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321225235.docx

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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321225235

第六节　自感现象及其应用

[学习目标]　1.了解自感现象及其应用.2.能够通过电磁感应的有关规律分析通电自感和断电自感现象.3.了解自感系数的决定因素.4.了解日光灯的发光原理．

一、自感现象

[导学探究]　

（1）通电自感：

如图1所示，开关S闭合的时候两个灯泡的发光情况有什么不同？

图1

（2）断电自感：

如图2所示，先闭合开关使灯泡发光，然后断开开关，两灯泡的发光情况有什么不同？

图2

答案　

（1）灯泡L2立即发光，灯泡L1逐渐亮起来．

（2）L2立即熄灭，L1闪亮一下，再逐渐熄灭．

[知识梳理]　自感现象及自感电动势的定义和特点

（1）定义：

由于线圈本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象．在自感现象中产生的感应电动势叫自感电动势．

（2）自感电动势的大小：

跟穿过线圈的磁通量变化快慢有关，还跟自感系数有关．

（3）自感系数的决定因素：

由线圈本身性质决定，与线圈的长短、形状、匝数，以及是否有铁芯等因素有关，与E、ΔI、Δt等无关．单位：

亨利，符号H.

[即学即用]　判断下列说法的正误．

（1）在实际电路中，自感现象有害而无益．（　　）

（2）只要电路中有线圈，自感现象就会存在．（　　）

（3）发生断电自感时，因为断开电源之后电路中还有电流，所以不符合能量守恒定律．（　　）

（4）线圈中的电流变化越快，自感现象越明显．（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）√

二、日光灯

[导学探究]　自感现象可分为断电自感和通电自感．在使日光灯管启动的过程中（如图3为日光灯的结构）应用了哪种自感现象？

启动器在日光灯电路中的作用是什么？

图3

答案　断电自感　自动开关

[知识梳理]

1．灯管：

在高压激发下，两灯丝间的气体导电，发出紫外线，管壁上的荧光粉在紫外线照射下发出可见光．

2．启动器：

在开关闭合后，氖气放电发出辉光，辉光产生热量使动触片膨胀变形，与静触片接触之后，辉光放电消失，动触片降温恢复原状，与静触片分离，电路断开．

3．镇流器：

启动时产生瞬时高电压使灯管发光，正常发光时，起着降压限流的作用．

[即学即用]　判断下列说法的正误．

（1）没有启动器，在安启动器的位置，可以用一根导线，通过瞬时接通、断开的方式，使日光灯点亮．（　　）

（2）日光灯点亮后，启动器就没有作用了．（　　）

（3）在日光灯正常工作中，镇流器只会消耗电能，没有作用．（　　）

（4）日光灯正常工作的电压高于220V．（　　）

答案　

（1）√　

（2）√　（3）×　（4）×

一、自感现象的分析

例1　如图4所示，电感线圈L的自感系数足够大，其直流电阻忽略不计，LA、LB是两个相同的灯泡，且在下列实验中不会烧毁，电阻R2阻值约等于R1的两倍，则（　　）

A．闭合开关S时，LA、LB同时达到最亮，且LB更亮一些

B．闭合开关S时，LA、LB均慢慢亮起来，且LA更亮一些

C．断开开关S时，LA慢慢熄灭，LB马上熄灭

D．断开开关S时，LA慢慢熄灭，LB闪亮后才慢慢熄灭

图4

答案　D

解析　由于灯泡LA与线圈L串联，灯泡LB与电阻R2串联，当S闭合的瞬间，通过线圈的电流突然增大，线圈产生自感电动势，阻碍电流的增加，所以LB先亮，A、B错误．由于LA所在的支路电阻阻值偏小，故稳定时电流大，即LA更亮一些，当S断开的瞬间，线圈产生自感电动势，两灯组成的串联电路中，电流从IA开始减小，故LA慢慢熄灭，LB闪亮后才慢慢熄灭，C错误，D正确．

自感线圈对电流的变化有阻碍作用，具体表现为：

（1）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，其电流由原值逐渐减小，不会发生突变（必须有闭合回路）．

（3）电流稳定时自感线圈相当于导体，若其直流电阻忽略不计，则相当于导线．

针对训练　（多选）如图5所示，L为一纯电感线圈（即电阻为零），LA是一灯泡，下列说法正确的是（　　）

图5

A．开关S闭合瞬间，无电流通过灯泡

B．开关S闭合后，电路稳定时，无电流通过灯泡

C．开关S断开瞬间，无电流通过灯泡

D．开关S闭合瞬间，灯泡中有从a到b的电流，而在开关S断开瞬间，灯泡中有从b到a的电流

答案　BD

解析　开关S闭合瞬间，灯泡中的电流从a到b，A错误；线圈由于自感作用，通过它的电流逐渐增加，开关S接通后，电路稳定时，纯电感线圈对电流无阻碍作用，将灯泡短路，灯泡中无电流通过，B正确；开关S断开的瞬间，由于线圈的自感作用，线圈中原有向右的电流将逐渐减小，线圈与灯泡形成回路，故灯泡中有从b到a的瞬间电流，C错误，D正确．

二、自感现象的图象问题

例2　如图6所示的电路中，S闭合且稳定后流过电感线圈的电流是2A，流过灯泡的电流是1A，现将S突然断开，S断开前后，能正确反映流过灯泡的电流i随时间t变化关系的图象是（　　）

图6

答案　D

解析　开关S断开前，通过灯泡D的电流是稳定的，其值为1A．开关S断开瞬间，自感线圈的支路由于自感现象会产生与线圈中原电流方向相同的感应电动势，使线圈中的电流从原来的2A逐渐减小，方向不变，且同灯泡D构成回路，通过灯泡D的电流和线圈L中的电流相同，也应该是从2A逐渐减小到零，但是方向与原来通过灯泡D的电流方向相反，D对．

1．断电时，自感线圈处电流由原值逐渐减小，不能发生突变，而且电流方向也不变．

2．断电前后，无线圈的支路要注意电流方向是否变化．

三、对日光灯的原理的理解

例3　（多选）在日光灯电路中接有启动器、镇流器和日光灯管，下列说法中正确的是（　　）

A．日光灯点燃后，镇流器、启动器都不起作用

B．镇流器在点燃灯管时产生瞬时高压，点燃后起降压限流作用

C．日光灯点亮后，启动器不再起作用，可以将启动器去掉

D．日光灯点亮后，使镇流器短路，日光灯仍能正常发光，并能降低对电能的消耗

答案　BC

解析　日光灯工作时都要经过预热、启动和正常工作三个不同的阶段，它们的工作电路如图所示．

在启动阶段镇流器与启动器配合产生瞬时高压．工作时，电流由镇流器经灯管，不再流过启动器，故日光灯启动后启动器不再工作，可以去掉，而镇流器还要起降压限流作用，不能去掉，故选B、C.

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

答案　D

解析　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．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（　　）

答案　A

解析　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．

3．在如图7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7

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

答案　D

解析　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．

4．在如图8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变化的图象是（　　）

图8

答案　B

一、选择题（1～6题为单选题，7～10题为多选题）

1.如图1所示，两个电阻阻值均为R，电感线圈L的电阻及电池内阻均可忽略不计，S原来断开，电路中电流I0＝

，现将S闭合，于是电路中产生了自感电动势，此自感电动势的作用是（　　）

图1

A．使电路的电流减小，最后由I0减小到零

B．有阻碍电流增大的作用，最后电流小于I0

C．有阻碍电流增大的作用，因而电流总保持不变

D．有阻碍电流增大的作用，但电流最后还是变为2I0

答案　D

解析　S闭合，电路中电阻减小，电流增大，线圈产生的自感电动势的作用是阻碍原电流的增大，A错；阻碍电流增大，不是不让电流增大，而是让电流增大的速度变慢，B、C错；最后达到稳定时，电路中电流为I＝

＝2I0，故D正确．

2．如图2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（　　）

图2

A．S1接通，S2、S3断开，日光灯就能正常发光

B．S1、S2接通，S3断开，日光灯就能正常发光

C．S3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

答案　C

解析　当S1接通，S2、S3断开时，电源电压220V直接加在灯管两端，达不到灯管启动的高压，不能使气体电离导电，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．

3.如图3所示的电路中，A1和A2是两个相同的小灯泡，L是一个自感系数相当大的线圈，其阻值与R相同．在开关S接通和断开时，灯泡A1和A2亮暗的顺序是（　　）

图3

A．接通时A1先达最亮，断开时A1后灭

B．接通时A2先达最亮，断开时A1后灭

C．接通时A1先达最亮，断开时A1先灭

D．接通时A2先达最亮，断开时A2先灭

答案　A

解析　当开关S接通时，A1和A2同时亮，但由于自感现象的存在，流过线圈的电流由零变大时，线圈上产生自感电动势阻碍电流的增大，使通过线圈的电流从零开始慢慢增加，所以开始时电流几乎全部从A1通过，而该电流又将同时分路通过A2和R，所以A1先达最亮，经过一段时间电路稳定后，A1和A2达到一样亮；当开关S断开时，电源电流立即为零，因此A2立即熄灭，而对A1，由于通过线圈的电流突然减小，线圈中产生自感电动势阻碍电流的减小，使线圈L和A1组成的闭合电路中有感应电流，所以A1后灭．

4.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，采取了双线绕法，如图4所示，其道理是（　　）

图4

A．当电路中的电流变化时，两股导线中产生的自感电动势相互抵消

B．当电路中的电流变化时，两股导线中产生的感应电流互相抵消

C．当电路中的电流变化时，两股导线中产生的磁通量互相抵消

D．当电路中的电流变化时，电流的变化量相互抵消

答案　C

解析　能否有感应电动势，关键在于穿过回路的磁通量是否变化．由于导线是双线绕法，使穿过回路的磁通量等于零，无论通过的电流变化与否，磁通量均为零不变，所以不存在感应电动势和感应电流．

5.如图5所示的电路中，电源的电动势为E，内阻为r，自感线圈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变化的图象中，正确的是（　　）

图5

答案　B

解析　在t＝0时刻闭合开关S，由于电感线圈L产生自感电动势，阻碍电流通过，电源输出电流较小，路端电压较高，经过一段时间电路稳定后，电源输出电流较大，路端电压较低．在t＝t1时刻断开S，电感线圈L产生自感电动势，与灯泡构成闭合回路，灯泡D中有反向电流通过，所以表示A、B两点间电压UAB随时间t变化的图象中正确的是B.

6．如图6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，在实验完毕后，将电路拆开时应（　　）

图6

A．先断开开关S1B．先断开开关S2

C．先拆去电流表D．先拆去电阻R

答案　B

解析　该电路实际上就是用伏安法测自感线圈的直流电阻电路，在实验完毕后，由于线圈的自感现象，若电路拆开的先后顺序不对，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，先断开S1或先拆

表或先拆电阻R的瞬间，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，此时

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，可能会烧坏

表．而先断开S2，由于电压表内阻很大，电路中总电阻变化很小，电流几乎不变，不会损坏其他器件，故应先断开S2.

7．下列说法正确的是（　　）

A．当线圈中电流不变时，线圈中没有自感电动势

B．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

C．当线圈中电流增大时，线圈中自感电动势的方向与线圈中原电流的方向相反

D．当线圈中电流减小时，线圈中自感电动势的方向与线圈中原电流的方向相反

答案　AC

8．用电流传感器可以清楚地演示自感对电路中电流的影响，不一定要用两个灯泡作对比．电流传感器的作用相当于一个电流表，实验就用电流表的符号表示．它与电流表的一个重要区别在于，传感器与计算机相结合能够即时反映电流的迅速变化，并能在屏幕上显示电流随时间变化的图象．先按图7甲连接电路，测一次后，可以拆掉线圈，按图乙再测一次，得到（a）、（b）图象．则下列说法正确的是（　　）

图7

A．（a）图象是对应甲测得的

B．（a）图象是对应乙测得的

C．（b）图象是对应甲测得的

D．（b）图象是对应乙测得的

答案　AD

解析　电路甲中电流在开关闭合后，由于自感电动势作用，逐渐增至最大；电路乙中电流在开关闭合后，立即增至最大，所以A、D项正确．

9．如图8所示的电路中，线圈L的自感系数足够大，其直流电阻忽略不计，A、B是两个相同的灯泡，下列说法中正确的是（　　）

图8

A．S闭合后，A、B同时发光且亮度不变

B．S闭合后，A立即发光，然后又逐渐熄灭

C．S断开的瞬间，A、B同时熄灭

D．S断开的瞬间，A再次发光，然后又逐渐熄灭

答案　BD

解析　线圈对变化的电流有阻碍作用，开关接通时，A、B串联，同时发光，但电流稳定后线圈的直流电阻忽略不计，使A被短路，所以A错误，B正确；开关断开时，线圈产生自感电动势，与A构成回路，A再次发光，然后又逐渐熄灭，所以C错误，D正确．

10.如图9所示的电路中，L为一个自感系数很大、直流电阻不计的线圈，D1、D2是两个完全相同的电灯，E是内阻不计的电源．t＝0时刻，闭合开关S，经过一段时间后，电路达到稳定，t1时刻断开开关S.I1、I2分别表示通过电灯D1和D2中的电流，规定图中箭头所示方向为电流正方向，以下各图中能定性描述电流I随时间t变化关系的是（　　）

图9

答案　AC

二、非选择题

11．在如图10所示的日光灯工作原理电路图中：

图10

（1）开关合上前，启动器的静触片和动触片是________（填“接通的”或“断开的”）；

（2）开关刚合上时，220V电压加在________上，使________发出辉光；

（3）日光灯启动瞬间，灯管两端电压________220V（填“大于”“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__________作用，保证日光灯正常工作．

答案　

（1）断开的　

（2）启动器　氖气放电　（3）大于　（4）断开　降压限流

解析　日光灯按原理图接好电路后，当开关闭合，电源把电压加到启动器两极，使氖气放电而发出辉光．辉光产生的热量使U形动触片膨胀伸长，跟静触片接触而把电路接通，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形动触片冷却收缩，两个触片分离，电路自动断开，在电路突然断开的瞬间，由于镇流器中的电流急剧减小，会产生很高的自感电动势，其方向与原来电压方向相同，于是日光灯管成为电流的通路开始发光．

日光灯使用的是交变电流，电流的大小和方向都在不断地变化，在日光灯正常发光时，由于交变电流通过镇流器的线圈，线圈中就会产生自感电动势，它总是阻碍电流变化，这时镇流器就起着降压限流的作用，保证日光灯的正常工作．