高中物理第一章电磁感应6自感练习教科版选修32.docx

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高中物理第一章电磁感应6自感练习教科版选修32

6　自感

[学科素养与目标要求]　

物理观念：

1.了解自感现象.2.了解自感电动势的表达式EL＝L

，知道自感系数的决定因素.3.了解日光灯的构造及工作原理．

科学探究：

通过观察通电自感和断电自感时灯泡亮度的变化，认识自感现象．

科学思维：

体会自感现象产生的机理，能运用电磁感应规律分析解释．

一、自感现象

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叫做自感，在自感现象中产生的电动势叫做自感电动势．

二、自感系数

1．自感电动势：

EL＝L

，其中L是自感系数，简称自感或电感．单位：

亨利，简称亨，符号为H.

2．自感系数与线圈的形状、大小、匝数，以及是否有铁芯等因素有关．

三、日光灯

1．日光灯的构造：

普通日光灯由灯管、镇流器、启动器、导线和开关组成．

2．镇流器的作用：

启动时产生瞬时高电压使灯管发光，正常工作时，起着降压限流作用．

1．判断下列说法的正误．

（1）自感现象中，感应电流一定与原电流方向相反．（　×　）

（2）线圈的自感系数与电流大小无关，与电流的变化率有关．（　×　）

（3）日光灯点亮后，启动器就没有作用了．（　√　）

（4）在日光灯正常工作中，镇流器只会消耗能量，没有作用．（　×　）

2．如图1所示，电路中电源内阻不能忽略，L的自感系数很大，其直流电阻忽略不计，A、B为两个完全相同的灯泡，当S闭合时，A灯________变亮，B灯________变亮．当S断开时，A灯________熄灭，B灯________熄灭．（选填“立即”或“缓慢”）

图1

答案　缓慢　立即　缓慢　缓慢

一、通电自感现象

1．认识通电时的自感现象

如图2所示，先闭合S，调节R2使A1、A2的亮度相同，再调节R1，使A1、A2都正常发光，然后断开S.再次闭合S.

图2

现象：

灯泡A2立即发光，灯泡A1逐渐亮起来．

原因：

电路接通时，电流由零开始增加，穿过线圈L的磁通量逐渐增加，为了阻碍磁通量的增加，感应电流产生的磁通量与原来电流产生的磁通量方向相反，则线圈中感应电动势的方向与原来的电流方向相反，阻碍了L中电流的增加，即推迟了电流达到稳定值的时间．

2．对通电自感的理解

（1）通电瞬间自感线圈处相当于断路．

（2）当线圈中的电流增大时，自感电动势的方向与原电流的方向相反，阻碍电流的增大，使电流从零逐渐增大到稳定值，但不能阻止电流的增大．

（3）电流稳定时自感线圈相当于导体（若直流电阻为零，相当于导线）．

例1　如图3所示，电路中电源的内阻不能忽略，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（线圈L的直流电阻较小）（　　）

图3

A．A比B先亮，然后A灭B．B比A先亮，然后B逐渐变暗

C．A、B一起亮，然后A灭D．A、B一起亮，然后B灭

答案　B

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，稳定后，流过B灯支路的电流变小，所以B灯逐渐变暗，故B正确．

二、断电自感现象

1．认识断电时的自感现象

如图4所示，L为自感系数较大的线圈，其直流电阻比灯泡的电阻小，先闭合开关使灯泡发光，然后断开开关．

图4

现象：

灯泡A闪亮一下再熄灭

解释：

在开关断开后灯泡闪亮一下的原因是灯泡断电后自感线圈中产生的感应电流比开关断开前流过灯泡的电流大．

2．对断电自感的理解

（1）当线圈中的电流减小时，自感电动势的方向与原电流方向相同；

（2）断电自感中，由于自感电动势的作用，线圈中电流从原值逐渐减小．若断开开关瞬间通过灯泡的电流大于断开开关前的电流，灯泡会闪亮一下；若断开开关瞬间通过灯泡的电流小于或等于断开开关前的电流，灯泡不会闪亮一下，而是逐渐变暗直至熄灭．

（3）自感电动势总是阻碍线圈中电流的变化，但不能阻止线圈中电流的变化．

例2　如图5所示，开关S处于闭合状态，小灯泡A和B均正常发光，小灯泡A的电阻大于线圈L的电阻，现断开开关S，以下说法正确的是（　　）

图5

A．小灯泡A越来越暗，直到熄灭

B．小灯泡B越来越暗，直到熄灭

C．线圈L中的电流会立即消失

D．线圈L中的电流过一会再消失，且方向向右

答案　D

解析　S断开瞬间，小灯泡B立即熄灭．由于小灯泡A的电阻大于线圈L的电阻，所以S断开前线圈的电流大于小灯泡A中的电流．S断开瞬间，线圈中的电流由原电流逐渐减小，导致线圈中出现感应电动势从而阻碍电流的减小，即线圈L中的电流过一会再消失，且方向向右，因L和小灯泡A组成新的回路，电流由原线圈中的电流逐渐减小，所以小灯泡A先亮一下，然后慢慢熄灭，故D正确．

[学科素养]　通过例1和例2，进一步加深对通电自感现象和断电自感现象的理解，知道通电、断电瞬间，自感线圈中的电动势阻碍原电流的变化，但阻止不了电流的变化，且电流不能发生突变．运用电磁感应知识解释自感现象，很好地体现了“科学思维”的学科素养．

三、自感现象中的图像问题

例3　如图6所示的电路中，开关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，现将开关S突然断开，开关S断开前后，能正确反映流过灯泡的电流i随时间t变化关系的图像是（　　）

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自感电动势，使线圈中的电流从原来的2A逐渐减小，方向不变，且与灯泡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．

提示　要注意断电前后，无线圈的支路电流方向是否变化．

四、自感的典型应用——日光灯

1．日光灯的电路如图7所示．

图7

2．工作原理：

日光灯在接通电源时，启动器首先导通，又立即断开，在断开的瞬间，由于自感现象，镇流器产生很高的自感电动势，而使灯管快速启动．

3．镇流器的作用：

日光灯启动时，镇流器提供瞬时高电压，而使气体放电；灯管发光后，镇流器又起着降压限流的作用．

例4　若将图8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（　　）

图8

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

答案　C

解析　一般日光灯启动的瞬间把电源、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降压限流作用，若把题图乙中S2闭合，则镇流器失去作用，日光灯不能正常工作，D错.

1．（对自感电动势的理解）关于线圈中自感电动势的大小，下列说法中正确的是（　　）

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

答案　B

解析　电感一定时，电流变化越快，

越大，由EL＝L

知，自感电动势越大，故A错，B对；线圈中电流为零时，电流的变化率不一定为零，自感电动势不一定为零，故C错；当通过线圈的电流最大时，若电流的变化率为零，自感电动势为零，故D错．

2．（对自感现象的理解）（多选）如图9所示电路，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，则（　　）

图9

A．S闭合瞬间，LA不亮，LB很亮

B．S闭合瞬间，LA、LB同时亮，然后LA逐渐变暗到熄灭，LB变得更亮

C．S断开瞬间，LA闪亮一下才熄灭，LB立即熄灭

D．S断开瞬间，LA、LB立即熄灭

答案　BC

3．（自感现象中的图像问题）在如图10所示的电路中，L是一个自感系数很大、直流电阻不计的线圈，D1、D2和D3是三个完全相同的灯泡，E是内阻不计的电源．在t＝0时刻，闭合开关S，电路稳定后在t1时刻断开开关S.规定以电路稳定时流过D1、D2的电流方向为正方向，分别用I1、I2表示流过D1和D2的电流，则下列图像中能定性描述电流I随时间t变化关系的是（　　）

图10

答案　C

解析　当闭合开关时，因为线圈与D1串联，所以流过D1的电流I1会慢慢增大，流过D2的电流I2为稳定值，且电路稳定时I2

4.（日光灯工作原理）家用日光灯电路如图11所示，S为启动器，A为灯管，L为镇流器，关于日光灯的工作原理，下列说法正确的是（　　）

图11

A．镇流器的作用是将交流电变为直流电

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

答案　B

解析　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形动触片冷却收缩，两个触片分离，故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，碰撞管内气体（通常是氩气）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．

一、选择题

考点一　自感现象分析

1．如图1所示，L为一纯电感线圈（即电阻为零）．LA是一个灯泡，下列说法中正确的是（　　）

图1

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闭合瞬间及稳定时，灯泡中均有从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　B

解析　开关S闭合瞬间，灯泡中的电流从a到b，线圈由于自感作用，通过它的电流将逐渐增加．开关S闭合后，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．开关S断开瞬间，由于线圈的自感作用，线圈中原有的向右的电流将逐渐减小，线圈和灯泡形成回路，故灯泡中有从b到a的电流，故B正确．

2.如图2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2

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A2后灭

D．接通时A2先达最亮，断开时A2后灭

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．

3．（多选）（2018·宿迁市高二上学期期末）如图3所示，A、B是两个完全相同的小灯泡，L是电阻不计、自感系数很大的线圈．下列说法正确的有（　　）

图3

A．闭合S1，再闭合S2，A灯将变暗

B．闭合S1，再闭合S2，B灯将变暗直至熄灭

C．闭合S1、S2稳定后，再断开S1，A灯将立即熄灭

D．闭合S1、S2稳定后，再断开S1，B灯先亮一下然后变暗直至熄灭

答案　BCD

4．（2018·如东中学高二阶段性测试）如图4所示，电源电动势为E，其内阻不可忽略，L1、L2是完全相同的灯泡，线圈L的直流电阻不计，电容器的电容为C，合上开关S，电路稳定后（　　）

图4

A．电容器的带电荷量为CE

B．灯泡L1、L2的亮度相同

C．在断开S的瞬间，通过灯泡L1的电流方向向右

D．在断开S的瞬间，灯泡L2立即熄灭

答案　C

解析　合上开关S，电路稳定后，L1被短路，灯L1不亮，灯L2发光，B错；由于电源有内阻，电容器两端电压U

5．（2018·哈尔滨市六校高二下学期期末）如图5所示，A、B是两个完全相同的灯泡，D是理想二极管，L是带铁芯的线圈，其直流电阻忽略不计．下列说法正确的是（　　）

图5

A．S闭合瞬间，B先亮A后亮

B．S闭合瞬间，A先亮B后亮

C．电路稳定后，在S断开瞬间，B闪亮一下，然后逐渐熄灭

D．电路稳定后，在S断开瞬间，B立即熄灭

答案　D

解析　闭合开关S瞬间，线圈相当于断路，二极管正向导通，故电流可通过灯泡A、B，即A、B灯泡同时亮，故A、B错误．因线圈的直流电阻为零，则当电路稳定后，灯泡A被短路而熄灭，当开关S断开瞬间B立即熄灭，线圈中的电流也不能反向通过二极管，则灯泡A仍是熄灭的，故C错误，D正确．

6．（2018·三明市高二下学期期末）在如图6所示的电路中，a、b、c为三盏完全相同的灯泡，L是自感线圈，直流电阻为RL，则下列说法正确的是（　　）

图6

A．合上开关后，c先亮，a、b后亮

B．断开开关时，N点电势高于M点

C．断开开关后，b、c同时熄灭，a缓慢熄灭

D．断开开关后，c马上熄灭，b闪一下后缓慢熄灭

答案　B

解析　开关闭合瞬间，因通过线圈L的电流缓慢增大，产生自感电动势，通过a的电流逐渐增大，所以b、c先亮，a后亮，故A错误；断开开关的瞬间，因通过线圈L的电流减小，产生自感电动势，根据楞次定律可知通过自感线圈的电流方向与原电流方向相同，N点电势高于M点；L和a、b组成的回路中有电流，由于原来通过a的电流小于通过b的电流，开关断开的瞬间，通过a、b和线圈回路的电流从a原来的电流减小，所以b不会闪一下，而是与a一起缓慢熄灭，而c中没有电流，马上熄灭，故B正确，C、D错误．

7．如图7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，将电路拆去时应（　　）

图7

A．先断开开关S1

B．先断开开关S2

C．先拆去电流表A

D．先拆去电阻R

答案　B

解析　当开关S1、S2闭合稳定后，线圈中的电流由a→b，电压表右端为“＋”极，左端为“－”极，指针正向偏转，先断开开关S1或先拆去电流表A或先拆去电阻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，此时电压表上加了一个反向电压，使指针反偏，若反偏电压过大，会烧坏电压表，故应先断开开关S2，故选B.

8．（多选）（2018·内江市高二下学期期末）在如图8所示电路中，L为自感系数很大的线圈，N为试电笔中的氖管（启辉电压约60V），电源电动势为12V，已知直流电使氖管启辉时，辉光只发生在负极周围，则下列说法中正确的是（　　）

图8

A．S接通时，氖管不会亮

B．S接通时启辉，辉光在a端

C．S接通后迅速切断时启辉，辉光在a端

D．S接通后迅速切断时启辉，则辉光在电极b处

答案　AD

解析　S接通后，电源电动势约为12V，而启辉电压约60V，所以氖管不会亮，故A正确，B错误；接通后迅速切断时启辉，因线圈的电流变化，导致产生较大的感应电动势，从而氖管启辉发出辉光，而线圈产生感应电动势时，左端相当于电源正极，右端相当于负极，由题意可知，辉光在b端，故C错误，D正确．

9.某同学为了验证断电自感现象，自己找来带铁芯的线圈L、小灯泡A、开关S和电池组E，用导线将它们连接成如图9所示的电路．检查电路后，闭合开关S，小灯泡发光；再断开开关S，小灯泡仅有不显著的延时熄灭现象．虽经多次重复，仍未见老师演示时出现的小灯泡闪亮现象，他苦思冥想找不出原因．你认为最有可能造成小灯泡未闪亮的原因是（　　）

图9

A．电源的内阻较大B．小灯泡电阻偏大

C．线圈电阻偏大D．线圈的自感系数较大

答案　C

解析　根据实物连线图画出正确的电路图，如图所示，当闭合开关S，电路稳定之后，小灯泡中有稳定的电流IA，自感线圈中有稳定的电流IL，当开关S突然断开时，电流IA立即消失，但是，由于自感电动势的作用，流过线圈的电流IL不能突变，自感线圈和小灯泡构成回路，如果IL>IA，则能观察到小灯泡闪亮一下再熄灭，线圈的自感系数越大，小灯泡延时闪亮的时间就越长．可见灯泡未闪亮的根本原因是不满足IL>IA的条件，这是线圈电阻偏大造成的，故C正确．

考点二　自感现象中的图像问题

10．（多选）如图10所示，用电流传感器研究自感现象．电源内阻不可忽略，线圈的自感系数较大，其直流电阻小于电阻R的阻值．t＝0时刻闭合开关S，电路稳定后，t1时刻断开S，电流传感器连接计算机分别描绘了整个过程线圈中的电流IL和电阻中的电流IR随时间t变化的图像．下列图像中可能正确的是（　　）

图10

答案　AD

11．（多选）（2018·玉溪市峨山一中高三月考）图11（a）是用电流传感器（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，图中两个电阻的阻值均为R，L是一个自感系数足够大的自感线圈，其直流电阻值也为R.图（b）是某同学画出的在t0时刻开关S切换前后，通过传感器的电流随时间变化的图像．关于这些图像，下列说法中正确的是（　　）

图11

A．图（b）中甲是开关S由断开变为闭合，通过传感器1的电流随时间变化的情况

B．图（b）中乙是开关S由断开变为闭合，通过传感器1的电流随时间变化的情况

C．图（b）中丙是开关S由闭合变为断开，通过传感器2的电流随时间变化的情况

D．图（b）中丁是开关S由闭合变为断开，通过传感器2的电流随时间变化的情况

答案　BC

12.如图12所示的电路中，电源的电动势为E，内阻为r，自感线圈L的直流电阻不计，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时刻断开开关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12

答案　B

解析　在t＝0时刻闭合开关S，由于线圈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时刻断开开关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变化的图像中正确的是选项B.

考点三　日光灯的工作原理

13．（多选）如图13甲所示为日光灯电路，图乙为启动器结构图．在日光灯正常工作的过程中（　　）

图13

A．镇流器为日光灯的点亮提供瞬时高压

B．镇流器维持灯管两端有高于电源的电压，使灯管正常工作

C．灯管点亮发光后，启动器中两个触片是接触的

D．灯管点亮发光后，镇流器起降压限流作用使灯管在较低的电压下工作

答案　AD

解析　日光灯刚发光时，镇流器在启动时产生瞬时高压，故A正确；灯管点亮发光后，镇流器起降压限流作用使灯管在较低的电压下工作，故B错误，D正确；灯管正常发光后，启动器不再工作，启动器中两个触片是分离的，故C错误．

14．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．

二、非选择题

15．（2018·福州市八县（市）协作校高二下期末）如图14所示，一个称为“千人震”的趣味物理小实验所用器材是一节电动势为1.5V的新干电池、几根导线、开关和一个用于日光灯上的镇流器，几位同学手拉手连成一排，另一位同学将电池、镇流器、开关用导线连接起来，并将它们和首、尾两位同学两只空着的手相连，在开关________（填“闭合”或“断开”）时就会使连成一排的同学都有触电的感觉，该实验的原理是________．

图14

答案　断开　镇流器的自感现象

解析　当开关闭合后，镇流器与同学们并联，由于电源为1.5V的新干电池，所以电流很小．当断开时，镇流器电流发生变化，由于镇流器的自感现象，产生很高的瞬时电压，通过同学们身体时有触电的感觉．