光灯的启动 当开关闭合时 电源把电压加在启动器的两极之间 使氖气放电而发出辉光 辉光产 生的热量使 U 形动触片膨胀伸长 从而接通电路 于是镇流器的线圈和灯管的灯丝中就有 电流通过 电路接通后 启动器中的氖气停止放电 U 形动触片冷却收缩 两个触片分开 电路自动断开 通过镇流器的电流迅速减小 会产生很高的自感电动势 方向与原来电压 方向相同 形成瞬间高压加在灯管两端 使灯管中的气体开始导电 于是日光灯管就成了 通路开始导电发光 3 日光灯正常工作时镇流器的作用 由于日光灯使用的是交流电源 电流的大小和方向做周期性变化 当交流电的大小增 大时 镇流器上的自感电动势阻碍原电流增大 自感电动势与原电压反向 当交流电减小 时 镇流器上的自感电动势阻碍原电流的减小 自感电动势与原电压同向 可见镇流器的 自感电动势总是阻碍电流的变化 镇流器起降压 限流的作用 二 自感系数 电感和电阻的区别二 自感系数 电感和电阻的区别 1 自感系数 1 自感系数是由线圈的长度 线圈的横截面积 单位长度上的匝数 线圈有无铁芯决 定的 2 单位 亨 符号 H 单位之间的换算 1 H 103 mH 106 H 3 物理意义 表征线圈产生自感电动势本领大小的物理量 数值上等于通过线圈的电 流在 1 s 内改变 1 A 时产生的自感电动势的大小 2 电感和电阻在电路中的区别 电阻 R电感 L 阻碍作用对恒定电流对变化的电流 表现导线发热产生自感现象 大小因素 电阻越大 对电流的阻碍作用越大 产生的电势差越大 电感越大 电流变化越快 对电流的 阻碍作用越大 产生的自感电动势越 大 决定因素长度 横截面积 电阻率 温度 长度 横截面积 单位长度的匝数 有无铁芯 联系电阻和电感都是反映导体本身性质的物理量 一 断电自感的常规考查一 断电自感的常规考查 例例 1 如图 4 6 3 所示 图 4 6 3 当开关 S 断开时 电路中会产生自感现象 称为断电自感 回答下面几个问题 1 电源断开时 通过线圈 L 的电流减小 这时会出现感应电动势 感应电动势的作用 是使线圈 L 中的电流减小得更快些还是更慢些 2 产生感应电动势的线圈可以看作一个电源 它能向外供电 由于开关已经断开 线 圈提供的感应电流将沿什么途径流动 3 开关断开后 通过灯泡的感应电流与原来通过它的电流方向是否一致 4 开关断开后 通过灯泡的感应电流是否有可能比原来的电流更大 为了使实验的效 用心 爱心 专心3 果更明显 对线圈 L 应该有什么要求 解析解析 1 开关断开后 感应电动势使线圈 L 中电流 IL减小得更慢些 2 开关断开后 感应电流将沿线圈 L 向右流动 经灯泡 A 后流到线圈的左端 即线圈 L 和灯泡 A 构成闭合电路 回路中电流沿逆时针方向 3 开关断开后 通过灯泡 A 的感应电流与原电流方向相反 4 有可能 原来电路闭合处于稳定状态 L 与 A 并联 其电流分别为 IL和 IA 方向都是 从左向右 在断开 S 的瞬时 灯 A 中原来的从左向右的电流 IA立即消失 但是灯 A 与线圈 L 组成一闭合电路 由于 L 的自感作用 其中的电流 IL不会立即消失 而是在回路中逐渐减 弱维持短暂的时间 这个时间内灯 A 中有从右向左的电流通过 这时通过 A 的电流从 IL开 始减弱 如果 RL 线圈 L 的直流电阻 IA 则在灯 A 熄灭之前要闪亮一下 如果 RL RA 原来的电流 IL IA 则灯 A 是逐渐熄灭不再闪亮一下 答案答案 见解析 二 自感系数的考查二 自感系数的考查 例例 2 关于某一线圈的自感系数 下列说法中正确的是 A 线圈中电流变化越大 线圈的自感系数越大 B 线圈中电流变化得越快 线圈的自感系数越大 C 若线圈中通入恒定电流 线圈自感系数为零 D 不管电流如何变化 线圈的自感系数不变 解析解析 自感系数只与线圈本身有关 而与其他因素无关 自感系数是由线圈的本身性质 线圈的长度 面积 单位长度上的匝数 和是否插入铁芯决定的 线圈的横截面积越大 线圈 越长 单位长度上的匝数越多 它的自感系数就越大 有铁芯的线圈的自感系数比没有铁芯 的大得多 自感系数与通入的电流 电流改变量 电流变化率等无关 故正确答案为 D 答案答案 D 1 关于自感现象 下列说法中正确的是 A 自感现象是线圈自身的电流变化而引起的电磁感应现象 B 自感电动势总是阻止原电流的变化 C 自感电动势的方向总与原电流方向相反 D 自感电动势的方向总与原电流方向相同 答案答案 A 解析解析 自感现象是线圈自身的电流变化而引起的电磁感应现象 在自感现象中自感电 动势总是阻碍原电流的变化 不是阻止 所以选项 B 错 当原电流减小时 自感电动势与原 电流的方向相同 当原电流增加时 自感电动势与原电流方向相反 所以选项 C D 错 2 某线圈通有如图 4 6 4 所示的电流 图 4 6 4 则线圈中自感电动势改变方向的时刻有 A 第 1 s 末 B 第 2 s 末 C 第 3 s 末 D 第 4 s 末 答案答案 BD 解析解析 在自感现象中当原电流减小时 自感电动势与原电流的方向相同 当原电流增加 时 自感电动势与原电流方向相反 在 0 1 s 内原电流正方向减小 所以自感电动势的方向 是正方向 在 1 2 s 内原电流负方向增加 所以自感电动势与其方向相反 即沿正方向 同 理分析 2 3 s 3 4 s 内可得正确选项为 B D 用心 爱心 专心4 3 如图 4 6 5 所示电路中 图 4 6 5 L 是一个带铁芯的线圈 R 为纯电阻 两支路的直流电阻相等 A1 A2为双向电流表 在接通和断开开关 S 的瞬间 两电流表读数 I1 I2分别是 A I1I2 B I1 I2 I1 I2 C I1 I2 I1 I2 D I1 I2 I1 I2 答案答案 B 解析解析 接通开关 S 时 由于 L 中的自感电动势阻碍电流的增大 所以 I1 I2 断开开关 S 时 L 中的自感电动势阻碍电流的减小 通过 LA1A2R 回路放电 所以 I1 I2 4 日光灯电路主要由镇流器 启动器和灯管组成 在日光灯正常工作的情况下 A 灯管点燃发光后 启动器中的触片是分离的 B 灯管点燃发光后 镇流器起降压限流作用 C 镇流器起限流作用 D 镇流器给日光灯的开始点燃提供瞬时高压 答案答案 ABD 解析解析 日光灯在点燃时需要一个瞬时高压 当启动器的 U 形触片冷却收缩分离 使电路 突然中断的瞬间 因镇流器的自感作用产生很高的自感电动势加在灯丝两端 使灯管中气体 导电 日光灯点燃 日光灯正常发光时 启动器中触片是断开的 由于交流电不断通过镇流 器的线圈 线圈中产生的自感电动势阻碍电流变化 这时镇流器起了降压 限流作用 保证 日光灯能正常工作 题型题型 含容电路自感现象的综合考查含容电路自感现象的综合考查 如图 1 所示 电阻 R1 3 R2 6 线圈的直流电阻不计 电源电动势 E 5 V 内阻 r 1 开始时 电键 S 闭合 则 图 1 A 断开 S 前 电容器所带电荷量为零 B 断开 S 前 电容器两端的电压为 V 10 3 C 断开 S 的瞬间 电容器 a 板带上正电 D 断开 S 的瞬间 电容器 b 板带上正电 思维步步高思维步步高 电容器在正常工作时和电键断开时所起作用有何不同 断开前电容两端 电压为多少 断开后形成回路了吗 答案答案 AC 解析解析 断开电键前 电容器两端的电压是线圈两端的电压 线圈没有直流电阻 所以电 用心 爱心 专心5 容器的两端所带的电荷量为零 断开电键 线圈相当于电源给电容器充电 拓展探究拓展探究 如图 2 所示的电路中 图 2 电容 C 和电感 L 的值都很大 L 的电阻不计 A B 是完全相同的灯泡 当开关 S 闭 合时 下面说法中正确的是 A A 灯比 B 灯先亮 然后 A 灯熄灭 B B 灯比 A 灯先亮 然后 B 灯熄灭 C A 灯 B 灯一起亮 然后 A 灯熄灭 D A 灯 B 灯一起亮 然后 B 灯熄灭 答案答案 B 题型题型 断电自感的综合考查断电自感的综合考查 如图 3 所示的电路中 三个相同的灯泡 a b c 和电感 L1 L2与直流电源连 接 电感的电阻忽略不计 开关 S 从闭合状态突然断开时 下列判断正确的有 图 3 A a 先变亮 然后逐渐变暗 B b 先变亮 然后逐渐变暗 C c 先变亮 然后逐渐变暗 D b c 都逐渐变暗 思维步步高思维步步高 考查的是什么现象 直流电能不能产生自感现象 断开电键后电路各部 分之间的关系是什么 a b c 三个灯有什么区别 答案答案 AD 解析解析 由题图中看出 S 突然断开时 电感 L1 L2中的感应电流瞬间都加在灯 a 上 所 以 a 瞬间电流比原来大 所以灯 a 先变亮 然后逐渐变暗 b c 都逐渐变暗 拓展探究拓展探究 如图 4 所示的电路中 a b 为两个完全相同的灯泡 L 为自感线圈 E 为 电源 S 为开关 关于两灯泡点亮和熄灭的先后次序 下列说法正确的是 图 4 A 合上开关 a 先亮 b 后亮 断开开关 a b 同时熄灭 B 合上开关 b 先亮 a 后亮 断开开关 a 先熄灭 b 后熄灭 C 合上开关 b 先亮 a 后亮 断开开关 a b 同时熄灭 D 合上开关 a b 同时亮 断开开关 b 先熄灭 a 后熄灭 答案答案 C 解析解析 合上开关后 由于 a 灯和线圈相连后接在电路中 当电路中电流变化时 线圈对 电流有阻碍作用 所以闭合开关后 b 先亮 a 后亮 断开开关后 a b 都要过一会再灭 用心 爱心 专心6 1 关于自感电动势的大小和方向 下列说法中正确的是 A 在自感系数一定的条件下 通过导体的电流越大 产生的自感电动势越大 B 在自感系数一定的条件下 通过导体的电流变化越快 产生的自感电动势越大 C 自感电动势的方向总与原电流的方向相反 D 当通过导体的电流减小时 自感电动势的方向与原电流方向相同 答案答案 BD 2 在日光灯电路中接有启动器 镇流器和日光灯管 下列说法中正确的是 A 日光灯点燃后 镇流器 启动器都不起作用 B 镇流器在点燃灯管时产生瞬时高压 点燃灯管后起降压限流作用 C 日光灯点亮后 启动器不再起作用 可以将启动器去掉 D 日光灯点亮后 使镇流器短路 日光灯仍能正常发光 并能降低对电能的消耗 答案答案 BC 解析解析 日光灯工作时都要经过预热 启动和正常工作三个不同的阶段 它们的工作电流 通路如下图所示 在启动阶段镇流器与启动器配合产生瞬间高压 工作后 电流由灯管经镇流器 不再流 过启动器 故启动后启动器不再工作 而镇流器还要起降压限流作用 不能去掉 故选 B C 3 下列哪些单位关系是不正确的 A 1 亨 1 欧 秒 B 1 亨 1 伏 安 秒 C 1 伏 1 韦 秒 D 1 伏 1 亨 安 秒 答案答案 B 4 如图 5 所示 图 5 是演示自感现象的实验电路图 下列说法中正确的是 A 在断开开关 S 后的一段短暂时间里 A 中仍有电流通过 方向为 a b B 在断开开关 S 后的一段短暂时间里 L 中仍有电流通过 方向为 a b C 在断开开关 S 后 原存储在线圈内的大部分磁场能将转化为电能 D 在断开开关 S 后 原存储在线圈内的大部分磁场能将转化为化学能 答案答案 BC 解析解析 断开开关 线圈 L 产生自感电动势 阻碍原电流的减小 电流方向为 a b 在 灯 A 中为 b a 断开开关后 灯泡要逐渐熄灭 电流减小 磁场能转化为电场能 5 如图 6 所示 图 6 A B C 是相同的白炽灯 L 是自感系数很大 电阻很小的自感线圈 现将 S 闭合 用心 爱心 专心7 下面说法正确的是 A B C 灯同时亮 A 灯后亮 B A B C 灯同时亮 然后 A 灯逐渐变暗 最后熄灭 C A 灯一直不亮 只有 B 灯和 C 灯亮 D A B C 灯同时亮 并且亮暗没有变化 答案答案 B 6 如图 7 所示 电灯 A B 与固定电阻的阻值均为 R L 是自感系数很大的线圈 当 S1闭合 S2断开且电路稳定时 A B 亮度相同 图 7 再闭合 S2 待电路稳定后将 S1断开 下列说法中正确的是 A B 灯立即熄灭 B A 灯将比原来更亮一些后再熄灭 C 有电流通过 B 灯 方向为 c d D 有电流通过 A 灯 方向为 b a 答案答案 AD 7 如图所示的四个日光灯的连接线路中 S1为启动器 S2为开关 L 是镇流器 能使 日光灯正常发光的是 答案答案 AC 解析解析 日光灯工作时 电流通过镇流器 灯丝和启动器构成回路 使启动器发出辉光 相当于启动器短路接通 同时电流加热灯丝 灯丝发射电子 镇流器起控制电流的作用 出现一个高电压加在灯管两端 灯管中的气体放电 发光 此时启动器已无作用 所以启 动器可用手动的开关来代替 实际操作时 因启动器丢失或损坏时 可手持带绝缘皮的导线 短接启动器然后再断开 8 磁场具有能量 磁场中单位体积所具有的能量叫做能量密度 其值为 式中 B 是 B2 2 磁感应强度 是磁导率 在空气中 为一已知常数 为了近似测得条形磁铁磁极端面附 近的磁感应强度 B 一学生用一根端面面积为 A 的条形磁铁吸住一相同面积的铁片 P 再 用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离 l 并测出拉力 F 如图 8 所示 因为 F 所做的功等 于间隙中磁场的能量 所以由此可得磁感应强度 B 与 F A 之间的关系为 B 图 8 用心 爱心 专心8 答案答案 2 F A 解析解析 在用力 F 将铁片 P 与磁铁拉开一段微小距离 l 的过程中 拉力 F 可认为不变 因此 F 所做的功 W F l 以 表示间隙中磁场的能量密度 则间隙中磁场的能量 E V A l 由题给条件得 故 E A l B2 2 B2 2 因为 F 所做的功等于间隙中磁场的能量 即 W E 故有 F l A l B2 2 解得 B 2 F A 9 有一个被称为 千人震 的趣味物理小实验 实验是用一节电动势为 1 5 V 的新干 电池 几根导线 开关和一个用于日光灯上的镇流器 几位做这个实验的同学手拉手成一 串 另一