自感现象与日光灯教案.docx

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自感现象与日光灯教案

3.1自感现象与日光灯

[学习目标定位]1.能分析通电自感和断电自感现象.2.能写出自感电动势的表达式，知道自感系数的决定因素.3.了解自感现象中的能量转化.4.了解日光灯的组成以及起辉器和镇流器的工作原理．

1．通电导线周围存在磁场，当导线中电流变大时，导线周围各处的磁场都增强，当导线中电流减小时，导线周围各处的磁场都减弱．

2．楞次定律：

感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化．

一、探究日光灯电路

1．日光灯电路包括日光灯管、镇流器、起辉器、开关、导线等．

2．镇流器是一个带铁心的多匝线圈，它可以产生很高的瞬时电压．

二、探究自感现象

1．物理学中，把由于导体自身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，叫做自感现象．自感现象中产生的感应电动势叫做自感电动势．

2．自感电动势的大小：

E＝L

，其中L是自感系数，简称电感．自感系数跟线圈的大小、几何形状、有无铁（或磁）心及匝数等有关．单位：

亨利，符号：

H.

一、日光灯电路

[问题设计]

按图1所示电路连接日光灯电路，闭合开关，观察日光灯的发光过程，简单叙述其工作原理．

图1

答案　

（1）闭合开关，电源把电压加在起辉器的两极，起辉器内氖气放电产生热量从而使起辉器内双金属片接触，电路导通．

（2）电路接通后，起辉器中氖气停止放电，温度降低，双金属片分离，瞬间切断的电流使镇流器产生瞬时高压，使灯管内气体导电而发光．

（3）日光灯正常发光时，镇流器起降压限流作用，保证日光灯正常工作．

[要点提炼]

1．起辉器的作用为自动开关．

2．镇流器在启动时提供瞬时高压，点燃灯管之后起到降压限流的作用．

二、自感现象

[问题设计]

1．通电自感：

如图2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2

答案　灯泡A2立即正常发光，灯泡A1逐渐亮起来．

2．断电自感：

如图3所示，先闭合开关使灯泡发光，然后断开开关．

图3

（1）开关断开前后，流过灯泡的电流方向有何关系？

（2）在断开过程中，有时灯泡闪亮一下再熄灭，有时灯泡只会缓慢变暗直至熄灭，请分析上述两种现象的原因是什么？

答案　

（1）S闭合时，灯泡A中电流向左，S断开瞬间，灯泡A中电流方向向右，所以开关S断开前后，流过灯泡的电流方向相反．

（2）在电源断开后灯泡又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原线圈中的电流大．要想使灯泡闪亮一下再熄灭，就必须使自感线圈的电阻小于与之并联的灯泡．而当线圈电阻大于灯泡电阻时，灯泡只会延迟一段时间再熄灭．

[要点提炼]

自感现象是指当通过线圈的电流发生变化时，在线圈中引起的电磁感应现象．

1．当线圈中的电流增大时，自感电动势的方向与原电流方向相反；

2．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；

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，只是延缓了过程的进行．

4．断电自感中，若断开开关瞬间，通过灯泡的电流瞬间比断开开关前瞬间大，灯泡会闪亮一下；若断开开关后，通过灯泡的电流比断开开关前瞬间小，灯泡不会闪亮一下，而是逐渐变暗．（填“会闪亮”或“不会闪亮”）

三、自感电动势的大小

1．自感电动势的大小跟线圈内磁通量变化率和线圈本身的自感特性有关．

2．自感电动势E的表达式：

E＝L

.

3．自感系数L：

反映线圈自感特性的电学量．线圈的横截面积越大、越长，匝数越多，它的自感系数就越大．有铁心的线圈，其自感系数比没有铁心的大得多．

一、日光灯电路的分析

例1

　A和L分别是日光灯的灯管和镇流器，如果按图4所示的电路连接，下列关于日光灯发光情况的叙述中，正确的是（　　）

图4

A．只把S1接通，S2、S3不接通，日光灯就能正常发光

B．把S1和S2接通后，S3不接通，日光灯就能正常发光

C．S3不接通，接通S1和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

解析　A选项：

只接通S1，灯管两端不能产生瞬时高压，日光灯不能点燃，A错误；

B选项：

S1和S2接通，S2不断开，日光灯被短路，电压为零，镇流器也不能产生断电自感电动势，日光灯不能点燃，B错误；

C选项：

S1和S2接通，再断开S2，镇流器产生自感电动势，与外加电压一起形成瞬时高压，使日光灯点燃而正常发光，C正确；

D选项：

日光灯正常发光后，再接通S3，镇流器被短路，不再起限流和降压作用，加在灯管两端的电压将达到220V，灯管将会烧坏，D错误．

答案　C

二、自感现象的分析

例2

　如图5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（　　）

图5

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

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，电流从线圈中电流开始减小，即从IA减小，故LA慢慢熄灭，LB闪亮后才慢慢熄灭，C错误、D正确．

答案　D

思路点拨　

（1）分析自感电流的大小时，应注意“L的自感系数足够大，其直流电阻忽略不计”这一关键语句；

（2）电路接通瞬间，自感线圈相当于断路；

（3）电路断开瞬间，回路中电流从L中原来的电流开始减小．

针对训练　如图6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6

A．开关S接通瞬间，无电流通过灯泡

B．开关S接通后，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接通瞬间，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接通瞬间，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．

三、自感现象的图像问题

例3

　如图7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变化关系的图像是（　　）

图7

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．

答案　D

自感

现象

与日

光灯

1．（对自感现象的理解）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相反，当电流减小时，感应电流的方向与原来的电流相同，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，与电流变化情况无关．故选项C错误．

2．（自感现象的分析）如图8所示电路中，

、

是两只相同的电流表，电感线圈L的直流电阻与电阻R阻值相等．下面判断正确的是（　　）

图8

A．开关S接通的瞬间，电流表

的读数大于

的读数

B．开关S接通的瞬间，电流表

的读数小于

的读数

C．开关S接通，电路稳定后再断开的瞬间，电流表

的读数大于

的读数

D．开关S接通，电路稳定后再断开的瞬间，电流表

的读数等于

的读数

答案　BD

3．（日光灯电路的分析）关于日光灯电路，下列说法正确的是（　　）

A．起辉器在电路中起自动开关作用

B．正常使用时镇流器不起作用

C．如果把日光灯灯管两端的电极分别短路，日光灯仍能正常发光

D．如果日光灯在正常发光时，把启动器取走，日光灯仍能正常发光

答案　AD

解析　起辉器起到自动开关作用，配合镇流器产生瞬时高电压启动灯管．日光灯正常发光时，起辉器可以取走．而镇流器在日光灯正常工作时起降压限流作用，不能取出．灯管两极短路后，日光灯将不能正常发光，故A、D项正确．

4．（自感现象的图像问题）在如图9所示的电路中，S是闭合的，此时流过线圈L的电流为i1，流过灯泡A的电流为i2，且i1＞i2，在t1时刻将S断开，那么流过灯泡A的电流随时间变化的图像是下图中的（　　）

图9

答案　D

解析　在0～t1时间内流过灯泡的电流为i2，且方向为从左向右，当断开S时，i2立即消失，但由于自感作用，i1并不立刻消失，而是产生自感电动势，与灯泡构成回路缓慢消失，此时流过灯泡的电流从i1开始逐渐减小，方向为从右向左，故D正确．故选D.

题组一　日光灯电路的分析

1．如图1为日光灯电路，关于该电路，以下说法中正确的是（　　）

图1

A．启动过程中，起辉器断开瞬间镇流器L产生瞬时高电压

B．日光灯正常发光后，镇流器L使灯管两端电压低于电源电压

C．日光灯正常发光后起辉器是导通的

D．图中的电源可以是交流电源，也可以是直流电源

答案　AB

解析　日光灯是高压启动，低压工作的．启动时，起辉器断开，镇流器产生瞬时高压，正常发光后，镇流器起限流的作用，而此时起辉器是断开的；镇流器只对交流电起作用，由此可知，A、B正确．

2．如图2所示的四个日光灯的接线图中，S1为起辉器，S2为电键，L为镇流器，能使日光灯正常发光的是（　　）

图2

A．①③B．②④C．①②D．②③

答案　A

解析　日光灯工作时，电流通过镇流器、灯丝，电源和起辉器形成回路，使起辉器发出辉光，相当于起辉器短路接通，同时电流加热灯丝，灯丝发射电子，镇流器起控制加热电流的作用；之后起辉器断开瞬间，镇流器产生很大的自感电动势，出现一个高电压加在灯管两端，灯管中的气体导电、发光，此时起辉器已无作用．所以起辉器可用手动的开关来代替（实际操作时，当起辉器丢失或损坏时，可手持带绝缘皮的导线短接起辉器然后再断开），所以A项正确；④中，当起辉器两金属片断开时，镇流器产生的瞬时高压不能加在灯管上，故④错；②中，当动、静触片分开后，灯管和电源分开，故②错．

3．家用日光灯电路如图3所示，S为起辉器，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3

A．镇流器的作用是将交流电变为直流电

B．在日光灯的启动阶段，镇流器能提供一个瞬时高压，使灯管开始工作

C．日光灯正常发光时，起辉器中的两个触片是分离的

D．日光灯发出柔和的白光是由汞原子受到激发后直接辐射的

答案　BC

解析　镇流器是一个自感系数很大的线圈，当流经线圈的电流发生变化时能产生很大的自感电动势，阻碍电流的变化，在日光灯启动时，镇流器提供一个瞬时高压使其工作；在日光灯正常工作时，自感电动势与原电压相反，镇流器起着降压限流的作用，此时起辉器的两个触片是分离的，当灯管内的汞蒸气被激发时能产生紫外线，涂在灯管内壁的荧光物质在紫外线的照射下发出可见光．

题组二　自感现象的分析

4．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，自感电动势就一定越大

B．线圈中电流等于零时，自感系数也等于零

C．线圈中电流变化越快，自感系数越大

D．线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁心决定

答案　D

解析　自感系数是由线圈的大小、形状、圈数、有无铁心等因素决定的，故B、C错，D对；自感电动势不仅与自感系数有关，还与电流变化快慢有关，故A错．

5．如图4所示，L为自感系数较大的线圈，电路稳定后小灯泡A正常发光，当断开开关S的瞬间会有（　　）

图4

A．灯A立即熄灭

B．灯A慢慢熄灭

C．灯A突然闪亮一下再慢慢熄灭

D．灯A突然闪亮一下再突然熄灭

答案　A

解析　当开关S断开时，由于通过自感线圈的电流从有变到零，线圈将产生自感电动势，但由于线圈L与灯A串联，在S断开瞬间，不能形成闭合回路，因此灯A在开关断开瞬间，立即熄灭．

6.如图5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5

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．

7.如图6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6

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．

8．如图7所示，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（　　）

图7

A．在电路甲中，断开S，A将逐渐变暗

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将逐渐变暗

D．在电路乙中，断开S，A将先变得更亮，然后渐渐变暗

答案　AD

解析　题图甲中，A与电感线圈L在同一个支路中，流过的电流相同，断开开关S时，线圈L中的自感电动势要维持原电流不变，所以开关断开的瞬间，A的电流不变，以后电流渐渐变小．因此，A渐渐变暗．题图乙中，A所在支路的电流比电感线圈所在支路的电流要小（因为电感线圈的电阻很小），断开开关S时，电感线圈的自感电动势要阻碍电流的变小，此瞬间电感线圈中的电流不变，电感线圈相当于一个电源给A供电．因此，反向流过A的电流瞬间要变大，然后渐渐变小，所以A将先闪亮一下，然后渐渐变暗．

9.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8所示，其道理是（　　）

图8

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．

题组三　自感现象的图像问题

10．在如图9所示的电路中，两个相同的小灯泡L1和L2分别串联一个带铁心的电感线圈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（　　）

图9

答案　B

解析　与滑动变阻器R串联的L2，不受自感影响，直接变亮，电流变化图像如A中图线，C、D错误．与带铁心的电感线圈串联的L1，由于自感，电流逐渐变大，A错误，B正确．

11.如图10所示的电路中，电源的电动势为E，内阻为r，电感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10

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变化的图像中正确的是B.

12.如图11所示，电源的电动势为E＝10V，内阻不计，L与R的电阻值均为5Ω，两灯泡的电阻值均为RS＝10Ω.

图11

（1）求断开S的瞬间，灯泡L1两端的电压；

（2）定性画出断开S前后一段时间内通过L1的电流随时间的变化规律．

答案　

（1）10V　

（2）见解析图

解析　

（1）电路稳定工作时，由于a、b两点的电势相等，导线ab上无电流通过．因此通过L的电流为

IL＝

＝

A＝1A

流过L1的电流为IS＝

＝

A＝0.5A

断开S的瞬间，由于线圈要想维持IL不变，而与L1组成闭合回路，因此通过L1的最大电流为1A．所以此时L1两端的电压为U＝IL·RS＝10V（稳定工作时为5V）．

（2）断开S前，流过L1的电流为0.5A不变，而断开S的瞬间，通过L1的电流突变为1A，且方向也发生变化，然后渐渐减小到零，所以它的图像如图所示（t0为断开S的时刻）．

注：

从t0开始，电流持续的时间实际上一般是很短的．