新教材同步系列2024春高中物理第2章电磁感应第4节互感和自感学生用书粤教版选择性必修第二册

第四节互感和自感1．了解互感与自感现象，认识自感电动势对电路中电流的影响。2．了解自感系数及自感电动势的表达式E＝LΔI3．了解生活和生产中的自感现象的应用与防治。知识点一互感现象当线圈A中电流发生变化时，它产生的变化的磁场在线圈B中激发出了__________。根据______思想，线圈B中感应电流的变化，同时也会在线圈A中产生相应的感应电动势。这种现象称为互感，所产生的感应电动势称为__________。互感现象也可以发生在两个互相靠近的____之间。知识点二自感现象1．自感现象：当线圈中的电流发生变化时，线圈本身产生的__________，阻碍原来电流变化的现象。2．通电自感和断电自感项目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A1________________电流的增加断电自感断开开关的瞬间，灯泡A____________电流的减小3．自感电动势在自感现象中产生的感应电动势。知识点三自感系数1．定义：描述________自身特性的物理量，又称自感或电感。2．物理意义：表示线圈产生自感电动势本领大小的物理量。3．大小的决定因素：与线圈的大小、形状、匝数以及有无____等因素有关。4．单位：国际单位是亨利，简称亨，符号是__，常用的还有毫亨(mH)和微亨(μH)，1H＝______mH＝______μH。知识点四生活、生产中的自感现象1．自感现象广泛地存在于生活、生产之中。人们常常利用自感现象，比如通过断电自感来产生____，日光灯、汽车发动机点火器、________________等都利用了这一原理。2．自感现象也会产生危害，生产中的大型电动机一般都有自感系数很大的线圈。当电路中开关断开时，线圈会产生很大的自感电动势，使开关的闸刀和固定夹片之间的空气电离而变成导体，形成____。这不仅会烧坏开关，甚至还会危害到操作人员的安全，因此，切断这种电路时必须采用特制的________。1．思考判断(正确的画“√”，错误的画“×”)(1)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。 ()(2)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。 ()(3)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。 ()(4)线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁芯决定。 ()(5)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。 ()2．通过一个线圈的电流在均匀增大时，则这个线圈的()A．自感系数也将均匀增大B．自感电动势也将均匀增大C．磁通量保持不变D．自感系数和自感电动势不变3．(多选)如图所示，带铁芯的自感线圈的电阻与电阻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()A．闭合S瞬间，电流表A1示数小于A2示数B．闭合S瞬间，电流表A1示数等于A2示数C．断开S瞬间，电流表A1示数大于A2示数D．断开S瞬间，电流表A1示数等于A2示数(1)如图所示为一小型变压器，其两线圈并不连接，它们是怎样完成能量传递的？(2)如图所示，在演示断电自感实验时，有时灯泡D会闪亮一下，然后逐渐熄灭，你能说出是什么原因导致的吗？互感现象的理解1．互感现象是一种常见的电磁感应现象，它不仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间，而且可以发生于任何相互靠近的电路之间。2．互感现象可以把能量由一个电路传到另一个电路。变压器就是利用互感现象制成的。3．在电力工程和电子电路中，互感现象有时会影响电路的正常工作，这时要求设法减小电路间的互感。【典例1】(多选)如图所示是一种延时装置的原理图，当S1闭合时，电磁铁F将衔铁D吸下，C线路接通，当S1断开时，由于电磁感应作用，D将延迟一段时间才被释放。则()A．由于A线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用B．由于B线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用C．如果断开B线圈的开关S2，无延时作用D．如果断开B线圈的开关S2，延时时间变长[听课记录]当S1、S2均闭合时，电磁铁F将衔铁D吸下，C电路接通，当S1断开时，线圈B中的磁通量变化，从而出现感应电流，致使电磁铁F仍有磁性，延迟一段时间衔铁D才被释放，若S2处于断开状态，当S1断开时，线圈B中不会有感应电流，则不会出现延迟现象。[跟进训练]1．(2022·上海复旦附中高二期末)如图所示，1831年法拉第把两个线圈绕在一个铁环上，A线圈与电源、滑动变阻器R组成一个回路，B线圈与开关S、电流表G组成另一个回路。通过多次实验，法拉第终于总结出产生感应电流的条件。关于该实验下列说法正确的是()A．闭合开关S的瞬间，电流表G中有a→b的感应电流B．闭合开关S的瞬间，电流表G中有b→a的感应电流C．闭合开关S后，在减小电阻R的过程中，电流表G中有a→b的感应电流D．闭合开关S后，在减小电阻R的过程中，电流表G中有b→a的感应电流自感现象的理解1．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)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。【典例2】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[听课记录](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。[跟进训练]2．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极板将带负电通电自感与断电自感问题通电自感与断电自感的比较项目通电自感断电自感电路图器材要求A1、A2同规格，R＝RL，L较大L很大(有铁芯)，RL≪RA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RL≪RA，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【典例3】(多选)图中两个电路是研究自感现象的电路，对实验结果的描述正确的是()A．接通开关时，灯A2立即就亮，A1稍晚一会儿亮B．接通开关时，灯A1立即就亮，A2稍晚一会儿亮C．断开开关时，灯A1立即熄灭，A2稍晚一会儿熄灭D．断开开关时，灯A2立即熄灭，A1稍晚一会儿熄灭[思路点拨]①与线圈L串联的灯泡与线圈中电流一定相等。②与线圈L并联的灯泡的电流与线圈中电流可以不同。[听课记录]通、断电自感现象的判断技巧(1)通电时线圈产生的自感电动势阻碍电流的增加，且与电流方向相反，使电流相对缓慢地增加。(2)断电时线圈产生的自感电动势与原电流方向相同，在与线圈串联的回路中，线圈相当于电源，它提供的电流逐渐变小。(3)电流稳定时，若线圈有电阻时就相当于一个定值电阻，若不计线圈的电阻时就相当于一根导线。[跟进训练]3．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1．关于线圈的自感系数，下面说法正确的是()A．线圈的自感系数越大，自感电动势一定越大B．线圈中的电流等于零时，自感系数也等于零C．线圈中电流变化越快，自感系数越小D．线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁芯决定2．(2022·湖北宜城第一中学高二期中)在如图所示的电路中，A1和A2是两个相同的灯泡。线圈L的自感系数足够大，电阻可以忽略不计，下列说法正确的是()A．闭合开关S时，A2先亮，A1逐渐变亮B．闭合开关S时，A1和A2同时亮C．断开开关S时，A2闪亮一下再熄灭D．断开开关S时，流过A2的电流方向向左3．如图是用电流传感器(电流传感器相当于电流表，其电阻可以忽略不计)研究自感现象的实验电路，电源的电动势为E，内阻为r，自感线圈L的自感系数足够大，其直流电阻值大于灯泡D的阻值，在t＝0时刻闭合开关S，经过一段时间后，在t＝t1时刻断开开关S。在选项图所示的图像中，可能正确表示电流传感器记录的电流随时间变化情况的是()ABCD4．某同学在做如图所示的自感实验中，灯泡两端并联了自感系数L很大的自感线圈，其直流电阻大于灯泡电阻。关于该实验，下列说法正确的是()A．S接通瞬间，灯泡会逐渐变亮B．S接通稳定时，灯泡会熄灭C．S断开后的瞬间，灯泡的电流从右向左D．S断开后，灯泡会闪亮一下再熄灭回归本节内容，自我完成以下问题：1．什么叫互感现象？2．什么叫自感现象？3．自感电动势对电流的作用？4．自感系数与哪些因素有关？日光灯日光灯正常发光时灯管两端只允许通过较低的电流，所以加在灯管上的电压略低于电源电压，但是日光灯开始工作时需要一个较高电压击穿，所以在电路中加入了镇流器，不仅可以在启动时产生较高电压，同时可以在日光灯工作时稳定电流。如图所示，当开关接通的时候，电源电压立即通过镇流器和灯管灯丝加到启辉器的两极。220伏的电压立即使启辉器的惰性气体电离，产生辉光放电。辉光放电的热量使双金属片受热膨胀，辉光产生的热量使U形动触片膨胀伸长，跟静触片接通，电流通过镇流器、启辉器触极和两端灯丝构成通路。灯丝很快被电流加热，发射出大量电子。这时，由于启辉器两极闭合，两极间电压为零，辉光放电消失，管内温度降低；双金属片自动复位，两极断开。在两极断开的瞬间，电路电流突然切断，镇流器产生很大的自感电动势，与电源电压叠加后作用于管两端。灯丝受热时发射出来的大量电子，在灯管两端高电压作用下，以极大的速度由低电势端向高电势端运动。在加速运动的过程中，碰撞管内氩气分子，使之迅速电离。氩气电离生热，热量使水银产生蒸气，随之水银蒸气也被电离，并发出强烈的紫外线。在紫外线的激发下，管壁内的荧光粉发出近乎白色的可见光。日光灯正常发光后。由于交流电不断通过镇流器的线圈，线圈中产生自感电动势，自感电动势阻碍线圈中的电流变化。镇流器起到降压限流的作用，使电流稳定在灯管的额定电流范围内，灯管两端电压也稳定在额定工作电压范围内。镇流器在启动时和在正常工作时起什么作用？启辉器中电容器的作用是什么？第四节互感和自感[必备知识·自主预习储备]知识梳理知识点一感应电动势对称性互感电动势电路知识点二1．感应电动势2．较慢地亮起来阻碍逐渐变暗阻碍知识点三1．通电线圈3．铁芯4．H103106知识点四1．高压煤气灶电子点火器2．电弧安全开关基础自测1．(1)√(2)×(3)√(4)√(5)√2．D[线圈的磁通量与电流大小有关，电流增大，由法拉第电磁感应定律知，磁通量变化，C项错误；自感系数由线圈本身决定，与电流大小无关，A项错误；自感电动势E＝LΔIΔt，与自感系数和电流变化率有关，对于给定的线圈，L一定，已知电流均匀增大，说明电流变化率恒定，故自感电动势不变，B项错误，3．AD[闭合S瞬间，由于自感线圈L的阻碍，使得I1<I2，电流表A1示数小于A2示数，A正确，B错误；断开S瞬间，自感线圈L与R形成闭合回路，因此电流表A1示数等于A2示数，C错误，D正确。][关键能力·情境探究达成]情境探究(1)提示：通过互感，能量从一个线圈传递到另一线圈。(2)提示：若线圈L的阻值RL小于灯泡阻值R0时，断电前稳定状态下电流IL＞ID。断电后L与D构成回路，断电瞬间由于自感现象，IL将延迟减弱，则流过灯泡D的电流为IL大于原电流，所以会使灯泡闪亮一下后再逐渐熄灭。典例1BC[线圈A中的磁场随开关S1的闭合而产生，随S1的断开而消失。当S1闭合时，线圈A中的磁场穿过线圈B，当S2闭合、S1断开时，线圈A在线圈B中的磁场变弱，线圈B中有感应电流，B中电流产生的磁场继续吸引D而起到延时的作用，所以选项B正确，A错误；若S2断开，线圈B中不产生感应电流而起不到延时作用，所以选项C正确，D错误。]跟进训练1．C[闭合与断开开关S的瞬间，穿过线圈B的磁通量都不发生变化，电流表G中均无感应电流，故A、B错误；闭合开关S后，在减小电阻R的过程中，电流增大，则通过线圈B的磁通量增大，根据右手螺旋定则可确定穿过线圈B的磁场方向，再根据楞次定律可知电流表G中有a→b的感应电流，故C正确，D错误。]典例2B[由自感电动势E＝LΔIΔt得L一定时，E与ΔIΔt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跟进训练2．C[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；电容器的电压为零，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。]典例3AC[接通开关时，A2立即就亮，A1与线圈串联，由于自感电动势的作用，电流逐渐变大，所以A1稍晚一会儿亮，A正确；断开开关时，A1立即熄灭，A2由于和线圈构成回路，回路中电流逐渐减小，所以稍晚一会儿熄灭，C正确。]跟进训练3．C[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，由于自感电动势的作用，断电瞬间，通过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。][学习效果·随堂评估自测]1．D[线圈的自感系数是由线圈本身的因素及有无铁芯决定的，与有无电流、电流变化情况都没有关系，故B、C错误，D正确；自感电动势的大小除了与自感系数有关，还与电流的变化率有关，故A错误。]2．A[当开关S闭合时，灯A2立即发光。电流通过线圈，穿过线圈的磁通量增大，根据楞次定律可知线圈产生的感应电动势与原来电流方向相反，阻碍电流的增大，电路的电流只能逐渐增大，所以A1逐渐亮起来，所以A2比A1先亮，由于线圈直流电阻忽略不计，当电流逐渐稳定时，线圈不产生感应电动势，两灯电流相等，亮度相同，故A正确，B错误；稳定后，当开关S断开后，由于自感，线圈中的电流只能慢慢减小，其相当于电源，与灯泡A1和A2串联