第2章 第4节 自感和互感（Word教参）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中物理选择性必修 第二册（人教版2019）

第4节　自感和互感 [学习目标] 1.通过实验了解互感与自感现象；知道互感现象和自感现象的防止和应用；了解自感系数(物理观念).2.会从法拉第电磁感应定律的视角认识自感现象；会用自感与互感解释简单的电磁现象，知道互感现象与自感现象是磁场能变化的一种表现(科学思维).3.通过实验观察通电自感和断电自感现象．并能解释其原理(科学探究).4.了解自感现象在生产、生活中的应用，体会推理分析的科学思维方法(科学态度与责任)． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 互感现象 1．互感和互感电动势：两个相互靠近且没有导线相连的线圈，当一个线圈中的__电流变化__时，它所产生的__变化的磁场__会在另一个线圈中产生__感应电动势__，这种现象叫作互感，这种感应电动势叫作__互感电动势__. 2．应用：利用互感现象可以把__能量__由一个线圈传递到__另一个线圈__，如变压器就是利用__互感现象__制成的． 3．危害：互感现象能发生在任何两个__相互靠近__的电路之间．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． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 自感现象 当一个线圈中的__电流__变化时，它所产生的__变化的磁场__在__线圈本身__激发出感应电动势，这种现象称为自感，由于自感而产生的感应电动势叫作__自感电动势__. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 自感系数 1．自感电动势：E＝　L　，其中是是__电流的变化率__；L是__自感系数__，简称自感或电感．单位：__亨利__，符号：__H__. 2．自感系数与线圈的__大小__、__形状__、__匝数__，以及是否有__铁芯__等因素有关． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 磁场的能量 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． 3．自感电动势有阻碍线圈中__电流变化__的性质． 1．判断下列说法的正误． (1)两线圈相距较近时，可以产生互感现象，相距较远时，不产生互感现象．(　×　) (2)在自感现象中，感应电流的方向一定和原电流的方向相同．(　×　) (3)线圈的自感系数与电流的大小无关，与电流的变化率有关．(　×　) (4)磁场能和电场能可以相互转化．(　√　) 2．如图所示，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__逐渐__变亮，B灯__立即__变亮．当S断开时，A灯__逐渐__熄灭，B灯__逐渐__熄灭．(均选填“立即”或“逐渐”) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 互感现象 【情境导学】 如图所示，在法拉第的实验中两个线圈并没有用导线连接，当一个线圈中的电流变化时，在另一个线圈中为什么会产生感应电动势呢？ 答案　两个线圈之间并没有导线相连，当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场会使穿过另一个线圈的磁通量发生变化，从而产生感应电动势． 1．当一个线圈中的电流变化时，它产生的磁场就发生变化，变化的磁场在周围空间产生感生电场，在感生电场的作用下，另一个线圈中的自由电荷定向运动，于是产生感应电动势． 2．一个线圈中电流变化越快(电流的变化率越大)，另一个线圈中产生的感应电动势越大． 3．应用与危害 (1)应用：变压器、收音机的磁性天线都是利用互感现象制成的． (2)危害：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．例如在电路板刻制时就要设法减小电路间的互感现象． 【例题1】 (多选)下列关于互感现象的说法正确的是(　　) A．一个线圈中的电流变化时，与之靠近的线圈中产生感应电动势的现象称为互感现象 B．互感现象的实质是电磁感应现象，同样遵循楞次定律和法拉第电磁感应定律 C．利用互感现象能够将能量由一个线圈传递到另一个线圈，人们制造了收音机的“磁性天线” D．互感现象在电力工程以及电子电路中不会影响电路的正常工作 思维导引：(1)理解互感现象的定义；(2)了解互感现象在电路中的应用和危害． 答案　ABC 解析　两个相互靠近的线圈，当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场在另一个线圈中产生感应电动势的现象称为互感现象，之所以会在另一个线圈中产生感应电动势，是因为变化的电流产生变化的磁场，引起另一个线圈中的磁通量发生变化，发生电磁感应现象，选项A、B正确；收音机的“磁性天线”应用了互感的原理，也就是利用互感现象能够将能量由一个线圈传递到另一个线圈制成的，选项C正确；互感现象能发生在任何两个相互靠近的电路之间，会影响电路的正常工作，选项D错误． 【变式1】 (多选)目前无线电力传输已经比较成熟，如图所示为一种非接触式电源供应系统．这种系统基于电磁感应原理可无线传输电力，两个感应线圈可以放置在左右相邻或上下相对的位置，原理示意图如图所示．利用这一原理，可以实现对手机进行无线充电．下列说法正确的是(　　) A．只要A线圈中输入电流，B线圈中就会产生感应电动势 B．只有A线圈中输入变化的电流，B线圈中才会产生感应电动势 C．A中电流越大，B中感应电动势越大 D．A中电流变化越快，B中感应电动势越大 答案　BD 解析　根据感应电流产生的条件，若A线圈中输入恒定的电流，则A产生恒定的磁场，B中的磁通量不发生变化，B线圈中不会产生感应电动势，选项A错误；若A线圈中输入变化的电流，根据法拉第电磁感应定律E＝n可知，B线圈中会产生感应电动势，A线圈中电流变化越快，A线圈中电流产生的磁场变化越快，B线圈中感应电动势越大，选项B、D正确，C错误． 　　　　　　　　　　　　　　　　　 自感现象 【情境导学】 如图所示，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，观察到什么现象？为什么有这样的现象？ 答案　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0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． 1．对自感现象的理解：自感现象是一种电磁感应现象，遵从法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：阻碍原电流的变化，而不是阻止，原电流仍在变化，只是使原电流的变化变慢． 3．对自感线圈阻碍作用的理解 (1)若电路中的电流正在改变，自感线圈产生自感电动势阻碍电路中电流的变化，使得通过自感线圈的电流不能突变． (2)若电路中的电流是稳定的，自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．自感现象的分析思路 (1)明确通过自感线圈的电流的变化情况(增大或减小)． (2)根据“增反减同”，判断自感电动势的方向． (3)阻碍结果分析：电流增大时，由于自感电动势的作用，线圈中的电流逐渐增大，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，线圈中的电流逐渐减小，与线圈串联的元件中的电流也逐渐减小． 5．两种电路的分析 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 电流I1突然变大，然后逐渐减小达到稳定 断电时 电流逐渐减小，灯泡逐渐变暗，电流方向不变 电路中稳定电流为I1、I2 ①若I2≤I1，灯泡逐渐变暗 ②若I2＞I1，灯泡闪亮一下后逐渐变暗，两种情况灯泡电流方向均改变 【例题2】 在如图所示的电路中，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(　　) 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立即熄灭，b闪亮一下后缓慢熄灭 思维导引：(1)闭合开关，因灯a与线圈相连，发生通电自感；(2)断开开关，灯a、b与线圈L组成断电自感电路，发生断电自感时，线圈L中的自感电动势与原来流过灯a的电流方向相同；(3)开关闭合时，流过灯a、b的电流不等且灯a电流较小，因此断电自感时，灯b中的电流是在原来灯a的基础上减小，不会闪亮一下． 答案　B 解析　开关S闭合瞬间，因线圈L的电流增大，磁通量增大，产生自感电动势，根据楞次定律可知，自感电动势阻碍电流的增大，通过a灯的电流逐渐增大，所以b、c先亮，a后亮，选项A错误；合上开关一会儿后，线圈中电流逐渐稳定，断开开关S的瞬间，由电感的特性可知，L和a、b组成的回路中有电流，电流的方向与L中原来电流的方向相同，方向为L→N→b→M→a→L，可知N点电势高于M点，选项B正确；合上开关一会儿后，线圈中电流逐渐稳定，线圈相当于电阻，所以a较暗，b较亮，断开开关S的瞬间，由电感的特性可知，L和a、b组成的回路中有电流，导致a、b一起逐渐熄灭，而c没有电流，立即熄灭，选项C错误；由于原来a、b两灯的电流不等，a灯的电流较小，开关断开的瞬间，通过a、b和线圈回路的电流从a灯原来的电流减小，所以两灯都不会闪亮，选项D错误． 【变式2】 如图所示，L是自感系数很大的线圈，其直流电阻几乎为0，A和B是两个相同的小灯泡．闭合开关，待电路稳定后，灯泡A恰能正常发光，则(　　) A．闭合开关，灯泡A、B均逐渐变亮 B．闭合开关，灯泡A立即变亮，灯泡B逐渐变亮 C．断开开关，灯泡A会闪亮一下再逐渐熄灭 D．断开开关，灯泡B不可能被烧坏 答案　D 解析　闭合开关，电流可以迅速通过灯泡A和灯泡B，故灯泡A、B均立即变亮，之后随着线圈自感电动势阻碍作用的减弱，其电流逐渐增大，稳定时相当于导线，把灯泡B短路，故灯泡B变亮后逐渐熄灭，选项A、B错误；断开开关，线圈的自感电动势相当于电源，通过灯泡B形成回路，故灯泡B会闪亮一下再逐渐熄灭，而灯泡A直接熄灭，选项C错误；断电瞬间，通过灯泡B的电流等于断电前通过A的电流，却不会大于灯泡B的额定电流，故断开开关，灯泡B不可能被烧坏，选项D正确． 1. (对互感的理解)如图所示是套在同一铁芯上的两个线圈，左线圈与电源、变阻器及开关相连，右线圈与电流表连成一闭合电路．在下列情况下，电流表指针不偏转的是(　　) A．开关S闭合或断开的瞬间 B．开关S闭合后，左线圈中通过恒定的电流时 C．开关S闭合后，移动滑动变阻器滑片增大其阻值时 D．开关S闭合后，移动滑动变阻器滑片减小其阻值时 答案　B 解析　要使电流表指针不偏转，就不能产生感应电流，这就要求左侧线圈中的电流保持不变不会引起磁通量的变化，选项B正确． 2．(对互感的理解)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的变化规律如图乙所示，下列说法正确的是(　　) 　　 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 答案　B 解析　t1时刻感应电流为零，故两环作用力为零，选项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，选项B正确，C错误；t4时刻A环中电流为零，两环无相互作用，选项D错误． 3．(对自感的理解)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，如图所示，其中的道理是(　　) A．当电路中的电流变化时，两股导线中产生的自感电动势互相抵消 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．以上说法均不对 答案　C 解析　由于采用了双线绕法，两股导线中的电流等大反向，它们产生的磁场方向相反，磁通量相互抵消，不论导线中的电流如何变化，线圈中的磁通量始终为0，所以消除了自感现象的影响，选项C正确． 4．(自感的应用)(多选)如图所示，A和B是电阻为R的电灯，L是自感系数较大的线圈，定值电阻的阻值为R.当S1闭合、S2断开且电路稳定时，A、B的亮度相同．再闭合S2待电路稳定后将S1断开，下列说法正确的是(　　) A．B灯立即熄灭 B．A灯将比原来更亮一些后再熄灭 C．有电流通过B灯，方向为c→B→d D．有电流通过A灯，方向为a→A→b 答案　AD 解析　当电路稳定后再断开开关S1时，电源不再对电路供电，但因线圈L的自感作用，使线圈L中的电流只能逐渐减小，线圈中产生断电自感现象，当S1闭合、S2断开时，A、B灯的亮度相同，即通过两灯的电流相同，所以线圈L的直流电阻也为R，当闭合开关S2，待电路稳定后将S1断开，由于线圈L的自感作用，线圈L中的电流逐渐减小，但该电流不会通过B灯，所以B灯立即熄灭，选项A正确，C错误；而A灯由于与线圈L组成回路，有逐渐减小的电流通过，且电流的方向为a→A→b，选项D正确；因线圈L中的电流与断开S1前A灯的电流相同，所以A灯不会比原来更亮一些再熄灭，而是逐渐熄灭，选项B错误． 学科网（北京）股份有限公司 $$