高中物理 第一章 电磁感应 6 自感学案 教科版选修32.docx
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高中物理 第一章 电磁感应 6 自感学案 教科版选修32.docx
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高中物理第一章电磁感应6自感学案教科版选修32
6.自感
学习目标
知识脉络
1.知道什么是自感现象并理解自感电动势的作用.
2.知道自感系数是表示线圈本身特征的物理量,知道其单位及影响因素.(重点)
3.知道日光灯管的结构和工作原理.
4.会判断通电自感和断电自感中灯泡亮度的变化.(重点、难点)
[自主预习·探新知]
[知识梳理]
一、自感现象
1.实验探究:
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D1慢慢变亮
阻碍电流的增加
断电自感
断开开关的瞬间,灯泡D延迟熄灭.有时灯泡D会闪亮一下,然后逐渐变暗
阻碍电流的减小
2.自感现象
(1)自感:
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.
(2)自感电动势:
在自感现象中产生的电动势.
(3)作用:
自感电动势总阻碍导体中原电流的变化.
二、自感系数
1.自感电动势大小公式
EL=L
.
2.自感系数
(1)物理意义:
表征线圈产生自感电动势本领的大小.
(2)决定因素:
自感系数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.另外有无铁芯对线圈的自感系数影响很大.
(3)单位:
亨(H)、毫亨(mH)、微亨(μH)
1H=103mH=106μH.
三、自感的典型应用——日光灯
1.日光灯的构造及电路图
日光灯由灯管、灯丝、镇流器和启动器组成,灯管中充有微量的惰性气体和稀薄的汞蒸气,镇流器、灯丝和启动器的电路是串联的.
电路图如图161所示.
图161
2.启动器的构造及作用
启动器是一个充有氖气的小玻璃泡,里面有两个电极,一个是固定不动的静触片,另一个是双金属片制成的U型动触片.启动器的作用是在开关闭合后,使电路短暂接通再将电路断开,相当于一个自动开关.
3.镇流器的作用
在启动器短暂接通电路再将电路断开的瞬间,镇流器中的电流急剧减小,产生很高的自感电动势:
这个自感电动势的方向与原来电源的电压方向相同,它们合在一起,形成一个瞬时高电压,加在灯管两端,使灯管中的气体放电,于是日光灯管成为电流的通路,开始发光.
日光灯正常发光时,镇流器在电路中起着降压限流作用,保证日光灯的正常工作.
[基础自测]
1.思考判断
(1)自感电动势总是阻碍导体中原电流的变化.(√)
(2)自感电动势的方向一定与原电流的方向相反.(×)
(3)通过线圈的电流增大的越来越快,则自感系数变大.(×)
(4)日光灯正常发光后,拿掉启动器,日光灯将熄灭.(×)
(5)日光灯正常工作时,镇流器起降压限流的作用.(√)
(6)日光灯启动时,镇流器产生瞬时高压,从而使灯管中的气体放电,开始发光.(√)
2.如图162所示电路中,当开关S断开瞬间( )
图162
A.流经R2的电流方向向右,流经L的电流方向向左
B.流经R2的电流方向向左,流经L的电流方向向右
C.流经R2和L的电流方向都向右
D.流经R2和L的电流方向都向左
A [在S断开前,自感线圈L中有自右向左的电流,断开S后瞬间,通过L的电流要减小,于是L中产生自感电动势,阻碍自身电流的减小,但电流还是逐渐减小为零,原来跟L并联的电阻R2,由于电源的断开,向左的电流会立即消失,但此时它却与L形成了串联的回路,L中维持的正在减弱的电流恰好从电阻R2中流过,方向由左到右.]
3.若将图163甲中启动器换为开关S1,并给镇流器并联一个开关S2,如图163乙所示,则下列叙述正确的是( )
图163
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
C.S2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
C [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,所以启动时既要使乙图中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降压限流作用,若把乙图中S2闭合,则镇流器失去作用,日光灯不能正常工作,D错.]
[合作探究·攻重难]
对自感现象的理解
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
阻碍原电流的变化,而不是阻止,原电流仍在变化,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
↓
↓
分析阻碍的结果:
电流增大时,由于自感电动势的作用,线圈中电流逐渐增大,与线圈串联的元件中的电流也逐渐增大;电流减小时,由于自感电动势的作用,线圈中电流逐渐减小,与线圈串联的元件中的电流也逐渐减小
[名师提醒]
1通电时,自感线圈相当于一个变化的电阻,阻值由无穷大逐渐减小,通电瞬间自感线圈处相当于断路.
2断电时,自感线圈相当于电源,自感电动势由某值逐渐减小到零.
3电流稳定时,自感线圈相当于导体.
(多选)如图164所示的电路中,a、b、c为三盏完全相同的灯泡,L是一个自感系数很大、直流电阻为零的自感线圈,E为电源,S为开关.关于三盏灯泡,下列说法正确的是( )
图164
A.合上开关,c、b先亮,a后亮
B.合上开关一会后,a、b一样亮
C.断开开关,b、c同时熄灭,a缓慢熄灭
D.断开开关,c马上熄灭,b闪一下后和a一起缓慢熄灭
思路点拨:
①线圈的自感系数很大,能够产生足够大的自感电动势.②线圈的直流电阻为零,电路稳定后线圈相当于普通导线.
AB [闭合开关S时,由于线圈L的自感作用,流过a灯的电流逐渐增大,所以a灯后亮,b、c灯与电源构成回路,所以b、c灯先亮,故A正确;合上开关一会后,电路稳定,L是一个直流电阻为零的自感线圈,可视为导线,a、b灯完全相同,并联电压相同,故a、b灯一样亮,故B正确;断开开关瞬间,a、b灯与线圈构成闭合回路,由于L的自感作用,a、b灯的电流要逐渐减小,故c灯马上熄灭,a、b灯缓慢熄灭,C错误;由于电路稳定时,a、b灯中电流相同,故b灯无闪亮现象,D错误.]
通、断电自感中灯泡亮度变化问题
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
灯泡立即变亮(自感线圈电阻不可忽略)
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
(1)若I2≤I1,灯泡逐渐变暗
(2)若I2>I1,灯泡闪亮后逐渐变暗,两种情况灯泡电流方向均改变
[针对训练]
1.(多选)如图165所示的电路中,电源电动势为E,内阻r不能忽略.R1和R2是两个定值电阻,L是一个自感系数较大的线圈.开关S原来是断开的,从闭合开关S到电路中电流达到稳定为止的时间内,通过R1的电流I1和通过R2的电流I2的变化情况是( )
【导学号:
24622031】
图165
A.I1开始较大而后逐渐变小
B.I1开始很小而后逐渐变大
C.I2开始很小而后逐渐变大
D.I2开始较大而后逐渐变小
AC [闭合开关S时,由于L是一个自感系数较大的线圈,产生反向的自感电动势阻碍电流的变化,所以开始I2很小,随着电流达到稳定,自感作用减小,I2开始逐渐变大.闭合开关S时,由于线圈阻碍作用很大,路端电压较大,随着自感作用减小,路端电压减小,所以R1上的电压逐渐减小,电流逐渐减小,故A、C正确.]
2.(多选)如图166甲、乙电路中,电阻R和自感线圈L的电阻都很小,接通S,使电路达到稳定,灯泡A发光,则下列说法中正确的是( )
甲 乙
图166
A.在电路甲中,断开S,A将渐渐变暗
B.在电路甲中,断开S,A将先变得更亮,然后渐渐变暗
C.在电路乙中,断开S,A将渐渐变暗
D.在电路乙中,断开S,A将先变得更亮,然后渐渐变暗
AD [电阻R和自感线圈L的电阻都很小,图甲中,闭合S时,IL
自感现象中的图像问题分析
如图167所示电路中,S是闭合的,此时流过线圈L的电流为I1,流过灯D的电流为I2,且I1 图167 A B C D 思路点拨: ①S断开瞬间,回路中电流的大小和方向由线圈L中的电流决定.②因线圈的自感作用,回路中的电流逐渐减小到零. D [注意分析各段时间内流过灯D电流的方向的变化情况.S闭合时流过灯D的电流大小为I2,方向由左向右;S断开时灯D中电流立即减小为零,由于线圈L的作用,I1不能立即减小为零,L与灯D构成闭合电路,其中电流由I1逐渐减小至零,流经灯D的电流方向由右向左,故选D.] 1S断开时,因自感作用,线圈L中的电流不能立即减小为零,要通过回路逐渐减小为零. 2回路中的电流方向与S断开前线圈L中的电流方向相同. 3回路中的电流从线圈L中原来的电流大小开始逐渐减小,但不是均匀减小. [针对训练] 3.(多选)某线圈中通有如图168所示的电流,则线圈中自感电动势改变方向的时刻有( ) 【导学号: 24622032】 图168 A.第1s末 B.第2s末 C.第3s末D.第4s末 BD [自感电动势E=L ,当电流的变化率为零时,自感电动势的方向发生改变.由题图可知t=2s和t=4s时 为零.故选项B、D正确.] 4.如图169所示的电路中,电源的电动势为E,内阻为r,电感线圈L的电阻不计,电阻R的阻值大于灯泡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S.下列表示A、B两点间电压UAB随时间t变化的图像中,正确的是( ) 图169 A B C D B [开关S闭合的瞬间,由于电感L的阻碍作用,由R与L组成的支路相当于断路,后来由于L的阻碍作用不断减小,相当于外电路并联部分的电阻不断减小,根据闭合电路欧姆定律I= 知,整个电路中的总电流不断增大,由U内=Ir得内电压不断增大,由UAB=E-Ir得路端电压UAB不断减小.电路稳定后,由于R的阻值大于灯泡D的阻值,所以流过L支路的电流小于流过灯泡D的电流.当开关断开时,由于电感L的自感作用,流过灯泡D的电流立即与L中的电流相等,与灯泡中原来的电流方向相反且逐渐减小,即UAB反向且逐渐减小,选项B正确.] 对日光灯工作原理的理解 1.对启动器工作原理的认识 启动器主要由电容器和玻璃泡组成,电容器与玻璃泡并联.玻璃泡内构造如图1610所示.玻璃泡内充有氖气,泡内装有两个金属片,一个是固定不动的静触片,另一个是由双金属片制成的U形动触片,动、静触片之间留有小缝隙,形成两个电极. 图1610 启动器的主要作用是在开关闭合后,利用氖管的辉光放电,通过动、静触片的接通和断开过程,使镇流器产生瞬时高电压. 2.对镇流器工作原理的认识 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,而被点亮. (2)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,镇流器起降压限流作用. 家用日光灯电路如图1611所示,S为启动器,A为灯管,C为镇流器,关于日光灯的工作原理,下列说法正确的是( ) 图1611 A.镇流器的作用是把交流电变为直流电 B.在日光灯正常发光时,启动器中的两个触片是分开的 C.日光灯发出的光是电流加热灯丝发出的 D.日光灯发出的光是汞原子受到激发后直接辐射的 B [镇流器在启动时产生瞬时高压,在正常工作时起降压限流作用,故A错误;电路接通后,启动器中的氖气停止放电(启动器分压少、辉光放电无法进行,不工作),U型动触片冷却收缩,两个触片分离,B正确;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,碰撞管内氖气分子,使之迅速电离.在紫外线的激发下,管壁上的荧光粉发出近乎白色的可见光.故C、D错误.故选B.] [针对训练] 5.人类生活中对能源的可持续利用可以通过节能方式体现,日光灯是最常用的节能照明工具,它的主要构成有灯管、镇流器、启动器.启动器的构造如图1612所示,为了便于日光灯工作,常在启动器两端并上一个纸质电容器C.现有一盏日光灯总是出现灯管两端亮而中间不亮,经检查,灯管是好的,电源电压正常,镇流器无故障,其原因可能是( ) 【导学号: 24622033】 图1612 A.启动器两脚A、B与启动器座接触不良 B.电容器C断路 C.电容器C击穿而短路 D.镇流器自感系数L太大 C [由题意知镇流器无故障,故D项错误;日光灯管两端亮而中间不亮,说明灯管两端的灯丝处于通电状态,即启动器接通,但不能自动断开,说明电容器C短路了,选C.] 6.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( ) A B C D 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、右两端分别被短接,无法预热放出电子,不能使灯管气体导电,选项D错误.只有A项满足发光条件.] [当堂达标·固双基] 1.关于自感现象,下列说法正确的是( ) 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 D [当电流增大时,感应电流的方向与原来的电流方向相反,当电流减小时,感应电流的方向与原来的电流方向相同,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,D正确;自感系数只取决于线圈本身的因素及有无铁芯,与电流变化情况无关,故选项C错误.] 2.在如图1613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的两相同的电流表.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( ) 图1613 A.G1和G2指针都立即回到零点 B.G1指针立即回到零点,而G2指针缓慢地回到零点 C.G1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 D.G2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 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中原电流立即消失,而对于G2所在支路,由于线圈L的自感作用,阻碍电流不能立即消失,自感电流沿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.] 3.在如图1614所示的电路中,两个相同的小灯泡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,调节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,能正确反映流过L1的电流i1、流过L2的电流i2随时间t变化的图像是( ) 【导学号: 24622034】 图1614 A B C D B [由题中给出的电路可知,电路由L与L1和L2与R两个支路并联,在t′时刻,L1支路的电流因为有L的自感作用,所以i1由0逐渐增大,L2支路为纯电阻电路,i2不存在逐渐增大的过程,所以选项B正确.] 4.(多选)如图1615所示,日光灯正常发光时,流过灯管的电流为I,那么对于灯丝ab上的电流,以下说法正确的是( ) 图1615 A.灯丝ab上的电流处处为I B.灯丝a处的电流为I C.灯丝b处的电流为I,其他地方的电流都比I小 D.灯丝b处最容易烧断 CD [当日光灯正常发光时,启动器是断开的,因此在ab上没有电流,故选项A、B错误;导通后是气体导电,所以电流存在于b处到d处之间,故选项C、D正确.]
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