第4节 互感和自感（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（粤教版2019）

第四节　互感和自感 核心素养导学 物理观念 (1)通过实验了解互感与自感现象。 (2)知道互感现象和自感现象的防止和应用。 (3)了解自感系数。 科学思维 (1)会从法拉第电磁感应定律的视角认识自感现象。 (2)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。 科学探究 通过实验观察通电自感和断电自感现象，并能解释其原理。 科学态度与责任 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。 一、互感现象 1．互感现象：如图所示，当线圈A中电流发生变化时，它产生的变化的磁场在线圈B中激发出感应电动势，线圈B中感应电流的变化，同时也会在线圈A中产生相应的____________，这种现象称为互感现象。 2．互感电动势：互感现象中产生的感应电动势。 3．应用：利用互感现象可以将一个线圈中变化的信号传递到另外一个线圈。 4．危害：互感现象有时会影响电路的正常工作。 感应电动势 线圈本身 自感 感应 自感 电感 亨利 亨 形状 长短 匝数 铁芯 1．如图是法拉第实验线圈及其原理图，思考下列问题： 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？ 提示：两个线圈发生互感现象。 2．如图所示两个电路(线圈L自感很大，电阻忽略不计)，判断下列说法的正误。 (1)甲图中开关闭合时，A1先亮。 ( ) (2)甲图中开关闭合时，A2先亮，A1逐渐变亮。 ( ) (3)乙图中开关断开时，灯泡A会闪亮一下再熄灭。 ( ) × √ √ 3．让几位同学“串联”在电路中，电源只需1节干电池。闭合开关S前，学生的体验——“无感觉”；闭合开关S后，学生的体验——“无感觉”；断开开关S瞬间，同学突然受到电击——“迅速收回双手”。这是为什么呢？ 提示：断开开关S，线圈中电流变小，线圈L中产生自感电流以阻碍电路中原电流的减小，所以人会受到电击。 新知学习(一)|互感现象的理解和应用 [任务驱动] 某同学设计了一个电磁冲击钻，其原理示意图如图所示，若发现钻头M突然向右运动，则可能是什么原因造成的？ 提示：冲击钻的两个线圈发生互感现象，根据楞次定律，当线圈中的磁通量增大时，M向右运动，故可能原因是开关S突然闭合或滑片P向左滑动。　 [重点释解] 1．互感现象是一种常见的电磁感应现象，它不仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间，而且可以发生于任何两个相互靠近的电路之间。 2．互感现象可以把能量由一个电路传到另一个电路。变压器就是利用互感现象制成的。 [典例体验] [典例]　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，下列说法中正确的是 (　 ) A．t1时刻，两环间作用力最大 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 [解析]　t1时刻感应电流为0，故两环间作用力为0，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，故两环相互吸引，B正确、C错误；t4时刻，A环中电流为0，两环无相互作用，D错误。 [答案]　B /方法技巧/ 互感问题的分析方法 (1)可利用楞次定律、安培定则及左手定则分析某个线圈中感应电流的方向及受安培力方向。 (2)可从能量角度分析。　 [针对训练] 1．如图所示，在铁芯P上绕着两个线圈a和b，则 (　 ) A．线圈a输入正弦交变电流，线圈b可输出恒定电流 B．线圈a输入恒定电流，穿过线圈b的磁通量一定为0 C．线圈b输出的交变电流不对线圈a的磁场造成影响 D．线圈a的磁场变化时，线圈b中一定产生感应电动势 解析：当线圈a输入正弦交变电流时，线圈b输出同频率的正弦交变电流，A错误；当线圈a输入恒定电流时，线圈a产生稳定的磁场，通过线圈b的磁通量不变，但不为0，B错误；由于互感现象的存在，每个线圈中的交变电流都会对另外一个线圈的磁场产生影响，C错误；当线圈a的磁场变化时，通过线圈b的磁通量发生变化，一定产生感应电动势，D正确。 答案：D　 2．如图为安检门原理图，左边门框中有一通电线圈，右边门框中有一接收 线圈。工作过程中某段时间通电线圈中存在(由左向右看)顺时针方向均 匀减小的电流，则 (　 ) A．无金属片通过时，接收线圈中的感应电流方向为逆时针 B．无金属片通过时，接收线圈中的感应电流增大 C．有金属片通过时，接收线圈中的感应电流方向为逆时针 D．有金属片通过时，接收线圈中的感应电流大小发生变化 解析：左侧门框中某段时间通电线圈中存在(由左向右看)顺时针方向均匀减小的电流，无金属片通过时，右侧接收线圈中磁通量均匀减小，根据楞次定律，右侧线圈中产生的感应电流方向为顺时针，大小恒定，A、B错误；有金属片通过时，金属片中产生涡流，使右侧接收线圈中的感应电流大小发生变化，方向仍为顺时针，C错误，D正确。 答案：D [解析]　自感作用延缓了电路中电流的变化，使得在通电瞬间含线圈的电路相当于断路，而断电时线圈相当于一个电源，通过放电回路将贮存的能量释放出来。而一般的纯电阻电路可以认为通电时立即有电流，断电时电流立即消失。S2断开，S1合上瞬间，由于线圈的自感作用，流过Q灯的电流将逐渐增大，A正确(注意，P灯是立即就亮)；合上S1、S2，稳定后，由于RL为零，P灯被短路，故P灯是暗的，B正确；保持S2闭合，断开S1瞬间，线圈L和P灯构成放电回路，由于自感作用，L中的电流值将由原来稳定值逐渐减小，而原来IL＞IP，所以P灯将亮一下再熄灭，而跟Q灯并联的是电阻，故Q灯立即熄灭，故C正确，D错误。 [答案]　ABC /方法技巧/ (1)断开开关后，灯泡是否瞬间变得更亮，取决于电路稳定时两支路中电流的大小关系，即由两支路中电阻的大小关系决定。 (2)若断开开关后，线圈与灯泡不能组成闭合回路，则灯泡会立即熄灭。 (3)自感线圈直流电阻小与直流电阻不计含义不同，稳定时，前者相当于定值电阻，后者出现短路。 [系统归纳] 1．对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(是增大还是减小)。 (2)根据“增反减同”，判断自感电动势的方向。 (3)分析阻碍的结果：当电流增大时，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；当电流减小时，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。 2．两种电路的分析   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 [针对训练] 1．如图所示，多匝线圈和电池的内阻均为0，两个电阻的阻值均为R， 开关S断开时，电路中的电流为I。现将S闭合，于是电路中产生自 感电动势，此自感电动势的作用是 (　 ) A．使电路中的电流减小，最后由I减小到0 B．有阻碍电流的作用，最后电流小于I C．有阻碍电流增大的作用，故电流总保持不变 D．有阻碍电流增大的作用，但电流还是增大，最后变为2I 解析：当S闭合后，电路总电阻减小，电流增大，线圈产生自感电动势阻碍电流增大，但“阻碍”并不是“阻止”，电流最终仍增大到2I，D正确。 答案：D　 2．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，他冥思苦想找不出原因。你认为最有可能造成小灯泡未闪亮的原因是 (　 ) 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 (4)明确电路中元件与自感线圈的连接方式，若元件与自感线圈串联，元件中的电流与线圈中电流有相同的变化规律；若元件与自感线圈并联，元件上的电压与线圈上的电压有相同的变化规律；若元件与自感线圈构成临时回路，元件成为自感线圈的临时外电路，元件中的电流大小与线圈中电流大小有相同的变化规律。 [典例体验] [典例]　如图所示的电路中，电源的电动势为E，内阻为r， 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时刻断开开关S。如选项图所示，表示A、B两点间电压UAB随时间t变化的图像中，正确的是 (　 ) [答案]　B [针对训练] 1．某兴趣小组探究断电自感现象的电路如图所示。闭合开关S，待 电路稳定后，通过电阻R的电流为I1，通过线圈L的电流为I2。t1 时刻断开开关S，下列图像中能正确描述通过电阻R的电流IR和 通过线圈L的电流IL的是 (　 ) 26 解析：S断开后，线圈与电阻R构成回路，电阻R中的电流反向，大小与线圈中的电流相等，并逐渐减小，A正确，B错误；断开S后，电阻R与线圈串联，流过线圈的电流减小，线圈中产生与原电流方向相同的感应电动势，且电动势慢慢变小，则线圈中电流方向不变，大小逐渐变小，而且变小得越来越慢，C、D错误。 答案：A 2．在如图所示的电路中，两个相同的小灯泡A1和A2分别串联 一个带铁芯的线圈L和一个滑动变阻器R。闭合开关S后， 调整R，使A1和A2发光的亮度一样，此时流过两个灯泡的 电流均为I。然后，断开开关S，若t′时刻再闭合开关S， 则在t′前后的一小段时间内，图中正确反映流过A1的电流i1、流过A2的电流i2随时间t变化的图像是 (　 ) 解析：由题中给出的电路可知，电路是线圈L与A1串联，A2与滑动变阻器R串联，然后两个支路并联。在t′时刻，A1支路中的电流因为有线圈L的自感作用，所以i1由0逐渐增大。A2支路为纯电阻电路，i2不存在逐渐增大的过程，若不计电池的内阻，则i2不变；若考虑电池的内阻，i2会略有减小，B正确。 答案：B 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——对自感系数的认识 1．(选自沪科版新教材课后练习)(多选)关于导电线圈的自感系数，下列说法中正确的是 (　 ) A．线圈中的感应电动势越大，自感系数就越大 B．线圈中的电流等于零时，自感系数也等于零 C．线圈插入铁芯后，自感系数会明显增大 D．把线圈匝数增加一些，自感系数变大 解析：自感系数的大小决定于线圈自身的因素，与外界条件无关，A、B错误，C、D正确。 答案：CD　 科学思维——两种自感电路的分析 2．(选自沪科版新教材课后练习)(多选)在图a、b所示的电路中，电阻R和自感线圈L的电阻值相等，闭合开关S，使电路达到稳定状态，灯泡A发光，则 (　 ) A．在图a电路中，断开开关S，灯泡A将渐渐变暗 B．在图a电路中，断开开关S，灯泡A将先变得更亮，然后渐渐变暗 C．在图b电路中，断开开关S，灯泡A将渐渐变暗 D．在图b电路中，断开开关S，灯泡A将先变得更亮，然后渐渐变暗 解析：在题图a电路中，自感线圈和灯泡串联，断开开关时灯泡A渐渐熄灭。在题图b电路中，自感线圈和灯泡并联，断开开关，灯泡A先变得更亮，然后渐渐变暗，故选A、D。 答案：AD　 科学探究——探究自感现象 3．(选自鲁科版新教材“迷你实验室”)取一根长约1 m的漆包线绕在一把锉刀上，再让一节干电池的正极与锉刀接触，负极则与导线的一端接触。手执 导线的另外一端，让裸露的导线头在锉刀上来回刮动，如图所示。你观察到了什么现象？想想看，为什么会发生这一现象？ 答案：见解析 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．(多选)目前，我国正在大力推行ETC系统，ETC(Electronic Toll Collection的缩写)是全自动电子收费系统，车辆通过收费站时无须停车，这种收费系统每车收费耗时不到两秒，其收费通道的通行能力是人工收费通道的5至10倍。如图甲所示，在收费站自动栏杆前后的地面各自铺设完全相同的多匝线圈A、B，两线圈各自接入相同的电路，如图乙所示，电路a、b端与电压有效值恒定的交变电源连接，回路中流过交变电流，当汽车接近或远离线圈时，线圈的自感系数发生变化，线圈对交变电流的阻碍作用发生变化，使得定值电阻R的c、d两端电压有所变化，这一变化的电压输入控制系统，控制系统就能做出抬杆或落杆的动作，下列说法正确的是 (　 ) A．汽车接近线圈时，c、d两端电压升高 B．汽车离开线圈时，c、d两端电压升高 C．汽车接近线圈时，c、d两端电压降低 D．汽车离开线圈时，c、d两端电压降低 解析：汽车上有很多钢铁材料，当汽车接近线圈时，相当于给线圈增加了铁芯，所以线圈的自感系数增大，在电压不变的情况下，交流回路的电流将减小，所以R两端的电压降低，即c、d两端的电压将降低，A错误，C正确；同理，汽车远离线圈时，相当于线圈的自感系数减小，交流回路的电流增大，c、d两端的电压将升高，B正确，D错误。 答案：BC　 2．如图所示是一种触电保护器，变压器A处用双股相线(火线)和零线平行绕制成线圈，然后接到用电器上，B处有一个输出线圈，一旦有电流，经放大后便能立即推动继电器J切断电源，下列情况下能使保护器切断电源起保护作用的是哪一种？说明理由。 (1)增加开灯的盏数； (2)当有人双手分别接触相线(火线)和零线触电时； (3)当有人单手接触相线(火线)，脚与地相接触而触电时。 解析：(1)不能。因A处线圈采用的是双线绕法，增加开灯的盏数只会使电路中电流增大，但A处两线中电流始终大小相等方向相反，线圈中磁通量相互抵消，B中磁通量始终为零，不发生改变。B中没有感应电流，故不能推动继电器J切断电源。 (2)不能，理由同(1)，因为双手分别接触相线和零线相当于将一个电阻并联接入电路。 (3)能。因为有电流通过人体而流入地下，使A处相线与零线的电流不同，从而使B中磁通量发生改变，B中产生感应电流，从而推动继电器J切断电源。 答案：见解析 二、自感现象 1．自感现象：由于_________的电流发生变化而产生的电磁感应现象。 2．自感电动势：在______现象中产生的______电动势。 3．自感电动势的大小 E＝L，其中L是自感系数，简称_____或_____，单位：_____，简称___，符号为H。 4．自感系数大小的决定因素 自感系数与线圈的_____、_______、_____，以及是否有______等因素有关。 (1)根据楞次定律可推断，线圈中电流增大时，自感电动势和原电流方向相反。 (2)自感系数只由线圈本身的因素决定。　 新知学习(二) [典例体验] [典例]　(多选)如图所示，L是自感很大、电阻不计的线圈，当合上或断开开关S1和S2后，下列情况可能发生的是 (　 ) A．S2断开，S1合上瞬间，Q灯逐渐亮起来 B．合上S1、S2稳定后，P灯是暗的 C．保持S2闭合，断开S1瞬间，Q灯立即熄灭，P灯闪亮一下再熄灭 D．保持S2闭合，断开S1瞬间，P灯和Q灯都是过一会才熄灭 解析：在断电自感现象中，断电时线圈与小灯泡构成回路，线圈中储存的磁场能转化为电能，线圈相当于电源，自感电动势E自＝L，与原电源无关，A错误；如果小灯泡电阻偏大，则通过线圈的电流较大，断电时可能看到显著的延时熄灭现象和小灯泡闪亮现象，B错误；如果线圈电阻偏大，则通过线圈的电流较小，断电时只能看到不显著的延时熄灭现象，且小灯泡不会出现闪亮现象，C正确；如果线圈的自感系数较大，则自感电动势较大，可能看到显著的延时熄灭现象和小灯泡闪亮现象，D错误。 新知学习(三) [重点释解] 自感现象中图像问题的分析思路 自感现象中的图像问题，主要是I-t关系图像。分析问题时应按以下思路进行： (1)明确通过自感线圈的电流的变化情况(增大还是减小)。 (2)根据楞次定律，判断自感电动势的方向。 (3)分析线圈中电流的变化情况，电流增强时(如通电时)，由于自感电动势方向与原电流方向相反，阻碍电流增加，因此电流逐渐增大；电流减小时(如断电时)，线圈中电流逐渐减小，不能发生突变。 [解析]　开关S闭合的瞬间，由于线圈L的阻碍作用，由电阻R与线圈L组成的支路相当于断路，后来由于线圈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，根据闭合电路的欧姆定律I＝，整个电路中的总电流增大，由U内＝Ir得内电压增大，由UAB＝E－Ir得路端电压UAB减小。电路稳定后，由于R的阻值大于灯泡D的阻值，所以流过线圈L支路的电流小于流过灯泡D的电流。当开关S断开时，由于线圈L的自感作用，流过灯泡D的电流立即与线圈L中电流相等，与灯泡D原来的电流方向相反且逐渐减小，即UAB反向减小，B正确。 解析：当导线头在锉刀上来回刮动时，导线头与锉刀时断时连，导线头与锉刀断开的瞬间，电路中的电流瞬间减小，在线圈中产生方向与原电流方向相同的自感电动势，且有E自＝L≫E，此时在锉刀和线头之间的电压很大，使空气电离而产生火花放电。 $$