2019-2020学年高中物理 第一章 电磁感应 第六节 自感现象及其应用学案 粤教版选修3-2

第六节自感现象及其应用1.能够通过电磁感应的有关规律分析自感现象2.了解影响自感电动势大小的因素，知道自感系数是表示线圈本身特征的物理量3.了解自感现象，知道日光灯的构造及工作原理,学生用书p21)一、自感现象1实验一：通电自感实验(1)实验装置：在如图所示的通电自感电路中，两灯泡l1、l2的规格完全相同根据灯泡l1、l2的亮度调节滑动变阻器r的电阻和线圈l的电阻相同，即：rrl.这样两并联支路的电阻就完全相同(2)实验现象：在通电瞬间，与滑动变阻器r串联的灯泡l2立即变亮，而与线圈串联的灯泡l1则逐渐变亮(即其正常发光比l2滞后一段时间)，最后两灯泡都正常发光，亮度相同2实验二：断电自感实验(1)实验装置：在如图所示的断电自感电路中，线圈l的电阻较小(线圈中有恒定电流时电阻值较小)，目的是接通电路的灯泡正常发光时，通过线圈的电流il大于通过灯泡l1的电流il1，即ilil1.(2)实验现象：闭合开关s接通电路，调节r使灯泡l1和l2正常发光，达到稳定后，突然断开s时，可以看到灯泡l2立刻熄灭，灯泡l1却是闪亮一下，再逐渐熄灭3实验分析：两个实验电路有一个共同特点，当闭合开关或断开开关时，通过线圈的电流发生了变化由法拉第电磁感应定律可知，穿过线圈的磁通量发生了变化线圈中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4实验总结(1)自感：由于线圈本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，叫做自感现象(2)自感电动势：在自感现象中产生的感应电动势叫自感电动势自感电动势在闭合电路中会产生自感电流二、自感系数1影响自感电动势大小的因素(1)穿过线圈的磁通量变化的快慢(2)线圈本身的特性2自感系数自感系数是描述通电线圈自身特性的物理量，简称为自感或电感，用l表示(1)大小：线圈的长度越长，线圈的横截面积越大，单位长度上匝数越多，线圈的自感系数越大，有铁芯的线圈比无铁芯时自感系数大得多(2)单位：亨利(符号h)，1 h103 mh106 h.1在自感现象中，自感电动势的大小由哪些因素决定？线圈的自感系数由什么决定？提示：电流的变化率、自感系数自感系数由线圈自身的因素决定三、日光灯构造原理、作用启动器电容器、动触片、静触片启动时将电路瞬时接通后断开灯管灯管、灯丝、氩和水银蒸气高压将灯管内气体击穿，释放电子与汞原子碰撞发出紫外线使荧光粉发光镇流器自感系数大的线圈启动时形成瞬时高压，工作时降压限流2在日光灯正常工作时，启动器和镇流器都不再起作用，对吗？提示：正常发光时，启动器不再起作用，但镇流器仍有降压限流作用自感现象的理解学生用书p221对自感现象的理解：自感现象是一种电磁感应现象，遵从法拉第电磁感应定律和楞次定律2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3对电感线圈阻碍作用的理解(1)两种阻碍作用产生的原因不同：线圈对稳定电流的阻碍作用是由绕制线圈的导线的电阻决定的，对稳定电流阻碍作用的产生原因是金属对定向运动电子的阻碍作用，具体可用金属导电理论理解线圈对变化电流的阻碍作用是由线圈的自感现象引起的，当通过线圈中的电流变化时，穿过线圈的磁通量发生变化，产生自感电动势，根据楞次定律知，当线圈中的电流增加时，线圈中的自感电动势与原电流方向相反，阻碍电流的增加(图甲)当线圈中的电流减小时，线圈中的自感电动势与原电流方向相同，阻碍电流的减小(图乙)(2)两种阻碍作用产生的效果不同：在通电线圈中，电流稳定值为，由此可知线圈的稳定态电阻决定了电流的稳定值l越大，电流由零增大到稳定值i0的时间越长也就是说，线圈对变化电流的阻碍作用越大，电流变化的越慢总之，稳定态电阻决定了电流所能达到的稳定值，对变化电流的阻碍作用决定了要达到稳定值所需的时间(1)自感电动势阻碍自身电流的变化，但不能阻止，且自感电动势阻碍自身电流变化的结果，会对其他电路元件的电流产生影响(2)自感电动势的大小跟自身电流变化的快慢有关，电流变化越快，自感电动势越大 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c关于自感现象，正确的说法是()a感应电流一定和原来的电流方向相反b对于同一线圈，当电流变化越大时，线圈产生的自感电动势也越大c对于同一线圈，当电流变化越快时，线圈的自感系数也越大d对于同一线圈，当电流变化越快时，线圈中的自感电动势也越大解析：选d.当电流增加时，自感电动势的方向与原来的电流反向，当电流减小时与原来的电流同向，故选项a错误；自感电动势的大小，与电流变化快慢有关，与电流变化大小无关，故选项b错误；自感系数只取决于线圈的本身因素，与电流变化情况无关，故选项c错误；结合选项b的错误原因可知，选项d正确对通电自感和断电自感的理解学生用书p23在处理通断电自感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通电自感断电自感电路图器材要求a1、a2同规格，rrl，l较大l很大(有铁芯)，rlra现象在s闭合瞬间，a2灯立即亮起来，a1灯逐渐变亮，最终一样亮在开关s断开时，灯a突然闪亮一下后再渐渐熄灭(当抽掉铁芯后，重做实验，断开开关s时，会看到灯a马上熄灭)原因由于开关闭合时，流过电感线圈的电流迅速增大，使线圈产生自感电动势，阻碍电流的增大，使流过a1灯的电流比流过a2灯的电流增加得慢断开开关s时，流过线圈l的电流减小，使线圈产生自感电动势，阻碍电流的减小，使电流继续存在一段时间；在s断开后，通过l的电流反向通过电灯a，且由于rlra，使得流过a灯的电流在开关断开瞬间突然增大，从而使a灯的发光功率突然变大能量转化情况电能转化为磁场能磁场能转化为电能电流减小时，自感线圈中电流大小一定小于原先所通电流大小，自感电动势可能大于原电源电动势 命题视角1对通电自感现象的分析如图所示，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灭思路点拨 s闭合瞬间，含电感线圈的支路相当于断路；稳定后，自感线圈相当于导线解析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，b正确答案b 命题视角2对断电自感现象的分析如图所示，a、b、c为三个相同的灯泡，额定电压稍大于电源的电动势，电源内阻可以忽略l是一个本身电阻可忽略的电感线圈开关s闭合现突然断开，已知在这一过程中灯泡都不会烧坏，则下列关于c灯泡的说法中正确的是()a亮度保持不变b将闪亮一下，而后逐渐熄灭c将闪亮一下，而后逐渐恢复原来的亮度d将变暗一下，而后逐渐恢复原来的亮度思路点拨 解决本题的关键是知道电感器对电流的变化有阻碍作用，当电流增大时，会阻碍电流的增大，当电流减小时，会阻碍其减小解析当开关合上，稳定后，灯泡a短路，不亮，b、c两灯的电压为电源电压，通过l的电流，为e电压下灯泡工作电流的2倍开关s断开后，a、b灯串联后与c灯并联接到电路中，l的电流成为通过c的电流，即原电流的2倍，c灯闪亮，但是稳定后c两端的电压仍是e，所以最终恢复原亮度，故a、b、d错误，c正确答案c 命题视角3自感现象中的图象问题在如图所示的电路中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变化的图线是()思路点拨 解答此题应把握以下两点：(1)s断开瞬间，线圈产生感应电动势阻碍电流减小，使得线圈中电流逐渐减小(2)s断开瞬间，灯泡中电流大小等于线圈中电流大小解析s断开后：答案d自感问题的分析技巧(1)当电路接通瞬间，自感线圈相当于断路；当电路稳定时，相当于电阻，如果线圈没有电阻，相当于导线(短路)；当电路断开瞬间，自感线圈相当于电源，电流逐渐减小 (2)断开开关后，灯泡是否瞬间变得更亮，取决于电路稳定时两支路中电流的大小关系，即由两支路中电阻的大小关系决定(3)若断开开关后，线圈与灯泡不能组成闭合回路，则灯泡会立即熄灭(4)电流减小时，自感线圈中电流大小一定小于原先所通的电流大小，但自感电动势可能大于原电源电动势(5)在线圈中产生自感电动势，自感电动势阻碍电流的变化，但“阻碍”不是“阻止”，“阻碍”实质上是“延缓” 【通关练习】1(多选)如图所示，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，下列说法中正确的是()a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待电路达到稳定，d1熄灭，d2比原来更亮d闭合开关s待电路达到稳定，再将s断开瞬间，d2立即熄灭，d1闪亮一下再熄灭解析：选acd.s闭合瞬间，由于自感线圈相当于断路，所以两灯是串联，电流相等，故a正确，b错误；闭合开关s待电路达到稳定时，d1被短路，d2比开关s刚闭合时更亮，c正确；s闭合稳定后再断开开关，d2立即熄灭，但由于线圈的自感作用，l相当于电源，与d1组成回路，d1要过一会再熄灭，故d正确2如图所示的电路中，电阻r和电感线圈自感系数l的值都较大，电感线圈的电阻不计，a、b是两只完全相同的灯泡，当闭合开关s时，下面能发生的情况是()ab比a先亮，然后b熄灭ba比b先亮，然后a熄灭ca、b一起亮，然后a熄灭da、b一起亮，然后b熄灭解析：选c.当开关s闭合时，电源的电压同时加到两个灯泡上，它们会一起亮，但由于电感线圈的电阻不计，线圈将a灯逐渐短路，a灯变暗直至熄灭，故a、b、d错误，c正确日光灯的构成及工作原理学生用书p241灯管：灯管两端有灯丝，管内充有微量的氩和稀薄的汞蒸气，管壁上涂有荧光粉当两灯丝间的气体导电时发出紫外线，紫外线使涂在管壁上的荧光粉发出柔和的可见光有的日光灯会发出五颜六色的光，其原因是管壁所涂的荧光粉不同日光灯管在启动时，需要大约500 v700 v的瞬时高压，当灯管启动后，它的电阻变得很小，只允许通过较小的电流，需要把加在它两端的电压变小2启动器：利用氖管的辉光放电，起自动接通与切断电路的作用，是为镇流器产生瞬时自感高压而服务的启动器损坏的情况下可将连接启动器的两个线头作一个短暂接触，也可把日光灯启动启动时电流流经途径是镇流器、启动器、灯丝，启动后电流流经途径是镇流器、灯丝、日光灯管3镇流器的作用：日光灯启动时，利用自感现象产生瞬时高压；日光灯正常发光时，利用自感现象，对灯管起到降压限流作用4日光灯的工作原理(1)启动：开关闭合后，电源电压加在启动器两极，使氖气放电，发辉光，产生热量，使u形动触片膨胀，跟静触片接触使电路接通电路接通后，氖气停止放电，u形动触片冷却收缩，两触片分开，电路断开电路断开的瞬间，镇流器产生很高的自感电动势，其方向与原电压方向相同，共同加在灯管两端，使汞蒸气放电，日光灯开始工作(2)正常发光：日光灯正常发光时，镇流器与两灯丝及灯管内的汞蒸气组成电路，由于镇流器的线圈的自感现象，阻碍通过灯管的电流变化，起降压限流作用，确保日光灯正常工作若将图甲中启动器换为开关s1，并给镇流器并联一个开关s2，如图乙所示，则下列叙述正确的是()a只把s3接通，日光灯就能正常发光b把s3、s1接通后，s2不接通，日光灯就能正常发光cs2不接通，接通s3、s1后，再断开s1，日光灯就能正常发光d当日光灯正常发光后，再接通s2，日光灯仍能正常发光思路点拨 正确理解启动时和正常工作时启动器和镇流器的作用是解答本题的关键解析一般日光灯启动时瞬间把电源、灯丝、镇流器接通，然后自动断开，靠镇流器产生瞬时高压，使灯管内气体导电，所以启动时既要使题图乙中s3闭合，又需使s1瞬间闭合再断开，a、b错，c对正常工作时镇流器起