新教材适用2024-2025学年高中物理第2章电磁感应4.互感和自感学案新人教版选择性必修第二册

4．互感和自感课程标准1．了解互感现象及互感现象的应用。2．了解自感现象，相识自感电动势的作用。3．知道自感系数的意义和确定因素。会分析自感现象中电流的变更。素养目标1．物理观念：知道互感现象与自感现象是磁场能变更的一种表现；知道互感现象与自感现象的防止和应用。2．科学思维：会从法拉第电磁感应定律的视角相识自感现象，了解自感系数，体会推理分析的科学思维方法。3．科学探究：通过试验了解互感与自感现象，会用自感与互感说明简洁的电磁现象。4．科学看法与责任：通过本节课的探究活动，培育学生参加科学探究活动的热忱和实事求是的科学素养。学问点1互感现象1．互感互不相连的并相互靠近的两个线圈，当一个线圈的电流变更时，它所产生的变更的磁场会在另一个线圈中产生_感应电动势__，这种现象叫作互感。2．互感电动势互感现象中的电动势叫_互感电动势__。3．互感的应用和危害(1)互感现象可以把能量由一个线圈传递到另_一个线圈__。变压器就是利用互感现象制成的。(2)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，这时要设法减小电路间的互感。『判一判』(1)互感现象属于电磁感应现象。(√)(2)手机无线充电是互感现象在生活中的应用。(√)『选一选』在无线电仪器中，常须要在距离较近的地方安装两个线圈，并要求当一个线圈中有电流变更时，对另一个线圈中的电流影响尽量小，则下图中两个线圈的相对安装位置最符合该要求的是(D)解析：某一个线圈的磁场通过另一个线圈的磁场的变更率越小，影响则越小，欲使两线圈由于互感的影响尽量小，应放置成D选项的情形，这样线圈内的磁场是垂直的关系，D选项正确。学问点2自感现象1．自感现象一个线圈中的电流_变更__时，它所产生的_变更__的磁场在它本身激发出感应电动势的现象，产生的电动势叫作_自感电动势__。2．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时，灯泡A1较慢地_亮起来__阻碍电流的_增大__断电自感断开开关的瞬间，灯泡A渐渐_变暗__，直到熄灭阻碍电流的_减小__3.自感系数(1)自感电动势的大小：E＝Leq\f(ΔI,Δt)，其中L是线圈的自感系数，简称自感或电感。(2)单位：_亨利__，符号：_H__。常用的还有毫亨(mH)和微亨(μH)。换算关系是：1H＝_103__mH＝_106__μH。(3)确定线圈自感系数大小的因素：线圈的大小、形态、_匝数__以及是否有_铁芯__等。『判一判』(3)当线圈中电流不变时，线圈中没有自感电动势。(√)(4)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。(×)(5)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方向相反。(√)(7)线圈的自感系数的大小与线圈中通入电流的大小有关。(×)『想一想』无轨电车在行驶的过程中，由于车身颠簸，有可能使车顶上的电弓瞬间脱离电网线，这时可以看到电火花出现。请说说电火花产生的缘由是什么？解析：电弓脱离电网线的瞬间电流减小，所产生的自感电动势很大，在电弓与电网线的空隙产生电火花。学问点3磁场的能量1．自感现象中的磁场能量(1)线圈中电流从无到有时，磁场从无到有，电源把能量输送给_磁场__，储存在_磁场__中。(2)线圈中电流减小时，_磁场__中的能量释放出来转化为电能。2．电的“惯性”自感电动势有阻碍线圈中_电流变更__的“惯性”。『选一选』(多选)手机无线充电是比较新奇的充电方式。如图所示，电磁感应式无线充电的原理与变压器类似，通过分别安装在充电基座和接收能量装置上的线圈，利用产生的磁场传递能量。当充电基座上的送电线圈通入正弦式交变电流后，就会在邻近的受电线圈中感应出电流，最终实现为手机电池充电。在充电过程中(AC)A．送电线圈中电流产生的磁场呈周期性变更B．受电线圈中感应电流产生的磁场恒定不变C．送电线圈和受电线圈通过互感现象实现能量传递D．手机和基座无需导线连接，这样传递能量没有损失解析：由于送电线圈输入的是正弦式交变电流，是周期性变更的，因此产生的磁场也是周期性变更的，A正确，B错误；依据变压器原理，原、副线圈是通过互感现象实现能量传递，因此送电线圈和受电线圈也是通过互感现象实现能量传递，C正确；手机与机座无需导线连接就能实现充电，但磁场能有一部分以电磁波辐射的形式损失掉，因此这样传递能量是有能量损失的，D错误。故选AC。探究互感现象情|境|导|入在法拉第的试验中两个线圈并没有用导线连接，当一个线圈中的电流变更时，在另一个线圈中为什么会产生感应电动势呢？提示：互感现象。要|点|提|炼1.互感现象是一种常见的电磁感应现象，它不仅发生在绕在同一铁芯上的两个线圈之间，还可以发生在任何两个相互靠近的电路之间。2．利用互感现象可以把能量由一个电路传递到另一个电路。下一章将要学习的变压器就是利用互感现象制成的。3．处理方法：可利用楞次定律、安培定则及左手定则分析某个线圈中感应电流的方向及受力方向，还可从能量角度分析。典|例|剖|析典例1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的变更规律如图乙所示，下列说法中正确的是(B)A．t1时刻，两环作用力最大B．t2和t3时刻，两环相互吸引C．t2时刻两环相互吸引，t3时刻两环相互排斥D．t3和t4时刻，两环相互吸引思路引导：(1)A环中电流变更时，会在B环中产生感应电流。(2)依据两环中电流的方向，推断两环的受力状况。解析：t1时刻B中感应电流为零，故两环作用力为零，A错误；t2和t3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，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。对点训练❶(多选)如图所示，足够长的两条平行金属导轨竖直放置，其间有与导轨平面垂直的匀强磁场，两导轨通过导线与检流计G1、线圈M接在一起。N是绕在“□”形铁芯上的另一线圈，它与检流计G2组成闭合回路。现有一金属棒ab沿导轨由静止起先下滑，下滑过程中与导轨垂直且接触良好，在ab下滑的过程中(BC)A．通过G1的电流是从左端进入的B．通过G2的电流是从右端进入的C．检流计G1的示数渐渐增大，达到最大值后恒定D．检流计G2的示数渐渐减小，最终趋于一不为零的恒值解析：金属棒ab沿导轨下滑，依据右手定则可知，在ab下滑的过程中，产生的感应电流方向由a到b，所以通过G1的电流是从右端进入的，A错误；金属棒ab起先时做加速运动，所以在线圈M中产生的磁场渐渐增大，变更的磁场通过另一线圈N，产生了感应电流，在线圈M中是向下且渐渐变大的磁场，依据楞次定律可知，在线圈N中感应电流产生的磁场向下，所以通过G2的电流是从右端进入的，B正确；由于金属棒ab起先时做加速运动，产生的感应电流渐渐变大，同时受到的安培力也在增大，安培力与重力平衡后，G1中的电流恒定，线圈M中的磁场不再变更，那么在线圈N中就不能产生感应电流，所以检流计G1的示数渐渐增大，最终达到最大值不变，检流计G2的示数渐渐减小，最终减为零，C正确，D错误。探究对自感现象的理解情|境|导|入如图所示，李辉在断开正在工作的电动机开关时，会产生电火花，这是为什么？提示：电动机中的线圈匝数许多，当电路开关断开时会产生很大的自感电动势，使得开关中的金属片之间产生电火花。要|点|提|炼1.对自感现象的理解自感现象是一种电磁感应现象，遵遵守法律拉第电磁感应定律和楞次定律。2．对自感电动势的理解(1)产生缘由通过线圈的电流发生变更，导致穿过线圈的磁通量发生变更，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(即：增反减同)。(3)自感电动势的作用阻碍原电流的变更，而不是阻挡，原电流仍在变更，只是使原电流的变更时间变长，即总是起着推迟电流变更的作用。3．对电感线圈阻碍作用的理解(1)若电路中的电流正在变更，电感线圈会产生自感电动势阻碍电路中电流的变更，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。4．通电自感与断电自感比较与线圈串联的灯泡与线圈并联的灯泡电路图通电时电流渐渐增大，灯泡渐渐变亮电流马上变大，灯泡变亮，然后渐渐变暗断电时电流渐渐减小灯泡渐渐变暗电流方向不变电路中稳态电流为I1、I2①若I2≤I1，灯泡渐渐变暗②若I2>I1，灯泡闪亮后渐渐变暗两种状况灯泡中电流方向均变更典|例|剖|析典例2(多选)在如图所示的甲、乙两个电路中，电阻R和自感线圈L的直流电阻都很小，闭合开关S，使电路达到稳定，则(AD)A．在电路甲中，断开开关S，灯泡A将渐渐变暗B．在电路甲中，断开开关S，灯泡A将先变得更亮，然后渐渐变暗C．在电路乙中，断开开关S，灯泡A将渐渐变暗D．在电路乙中，断开开关S，灯泡A将先变得更亮，然后渐渐变暗解析：在电路甲中，设通过线圈L的电流为IL1，通过A及R的电流为IA1和IR1，同理，设电路乙中通过L、A、R的电流分别为IL2、IA2、IR2。当断开开关S时，线圈L相当于电源，产生了自感电动势，在L、R、A回路中产生了自感电流，在电路甲中，自感电流从IL1渐渐减小，通过灯泡A的电流也从IL1渐渐减小，灯泡A将慢慢变暗；在电路乙中，自感电流从IL2渐渐减小，灯泡A的电流也从IL2渐渐减小，因为IL2＞IA2，所以灯泡A将先变得更亮，然后渐渐变暗。对点训练❷(多选)如图所示，A、B是两个完全相同的灯泡，L是电阻为零的电感线圈，且自感系数很大。C是电容较大且不漏电的电容器，下列推断正确的是(AD)A．S闭合时，A、B同时亮，A灯亮后渐渐熄灭，B灯渐渐变亮B．S闭合时，A灯、B灯同时亮，然后A灯变暗，B灯变得更亮C．S闭合，电路稳定后，S断开时，A灯突然亮一下，然后熄灭，B灯马上熄灭D．S闭合，电路稳定后，S断开时，A灯突然亮一下，然后熄灭，B灯渐渐熄灭解析：当S闭合时，通过自感线圈的电流渐渐增大而产生自感电动势，L相当于断路，C电容较大，电容器相当于短路，当电流稳定时，L短路，电容器C断路，故A灯先亮后灭，B灯渐渐变亮；当S断开时，灯泡A与自感线圈L组成了闭合回路，灯泡A中的电流先增大后减小至零，故闪亮一下熄灭，电容器C与灯泡B组成闭合回路，电容器放电，故灯泡B渐渐熄灭。自感现象的分析思路对点训练❸(2024·福建省永春一中高二上学期月考)如图所示电路中，开关S原先闭合，电路处于稳定状态时，通过两电阻的电流大小分别为I1、I2，已知R1＞R2，不计线圈L的直流电阻，为志向电流表。在某一时刻突然断开开关S，则通过电流表的电流I随时间t变更的图线可能是下图中的(D)解析：S断开后的瞬间L与R1构成闭合回路，流过电流表的电流反向且从I2起先减小，故D项正确。探究自感电动势的大小和自感系数情|境|导|入如图所示，让几位同学“串联”在电路中，L是自感系数较大的多匝线圈，电源只需1节干电池即可。闭合开关S前，学生的体验——“无感觉”；闭合开关S后，学生的体验——“无感觉”；断开开关S瞬间，同学突然受到电击——“快速收回双手”。这是为什么呢？提示：断开开关S，线圈中电流快速变小，线圈中产生很大的自感电动势以阻碍电路中原电流的减小，所以人会受到电击。要|点|提|炼1.自感系数(1)自感电动势的大小：E＝Leq\f(ΔI,Δt)，其中L是自感系数，简称自感或电感，单位：亨利，符号：H。1mH＝10－3H,1μH＝10－6H。(2)自感系数的确定因素：与线圈的大小、形态、匝数以及是否有铁芯等因素有关。2．自感现象中的磁场能量(1)线圈中电流从无到有时：磁场从无到有，电源把能量输送给磁场，储存在磁场中。(2)线圈中电流减小时：磁场中的能量释放出来转化为电能。典|例|剖|析典例3关于自感现象、自感系数、自感电动势，下列说法正确的是(D)A．当线圈中通恒定电流时，线圈中没有自感现象，线圈自感系数为零B．线圈中电流变更越快，线圈中的自感系数越大C．自感电动势与原电流方向相反D．对于确定的线圈，其产生的自感电动势与其电流变更率成正比解析：自感系数是描述线圈特性的物理量，只与线圈本身有关。当线圈中通恒定电流时，线圈中没有自感现象，不产生自感电动势，但是线圈自感系数不为零，选项A错误；线圈中电流变更越快，产生的自感电动势越大，线圈中的自感系数与电流变更快慢无关，选项B错误；依据楞次定律，自感电动势方向与电流变更的方向相反。当线圈中电流增大时，自感电动势阻碍电流增大，自感电动势方向与原电流方向相反；当线圈中电流减小时，自感电动势阻碍电流减小，自感电动势方向与原电流方向相同，选项C错误；对于确定的线圈，自感系数L肯定，其产生的自感电动势与其电流变更率eq\f(ΔI,Δt)成正比，选项D正确。对点训练❹(多选)下列说法中正确的是(CD)A．对于同一线圈，当电流变更较快时，线圈中的自感系数也较大B．线圈中产生的自感电动势较大的其自感系数肯定较大C．感应电流不肯定和原电流方向相反D．对于同一线圈，电流变更越快，线圈中的自感电动势越大解析：自感系数是由线圈本身的特性确定的，与自感电动势的大小、电流变更快慢无关，故A、B错误；依据楞次定律，当原电流增大时，感应电流与原电流方向相反；当原电流减小时，感应电流与原电流方向相同，故C正确；依据法拉第电磁感应定律可，当电流变更越快时，磁通量变更越快，自感系数不变，自感电动势越大，故D正确。故选CD。1．电感和电阻对电流的阻碍作用比较物理量比较内容电感L电阻R阻碍作用阻碍电流的变更阻碍电流通过表现产生自感现象导体发热大小因素电感越大，电流变更越快，对电流变更的阻碍作用越大，产生的自感电动势越大电阻越大，对电流的阻碍作用越大确定因素线圈的大小、形态、匝数、有无铁芯导体长度、横截面积、电阻率、温度联系电感和电阻都是反映导体本身性质的物理量2.自感现象的“三种状态”“一个特点”(1)三种状态①线圈通电瞬间可把自感线圈看成断路。②断电时自感线圈相当于电源。③电流稳定后，自感线圈相当于导体电阻，志向线圈的电阻为0，相当于短路。(2)一个特点在发生自感现象时，线圈中电流不发生“突变”。案例如图所示的电路，可用来测定自感系数较大的线圈的直流电阻，线圈两端并联一个电压表，用来测量自感线圈两端的直流电压，在测量完毕后，将电路拆开时应(B)A．先断开开关S1 B．先断开开关S2C．先拆去电流表 D．先拆去电阻R解析：该电路事实上就是伏安法测电感线圈的直流电阻电路，在试验完毕后，由于线圈的自感现象，若电路拆去的先后依次不对，可能会烧坏电表。当S1、S2闭合，电路稳定时，线圈中的电流由a→b，表右端为“＋”，左端为“－”，指针正向偏转，若先断开S1，或先拆表，或先拆去电阻R，则在此瞬间，线圈中产生的自感电动势相当于瞬间电源，其a端相当于电源的负极，b端相当于电源的正极，相当于给表加了一个反向电压，使指针反偏。由“自感系数较大的线圈”知其反偏电压较大，可能会损坏表。而先断开S2，由于电压表内阻很大，电路中总电阻变更很小，电流几乎不变，不会损坏其他器件，故应先断开S2。一、互感现象1．绕在同一铁芯上的线圈Ⅰ、Ⅱ按如图所示方法连接，G为电流表，下列说法正确的是(A)A．开关S闭合瞬间，G中的电流从左向右B．保持开关S闭合，G中的电流从左向右C．保持开关S闭合，向右移动变阻器R0的滑动触头，G中的电流从左向右D．断开开关S的瞬间，G的示数也为零解析：闭合开关S瞬间，Ⅰ线圈中有电流通过，产生磁场，线圈内部磁场方向从左向右，穿过Ⅱ线圈的磁通量从无到有，产生感应电流，依据楞次定律可知电流表中的电流从左向右，A正确；保持开关S闭合，Ⅰ线圈中电流不变，穿过Ⅱ线圈的磁通量不变，没有感应电流产生，G的示数为零，B错误；保持开关S闭合，向右移动变阻器R0的滑动触头，Ⅰ线圈中电流减小，线圈内部产生向右减弱的磁场，穿过Ⅱ线圈的磁通量变更，产生感应电流，依据楞次定律可知电流表中的电流从右向左，C错误；断开开关S的瞬间，Ⅰ线圈中电流减小(从有到无)，穿过Ⅱ线圈的磁通量变更，产生感应电流，则电流表中有电流通过，示数不为零，D错误。2．(2024·贵州高二期中)如图所示，我国某品牌手机一经面世，就受到世人追捧，除了领先世界的5G通信、信息平安以外，人们还可以体验它无线充电的科技感。题图为无线充电原理图，由与充电底座相连的送电线圈和与手机电池相连的受电线圈构成。当送电线圈通入周期性变更的电流时，就会在受电线圈中感应出电流，从而实现为手机充电。在充电过程中(C)A．送电线圈中产生匀称变更的磁场B．送电线圈中产生稳定不变的磁场C．无线充电的原理是互感现象D．手机电池是直流电源，所以受电线圈输出的是恒定电流解析：由于送电线圈中通入周期性变更的电流时，依据麦克斯韦理论可知送电线圈中电流产生的磁场呈周期性变更，A、B错误；无线充电利用的是电磁感应原理，所以送电线圈和受电线圈通过互感现象实现能量传递，C正确；周期性变更的磁场会产生周期性变更的电场，输出的不是