2019-2020学年高中物理 第一章 电磁感应 第6节 自感学案 教科版选修3-2

第6节自感1.知道自感现象和自感电动势(重点)2.知道自感系数的决定因素是自感线圈的自身结构3知道日光灯及其原理，知道启动器和镇流器的构造和原理(难点)4.了解自感现象的应用和防止一、自感现象1定义：当导体中电流发生变化时，导体本身就产生感应电动势，这个电动势总是阻碍导体中原来电流的变化这种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叫自感现象2自感电动势：在自感现象中产生的电动势叫做自感电动势3通电自感和断电自感电路现象自感电动势的作用通电自感接通电源的瞬间，灯泡d2缓慢变亮阻碍电流的增加断电自感先闭合开关使灯泡亮起来，然后将开关断开，会发现灯泡猛亮一下后再熄灭阻碍电流的减小1在断电自感现象中灯泡d一定“闪亮”一下才熄灭吗？提示：不一定关键看断电瞬间流过灯泡d的电流是否大于原来电流，若大于原来电流则闪亮二、自感系数1自感电动势的大小：自感电动势el跟电流的变化率成正比，即ell2自感系数：自感系数l简称自感或电感，是由线圈本身性质决定的，跟线圈的形状、体积、匝数等因素有关横截面积越大，匝数越多，它的自感系数就越大，另外有铁芯时线圈的自感系数比没有铁芯时要大得多3单位：亨利(h)常用的还有毫亨(mh)、微亨(h).1 h103 mh106 h.三、自感的典型应用日光灯按如图所示连接日光灯电路1日光灯构造：主要由灯管、镇流器、启动器组成2镇流器的作用：启动时产生瞬时高电压，在正常工作时起到降压限流的作用2若将日光灯接在220 v的电源上，日光灯正常工作时灯管两端电压一定是220 v吗？提示：不是，正常工作时镇流器降压限流，日光灯管两端电压小于220 v.自感现象的理解1对自感电动势的理解(1)产生原因：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(增反减同)(3)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2对电感线圈阻碍作用的理解(1)若电路中的电流正在改变，电感线圈会产生自感电动势阻碍电路中电流的变化，使得通过电感线圈的电流不能突变(2)若电路中的电流是稳定的，电感线圈相当于一段导线，其阻碍作用是由绕制线圈的导线的电阻引起的3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)，自感电动势方向与原电流方向相反；电流减小时(如断电)，自感电动势与原电流方向相同(3)分析电流变化情况，电流增强时(如通电)，由于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 命题视角1影响自感电动势大小的因素关于线圈中自感电动势大小的说法中正确的是()a电感一定时，电流变化越大，自感电动势越大b电感一定时，电流变化越快，自感电动势越大c通过线圈的电流为零的瞬间，自感电动势为零d通过线圈的电流为最大值的瞬间，自感电动势最大解析由自感电动势el得l一定时，e与成正比，即电感一定时，电流变化越快，自感电动势越大故a错误，b正确通过线圈的电流为零的瞬间，电流变化率不一定为零，自感电动势不一定为零，通过线圈的电流为最大值的瞬间，电流变化率可能为零，自感电动势也可能为零，故c、d均错误答案b(1)电流变化时，电感线圈产生自感电动势，对电流的变化有阻碍作用(2)电流稳定时，电感线圈不产生自感电动势，相当于一段导体，阻值即为直流电阻 命题视角2自感电动势方向的判定如图所示的电路中，电源电动势为e，线圈l的电阻不计以下判断正确的是()a闭合s，稳定后，电容器两端电压为eb闭合s，稳定后，电容器的a极带正电c断开s的瞬间，电容器的a极板将带正电d断开s的瞬间，电容器的a极板将带负电解析闭合s稳定后，线圈l相当于导线，则电容器被短路，则其电压为零，故a错误；当闭合s稳定后，电容器被短路，则其电压为零，电容器的a极板不带电，故b错误；断开s的瞬间，线圈l中电流减小，产生自感电动势，相当于电源，给电容器充电，根据线圈的电流方向不变，则电容器的a极板将带正电故c正确，d错误答案c1.(多选)如图甲、乙所示，自感线圈l的电阻很小，接通s，使电路达到稳定，灯泡a发光，下列说法正确的是()a在电路甲中，断开s，a将逐渐变暗b在电路甲中，断开s，a将先变得更亮，然后逐渐变暗c在电路乙中，断开s，a将逐渐变暗d在电路乙中，断开s，a将先变得更亮，然后渐渐变暗解析：选ad.甲图中，灯泡a与电感线圈l在同一个支路中，流过的电流相同，断开开关s时，线圈l中的自感电动势的作用使得支路中的电流瞬间不变，以后渐渐变小，a正确，b错误乙图中，灯泡a所在支路的电流比电感线圈所在支路的电流要小(因为电感线圈的电阻很小)，断开开关s时，电感线圈的自感电动势要阻碍电流变小，此瞬间电感线圈中的电流不变，电感线圈相当于一个电源给灯泡a供电因此反向流过a的电流要瞬间变大，然后逐渐变小，所以灯泡要先更亮一下，然后渐渐变暗，c错误，d正确日光灯的工作原理1日光灯发光原理：灯管内充有微量氩和稀薄汞蒸气两端有灯丝，内壁涂有荧光物质其发光原理流程如下：2启动器的作用(1)构造：如图所示，它是一个充有氖气的小玻璃泡，里面装上两个电极，一个固定不动的静触片和一个用双金属片制成的u形动触片(2)作用：当开关闭合时，电源把电压加在启动器两极之间，使氖气放电发出辉光，辉光产生的热量使双金属片受热膨胀，内层膨胀幅度大一些，使u形动触片膨胀伸长跟静触片接触而把电路导通，于是镇流器中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，两个触片分离，电路自动断开，在电路突然中断瞬间，镇流器线圈因自感产生一个瞬时高压，这个高压和电源电压加在灯管两端使灯管中的汞蒸气开始放电导通，使日光灯发光归纳一句：利用氖管的辉光放电，起着自动把电路接通和断开为镇流器产生瞬时自感高压的作用3镇流器的作用：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，而被点燃；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(2)日光灯的工作过程分为预热阶段、点燃阶段和正常发光阶段在不同阶段，镇流器的作用不同在点燃时，镇流器的作用是提供瞬时电压；在正常发光时，镇流器起降压限流作用在日光灯工作原理中，如图所示，简述其原理并完成以下问题：(1)开关合上前，启动器的静金属片和动金属片是_(填“接通的”或“断开的”); (2)开关刚合上时，220 v交流电压加在_之间，使氖泡发出辉光；(3)日光灯启动瞬间，灯管两端的电压_220 v(填“高于”“等于”或“小于”)；(4)日光灯正常发光时，启动器的静触片和动触片_(填“接通”或“断开”)，镇流器起着_的作用，保证日光灯正常工作；(5)启动器中的电容器能_，没有电容器，启动器也能工作思路点拨 日光灯是典型自感现象的应用，要根据其组成部件的作用分析解析按原理图接好日光灯电路后，当开关闭合，电源把电压加在启动器的两金属片之间，使氖泡内的氖气放电发出辉光辉光放电产生的热量使u形动片膨胀，跟静片接触把电路接通，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形片冷却后收缩恢复原状，两金属片分离，电路断开，由于镇流器的自感作用，会产生很高的自感电动势，其方向与原电压方向相同，很高的自感电动势加上原电源电压加在灯管两端，使管内汞气体导电，产生紫外线，激发荧光粉发光，灯管被点亮日光灯使用的是正弦交流电，电流的大小和方向都随时间做周期性变化，在日光灯正常发光后，由于交变电流通过镇流器的线圈，线圈中会产生自感电动势，它的作用总是阻碍电流的变化，这时的镇流器就起到了降压限流的作用，保证日光灯的正常工作启动器中的电容器能使动静片脱离时避免产生电火花而烧毁启动器没有电容器，同样能工作，当日光灯正常点亮后，启动器不再起作用，就是摘去了也不影响日光灯的发光答案(1)断开的(2)启动器的两电极(3)高于(4)断开降压限流(5)避免产生电火花2.如图所示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()as1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，电源电压220 v直接加在灯管两端，达不到灯管启动的高压值，日光灯不能发光，选项a错误当s1、s2接通，s3断开时，灯丝两端被短路，电压为零，不能使气体电离导电，日光灯不能发光，选项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，选项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，和原电压一起加在灯管两端，使气体电离，日光灯正常发光，选项c正确自感现象中的图像问题如图所示的电路中，s闭合时流过电感线圈的电流是2 a，流过灯泡的电流是1 a将s突然断开，则s断开前后，能正确反映流过灯泡的电流i随时间t变化关系的图像是()思路点拨 在电路断开时，自感线圈的自感电动势阻碍原电流的减小，此时自感线圈在电路中相当于一个电源，表现为两个方面：一是自感电动势所对应的电流方向与原电流方向一致；二是在断电瞬间，自感电动势所对应的电流大小与原电流的大小相等，以后在此电流基础上开始缓慢减小至零解析s断开后，线圈中产生自感电动势并与灯泡构成回路，由于自感现象的存在使得自感线圈中电流由2 a逐渐减小为零，可见，该过程中灯泡中电流反向，也由2 a逐渐减小为零答案d(1)本题易错选a项，认为由于自感现象阻碍灯泡中电流的变化，使灯泡中电流由1 a逐渐减小为零实际上，自感电动势的效果是使线圈l上的电流逐渐减小(2)本题第二个易错选的是b项，原因是没有注意到断开开关后通过灯泡的电流要反向 3.(多选)线圈通以如图所示的随时间变化的电流，则()a0t1时间内线圈中的自感电动势最大bt1t2时间内线圈中的自感电动势最大ct2t3时间内线圈中的自感电动势最大dt1t2时间内线圈中的自感电动势为零解析：选cd.线圈中的自感电动势与通入的电流的变化率成正比，即e.根据图像分析：0t1时间内的电流变化率小于t2t3时间内的电流变化率，a错误，c正确；t1t2时间内的电流变化率为零，自感电动势为零，b错误，d正确 1(多选)下列关于自感现象的说法中，正确的是()a自感现象是由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象b线圈中自感电动势的方向总与引起自感的原电流的方向相反c线圈中自感电动势的大小与穿过线圈的磁通量变化的快慢有关d加铁芯后线圈的自感系数比没有铁芯时要大解析：选acd.自感现象是由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，自感电流的方向总是阻碍原电流的变化，与原电流方向不一定相反，自感电动势的大小与线圈的匝数和穿过线圈的磁通量的变化率有关，自感系数在插入铁芯后会增大，由以上分析可知，选项a、c、d正确，b错误2(多选)关于线圈自感系数的说法，错误的是()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线圈中的电流等于零时，自感系数也等于零解析：选ad.自感系数是由线圈本身的特性决定的，线圈越长，单位长度上的匝数越多，横截面积越大，它的自感系数就越大；另外，有铁芯的线圈的自感系数比没有铁芯时要大得多，自感系数与电流的大小无关3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，采用双线并绕的方法，如图所示，其道理是()a当电路中的电流变化时，两股导线产生的自感电动势相互抵消b当电路中的电流变化时，两股导线产生的感应电流相互抵消c当电路中的电流变化时，两股导线中原电流的磁通量相互抵消d以上说法都不对解析：选c.由于采用双线并绕的方法，当电流通过时，两段导线中的电流方向是相反的，不管电流怎样变化，任何时刻两段导线中的电流总是等大反向的，所产生的磁通量也是等大反向的，故总磁通量等于零，在该线圈中不会产生自感现象，因此消除了自感故正确答案为c.4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启动器动、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，当启动器动、静触片分离后，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、右端分别被短接，无法预热放出电子，不能使灯管内气体导电，选项d错误5.在如图所示的电路中，l为电阻很小的线圈，g1和g2为零刻度在表盘中央且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()ag1和g2指针都立即回到零点bg1指针立即回到零点，而g2指针缓慢地回到零点cg1指针缓慢地回到零点，而g2指针先立即偏向左方，然后缓慢地回到零点dg2指针缓慢地回到零点，而g1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中电流立即消失，而对于g2所在支路，由于l的自感作用，电流不能立即消失，感应电流沿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6(多选)在如图所示的电路中，自感线圈的阻值为0，开关s1原来是闭合的，电路已达到稳定则下列操作与对应的描述正确的是()a电路稳定时，流经r2的电流方向为abb闭合s2时，流经电阻r2的电流方向为abc断开s1时，流经电阻r2的电流方向为abd先闭合s2，待电路稳定后，再断开s2时，有电流流过r2解析：选bd.由于自感线圈的阻值为0，电路稳定时线圈两端电压为0，即与之并联的电阻r2两端电压为0，流经r2的电流为0，a错误；闭合s2时，回路总电阻减小，电流增大，由于l的自感，使a端电势高于b端，流经电阻r2的电流方向为ab，b正确；而断开s1时，b端电势高于a端，流经电阻r2的电流方向为ba，c错误；先闭合s2，待电路稳定后，再断开s2时，回路总电阻增大，电流减小，线圈产生自感电动势，r2两端电压不为0(b高a低)，有电流流过r2，d正确 一、单项选择题1如图所示，l为自感系数较大的线圈，电路稳定后小灯泡正常发光，当断开开关s的瞬间会有()a灯a立即熄灭b灯a慢慢熄灭c灯a突然闪亮一下再慢慢熄灭d灯a突然闪亮一下再突然熄灭解析：选a.当开关s断开时，由于通过自感线圈的电流从有变到零，线圈将产生自感电动势，但由于线圈l与灯a串联，在s断开后，不能形成闭合回路，因此灯a在开关断开后，电源供给的电流为零，灯就立即熄灭2如图所示，电路中l为一自感线圈，两支路直流电阻相等，则()a闭合开关s时，稳定前电流表a1的示数等于电流表a2的示数b闭合开关s时，稳定前电流表a1的示数大于电流表a2的示数c闭合开关s时，稳定前电流表a1的示数小于电流表a2的示数d断开开关s时，稳定前电流表a1的示数小于电流表a2的示数解析：选b.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a2的示数小于电流表a1的示数断开开关时，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，只有b项正确3如图所示为测定自感系数很大的线圈l直流电阻的电路，l的两端并联一个电压表，用来测量自感线圈的直流电压在测量完毕后，将电路拆解时应 ()a先断开s1b先断开s2c先拆除电流表d先拆除电压表解析：选b.若先断开s1或先拆除电流表，线圈与电压表组成闭合回路，这时，流过电压表的电流与原来方向相反，电压表的指针将反向转动，容易损坏电压表按操作要求，应先断开开关s2，再断开开关s1，然后拆除器材4在如图所示的电路中，两个相同的灯泡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，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()解析：选b.与滑动变阻器r串联的l2，没有自感现象，电流直接增大到稳定值后保持不变，变化图像和a项中图线相同，c、d错误与带铁芯的电感线圈串联的l1，自感电流逐渐变大，b正确5如图所示，电路中自感线圈电阻很小，可以忽略不计r的阻值和l的自感系数都很大，a、b为两个完全相同的灯泡，当s闭合时，下列说法正确的是()aa比b先亮，然后a灭bb比a先亮，然后a灯逐渐变亮ca、b一起亮，然后a灭da、b一起亮，然后b灭解析：选b.s闭合时，由于与a灯串联的线圈l的自感系数很大，故在线圈上产生很大的自感电动势，阻碍电流的增大，所以b比a先亮，由于l的直流电阻很小，所以稳定后a灯的电流变大，a灯逐渐变亮，故a、c、d错；稳定后，由于与b灯连接的电阻很大，流过b灯支路的电流很小，所以b灯逐渐变暗，故b正确6如图甲所示，a、b两绝缘金属环套在同一铁芯上，a环中电流ia随时间t的变化规律如图乙所示，下列说法中正确的是()at1时刻，两环作用力最大bt2和t3时刻，两环相互吸引ct2时刻两环相互吸引，t3时刻两环相互排斥dt3和t4时刻，两环相互吸引解析：选b.t1时刻感应电流为零，故两环作用力为零，则a错误；t2时刻a环中电流在减小，则b环中产生与a环中同向的电流，故相互吸引，t3时刻同理也相互吸引，故b正确，c错误；t4时刻a中电流为零，两环无相互作用，d错误二、多项选择题7如图所示，闭合电路中的螺线管可自由伸缩，螺线管有一定的长度，这时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()a灯泡变暗b灯泡变亮c螺线管缩短d螺线管伸长解析：选ad.加上软铁棒，使螺线管磁场变强，则螺线管产生自感电动势来阻碍磁场的变强，使原电流减小，故灯泡变暗，螺线管各匝间吸引力变小，从而螺线管伸长8某同学在探究日光灯的过程中，提出了下列说法，其中正确的有()a日光灯正常发光后，取下启动器，日光灯即熄灭b日光灯正常发光后，取下镇流器，日光灯仍正常发光c启动器中的电容器被击穿后，日光灯管两端发红，中间不亮d启动器中的电容器被击穿后，使电路中始终有电流，镇流器不能产生瞬时高压，灯管无法点燃，若将电容器部分剪掉，则启动器仍可使日光灯正常工作解析：选cd.由于启动器在日光灯正常工作时不起作用，所以在日光灯正常发光后取下时不会对日光灯的正常工作产生影响，日光灯不熄灭；镇流器在日光灯正常工作时起的作用是降压限流作用，它上面有电流通过，取下时日光灯就不能工作了9如图所示的电路中，电键s闭合且电路达到稳定时，流过灯泡a和线圈l的电流分别为i1和i2，在电键s切断的瞬间，为使小灯泡能比原来更亮一些，然后逐渐熄灭，应()a必须使i2i1b与i1、i2大小无关，但必须使线圈自感系数l足够大c自感系数l越大，切断时间越短，则i2也越大d不论自感系数l多大，电键s切断瞬间i2只能减小，不会增大解析：选ad.电键s断开后，线圈l与灯泡a构成回路，线圈中由于自感电动势作用电流由i2逐渐减小，灯泡由于与线圈构成回路，灯泡中电流由i1变为i2然后逐渐减小，所以要想小灯泡能比原来更亮一些，应有i2i1，所