第2章 4 互感和自感 （课件）-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修 第二册（人教版2019，苏京）

DIERZHANG 第二章 4　互感和自感 学习目标 1.了解互感现象及其应用(重点)。 2.了解自感现象，能够通过电磁感应的规律分析通电、 断电自感现象的成因(重难点)。 3.了解自感电动势的表达式，知道自感系数的决定因 素，了解自感现象中的能量转化(重难点)。 2 内容索引 一、互感现象 二、自感现象 课时对点练 三、自感系数和磁场的能量 3 一 互感现象 4 1.互感和互感电动势：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　　　　　　会在另一个线圈中产生　　　　　　，这种现象叫作互感，这种感应电动势叫作　　　　　　。 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___ 　　　就是利用互感现象制成的。 3.危害：互感现象不仅可以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　　　　　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，要设法减小互感。 变化的磁场 感应电动势 互感电动势 变 压器 相互靠近 　目前手机的无线充电技术(图甲)已经成熟，其工作过程可简化为图乙所示，A、B两个线圈彼此靠近平行放置，当线圈A接通工作电源时，线圈B中会产生感应电动势，并对与其相连的手机电池充电。下列说法正确的是 A.只要线圈A中输入电流，线圈B中就会 　产生感应电动势 B.若线圈A中输入变化的电流，线圈B中产生的感应电动势也会发生变化 C.线圈A中输入的电流越大，线圈B中感应电动势越大 D.线圈A中输入的电流变化越快，线圈B中感应电动势越大 例1 √ 根据感应电流产生的条件，若在线圈A 中输入恒定电流，则线圈A只产生恒定 的磁场，线圈B中的磁通量不发生变化， 则线圈B中不会产生感应电动势，故A错误； 若线圈A中输入随时间均匀变化的电流，则会使线圈A产生随时间均匀变化的磁场，根据法拉第电磁感应定律E＝　　知线圈B中会产生恒定不变的感应电动势，故B错误； 若线圈A中电流恒定不变，无论多大， 产生的磁场是恒定的，则线圈B中没有 磁通量变化，则不会产生感应电动势， 故C错误； 线圈A中电流变化越快，则线圈A中电流产生的磁场变化越快，根据法拉第电磁感应定律E＝　　，线圈B中感应电动势也会越大，故D正确。 二 自感现象 9 1.按照如图所示电路图连接电路。 (1)开关S闭合时，灯泡1和2的发光情况有什么不同？ 答案　灯泡2立即发光，而灯泡1是逐渐亮起来的。 (2)根据楞次定律结合电路图分析该现象产生的原因。 答案　接通电源的瞬间，电流增加，线圈L中产生感应电动势。根据楞次定律，感应电动势会阻碍电流的增加，所以灯泡1慢慢地亮起来。 2.按照如图所示电路图连接电路。 (1)若灯泡的电阻小于线圈L的直流电阻，先闭合开关使 灯泡发光，稳定后断开开关。观察开关断开时灯泡的亮 度变化，并解释原因。若灯泡电阻大于线圈L的直流电阻，灯泡的亮度如何变化？ 答案　灯泡逐渐熄灭。开关断开时，通过线圈L的电流减小，这时会出现感应电动势阻碍线圈L中的电流减小，线圈中产生与原方向相同的电流，与灯泡构成闭合回路，所以灯泡逐渐熄灭。若灯泡电阻大于线圈L的直流电阻，则灯泡先闪亮一下再逐渐熄灭。 (2)开关断开前后，流过灯泡的电流方向相同吗？ 答案　开关闭合时，灯泡中的电流方向向左，开关断开瞬间，灯泡中的电流方向向右，所以开关断开前后，流过灯泡的电流方向相反。 1.当一个线圈中的电流　　　时，它所产生的　　　的磁场在线圈_____ 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　　　　　　。 2.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时间变长，即总是起着推迟电流变化的作用。 梳理与总结 变化 变化 本身 自感电动势 3.对电感线圈阻碍作用的理解 (1)若电路中的电流正在改变，电感线圈会产生自感电动势阻碍电路中电流的变化，使通过电感线圈的电流不能突变。 (2)若电路中的电流是稳定的，电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。 (3)线圈通电和断电时线圈中电流的变化规律如图。 　如图所示，电路中电源的内阻不能忽略，A、B为两个完全相同的灯泡，当S闭合时，下列说法正确的是(线圈L的直流电阻较小) A.A比B先亮，然后A逐渐熄灭 B.B比A先亮，然后B逐渐变暗 C.A、B一起亮，然后A逐渐熄灭 D.A、B一起亮，然后B逐渐熄灭 例2 S闭合时，线圈上产生自感电动势，阻碍电流的增大，所以B灯比A灯先亮，电路稳定后线圈L的直流电阻较小，故流过B灯支路的电流变小，所以B灯逐渐变暗，故B正确。 √ 　(2023·宿迁市高二期末)如图所示，两个灯泡A1和A2的规格相同，A1与线圈L串联后接到电路中，A2与滑动变阻器R串联后接到电路中，先闭合开关S，调节R，使两个灯泡的亮度相同，再调节R1，使它们正常发光，下列说法正确的是 A.断开开关S后，A1、A2立即熄灭 B.断开开关S后，A1逐渐熄灭，A2立即熄灭 C.断开开关S后，A2闪亮一下再熄灭 D.断开开关S后，A1、A2都逐渐变暗，且同时熄灭 例3 √ 一段时间电路稳定后，断开开关S，灯泡A1、A2与线圈L、滑动变阻器R构成回路，L相当于电源，因原来两支路电流相等，所以不会出现A2闪亮一下再熄灭的现象，A1、A2都会逐渐变暗，且同时熄灭，故D正确。 自感中“闪亮”与“不闪亮”问题 总结提升   与线圈串联的灯泡 与线圈并联的灯泡 电路图     总结提升 通电时 电流逐渐增大，灯泡逐渐变亮 电流突然增大，灯泡立即变亮，然后电流逐渐减小达到稳定 断电时 电流逐渐减小，灯泡逐渐变暗，灯泡中电流方向不变 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 　在如图所示的电路中，开关S闭合且稳定后流过自感线圈的电流是2 A，流过灯泡D的电流是1 A，现将开关S突然断开，能正确反映流过灯泡的电流i在开关S断开前后随时间t变化关系的图像是 例4 √ 开关S断开前，通过灯泡D的电流是稳定的，其值为1 A。 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自感电流，使线圈中的电流 从2 A逐渐减小，方向不变，且与灯泡D构成闭合回路，通过灯泡D的电流和线圈L中的电流大小相同，也是从2 A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，故D对。 自感现象中I－t图像的处理技巧 总结提升 三 自感系数和磁场的能量 23 1.自感电动势 (1)表达式：E＝ 。 (2)理解：①表达式中 为电流的变化率，电流变化越快，电流变化率越大，自感电动势也越　　。 ②表达式中L为线圈的　　　　　。 大 自感系数 2.自感系数 3.磁场的能量 (1)线圈中电流从无到有时，磁场也是从无到有，　　　把能量输送给磁场，储存在磁场中。 (2)线圈中电流减小时，　　　中的能量释放出来转化为电能。 电源 磁场 　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 例5 √ 当线圈中通恒定电流时，线圈中没有自感现象，不产生自感电动势，但是线圈自感系数不为零，选项A错误； 线圈中电流变化越快，产生的自感电动势越大，线圈的自感系数与电流变化快慢无关，选项B错误； 根据楞次定律，当线圈中电流增大时，自感电动势阻碍电流增大，自感电动势方向与原电流方向相反；当线圈中电流减小时，自感电动势阻碍电流减小，自感电动势方向与原电流方向相同，选项C错误； 对于确定的线圈，自感系数L一定，其产生的自感电动势与其电流变化率 成正比，选项D正确。 四 课时对点练 考点一　互感现象 1.(2022·南京市高二期末)在中学生科技展上，某同学呈现了如图所示的自制实验装置：两个线圈A、B之间没有导线相连，其中线圈A与手机的音频输出端相连，线圈B与音响输入端相连，把线圈A插入线圈B时，音响响起了手机上播放的歌曲。下列说法错误的是 A.该装置的工作原理是互感 B.线圈A中的电流是恒定电流 C.将线圈A、B互换，音响播放效果会变化 D.线圈A中插入铁芯，音响播放效果会更好 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 基础对点练 √ 该装置的工作原理是互感，故A正确； 线圈A中的电流是变化的电流，变化的电流激发了 变化的磁场，变化的磁场在线圈B中激发了电流， 故B错误； 将线圈A、B互换，会改变磁通量，从而改变音响播放效果，故C正确； 线圈A中插入铁芯，能增强磁感应强度，音响播放效果会更好，故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 2.(2022·徐州市高二期中)无线充电是近几年发展起来的新技术。如图所示是手机无线充电的原理图。关于无线充电，下列说法正确的是 A.手机外壳用金属材料制作可以减少能量损耗 B.只要有无线充电底座，所有手机都可以进行 　无线充电 C.无线充电时手机受电线圈部分的工作原理是 　“电流的磁效应” D.受电线圈中交流电的频率与送电线圈中交流电的频率相同 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 若手机外壳用金属材料，则交变磁场在外壳中 会引起涡流，从而增加能量损耗，故A错误； 要实现无线充电，不仅要有无线充电底座， 还需要手机中安装有受电线圈等配件，故B错误； 无线充电时手机受电线圈部分的工作原理是“电磁感应”，故C错误； 受电线圈中磁通量变化的频率与送电线圈中磁通量变化的频率相同，所以受电线圈中交流电的频率与送电线圈中交流电的频率相同，故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 考点二　自感现象 3.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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 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，故C正确。 4.如图所示，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，电阻R2的阻值约等于R1的三倍，则 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“慢慢”亮起来，最终LB更亮 　一些 C.电路接通稳定后，断开开关S时，LA“慢慢”熄灭，LB闪亮后才“慢 　慢”熄灭 D.电路接通稳定后，断开开关S时，LA“慢慢”熄灭，LB“慢慢”熄灭， 　并没有闪亮一下 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 闭合开关S时，由于电感线圈的自感作用，导致灯泡LA将“慢慢”亮起来，而灯泡LB立即亮起来，电路稳定后，由于灯泡LA支路的电阻小一些，则该支路 的电流大一些，即稳定后，最终LA更亮一些，A、B错误； 电路接通稳定后，断开开关S时，由于电感线圈的自感作用，导致灯泡LA中的电流不能立即减为0，该电流将在新的回路中逐渐减为0，即LA“慢慢”熄灭，由于断开开关前稳定时通过灯泡LA的电流大于通过灯泡LB的电流，则LB闪亮后才“慢慢”熄灭，C正确，D错误。 考点三　自感系数和磁场的能量 5.关于线圈的自感系数，下列说法正确的是 A.线圈的自感系数越大，自感电动势一定越大 B.线圈中的电流变化越快，自感系数越小 C.线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁芯决定 D.线圈中的电流等于零时，自感系数也等于零 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 磁通量有变化才有感应电动势，故A错误； 线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁芯决定，与电流无关，故B、D错误，C正确。 6.(2023·苏州市高二期中)某同学采用如图所示的电路测量变压器原线圈的电阻，为了保证电路中各元件安全，实验结束时，首先应断开 A.导线A B.导线B C.开关C D.导线D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 为防止变压器原线圈因发生自感现象损坏电压表，实验结束时应先把电压表从电路中断开，故应先断开导线A。 7.(2023·淮安市涟水县第一中学高二月考)老师在物理课堂内做了“千人震”趣味小实验，如图所示，用了一个从日光灯上拆下来的镇流器、两节1.5 V的干电池、开关以及导线若干，几位同学手牵手连到电路的C、D两端，会产生“触电”的感觉，则以下说法正确的是 A.“触电”是发生在开关K断开的瞬间 B.“触电”是由感应起电引起的 C.“触电”时通过人体的电流方向是A→C→D→B D.干电池的3 V电压让人感到“触电” 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 能力综合练 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 开关K断开的瞬间，通过镇流器的电流减小，使其发 生自感，产生自感电动势，阻碍电流的减小，从而产 生很高的瞬间电压，同学会产生“触电”的感觉。此 时镇流器相当于电源，电流方向不变，通过人体的电流方向是A→B→D→C，故A正确，B、C错误； 开关闭合后，镇流器与同学并联，由于干电池的3 V电压很小，电流很小，所以同学不会感到“触电”，故D错误。 8.(2023·南京师范大学附属扬子中学高二期末)为了研究 自感现象，设计了如图实验电路。灯泡L1、L2的规格相 同，线圈L的直流电阻不计，滑动变阻器的滑片在中点 位置。电路稳定时，开关断开前后，灯泡L2中的电流随 时间的变化是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 电路稳定时，含灯泡的两支路电压相同，由于灯泡 L1所在支路总电阻较小，电流较大，电流方向均向 右，当开关S断开时，线圈L产生自感电动势，电流 方向与原来相同，故流过灯泡L2的电流方向向左，与 原电流方向相反，且该电流大于原来流过L2的电流，对比可知，D选项符合题意。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 9.(2023·南通市高二期末)如图所示，两个完全相同的灯泡L1、L2的电阻值与R相等，线圈的自感系数很大，且直流电阻值忽略不计。闭合开关瞬间L1、L2均发光，待电路稳定后再断开开关，则 A.闭合开关瞬间，L1、L2的亮度相同 B.闭合开关后，L1、L2都逐渐变暗 C.断开开关瞬间，R中电流方向与断开前相同 D.断开开关后，L1由不亮突然闪亮后熄灭 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 闭合开关时，流过L1的电流大于流过L2的电流，L1、 L2亮度不同，由于线圈的自感作用，线圈L中的电流 由零逐渐增大，所以与L并联的灯泡L1上的电流由大 逐渐减小，所以L1逐渐变暗；电路稳定后L1被短路，因此与L串联的灯泡L2电流逐渐增大，L2逐渐变亮，选项A、B错误； 断开开关瞬间，L2立即熄灭，流过R的电流立即变为零，而由于线圈的自感作用，线圈电流不能突变，因此与线圈构成回路的L1由不亮突然闪亮后熄灭，选项C错误，D正确。 10.如图所示的电路中，电源的电动势为E，内阻为r， 线圈L的直流电阻不计，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，下列表示灯泡D的电流i随时间变化的图像中，正确的是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 开关闭合时，线圈由于自感对电流的阻碍作用，通过 线圈所在支路的电流逐渐增大，故灯泡D的电流i逐渐 减小；开关断开时，线圈的感应电流与原电流方向相 同，形成回路，灯泡的电流与原电流方向相反，并逐渐减小到0，又由于电阻R的阻值大于灯泡D的阻值，当开关闭合时，线圈所在支路的电流小于流过灯泡D的电流，故当开关断开瞬间，线圈产生的感应电流也小于原来流过灯泡D的电流，故选D。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 11.(2023·南京市第一中学高二期中)如图所示，L是直流电阻不计的带铁芯线圈，D为理想二极管，R为电阻，L1、L2和L3是三个完全相同的小灯泡。下列说法正确的是 A.闭合S瞬间，三个灯立即亮 B.闭合S瞬间，L1灯比L2灯先亮 C.断开S瞬间，L2灯闪亮后慢慢熄灭 D.断开S瞬间，L1灯闪亮后慢慢熄灭 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 S闭合瞬间，L1、L2两灯泡立即亮，由于线圈的自 感作用从而使L3灯泡慢慢变亮，故A、B错误； 断开开关瞬间，线圈产生自感电动势，于是线圈、 L3与L1、定值电阻R形成一个闭合电路，由于稳定 时L3比L1亮(L3所在的支路的总电阻比L1所在支路的总电阻小)，所以L1灯将闪亮一下再慢慢熄灭，而二极管具有单向导通性能，所以L2灯立即熄灭，故C错误，D正确。  n  n L $$