第2章 4 自感 （课件）-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第二册（教科版2019）

DIERZHANG 第二章 4　自感 学习目标 1.观察通电自感和断电自感实验，了解自感现象(重点)。 2.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。 4.了解自感现象中的能量转化(重难点)。 2 内容索引 一、自感现象 二、自感系数 课时对点练 三、自感现象的应用——日光灯 3 一 自感现象 4 1.按照如图所示电路图连接电路。 (1)开关S接通时，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。 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。 (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　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。 (2)开关断开前后，流过灯泡的电流方向相同吗？ 1.由于导体线圈 的电流发生变化而引起的 现象，叫作自感。在自感现象中产生的电动势叫作 。 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 本身 电磁感应 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。 4.在上述实验闭合开关开始通电的过程中，通过线圈支路的电流激发了 ，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， 又转化为 ，通过灯泡释放出来，转化为热和光消耗掉。 磁场 磁场能 电能 (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。 (2022·四川省内江市高二月考)在学习自感现象时，老师根据图甲和图乙进行演示实验。其中，L1和L2是自感线圈(L1和L2的直流电阻忽略不计)。现利用图甲、乙进行演示：在图甲中，当闭合开关S1直至电路稳定，灯泡A1的发光情况为_______________________。在电路稳定后突然断开开关S1，灯泡A1_____(选填“会”或“不会”)闪亮；在图乙中电路稳定时灯泡A2中的电流为I0，开关S2由闭合突然断开的瞬间，流过灯泡A3的最大电流I___(选填“>”“<”或“＝”)I0。 例1 立即点亮，随后慢慢熄灭 会 ＝ 在题图甲中，当闭合开关S1，A1立即点 亮，随着流过L1的电流逐渐增大，线圈 L1的阻碍作用减弱，灯泡A1逐渐变暗， 当电路稳定时，A1被短路而熄灭；在电路稳定后突然断开开关S1，线圈L1产生感应电流，与A1组成闭合回路，灯泡A1会闪亮； 题图乙中，将开关S2由闭合突然断开的瞬间，线圈L2产生阻碍原电流减小的感应电流，流过灯泡A3中的最大电流I等于I0。 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 针对训练1 √ S闭合时，线圈上产生自感电动势，阻碍电流的增大，所以B比A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。 (多选)(2023·四川省雅安市石棉县中学高二上期末)在如图所示的电路中，A1和A2是两个完全相同的灯泡，线圈L的自感系数足够大，直流电阻可以忽略不计，合上开关S，下列说法中正确的是 A.A1先亮，A2后亮，最后一样亮 B.稳定后断开开关S，A1和A2都要过一会儿才熄灭 C.稳定后断开开关S，A2闪亮一下再熄灭 D.稳定后断开开关S，流过A2的电流方向向左 例2 √ √ 合上开关S，A2立即发光，由于线圈L的自感作用，通过A1的电流只能逐渐增大，使A1逐渐亮起来，所以A2比A1先亮。由于线圈直流电阻忽略不计， 当电流稳定时，线圈不产生感应电动势，两灯电流相等，亮度相同，故A错误； 稳定后开关S断开瞬间，由于线圈的自感作用，线圈中的电流逐渐减小，线圈L、A2与A1构成闭合回路，两灯都过一会儿再熄灭，由于两灯泡完全相同，线圈的电阻不计，则A2不会出现闪亮一下，且流过A2的电流方向向左，故B、D正确，C错误。 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     通电时 电流逐渐增大，灯泡逐渐变亮 电流突然增大，灯泡立刻变亮，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，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3 √ 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，也应该是从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 二 自感系数 21 1.自感电动势 (1)表达式：E＝______。 (2)理解：①公式中 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公式中L为线圈的 。 大 自感系数 2.自感系数 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4 √ 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。 三 自感现象的应用——日光灯 26 1.日光灯的结构 普通的日光灯由灯管、镇流器、启动器、导线和开关组成。 (1)启动器：也称启辉器，是一个充有氖气的小玻璃泡， 里面有两个电极，一个是固定不动的静触片，一个是 用两种不同的金属薄片铆合而成的U形动触片。 (2)镇流器：是一个有铁芯的自感系数很大的线圈，其 作用是在日光灯启动时在灯管两端形成一个瞬时高压， 正常工作时又起着降压限流的作用。 2.日光灯的工作原理 (1)开关闭合后，启动器动触片与静触片接触，使灯丝和镇流器线圈中有电流流过，使灯丝预热。 (2)电路接通后，启动器中的氖气停止放电，U形片冷却收缩，使两个触片分离，电路自动断开。 (3)在电路突然断开的瞬间，由于镇流器中的电流急剧减小，会产生很高的自感电动势，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，使灯管中的气体开始放电，于是日光灯被点亮。 (4)日光灯点亮后，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，它总是阻碍电流的变化，这时镇流器起着降压限流的作用，保证日光灯正常工作。 (2023·四川省成都外国语学校月考)在如图所示 的日光灯工作原理电路图中： 例5 (1)开关闭合前，启动器的静触片和动触片是 ________(填“接通的”或“断开的”)； 断开的 开关闭合前，启动器处于未工作状态，静触片和动触片是断开的。 (2)日光灯正常发光时，启动器的静触片和动触片______(填“接通”或“断开”)，镇流器起着__________作用，保证日光灯正常工作。 断开 限流降压 日光灯灯管中的气体一旦击穿而使灯管发光后，镇流器中的自感电动势很快降低，此时开关、镇流器、灯管组成闭合回路，又由于回路中为交流电，镇流器中会产生自感电动势阻碍电流的变化，从而使灯管两端的电压降低，启动器中的氖灯不 发光，所以正常工作时启动器中的静触片与动触片是断开的，镇流器起着降压限流的作用。 如图所示，是日光灯的电路图，主要由灯管、 镇流器、启动器组成。关于日光灯的原理，下列说 法正确的是 针对训练2 A.闭合开关S点亮日光灯灯管过程中，启动器的双金 属片始终是闭合的 B.闭合开关S点亮日光灯灯管过程中，镇流器相当于电阻 C.将镇流器换为定值电阻，闭合开关S仍能正常点亮日光灯灯管 D.将启动器更换为开关S1，先闭合开关S和S1，再断开S1，仍有可能点亮 日光灯灯管 √ 当开关接通220伏的电压立即使启动器中的氖气放电而发出辉光，辉光产生热量使动触片受热膨胀，两极接触；电流通过镇流器、启动器触极和两端灯丝构成通路。灯丝很快被电流加热，发射出大量电子，双金属片自动复位，两极断开，故A错误； 在两极断开的瞬间，电路电流突然切断，镇流器 产生很大的自感电动势，与电源电压叠加后作用 于灯管两端。灯丝受热时发射出来的大量电子， 在灯管两端高电压作用下，以极大的速度由低电 势端向高电势端运动，在加速运动的过程中，碰撞管内惰性气体分子，使之迅速电离。在紫外线的激发下，管壁内的荧光粉发出近乎白色的可见光；则镇流器相当于自感电源，提供高压，故B错误； 将镇流器换为定值电阻，闭合开关S不能提供高压使灯管中的气体放电，则不能正常点亮日光灯灯管，故C错误； 将启动器更换为开关S1，先闭合开关S和S1，再断开S1，相当于启动器的作用，也能提供断电时的自感电动势获得高压，则仍有可能点亮日光灯灯管，故D正确。 四 课时对点练 考点一　自感现象 1.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 基础对点练 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。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 2.(2022·四川省成都市石室天府中学高二开学考试)在如图所示的电路中，L为电阻很小的线圈，G1和G2为零刻度在表盘中央的两相同的电流表。当开关S闭合时，电流表G1、G2的指针都偏向右方，那么当断开开关S时，将出现的现象是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 A.G1和G2指针都立即回到零点 B.G1指针立即回到零点，而G2指针缓慢地回到零点 C.G1指针缓慢地回到零点，而G2指针先立即偏向左方，然后缓慢地回到 零点 D.G2指针缓慢地回到零点，而G1指针先立即偏向左方，然后缓慢地回到 零点 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 当开关闭合时，两表指针均向右方偏，说明电流 表指针向电流流进的方向偏。当开关断开时，通 过线圈的电流变小，导致线圈中产生瞬间感应电 动势，相当于一个瞬间电源，线圈左端是电源正极，产生自感电流的方向与原电流的方向相同，从而阻碍电流的变小，所以使得G2的指针缓慢地回到零点，而通过G1的电流变为由左侧流进，G1指针先立即偏向左方，然后缓慢地回到零点，故选D。 3.(2023·四川天府新区太平中学高二月考)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，三个灯泡立即亮 B.闭合S瞬间，L1灯泡比L2灯泡先亮 C.断开S瞬间，L2灯泡闪亮后慢慢熄灭 D.断开S瞬间，L1灯泡闪亮后慢慢熄灭 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 闭合S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S瞬间，线圈产生自感电动势，于是线圈、L3与L1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所在的支路的总电阻小)， 所以L1灯泡将闪亮一下再慢慢熄灭，而二极管具有单向导电性能，所以L2灯泡立即熄灭，故C错误，D正确。 考点二　自感系数 4.(2022·甘肃卓尼县柳林中学高二期中)关于线圈的自感系数，下面说法正确的是 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，自感系数越大 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 √ 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。 考点三　自感现象的应用——日光灯 5.(多选)(2023·福建省永春第三中学高二期中)如图所示是日光灯的电路图，日光灯主要由灯管、镇流器、启动器组成关于日光灯的原理，下列说法正确的是 A.日光灯启动瞬间，利用了镇流器中线圈的自感现象 B.日光灯正常发光时，镇流器起着降压限流的作用 C.日光灯正常发光后取下启动器，日光灯不能正常工作 D.日光灯正常发光后取下启动器，日光灯仍能正常工作 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 镇流器在启动时，利用线圈的自感现象产生瞬时高压，A正确； 镇流器在日光灯正常工作时起降压限流作用，使电流稳定在灯管的额定电流范围内，B正确； 日光灯正常工作时，灯管两端电压稳定在额定工作电压范围内，由于这个电压低于启动器的电离电压，所以并联在两端的启动器也就不再起作用了，故日光灯正常发光后取下启动器，日光灯仍能正常工作，C错误，D正确。 6.如图甲所示是日光灯的电路图，它主要由灯管、镇流器和启动器组成，镇流器是一个带铁芯的线圈，启动器的构造如图乙所示，为了便于启动，常在启动器的两极并上一纸质电容器C，某班教室的一盏日光灯总是灯管两端亮而中间不亮，经检查，灯管是好的，电压正常，镇流器无故障，其原因可能是 A.启动器两脚a、b与启动器座接触不良 B.电容器C被烧断 C.电容器C被击穿而短路 D.镇流器自感系数L太大 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 日光灯的工作原理是，当电压加到 启动器两端时，启动器内部的金属 片受热膨胀而短路，短路后金属片 放热断开，断开时在镇流器上感应 出高压加到灯管两端，使灯管内的汞电离导通，灯管发光。只有电容器C被击穿而短路的情况不能使金属片断开，无启动器突然断开，故在灯管两端无瞬间高压过程，无法使灯管灯丝之间的汞蒸气导电，而仅仅是灯管两端导线通过短路的电容器处在导电状态，所以出现灯管两端亮而中间不亮的情形，故A、B、D错误，C正确。 7.某输电线路横穿公路时，要在地下埋线。为了保护输电线不至于被压坏，可预先铺设坚固的过路钢管，再让输电线从钢管中穿过。电线穿过钢管的方案有两种：甲方案是铺设两根钢管，两条输电线分别从两根钢管中穿过；乙方案是只铺设1根钢管，两条输电线都从这一根钢管中穿过。如果输电导线输送的电流很大，那么，以下说法正确的是 A.无论输送的电流是恒定电流还是交变电流， 甲、乙两方案都是可行的 B.若输送的电流是恒定电流，甲、乙两方案都是可行的 C.若输送的电流是交变电流，甲、乙方案都是可行的 D.若输送的电流是交变电流，甲方案是可行的，乙方案是不可行的 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 因为输电线周围存在磁场，交变电流 产生变化的磁场，因此在输电过程中 输电线因电流变化引起自感现象，当输电线上电流很大时，强大的自感电流有可能将钢管熔化，造成事故，所以若输送的电流是交变电流，甲方案是不可行的，而在乙方案中，两条输电线中的电流方向相反，产生的磁场互相抵消，使自感现象的影响减弱到可以忽略不计的程度，所以若输送的电流是交变电流，乙方案是可行的，故A、C、D错误； 若输送的电流是恒定电流，甲、乙两方案都是可行的，故B正确。 8.(2023·四川省绵阳市北川中学高二月考)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，仍未出现物理老师课堂演示断电时出现的小灯泡闪亮之后再逐渐熄灭的现象，你认为最有可能造成小灯泡未闪亮的原因是 A.电源的电动势较大 B.小灯泡A的灯丝断了 C.线圈L的电阻较小 D.小灯泡A灯丝电阻较小 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 断开开关时，灯泡能否发生闪亮，取决于 灯泡的电流有没有增大，与电源的电动势 无关，故A错误； 小灯泡A的灯丝断了，灯泡将不亮，故B错误； 线圈L的电阻较小，稳定时流过灯泡的电流小于线圈的电流，断开开关时，流过灯泡的电流从线圈原来的电流逐渐减小，灯泡发生闪亮现象，故C错误； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 小灯泡A灯丝电阻较小，稳定时流过灯泡的 电流大于线圈的电流，断开开关时，流过 灯泡的电流从线圈原来的电流逐渐减小， 灯泡将不发生闪亮现象，故D正确。 9.(2023·北京市育英学校高二期末)如图所示的电路中，电源的电动势为E，内阻为r，电感线圈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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 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， 可看作电阻，线圈电阻逐渐减小，通过线圈所 在支路的电流逐渐增大，故i逐渐减小；开关闭 合后再断开时，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。 10.(多选)如图所示的四个日光灯的接线图中，S1为启动器，S2、S3为开关，L为镇流器，能使日光灯正常发光的是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 A选项为日光灯原理简图，必能使日光灯正常发光。日光灯启动时，电流通过镇流器、灯丝和启动器构成回路，使启动器发出辉光，相当于启动器短路接通，之后启动器断开瞬间，镇流器产生很大的自感电动势，出现一个高压加在灯管两端，灯管中的气体放电、发光，日光灯发光，此时启动器已无作用。所以启动器可用手动的开关来代替(实际操作时，因启动器丢失或损坏时，可手持绝缘皮的导线短接启动器然后再断开)，故选A、C。 11.(2023·四川省成都七中高二期末)如图甲所示的电路中，灯泡电阻为R，A1、A2为完全相同的电流传感器(内阻不计)。闭合开关K，得到如图乙所示的I-t图像，电源电动势为E，内阻为r，则 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 尖子生选练 C.断开开关时，小灯泡会明显闪亮后逐渐熄灭 D.闭合开关时，自感线圈中电流为零，其自感电动势也为零 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 由题图乙可知，电路稳定后，两支路电流相等，则断开开关时，小灯泡不会闪亮但会逐渐熄灭，故C错误； 闭合开关时，自感线圈中电流为零，但由于电流在变化，自感电动势不为零，故D错误。 L A.r＝R B.E＝R 由题图乙可知，当t＝t0时，自感线圈中电流为零，流过灯泡支路的电流为I1，根据闭合电路欧姆定律有E＝I1r＋I1R，当t＝t1时，电路稳定，两支路电流相等为I2，根据闭合电路欧姆定律有E＝2I2r＋I2R，联立解得r＝R，E＝R，故A错误，B正确； $$