2.4 互感和自感-【物理优课PPT】高中物理选择性必修第二册同步PPT课件（人教版2019）

人教版（2019） 高中物理 选择性必修第二册 第二章：电磁感应 授课老师：物理优课PPT Self-induction and mutual induction 学习目标 1 通过实验了解互感与自感现象，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。 2 会从法拉第电磁感应定律的视角认识自感现象，了解自感系数，体会推理分析的科学思维方法。 3 知道互感现象与自感现象的防止和应用， 新课引入 新课引入 新课引入 视频中两个线圈并没有直接连接，为什么也能产生电流？这是什么原理？ 新课引入 两个线圈之间是没有导线相连的，但当一个线圈中电流发生改变时，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的现象，称为互感。 在法拉第的实验中，两个线圈之间并没有导线相连，但电流表会发生偏转，这运用的也是互感现象。 互感现象产生的感应电动势，称之为互感电动势。 03 磁场的能量 04 课后练习 01 互感现象 02 自感现象 一.互感现象 1、互感：在法拉第的实验中，两个线圈之间并没有导线相连，但当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化磁场会在另一个线圈中产生感应电动势．这种现象叫做互感． 2、互感电动势：互感现象中产生的感应电动势。 一.互感现象 3、理解 (1) 互感现象不仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间,且可发生于任何两个相互靠近的电路之间。 (2) 利用互感现象可以把能量、信号从一个电路（线圈）传递到另一个电路（线圈），因此在电工技术和电子技术中有广泛的应用。如：变压器 (3) 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，这时要求设法减小电路间的互感。 传递能量 传递信息 一.互感现象 4、应用：利用互感现象可以把能量从一个线圈传递到另一个线圈，因此在电工技术和电子技术中有广泛应用。如变压器就是利用互感现象制成的。 收音机里的“磁性天线”利用互感现象，把广播电台的信号从一个线圈传递到另一个线圈 变压器 一.互感现象 思考：为什么可以实现无线充电？能量又是从何而来呢？ 手机利用互感实现无线充电 一.互感现象 手机内部接收端 无线充电器内部 一.互感现象 蓝牙耳机 电磁炉 变压器 无线充电器 一.互感现象 5、防止：互感现象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。在电力工程中和电子电路中，互感现象有时会影响电路的正常工作，要设法减小互感。 所以平时说的金属壳包装的用电器漏电，有一种是互感引起的。 电路板抗干扰布线 一.互感现象 一.互感现象 课堂练习 例题1：(多选)如图所示，水平放置的两条光滑轨道上有可自由移动的金属棒PQ、MN，当PQ在外力作用下运动时，MN在磁场力作用下向右运动，则PQ所做的运动可能是(　　 ) A．向右匀加速运动 B．向左匀加速运动 C．向右匀减速运动 D．向左匀减速运动 BC 课堂练习 例题2 ：在同一铁芯上绕着两个线圈，单刀双掷开关原来接在点“1”，现把它从“1”扳向“2”，如图所示，试判断在此过程中，在电阻R上的电流方向是(　　) A．先由P→Q，再由Q→P B．先由Q→P，再由P→Q C．始终由Q→P D．始终由P→Q C 课堂练习 例题3 ：如图所示的电路中，若放在水平光滑金属导轨上的ab棒突然向右移动，这可能发生在(　　) A．闭合开关S的瞬间 B．断开开关S的瞬间 C．闭合开关S后，减小滑动变阻器R的阻值时 D．闭合开关S后，增大滑动变阻器R的阻值时 C N S N S F 03 磁场的能量 04 课后练习 01 互感现象 02 自感现象 二.自感现象 当电路自身的电流发生变化时，会不会产生感应电动势呢？下面我们首先来观察演示实验。 演示1 在电路中，两个灯泡A1和A2的规格相同，A1与线圈L串联后接到电源上，A2与可变电阻R串联后接到电源上。 先闭合开关S，调节变阻R，使两个灯泡的亮度相同，再调节可变电阻R1，使它们都正常发光，然后断开开关S。 重新接通电路。注意观察，在开关闭合的时候两个灯泡的发光情况。 L A1 A2 R S R1 E 思考 二.自感现象 通电自感 二.自感现象 S接通 穿过线圈的电流 I 增大 穿过线圈的磁通量增大 线圈产生感应电动势 B灯逐渐亮 流过A、B灯的电流随时间怎样变化？ 阻碍电流增大 ？ ？ ？ ？ 分析B灯 IA IB I t A B A B 线圈中出现的感应电动势只是阻碍了原电流的变化，而非阻止，所以虽延缓了电流变化的进程，但最终电流仍然达到最大值，B最终会正常发光。 为什么灯A立即亮 灯B要过会儿亮呢? 实验 A B 通电自感 二.自感现象 如图，A1、A2 是规格完全一样的灯泡。线圈 L的阻值为RL，调节变阻器 R，使R=RL。闭合开关 S，观察A1、A2灯泡亮度的变化，请结合教材解释该实验现象。 现象：A1灯泡 A2灯泡 立即亮起来 逐渐变亮，最终一样亮 R1 S A1 A2 R L B原 IA1 IA2 B感 I感 线圈L电流变化 磁通量变化 自身产生自感电动势 感应电流 自感 现象 阻碍电流（磁通量）变化：“增反减同” （1） I原增加，I原与I感方向相反 （2）I原减小，I原与I感方向相同 二.自感现象 如图，A1、A2 是规格完全一样的灯泡。线圈 L的阻值为RL，调节变阻器 R，使R=RL。闭合开关S后，用电流传感器收集通过A1、A2灯泡电流IA1、IA2随时间变化的数据，请定性作出电脑上显示的IA1、IA2时间变化图像？ 电流传感器 R1 S A1 A2 R L IA1 IA2 I t IA2 IA1 二.自感现象 对比两次图像的不同 二.自感现象 演示2 连接电路。先闭合开关待灯泡发光。然后断开开关。注意观察开关断开时灯泡的亮度。 A L E S 二.自感现象 断电自感 断电自感 为什么灯不是立即熄灭，而要闪亮一下才熄灭？ 实验 二.自感现象 通过线圈的电流I 减小 穿过线圈的磁通量减小 线圈产生感应电动势 灯逐渐熄灭 流减小（补偿） S断开 ？ ？ ？ ？ 1 感应电流方向如何？ 2 原电流方向如何？ O t I 3 通过灯的电流怎样变化？ 阻碍电 二.自感现象 （1） 若RL < RA，电路稳定时，IL和IA大小关系？断开S后，观察A灯泡亮度变化，为什么？ （2） 若RL ≥ RA，电路稳定时，IL和IA大小关系？断开S后，观察A灯泡亮度变化，为什么？ A L S （1）当 IL > IA 时，会闪一下，再逐渐熄灭 （2）当 IL ≤ IA 时，逐渐熄灭 线圈L电流变化 磁通量变化 自身产生自感电动势 感应电流 自感 现象 阻碍电流（磁通量）变化：“增反减同” （1） I原增加，I原与I感方向相反 （2）I原减小，I原与I感方向相同 IA IL 二.自感现象 如图用电流传感器收集开关断开前后通过灯泡A、线圈L的电流IA、IL随时间变化的数据： （1）若 RL=RA相等，请定性作出电脑上显示的IA、IL时间变化图像？ （2）若 RL 远小于RA ，请定性作出电脑上显示的IA、IL时间变化图像？ 电流传感器 A L S IA IL RL=RA IA IL I t RL 远小于RA IA IL I t 二.自感现象 L a b 接通瞬间 接通稳定 断 开 通电自感与断电自感比较 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 电流立刻变大，灯泡变亮，然后逐渐变暗 断电时 电流逐渐减小 灯泡逐渐变暗 电流方向不变 电路中稳态电流为I1、I2 ①若I2≤I1，灯泡逐渐变暗 ②若I2＞I1，灯泡闪亮后逐渐变暗 两种情况灯泡中电流方向均改变 线圈L电流变化 磁通量变化 自身产生自感电动势 感应电流 自感 现象 阻碍电流（磁通量）变化：“增反减同” （1） I原增加，I原与I感方向相反 （2）I原减小，I原与I感方向相同 G P 线圈 A 线圈B B感 线圈A电流变化 磁通量变化 线圈B产生互感电动势 感应电流 阻碍磁通量变化：“增反减同” （1） Φ原增加，B原与B感方向相反 （2）Φ原减小，B原与B感方向相同 互感 现象 S R1 A1 A2 R L IA1 IA2 B原 B感 I感 B原 二.自感现象 1、自感的概念：由于线圈本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，叫做自感现象。 2、自感电动势：由于自感而产生的感应电动势，叫做自感电动势。自感电动势在闭合电路中会产生自感电流。 3、理解： （1）产生原因：通过导体本身电流的变化，引起磁通量的变化。 （2）自感电动势的方向： ①当原来电流在增大时，自感电动势阻碍原来电流增大；自感电动势形成的自感电流与原来电流方向相反。 ②当原来电流在减小时，自感电动势阻碍原来电流减小；自感电动势形成的自感电流与原来电流方向相同。 （3）自感电动势的作用：总是阻碍导体中原电流的变化（同样遵循楞次定律），效果上使电流变化减慢，不至于突然变化。即对电流的变化起延迟作用。 二.自感现象 I B ф ф I ∝ 5、自感电动势的大小推导： 自感电动势的大小：与电流的变化率成正比 自感系数 电流变化率 二.自感现象 6、自感系数L:简称“自感”或“电感” （1）物理意义：描述线圈产生自感电动势本领大小（能力）的物理量 数值上等于通过线圈的电流在1S内改变1A时产生的自感电动势的大小。 （ 如果通过线圈的电流在1秒内改变1安培时，产生的电动势是1伏特，这个线圈的自感系数就是1亨利） （2）国际单位：亨利，简称亨，符号是 H。常用单位：毫亨（m H） 微亨（μH） 1H=103 mH=106 μH （3）决定因素：自感系数由线圈本身的性质决定，与线圈是否通电无关。线圈越大，越粗，匝数越多，自感系数越大。另外，带有铁芯的线圈的自感系数比没有铁芯时大得多。 L 小 L 大 二.自感现象 7．自感现象的“三种状态”“一个特点” (1) 三种状态 ①线圈通电瞬间可把自感线圈看成断路。 ②断电时自感线圈相当于电源。 ③电流稳定后，自感线圈相当于导体电阻，理想线圈的电阻为0，相当于短路。 (2) 一个特点 在发生自感现象时，线圈中电流不发生“突变”。 二.自感现象 约瑟夫·亨利 Henry Joseph 1797-1878 美国著名物理学家，1867年起， 任美国科学院第一任院长; 1829年制成了能提起一吨重铁 块的电磁铁； 1830年发现电磁感应现象， 比法拉第早一年； 1832年发现了电流的自感现象； …… 从来不申请专利 无偿贡献给社会 二.自感现象 01 应用： 在交流电路中、在各种用电设备和无线电技术中有着广泛的应用。如日光灯的镇流器等。 02 防止：在切断自感系数很大、电流很强的电路的瞬间，产生很高的电动势，形成电弧，在这类电路中应采用特制的开关。 （1）安全开关问题 电弧放电，烧坏开关，危及人身安全 （2）精密电阻 磁通量 恒=0 8、自感现象的应用和防止 二.自感现象 由于两根平行导线中的电流方向相反，它们的磁场可以互相抵消，从而可以使自感现象的影响减弱到可以忽略的程度。 双线绕法消除自感现象 二.自感现象 起动器 镇流器 ~ 220 V 内壁涂有荧光粉 L E自 E E自 + E 电能 磁场能 电能 光能 接通电路 断开电路 自感现象应用—日光灯原理 二.自感现象 日光灯的工作原理 自感系数较大的线圈（镇流器）在断开时能产生瞬时高压，启动器充当自动开关 二.自感现象 二.自感现象 变压器、电动机等器材都有很大的线圈，当电路中的开关断开时，会产生很大的自感电动势，使得开关的金属片之间产生电火花，烧蚀接触点，甚至引起人身伤害。 电动机等大功率用电器的开关应该装在金属壳中。最好使用油浸开关，即把开关的接触点浸在绝缘油中，避免出现电火花。 自感现象的应用和防止 油浸开关 二.自感现象 自感现象的利用和防止 L很大 啊！ ? 李 辉 刘 伟 刘伟为什么会有电击的感觉？ 03 磁场的能量 04 课后练习 01 互感现象 02 自感现象 三.磁场的能量 问题：在断电自感的实验中，为什么开关断开后，灯泡的发光会持续一段时间？甚至会比原来更亮？试从能量的角度加以讨论。 开关闭合时线圈中有电流，电流产生磁场，能量储存在磁场中. 开关断开时，线圈作用相当于电源，把磁场中的能量转化成电能。 电源断开以后，线圈中的电流并未立即消失，这时的电流仍然可以功，说明线圈储存了能量。线圈中有电流，有电流就有磁场，能量根可能储存在场中，当开关合时，线圈中的电流从无到有，其中的磁场也是从无到有，这可以看做电源把能量输送给磁场，储存在磁场中。 当然，这里关于磁场能量的讨论还只是一个合理的假设。有关电磁场能量的直接实验验证，要在我们认识了电磁波之后才有可能。 电的“惯性”：自感电动势有阻碍线圈中电流变化的“惯性”。 03 磁场的能量 04 课后练习 01 互感现象 02 自感现象 课后练习 『判一判』 (1)当线圈中电流不变时，线圈中没有自感电动势。 (　　) (2)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。 (　　) (3)当线圈中电流增大时，线圈中自感电动势的方向与线圈中电流方向相反。 (　　) (4)当线圈中电流减小时，线圈中自感电动势的方向与线圈中电流方向相反。 (　　) (5)互感现象是电磁感应的应用。 (　　) (6)线圈的自感系数的大小与线圈中通入电流的大小有关。 (　　) √　 ×　 √　 ×　 √　 ×　 课后练习 【例题1】如图所示，是一种延时开关的原理图，当S1闭合时，电磁铁F将衔铁D吸下，C线路接通；当S1断开时，由于电磁感应作用，D将延迟一段时间才被释放．则(　 　) A．由于A线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用 B．由于B线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用 C．如果断开B线圈的开关S2，无延时作用 D．如果断开B线圈的开关S2，延时将变长 S2闭合，S1断开时，线圈B中有感应电流，产生电磁感应作用 若S2断开，线圈B中不产生感应电流而起不到延时作用 BC 　 课后练习 【例题2】在如图所示的甲、乙电路中，电阻R和灯泡电阻值相等，自感线圈L的电阻值可认为是零．在接通开关S时，则(　 　) A．在电路甲中，A将渐渐变亮 B．在电路甲中，A将先变亮，后渐渐变暗 C．在电路乙中，A将渐渐变亮 D．在电路乙中，A将由亮渐渐变暗，后熄灭 AD 在电路甲中,通过灯泡的电流只能慢慢增加 在电路乙中,通过自感线圈的电流逐渐增加,而通过灯泡的电流逐渐减小,流过线圈的电流最大时，通过灯泡的电流可以认为是零 自感线圈产生自感电动势来阻碍电流的流入 课后练习 【例题3】如图是用于观察自感现象的电路图，设线圈的自感系数较大，线圈的直流电阻RL与灯泡的电阻R满足RL≪R，则在开关S由闭合到断开的瞬间，可以观察到(　　) A．灯泡立即熄灭 B．灯泡逐渐熄灭 C．灯泡有明显的闪亮现象 D．只有在RL≫R时，才会看到灯泡 有明显的闪亮现象 C 若RL≫R，则IL≪IR，这样不会有明显的闪亮 电路稳定时，由于RL≪R，那么IL≫IR S断开的瞬时，在L上产生的自感电动势要阻碍电流的减小，流过线圈的电流IL通过灯泡，由于IL≫IR，因此灯开始有明显的闪亮． 课后练习 【例题4】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．当线圈中电流不变时，线圈中有稳定的自感电动势 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电流的方向相反 AC 电流增大时，电流产生的磁场的磁通量增大，根据楞次定律和右手定则可判断自感电动势的方向与原电流方向相反 电流不变时，则电流产生的磁场的磁通量不变，不能产生自感电动势 课后练习 【例题5】如图所示的电路中，电阻R和自感线圈L的电阻值相等且小于灯泡A的电阻。下列说法正确的是（ ） A．接通S，灯泡A逐渐变亮 B．接通S，灯泡A立即变亮，然后逐渐熄灭 C．断开S，灯泡A将先闪亮一下，然后逐渐熄灭 D．断开S后的瞬间，通过灯A的电流方向跟断开前的电流方向相同 C 课后练习 【例题6】某学生做自感现象实验时，连接电路如图所示，则（　　） A．闭合开关S，L1灯泡立刻变亮，且亮度不变 B．闭合开关S，L2灯泡逐渐变亮，然后亮度不变 C．电路稳定后断开开关S，L1灯泡先闪亮一下后再熄灭 D．电路稳定后断开开关S，L2灯泡先变亮后再逐渐熄灭 D 【例题7】如图所示，灯泡A、B完全相同，若线圈L的电阻为RL，且RL>RA（RA为灯泡A的电阻），则（　　） A．S闭合瞬间，灯A、B同时发光 B．S闭合瞬间，灯A不亮，灯B立即亮 C．稳定后再断开S的瞬间，灯A、B均闪亮一下熄灭 D．稳定后再断开S的瞬间，灯B立即熄灭，灯A闪亮一下熄灭 A 课后练习 【例题8】某同学用如图所示的电路研究断电自感现象。闭合开关S，小灯泡发光；再断开S，小灯泡渐渐熄灭。重复多次，仍未见老师演示断电时出现的小灯泡闪亮现象，你认为最有可能造成小灯泡未闪亮的原因是（　　） A．线圈电阻较大 B．小灯泡电阻较大 C．电源的电动势较小 D．线圈的自感系数较大 A 【例题9】关于自感现象、自感系数、自感电动势，下列说法正确的是（　　） A．当线圈中通恒定电流时，线圈中没有自感现象，线圈自感系数为零 B．线圈中电流变化越快，线圈的自感系数越大 C．自感电动势与原电流方向相反 D．对于确定的线圈，其产生的自感电动势与其电流变化率成正比 D 课后练习 【例题10】电流传感器在电路中相当于电流表，可以用来研究自感现象，在如题图所示的实验电路中，电源电动势为E，内阻是r，L是自感线圈，其自感系数足够大，直流电阻值大于灯泡D的阻值，电流传感器的电阻可以忽略不计，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，在下列表示电流传感器记录的电流随时间变化情况的图象中，可能正确的是（　　） C 课后练习 【例题11】在如图a、b所示电路中，电阻R和自感线圈L的电阻值都很小，且小于灯S的电阻，接通开关K，使电路达到稳定，灯泡S发光，则（　　） A．在电路a中，闭合K时，S将立即变亮发光 B．在电路a中，断开K后，S将先变得更亮，后才变暗 C．在电路b中，闭合K时，S将逐渐变亮发光 D．在电路b中，断开K后，S将先变得更亮，然后渐暗 D 人教版（2019） 高中物理 选择性必修第二册 第二章：电磁感应 授课老师：物理优课PPT Self-induction and mutual induction Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v1.0.1 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $$