2.4 自感-【金版教程】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册创新导学案教用Word（教科版2019）

物理 选择性必修 第二册(教科) 4．自感 1．观察通电自感和断电自感实验现象，了解自感现象，知道自感现象过程中的能量转化。2.知道自感电动势的大小与什么有关，理解自感系数和自感系数的决定因素。3.了解自感现象的应用——日光灯。 一　自感现象 1．互感现象：一个线圈通电或断电的瞬间，另一个与之靠近的线圈中会出现感应电流的现象。 2．自感：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。 3．自感电动势：在自感现象中产生的电动势。 4．通电自感和断电自感 电路 现象 自感电动势的作用 通电自感 闭合开关的瞬间，灯泡D2慢慢地变亮 阻碍电流的增加 断电自感 断开开关的瞬间，灯泡D延迟熄灭 阻碍电流的减小 5.自感现象中的能量转化 闭合开关开始通电的过程中，通过线圈支路的电流激发了磁场，一部分电能转化为磁场能储存在线圈的磁场中。断开开关后，磁场能又转化为电能，通过灯泡释放出来，转化为热和光消耗掉。 二　自感系数 1．自感电动势的大小：EL＝L。式中的比例系数L叫作线圈的自感系数，简称自感或电感，单位是亨利，简称亨，符号是H。常用的单位还有毫亨(mH)和微亨(μH)。 2．线圈的自感系数：由线圈本身决定，跟线圈的形状、直径、匝数，以及是否有铁芯等因素有关。 三　自感现象的应用——日光灯 1．结构：普通的日光灯由灯管、镇流器、启动器、导线和开关组成。 2．灯管：管中气体在导电时能发出紫外线，荧光粉受到紫外线的照射发出可见光，荧光粉的种类不同，发光的颜色也不一样。 3．启动器：也称启辉器，其作用是通断电路。 4．镇流器：日光灯启动时，提供瞬时高压；日光灯启动后，起着降压限流的作用，保证日光灯的正常工作。 5．自感现象的防止 (1)采用特制的安全开关。常见的安全开关是将开关放在绝缘性良好的油中，防止电弧的产生，保证安全。 (2)采用双线绕法。 判一判 (1)自感现象中，感应电流一定与原电流方向相反。(　　) (2)线圈中产生的自感电动势较大时，其自感系数一定较大。(　　) (3)线圈中的电流增大时，线圈中的自感电动势也一定增大。(　　) (4)日光灯的镇流器在日光灯启动时，起提供瞬间高压的作用。(　　) 提示：(1)× (2)×　自感电动势的大小EL＝L，所以自 感电动势大不一定是由自感系数大引起的，有可能是电流的变化率很大引起的。 (3)×　(4)√ 探究　自感现象的理解及应用 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 活动1：我们学习过，一个线圈通电或断电的瞬间，另一个与之靠近的线圈中会出现感应电流，这是互感现象。当一个线圈自身电流发生变化时，请猜想在线圈自身回路中是否也产生感应电动势？ 提示：一个线圈自身电流发生变化时，由此产生的磁场变化也会导致穿过线圈自身的磁通量改变，所以猜想线圈自身回路中产生感应电动势。 活动2：现在我们通过实验检验上述猜想。如图甲电路所示，先闭合开关S，反复调节变阻器R1及R的电阻，使同样规格的两个灯泡D1和D2都正常发光。然后断开开关S。再次闭合开关S，重新接通电路。观察两个灯泡亮度的变化。 提示：在图甲中重新接通电路以后，与电阻R1串联的灯泡D1立即正常发光，而与线圈L串联的灯泡D2明显有个延时过程，即它慢慢地变亮，最后亮度与D1相同。 活动3：如图乙电路所示，把灯泡D和带铁芯的线圈L并联在直流电路中，接通电路。待灯泡D正常发光后，断开电路，观察灯泡D亮度的变化。 提示：灯泡D在短时间内继续发光，延迟熄灭。 活动4：试用电磁感应的知识分析上述实验现象。 提示：在图甲中重新接通电路的短暂过程中，线圈所在支路的电流从零开始增大，根据楞次定律，穿过线圈自身磁通量的变化产生的感应电动势会阻碍电流的增加，所以通过灯泡D2的电流逐渐增加，D2慢慢亮起来。在图乙中电流断开的瞬间，通过线圈中的电流突然减小，穿过线圈的磁通量迅速减小，因而在线圈中产生较大的感应电动势，尽管这时灯泡D与直流电源已经断开，但线圈L和灯泡D仍组成闭合回路，在这个回路中仍有感应电流存在，所以灯泡在短时间内继续发光，延迟熄灭。 1．对自感现象的理解 自感现象是一种电磁感应现象，遵守法拉第电磁感应定律和楞次定律。 2．自感电动势 (1)产生原因：在自感现象中，由于流过线圈的电流发生变化，导致穿过线圈的磁通量发生变化，从而产生自感电动势。 (2)方向 根据楞次定律判断：自感电动势具有这样的方向，它总是阻碍引起自感电动势的电流的变化。 ①当线圈中的电流增大时，自感电动势就阻碍电流的增大，其方向与原电流的方向相反。②当线圈中的电流减小时，自感电动势就阻碍电流的减小，其方向与原电流方向相同。 (3)作用：总是阻碍线圈中原电流的变化，即总是起着推迟电流变化的作用。 3．通电自感和断电自感的比较 通电自感 断电自感 电路图 现象 在S闭合瞬间，灯泡D1立即亮起来，灯泡D2逐渐变亮，最终稳定 在开关S断开瞬间，灯泡D逐渐熄灭，或闪亮一下后再逐渐熄灭 原因 接通电路的短暂过程中，线圈所在支路的电流从零开始增大，根据楞次定律，穿过线圈自身磁通量的变化产生的感应电动势会阻碍电流的增加，所以通过灯泡D2的电流逐渐增加，D2慢慢亮起来 电流断开的瞬间，通过线圈中的电流突然减小，穿过线圈的磁通量迅速减小，因而在线圈中产生较大的感应电动势。尽管这时灯泡D与直流电源已经断开，但线圈L和灯泡D仍组成闭合回路，在这个回路中仍有感应电流存在，所以灯泡在短时间内继续发光，延迟熄灭。若线圈本身电阻比灯泡电阻小，则灯泡闪亮一下，逐渐熄灭 能量转化情况 电能转化为磁场能 磁场能转化为电能 4.自感现象的应用和防止 (1)应用：自感现象在各种电器设备和无线电技术中有广泛的应用。自感线圈是交流电路的重要元件。 (2)防止：消除自感现象常用的方法之一是双线绕法，这样线圈中的磁通量始终为零，因此无电磁感应现象发生。 例1　如图所示的电路中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(　　) A．接通时A1首先达到最亮，断开时A1后灭 B．接通时A2首先达到最亮，断开时A1后灭 C．接通时A1首先达到最亮，断开时A1先灭 D．接通时A2首先达到最亮，断开时A1先灭 开关S接通瞬间，电路是怎样连接的？开关S断开时，又构成怎样的回路？ 提示：开关S接通瞬间，可认为R与A2并联后与A1串联；开关S断开时，可认为L与A1形成闭合回路。 [规范解答]　当开关S接通时，A1和A2同时亮，但由于自感现象的存在，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，而该电流经支路分别通过A2和R，所以A1首先达到最亮，经过一段时间电路稳定后，A1和A2亮度相同；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，由于线圈中产生自感电动势阻碍电流减小，线圈L和A1组成闭合电路，电流逐渐减小，所以A1后灭。A正确。 [答案]　A 　对自感线圈阻碍作用的理解 (1)若电路中的电流改变，自感线圈会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)自感电动势只是延缓了电流的变化，并不能阻止原电流的变化，更不能使原电流反向。 [变式训练1]　如图所示的电路中，L是一个自感系数很大、直流电阻不计的线圈，L1、L2和L3是3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L1、L2的电流方向为正方向，分别用I1、I2表示流过L1和L2的电流，则图中能定性描述电流I随时间t变化关系的是(　　) 答案　C 解析　L的直流电阻不计，可知电路稳定后通过L1的电流是通过L2、L3电流的2倍。闭合开关瞬间，L2立即变亮，由于L的阻碍作用，L1逐渐变亮，即I1逐渐变大，在t1时刻断开开关S，之后电流I会在电路稳定时通过L1的电流大小基础上逐渐变小，I1方向不变，I2反向，故C正确，A、B、D错误。 探究　自感电动势的大小及自感系数 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 前面我们分析了自感电动势的方向，那么自感电动势的大小与电流的变化有什么关系呢？ 活动1：自感电动势也是感应电动势，设线圈的匝数为n，Δt内因电流变化导致穿过线圈的磁通量改变ΔΦ，试写出自感电动势EL的表达式。 提示：根据法拉第电磁感应定律，自感电动势EL＝n。 活动2：实验表明，在自感现象中磁通量的变化率跟线圈中的电流的变化率成正比，则自感电动势的大小与电流的变化率有什么关系？ 提示：磁通量的变化率正比于电流的变化率，由此可知自感电动势正比于电流的变化率，即EL∝。 活动3：如果用L表示上式中的比例系数，写成等式，试分析L的大小可能与什么有关。 提示：利用L将上述关系写成等式，即EL＝L，又因为EL＝n，所以nΦ＝LI，L＝，由此式可知，L与线圈的匝数(n)、直径和形状(S)及是否有铁芯(影响B的大小)等有关。 1．自感电动势的大小：自感电动势EL＝L，L称为自感系数，它与线圈的直径、形状、匝数，以及是否有铁芯等因素有关。 2．自感系数 (1)大小：线圈的长度越长，单位长度上的匝数越多，线圈的横截面积越大，线圈的自感系数就越大，线圈有铁芯时比无铁芯时自感系数大得多。 (2)单位：亨利(符号H)，1 H＝103 mH＝106 μH。 (3)物理意义：表征线圈产生自感电动势本领大小的物理量，数值上等于通过线圈的电流在1 s内改变1 A时产生的自感电动势的大小。 3．自感现象的应用——日光灯 (1)如图a所示，开关S闭合后，电源电压全部加在启动器的两极之间，使氖气放电而发出辉光，辉光产生的热量使动触片(如图b)膨胀变形，与静触片接触，把电路接通。灯管两端的灯丝开始发光，发光的灯丝可以对灯管内气体进行短暂的预热。 (2)启动器内动触片与静触片接触后，辉光放电消失，电流在启动器内产生的热量很少，所以动触片冷却收缩，使两个触片分离，电路自动断开。 (3)镇流器是一个有铁芯的自感系数很大的线圈，在电路断开的瞬间，由于镇流器中的电流急剧减小，会产生很高的自感电动势，这个自感电动势与电源电压加在一起，形成一个瞬时高压，加在灯管两端，使灯管中的气体放电，日光灯被点亮。 (4)日光灯点亮后的工作电压需低于220 V，这时由于电感线圈对交流电有阻碍作用，镇流器又起着降压限流的作用，可以保证日光灯的正常工作。 4．自感现象的危害及防止——安全开关 自感现象也有不利的一面。在切断自感系数很大而电流又很强的电路(如大型电动机的定子绕组)瞬间，会产生很高的自感电动势，使开关的闸刀和固定夹片之间的空气电离而变成导体，形成电弧。这会烧坏开关，甚至危及工作人员的安全。因此，切断这类电路时必须采用特制的安全开关。常见的安全开关是将开关放在绝缘性良好的油中，防止电弧的产生，保证安全。 例2　(多选)用电流传感器研究自感现象的电路如图甲所示，线圈L中未插入铁芯，直流电阻为R。闭合开关S，传感器记录了电路中电流i随时间t变化的关系图像，如图乙所示，t0时刻电路中电流达到稳定值I。下列说法中正确的是(　　) A．t＝t0时刻，线圈中自感电动势最大 B．t＝0时刻，线圈中自感电动势最大 C．若将铁芯插入线圈，上述过程中电路中电流达到稳定值经历的时间小于t0 D．若将铁芯插入线圈，上述过程中电路中电流达到稳定值经历的时间大于t0 (1)自感电动势大小的公式是什么？ 提示：E＝L。 (2)本题自感电动势与电流的方向有什么关系？ 提示：相反。 [规范解答]　根据E＝L，i­t图像斜率越大，线圈中自感电动势越大，则t＝0时刻，线圈中自感电动势最大，故A错误，B正确；若将铁芯插入线圈，线圈自感系数增大，根据E＝L，相同情况下自感电动势增大，电流增大减缓，而电路中电流的稳定值I大小不变，所以上述过程中电路中电流达到稳定值经历的时间大于t0，故C错误，故D正确。 [答案]　BD 　自感线圈在电路中的等效处理 (1)电流稳定时，线圈不产生自感电动势，相当于定值电阻。 (2)通电、断电过程中，线圈产生自感电动势，相当于电源，根据EL＝L，此电源的电动势随电流变化率的变化而不断变化，此电动势与原来电路的电动势共同决定电路的电流。 特别提醒：根据EL＝L，自感电动势可能大于原来电路中的电动势。 [变式训练2]　(多选)如图为日光灯电路，关于该电路，以下说法中正确的是(　　) A．启动过程中，启辉器内两触片断开瞬间镇流器L产生瞬时高压 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．日光灯正常发光后启辉器内是导通的 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　镇流器是一个有铁芯的自感系数很大的线圈，启动过程中，启辉器内两触片断开瞬间，由于自感，镇流器L会产生很高的自感电动势，这个自感电动势与电源电压加在一起，形成一个瞬时高压，A正确；在正常工作时，日光灯的工作电压低于电源电压，由于电感线圈对交流电有阻碍作用，镇流器起着降压限流的作用，B正确；日光灯正常发光后，灯管及启辉器两端电压低于电源电压，无法使氖气放电发出辉光，而电流在启辉器内产生的热量很少，所以启辉器内部双金属片较冷，两个触片分离，启辉器内电路断开，C错误；若电源用直流电源，流过镇流器的电流不变，镇流器L不产生自感电动势，灯管两端电压与启动时相同，无法使灯管中的气体放电，日光灯不能正常工作，D错误。 1.(自感现象的分析)如图所示，L为自感系数足够大的线圈，电路稳定时小灯泡可正常发光，以下说法正确的是(　　) A．闭合开关S，小灯泡立即变亮 B．断开开关S，小灯泡立即熄灭 C．断开开关S，小灯泡缓慢熄灭 D．断开开关S，小灯泡闪亮一下再慢慢熄灭 答案　B 解析　闭合开关S，线圈中电流要增大，会产生自感电动势，阻碍电流的增大，所以小灯泡慢慢变亮，直到正常发光，A错误；当断开开关S的瞬间，线圈产生自感电动势，但是线圈与小灯泡在开关断开后，不能形成回路，则没有自感电流，小灯泡立即熄灭，B正确，C、D错误。 2.(自感现象的分析)如图所示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 答案　C 解析　开关S闭合后稳定时，由于线圈的直流电阻RL与灯泡的电阻R满足RL≪R，则线圈中的电流IL≫I，当开关断开后灯泡中原电流立即消失，而线圈由于自感作用阻碍其自身电流的减小，故线圈与灯泡组成回路，其电流由IL逐渐减小，灯泡中由原来较小的电流I变为较大的电流IL时要明显闪亮一下，然后再逐渐熄灭，C正确，A、B错误；由分析知只要IL＞I，即RL＜R，灯泡就会出现闪亮的现象，若RL≪R就会有明显闪亮现象，若RL≫R，灯泡不会有闪亮现象，D错误。 3.(自感的防止)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相互抵消 C．当电路中的电流变化时，两股导线中产生的磁通量相互抵消 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　能否产生感应电动势，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，两股导线中产生的穿过回路的磁通量相互抵消，无论通过的电流变化与否，磁通量均不变，所以不产生感应电动势和感应电流。故选C。 4．(自感系数)(多选)关于导电线圈的自感系数，下列说法中正确的是(　　) A．线圈中的自感电动势越大，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．把线圈面积增加一些，自感系数变大 答案　CD 解析　导电线圈的自感系数与线圈的形状、大小、匝数、是否有铁芯有关，与线圈中的感应电动势或电流无关，故线圈插入铁芯后，自感系数会明显增大，把线圈面积增加一些，自感系数变大。故C、D正确，A、B错误。 5.(自感电动势的方向、大小与自感系数)(多选)自感系数为2 mH的线圈中，通以如图所示随时间变化的电流，则(　　) A．0～2 s时间内与5～6 s时间内线圈中的自感电动势方向相同 B．5～6 s时间内线圈中的自感电动势大小为0.01 V C．0～2 s时间内线圈中的自感电动势最大 D．要使线圈的自感系数增大，可以增加线圈的匝数 答案　BD 解析　0～6 s时间内电流方向不变，根据楞次定律可知，0～2 s时间内线圈中的自感电动势方向与电流方向相反，5～6 s时间内线圈中的自感电动势方向与电流方向相同，则0～2 s时间内与5～6 s时间内线圈中的自感电动势方向相反，A错误；根据E＝L，代入数据，可得5～6 s时间内线圈中的自感电动势大小为0.01 V，B正确；根据题图可知，5～6 s时间内线圈中电流变化率最大，线圈中的自感电动势最大，C错误；根据影响自感系数的因素可知，要使线圈的自感系数增大，可以增加线圈的匝数，D正确。 6．(日光灯原理)(多选)关于镇流器的作用，下列说法中正确的是(　　) A．点亮日光灯时，产生瞬时高压 B．启动器两触片接通时，产生瞬时高压 C．日光灯正常发光后起限流降压的作用 D．把日光灯两端电压稳定在220 V 答案　AC 解析　日光灯在启动时，当启动器的动、静触片断开时，通过镇流器的电流发生变化，从而产生很高的自感电动势，方向与电源的电压方向相同，两个电压加在一起，形成一个瞬时高压加在灯管两端，灯管内的惰性气体在高压下电离，形成气体导电电流，从而点亮日光灯，故A正确，B错误；日光灯开始发光后，由于交变电流通过镇流器的线圈，线圈中就会产生自感电动势，它总是阻碍电流变化，这时镇流器起着降压限流的作用，保证日光灯正常工作，则日光灯两端电压低于220 V，故C正确，D错误。 7．(自感现象的分析)如图甲所示是某同学研究自感现象的实验电路图，并用电流传感器显示出断开开关前后一段时间内各时刻通过线圈L的电流(如图乙所示)。已知电源电动势E＝9 V，内阻不计，灯泡A的阻值为10 Ω，电阻R的阻值为2 Ω。 (1)线圈的直流电阻为________ Ω。 (2)断开开关前，通过灯泡的电流大小为________；断开开关后，通过灯泡的电流的最大值为________；开关断开前后比较，通过灯泡的电流的方向________(填“相同”或“相反”)。 (3)开关断开时，该同学观察到的现象为：______________________。 答案　(1)4　(2)0.9 A　1.5 A　相反 (3)灯泡闪亮，然后逐渐熄灭 解析　(1)由图乙可知，断开开关前，通过线圈L的电流为I＝1.5 A，根据闭合电路欧姆定律可得I＝，代入数据，解得RL＝4 Ω。 (2)断开开关前，通过灯泡的电流大小为I1＝＝0.9 A；断开开关后，线圈L、电阻R与灯泡形成回路，通过灯泡的电流的最大值为线圈中原来的电流，即1.5 A；开关断开时，由于线圈L产生自感电动势，自感电动势方向与线圈L中原来的电流方向相同，则与开关断开前比较，通过灯泡的电流的方向相反。 (3)开关断开时，由于线圈的自感，且线圈中原来的电流大于灯泡原来的电流，故通过灯泡的电流先变大后逐渐减小为零，因此该同学观察到的现象为灯泡闪亮，然后逐渐熄灭。 8．(自感现象的理解与分析)在生产实际中，有些高压直流电路中含有自感系数很大的线圈，当电路中的开关S由闭合到断开时，线圈会产生很高的自感电动势，使开关S处产生电弧，危及操作人员的人身安全。为了避免电弧的产生，可在线圈处并联一个元件，在如图所示的方案中可行的是(　　) 答案　B 解析　当并联电容器时，断开开关仍不能避免开关S处产生电弧，故A错误；C项中的导线将线圈短路，电路不能正常工作，C错误；当并联二极管时，由于二极管有单向导电性，B项中闭合开关时，二极管截止，线圈正常工作，开关断开时，线圈产生自感电动势阻碍电流减小，二极管相当于导线，电流通过二极管，S处不会由于自感电动势产生电弧，B正确；D项中的二极管在S闭合时将L短路，电路无法正常工作，故D错误。 9．(自感现象的分析)(多选)如图甲所示电路中，电流表、线圈L的电阻不计，首先闭合开关，电路处于稳定状态后，在某一时刻突然断开开关S，整个过程通过电阻R1中的电流I随时间变化的图线如图乙所示，则下列说法正确的是(　　) A．R1＝R2 B．断开开关后，电流从左向右流过R1 C．断开开关后，a点电势低于b点 D．从断开开关到电流I减小到0的过程中，自感线圈的自感电动势变小 答案　ABD 解析　图甲中，闭合开关，电路处于稳定状态时，电阻R1与R2并联，通过两电阻的电流分别为I1＝，I2＝，方向均为从右到左。某一时刻突然断开开关S，此时，上方含R1的支路与下方含线圈的支路构成新的回路，R1中电流I1突变为0，而线圈中的电流由于自感作用，会保持原来的方向继续流动，并从I2缓慢减小到零，线圈相当于新的电源，在电源内部电流由低电势流向高电势，在电源外部电流从高电势流向低电势，故a点电势高于b点，有电流从左向右流过R1，且R1中电流与线圈中电流大小相等，结合图乙可知，I1＝I2，则R1＝R2，A、B正确，C错误。根据图乙可知，从断开开关到电流I减小到0的过程中，I­t图像斜率的绝对值逐渐减小，即电流的变化率逐渐减小，根据E＝L可知，自感线圈的自感电动势变小，故D正确。 1 学科网（北京）股份有限公司 $$