16 第二章 第4节 互感和自感-【正禾一本通】2024-2025学年高中物理选择性必修2同步课堂高效讲义配套课件（人教版2019）

物理选择性 必修第二册 第4节　互感和自感 第二章 电磁感应 探究点一　互感现象 自主预习 思辨 深度学习 探究 探究点二　自感现象 自主预习 思辨 深度学习 探究 探究点三　自感系数和磁场的能量 自主预习 思辨 深度学习 探究 素养园地 课下巩固训练（八）互感和自感 课标解读 名词点击 1.了解互感和自感现象。了解自感系数由哪些因素决定。 2．理解互感和自感现象产生的机理，能解释有关现象。 3．能够分析通电自感和断电自感现象 互感(mutual induction) 自感(self​induction) 亨利(henry) 如图是法拉第实验线圈。在实验中，两个线圈并没有用导线连接，当线圈L1中有电流时，另一个线圈L2中是否会产生感应电流？ 提示：不一定。当线圈L1中的电流为恒定电流时，它产生的磁场不变，则在另一个线圈L2中就不会产生感应电流。只有当线圈L1中的电流变化时，它产生变化的磁场，此时会在另一个线圈L2中产生感应电流。 (1)互感现象的定义：两个相互靠近的线圈，当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生 的现象。产生的电动势叫作互感电动势。 (2)应用：互感现象可以把能量从一个线圈传递到另一个线圈。变压器、收音机的“磁性天线”就是利用 制成的。 (3)危害：互感现象能发生在任何两个相互靠近的电路之间。在电力工程和电子电路中，互感现象有时会影响电路正常工作。 感应电动势 互感现象 【基点辨析】 1．判断下列说法的正误 (1)只有闭合的回路才能产生互感。( ) (2)两个线圈之间必须有导线相连，才能产生互感现象。( ) (3)在实际生活中，有的互感现象是有害的，有的互感现象可以利用。( ) (4)互感现象的实质是电磁感应现象，同样遵循楞次定律和法拉第电磁感应定律。( ) × × √ √ 2．一小型变压器如图所示，它主要由铁芯与两个线圈构成，其中两线圈并不连接。它们是怎样完成能量传递的？ 提示：通过互感，能量从一个线圈传递到另一个线圈。 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。 3．互感现象有时会影响电路的正常工作，这时需要设法减小电路间的互感。 【典例1】 在同一铁芯上绕着两个线圈，单刀双掷开关原来接在1处，现把它从1扳到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．由Q→P D．由P→Q 解析：选C。开关由1扳到2，线圈A中电流产生的磁场由右变为向左，即线圈B中磁场向右，先减小后反向增加，由楞次定律可得R中电流由Q→P，C正确。 【针对训练1】 (多选)关于互感现象，下列说法正确的是(　　) A．两个线圈之间必须有导线相连，才能产生互感现象 B．互感现象可以把能量从一个线圈传到另一个线圈 C．互感现象都是有益的 D．变压器是利用互感现象制成的 解析：选BD。两个线圈之间没有导线相连，也能产生互感现象，选项A错误；互感现象可以把能量从一个线圈传到另一个线圈，选项B正确；互感现象不一定都是有益的，有时会影响电路的正常工作，选项C错误；变压器是利用互感现象制成的，选项D正确。 如图所示，甲线圈中电流在增大，乙线圈中电流在减小。试根据楞次定律判定线圈产生的自感电动势的方向，并说明自感电动势在电路中起什么作用。 提示：题图甲中自感电动势方向与原电流方向相反，题图乙中自感电动势方向与原电流方向相同。自感电动势阻碍电流的变化。 自感 1．自感现象：当一个线圈中的电流 时，它所产生的 的磁场在线圈本身激发出感应电动势的现象。 2．自感电动势：由于 而产生的感应电动势。 变化 变化 3．通电自感和断电自感的比较 项目 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A1逐渐地亮起来 阻碍电流的 断电自感 断开开关的瞬间，灯泡A闪亮一下后逐渐变暗或灯泡A逐渐变暗，直至熄灭 阻碍电流的 增加 减小 【基点辨析】 1．判断下列说法的正误 (1)自感现象中，自感电动势的方向一定和原电流方向相反。( ) (2)断电自感中，灯泡消耗的电能来源于线圈的磁场。( ) (3)通电自感中，电源把电能输送给线圈，以磁场能形式贮存。( ) × √ √ 2．如图所示，A1、A2 是规格完全一样的灯泡。闭合开关S，调节变阻器R和R1，使A1、A2亮度相同且正常发光，然后断开开关S。等待一会后重新闭合S，观察到什么现象？ 提示：灯泡A2立刻正常发光，跟线圈L串联的灯泡A1逐渐亮起来。 1．自感电动势的方向 当原电流增大时，自感电动势的方向与原电流方向相反；当原电流减小时，自感电动势的方向与原电流方向相同(即“增反减同”)。 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。 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，则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，则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。电流最终都会趋于稳定，此时自感电动势为零。 【典例2】 (多选)如图甲、乙所示的电路中，电阻R和自感线圈L的电阻都很小，且小于灯泡A的电阻，接通S，使电路达到稳定，灯泡A发光，则(　　) A．在电路甲中，断开S，A将渐渐变暗 B．在电路甲中，断开S，A将先变得更亮，然后渐渐变暗 C．在电路乙中，断开S，A将渐渐变暗 D．在电路乙中，断开S，A将先变得更亮，然后渐渐变暗 解析：选AD。在电路甲中，断开S，由于线圈产生自感电动势阻碍电流变小，导致回路中的电流逐渐减小，A将逐渐变暗，故A正确，B错误；在电路乙中，由于电阻R和自感线圈L的电阻值都很小，所以通过灯泡的电流比线圈的电流小，断开S时，由于线圈阻碍电流变小，于是原来通过线圈的电流通过灯泡形成新的回路，由于通过灯泡A的电流比原来的大，导致A将变得更亮一下，然后逐渐变暗，故C错误，D正确。 [规律方法]自感中“闪亮”与“不闪亮”问题 项目 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 【针对训练2】 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 解析：选B。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。 如图所示，断开正在工作的电动机开关时，会产生电火花，这是为什么？ 提示：电动机中的线圈匝数极多，当电路开关断开时会产生很大的自感电动势，使得开关中的金属片之间产生电火花。 H 1．自感系数 (1)电动势的大小E＝L，其中 是自感系数，简称自感或电感。 (2)单位为 ，符号为 。 1 mH＝10-3 H, 1 μH＝10-6 H。 (3)物理意义：表示线圈产生自感电动势本领大小的物理量。 L 亨利 2．磁场的能量 (1)自感现象中的磁场能量 ①线圈中电流从无到有时：磁场从无到有，电源的能量输送给磁场，储存在磁场中。 ②线圈中电流减小时：磁场中的能量释放出来转化为 。 (2)电的“惯性”：自感电动势有阻碍线圈中 的“惯性”。 电能 电流变化 【基点辨析】 判断下列说法的正误 (1)线圈中产生的自感电动势较大时，其自感系数一定较大。( ) (2)对于同一线圈，当电流变化较快时，线圈中的自感电动势较大。( ) (3)一个线圈中的电流均匀增大，自感电动势也均匀增大。( ) (4)线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁芯决定。( ) × √ × √ 1．公式E＝L中为电流的变化率，电流变化越快，电流变化率越大，自感电动势也越大。 2．自感系数大小的决定因素：自感系数与线圈的大小、形状、匝数，以及是否有铁芯等因素有关。 【典例3】 关于某一线圈的自感系数，下列说法正确的是(　　) A．线圈中电流变化越大，线圈的自感系数越大 B．线圈中的电流等于零时，自感系数也等于零 C．若线圈中通入恒定电流，线圈的自感系数为0 D．不管电流如何变化，线圈的自感系数不变 解析：选D。自感系数只与线圈本身有关，而与其他因素无关，D正确。 无线充电 如图所示，由地面供电装置(主要装置有线圈和电源)将电能传送至电动汽车底部的感应装置(主要装置是线圈)，该装置使用接收到的电能对车载电池进行充电，供电装置与车身接收装置通过磁场传送能量。 INCLUDEPICTURE "24TBWLX2-2-136灰.TIF" 【基础应用题】 1．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，自感电动势就一定越大 B．线圈中电流等于零时，自感系数也等于零 C．线圈中电流变化越快，自感系数越大 D．线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁芯决定 解析：选D。线圈的自感系数是由线圈本身的因素及有无铁芯决定的，与有无电流、电流变化情况都没有关系，故选项B、C错误，D正确；自感电动势的大小除了与自感系数有关，还与电流的变化率有关，故选项A错误。 2．在无线电仪器中，常需要在距离较近处安装两个线圈，并要求当一个线圈中电流有变化时，对另一个线圈中电流的影响尽量小。下列选项中两个线圈的相对安装位置最符合该要求的是(　　) 解析：选D。通电线圈周围的磁场分布与条形磁铁的磁场分布类似，采用选项D所示的安装位置时，变化的磁场穿过另一线圈的磁通量最小。 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，其原理为(　　) 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，两股导线中的产生的磁通量互相抵消 D．以上说法均不对 解析：选C。由于采用了双线绕法，两根平行导线中的电流反向，它们产生的磁通量相互抵消。不论导线中的电流如何变化，线圈中的磁通量始终为零，所以消除了自感现象的影响，故C正确。 4．(2024·福建泉州阶段练习)如图所示，将两端刮掉绝缘漆的导线绕在一把锉刀上，一端接上电池(电池另一极与锉刀接触)，手执导线的另一端，在锉刀上来回划动，由于锉刀表面凹凸不平，回路不停通、断电产生电火花。则(　　) A．产生电火花的主要原因是电池放电 B．导线端划动的方向决定了自感电动势的方向 C．锉刀采用什么材料制成对实验没有影响 D．如导线端只向一个方向划动，也能产生电火花 解析：选D。手持导线的另一端，在锉刀上来回划动时产生电火花，是由于电路时通时断，在回路中产生自感电动势，与导线运动的方向无关，所以导线端只向一个方向划动，也能产生电火花，故A、B错误，D正确；产生电火花的回路由导线、锉刀与电池组成，如果锉刀是绝缘体，则实验不能完成，故C错误。 5．如图，当车辆驶入或驶出圆形区域时，车辆会改变区域内通电线圈中的磁场，通过传感器电路将磁场的变化转换为交通灯的控制信号，车辆驶入图中圆形区域时，车辆引起磁场变化的原因类似于(　　) A．将铁芯放入通电线圈 B．增大通电线圈的面积 C．增加通电线圈的匝数 D．加大对通电线圈的压力 答案：选A。 6．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 解析：选C。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，则断开开关后，LB闪亮一下才“慢慢”熄灭，C正确，D错误。 【综合提升题】 7．电磁弹射装置的原理图如图甲所示，驱动线圈通过开关S与电源连接，发射线圈放在绝缘且内壁光滑的发射导管内。闭合开关S后，在0～t0时间内驱动线圈中的电流i随时间t的变化关系如图乙所示。在这段时间内，下列说法正确的是(　　) A．发射线圈中感应电流产生的磁场水平向右 B．t＝t0时驱动线圈产生的自感电动势最大 C．t＝0时发射线圈中的感应电动势最大 D．t＝t0时发射线圈中的感应电流最大 解析：选C。根据安培定则可知，驱动线圈内的磁场方向水平向右，结合题图乙可知，驱动线圈的电流增大，通过发射线圈的磁通量增大，根据楞次定律可知，发射线圈内部的感应磁场方向水平向左，A错误；由题图乙可知，t＝t0时驱动线圈的电流变化率最小，此时通过发射线圈的磁通量变化率最小，驱动线圈产生的自感电动势最小，发射线圈中的感应电流最小，B、D错误；t＝0时驱动线圈的电流变化率最大，则此时通过发射线圈的磁通量变化得最快，发射线圈中的感应电动势最大，C正确。 8．在如图所示的电路中电源内阻不能忽略，两个相同的小灯泡L1和L2分别串联一个带铁芯的电感线圈L和一个滑动变阻器R。闭合开关S后，调整R，使L1和L2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S。若t′时刻再闭合S，则在t′前后的一小段时间内，正确反映流过L1的电流i1、流过L2的电流i2随时间t变化的图像是(　　) 解析：选B。闭合开关S后，调整R，使两个灯泡L1、L2发光的亮度一样，电流为I，说明RL＝R。若t′时刻再闭合S，流过电感线圈L和灯泡L1的电流增大，使电感线圈L产生自感电动势，阻碍了流过L1的电流i1增大，直至到达电流I，故选项A错误，B正确；而对于t′时刻再闭合S，流过灯泡L2的电流i2立即达到最大，然后逐渐减小至电流I，故选项C、D错误。 9．(多选)目前无线电力传输已经比较成熟，如图所示为一种非接触式电源供应系统，这种系统基于电磁感应原理可无线传输电力，两个感应线圈可以放置在左右相邻或上下相对的位置，原理示意图如图所示。利用这一原理，可以实现对手机进行无线充电。下列说法正确的是(　　) A．若A线圈中有电流，B线圈中就会产生感应电动势 B．只有A线圈中输入变化的电流，B线圈中才会产生感应电动势 C．A中电流越大，B中感应电动势越大 D．A中电流变化越快，B中感应电动势越大 解析：选BD。根据感应电流产生的条件，若A线圈中输入恒定的电流，则A产生恒定的磁场，B中的磁通量不发生变化，B线圈中就不会产生感应电动势，故A错误；若A线圈中输入变化的电流，根据法拉第电磁感应定律E＝n可得，B线圈中会产生感应电动势，故B正确；A线圈中电流变化越快，A线圈中电流产生的磁场变化越快，B线圈中感应电动势越大，故C错误，D正确。 10．(多选)如图所示的电路中，三个相同的灯泡a，b，c和电感L1，L2与直流电源连接，电感线圈的直流电阻忽略不计，开关S从闭合状态突然断开时，下列判断正确的有(　　) A．a先变亮，然后逐渐变暗 B．b先变亮，然后逐渐变暗 C．c先变亮，然后逐渐变暗 D．b、c都逐渐变暗 解析：选AD。由于L1，L2电阻不计，故通过L1的电流是通过L2的电流的2倍，当断开开关S时，通过灯泡a的电流大于原电流，通过b灯、c灯的电流不会大于原电流，故b、c灯不会变亮，只会逐渐变暗，故A、D正确。 【创新拔高题】 11．如图所示的电路中，电阻R的阻值小于灯泡D的阻值，规定电流水平向左经过D为电流的正方向，已知电感线圈L的直流电阻和传感器的电阻忽略不计，灯泡的阻值恒定，t＝0时闭合开关S，经过一段时间后，在t＝t1时刻断开S，下列表示电流传感器中的电流i随时间t变化的图像中正确的是(　　) [创新空间]自感现象中I ­t图像的处理技巧 解析：选C。开关闭合时，由于开始时自感线圈的阻碍作用很大，传感器支路的电流较大，随着自感线圈的阻碍作用减小，传感器支路的电流(方向向左)逐渐减小；开关再断开，由于自感电动势的作用，线圈中的电流方向与原来相同，此时传感器中电流方向与原来相反，又由于电阻R的阻值小于D的阻值，当开关闭合时，线圈支路的电流大于流过传感器的电流，故当开关断开瞬间，传感器中的感应电流也大于原来传感器中的电流，故A、B、D错误， C正确。 $$