2.4 自感（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（教科版2019）

第4节　自感 物理观念 科学探究 科学态度与责任 1.知道自感现象，以及自感电动势的概念。 2．知道自感系数的概念，了解自感系数与哪些因素有关。 1.能够分析两种常见的自感现象。 2．能够分析日光灯的工作原理。 　　体会在基本的科学原理下研究特殊现象的一般方法，做到学以致用，知行合一，养成严谨认真的科学态度。 [对应学生用书P55] 一、自感现象 1．观察思考 研究对象 电路 现象 自感电动势的作用 通电自感 接通电源的瞬间，灯泡D2慢慢变亮 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。有时灯泡D会闪亮一下，然后逐渐变暗 阻碍电流的减小 2.自感的定义：由于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：自感现象中产生的电动势。 二、自感系数 1．自感电动势的大小：EL＝L(其中L叫作线圈的自感系数，单位亨利，简称亨，符号H)。 2．自感系数大小的影响因素： (1)自感系数是由线圈本身决定的，跟线圈的形状、直径、匝数等因素有关； (2)横截面积越大，匝数越多，线圈的自感系数越大。 (3)有铁芯时线圈的自感系数，比没有铁芯时要大的多。 三、自感现象的应用：日光灯 1．普通日光灯的组成元器件：灯管、镇流器、启动器、导线、开关。 2．日光灯工作原理：启辉器触片分离，电路自动断开，在镇流器两端产生很高的电动势，使灯管内的汞蒸气导电而发出紫外线，灯壁上的荧光粉受到紫外线的照射发出可见光。 3．镇流器的作用 启动时产生瞬时高电压使灯管发光，正常工作时，起着降压限流作用。 判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (1)自感现象中，感应电流方向一定和原电流方向相反。(　　×　　) (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)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。(　　√　　) (4)一个线圈中的电流均匀增大，自感电动势也均匀增大。(　　×　　) 备课札记 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 [对应学生用书P56] 探究点一 自感现象和自感系数 在切断大功率电动机的电源，用手拉下开关时，如果操作不当会被猛烈的电击而发生危险，因此一些大功率的用电设备的开关往往置于油槽中。 [问题设计] 在拉下开关的时候，为什么会发生电击？ 提示：在断开大功率电动机的电流时，在电动机线圈的两端会产生很高的感应电动势从而发生电击。 1．对自感现象的解释： (1)线圈中电流增大： 通过线圈的电流增大，线圈内的磁通量增大，根据楞次定律，线圈内产生感应电流，感应电流的磁场与原磁场的方向相反，因此感应电流的方向与原电流的方向相反。 (通电自感) ①A1、A2两个灯泡完全相同，滑动变阻器接入电路的阻值与线圈L的直流电阻阻值相同，闭合电键时，A2迅速发光，A1由于所在支路线圈的自感作用，电流逐渐增大，因此A1缓慢变亮。 ②电路稳定后，由于线圈中的电流不再变化，因此不会产生自感现象，此时线圈是一个直流电阻，两灯的亮度相同。 (2)线圈中电流减小： 线圈中电流减小，线圈内的磁通量减小，根据楞次定律，线圈内产生感应电流，感应电流的磁场与原磁场方向相同，因此感应电流的方向与原电流的方向相同。 (断电自感) 断开电键时，线圈内的电流减小，产生感应电动势，根据楞次定律，线圈内产生与原电流方向相同的感应电流。 ①断电时，线圈相当于电源，此时，磁场能转化为电能。 ②电路闭合时，如果线圈所在支路电流大于B灯所在支路电流，断电时，A灯缓慢熄灭，B灯闪亮一下再缓慢熄灭。如果线圈所在支路电流小于B灯所在支路电流，A、B灯均缓慢熄灭。 2．自感中“闪亮”与“不闪亮”现象的比较 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I1突然变大，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，电流方向不变 电路中稳定电流为I1、I2 ①若I2≤I1，灯泡逐渐变暗 ②若I2>I1，灯泡闪亮一下后逐渐变暗，两种情况灯泡电流方向均改变 3.自感现象中的“增反减同” (1)线圈中的电流增大时，产生的自感电流与原电流方向相同； (2)线圈中的电流减小时，产生的自感电流与原电流方向相反。 [特别提醒]　自感电流总是阻碍原电流的变化，并不是阻止原电流。 【例1】 某同学为了验证自感现象，自己找来带铁芯的线圈L(线圈的自感系数很大，构成线圈导线的电阻可以忽略)、两个相同的小灯泡A和B、开关S和电池组E，用导线将它们连接成如图所示的电路。经检查，各元件和导线均是完好的，检查电路无误后，开始进行实验操作。他可能观察到的现象是(　　) A．闭合S瞬间，B比A先亮 B．闭合S瞬间，A、B一起亮 C．断开S瞬间，A、B逐渐熄灭 D．断开S瞬间，A比B先熄灭 C　解析：从实物图中我们可以看出两个小灯泡是间接并联关系，其中自感线圈和B灯泡串联，当闭合开关的瞬间，通过B的电流增大，自感线圈产生感应电流阻碍电路电流增大，所以B是逐渐亮起来，而A灯泡不受影响，所以A比B先亮，A、B错误；当断开开关的瞬间，电源电流减小，自感线圈要阻碍电流的减小，产生与原电流方向相同的感应电流，此时A、B串联构成回路，所以A、B灯泡是缓慢熄灭，故C正确，D错误。 自感现象问题的分析思路 (1)明确通过自感线圈的电流的变化情况(增大或减小)。 (2)根据“增反减同”判断自感电动势的方向。 (3)阻碍结果分析：电流增大时，由于自感电动势的作用，线圈中的电流逐渐增大，与线圈串联的元件中的电流也逐渐增大；电流减小时，由于自感电动势的作用，线圈中的电流逐渐减小，与线圈串联的元件中的电流也逐渐减小。 [练1] 如图所示的电路中a、b是两个完全相同的灯泡，L为自感线圈(自感系数足够大，直流电阻不计)，E为电源，S为开关。下列说法正确的是(　　) A．闭合开关，a、b同时亮 B．断开开关，a先熄灭，b闪亮后熄灭 C．闭合开关和断开开关瞬间，a中电流方向相同 D．闭合开关和断开开关瞬间，b中电流方向相同 D　解析：由图可以看出，a、b灯泡在两个不同的支路中，对于纯电阻电路，不发生电磁感应，通电后用电器立即开始正常工作；但对于含自感线圈的电路，在通电时，线圈产生自感电动势，对电流的增大有阻碍作用，使b灯后亮，则合上开关，a先亮，b后亮，A错误；L为自感线圈(直流电阻不计)，接通开关稳定时通过两灯的电流一样，当断开开关时，线圈中产生自感电动势，由a、b及自感线圈组成一个回路，两灯同时逐渐熄灭，B错误；由图可知，闭合开关稳定时通过a、b两灯的电流方向相同，断开开关瞬间线圈中产生自感电动势，由a、b及自感线圈组成一个回路，则b灯电流方向不变，而a灯电流方向反向，C错误，D正确。 探究点二 自感现象的应用——日光灯 如图是日光灯管的简图，灯管内的汞蒸气在高压下导电会发出紫外线，紫外线会使荧光粉发光。 [问题设计] 如何产生高压使汞蒸气导电而发出紫外线？ 提示：在电路中接入高频线圈，线圈在断电的瞬间会产生高压，使汞蒸气导电。 1．日光灯构造及电路 (1)各元件工作原理 ①启辉器：启辉器的动片和静片断开时，两极之间的电压使氖管内的氖气发出辉光，动片受热发生膨胀与静片接触接通电路，氖气停止发光，氖管内温度降低，动片与静片分离，电路断开。 ②镇流器：自感系数很大的线圈。断电瞬间，镇流器两端会产生很高的自感电动势。 (2)日光灯工作原理 镇流器、灯管电极、启辉器组成的回路在开关闭合后，在启辉器的两端加上220 V的交流电压，启辉器内氖气发光，动片膨胀后与静片接触，氖气停止发光，动片与静片分离，电路瞬间断开，镇流器两端产生的瞬间高压加在灯管两端，使灯管内的汞蒸气导电发出紫外线，紫外线使灯管内壁上的荧光粉发出白光。 2．自感现象对电路的影响 一些大型电动机的定子绕组，在切断电路的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空气电离而产生电弧烧毁开关。解决方法是将开关放在绝缘性良好的油中。 [对应学生用书P59] 1．(多选)如图所示，A、B是完全相同的两个小灯泡，L为自感系数很大、电阻可以忽略的带铁芯的线圈，则(　　) A．电键S闭合瞬间，A、B同时发光，随后A灯变暗，B灯变亮 B．电键S闭合瞬间，B灯亮，A灯不亮 C．断开电键S瞬间，A、B灯同时熄灭 D．断开电键S瞬间，B灯立即熄灭，A灯突然闪亮一下再熄灭 AD　解析：电键S闭合瞬间，线圈产生自感电动势阻碍电流的增加，则A、B同时发光，稳定后线圈电阻为0则A灯被短路，所以随后A灯变暗，B灯变亮，A正确，B错误；断开电键S瞬间，线圈产生自感电动势阻碍电流的减小，则A灯突然闪亮一下再熄灭，B灯立即熄灭，C错误，D正确。 2.如图所示，多匝线圈的电阻和电池内阻不计，两个定值电阻的阻值均为R，开关S开始时断开，电路中电流为I0，合上开关S，线圈有自感电动势产生，此电动势(　　) A．有阻碍电流减小的作用，最后电流小于I0 B．有阻碍电流减小的作用，因而电流总等于I0 C．有阻碍电流增大的作用，因而电流将保持I0不变 D．有阻碍电流增大的作用，但电流最后还是大于I0 D　解析：开关S从断开到闭合瞬间，回路中的电流要增大，因而在线圈L上产生自感电动势，根据楞次定律可知，该自感电动势要阻碍电流的增大，但阻碍不是阻止，最终电流还是会增大，故电流最后还是大于I0，D正确，A、B、C错误。 3.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的自感系数很大，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 B　解析：S闭合时，线圈上产生很大的自感电动势，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，B正确。 4.(多选)如图所示，电灯A和B与固定电阻的阻值均为R，L是自感系数很大的线圈。当S1闭合、S2断开且电路稳定时，A、B亮度相同，再闭合S2，待电路稳定后将S1断开，下列说法正确的是(　　) A．B立即熄灭 B．A灯将比原来更亮一些后再熄灭 C．有电流通过B灯，方向为c→d D．有电流通过A灯，方向为b→a AD　解析：待电路稳定后将S1断开，线圈无法对B供电，B立即熄灭，A正确，C错误；当S1闭合、S2断开且电路稳定时，A、B亮度相同，说明线圈的直流电阻也为R，再闭合S2，稳定时流过A与L的电流相同，故将S1断开时，A只会逐渐熄灭，不会闪亮，B错误；将S1断开瞬间，线圈L中电流方向保持不变，与A形成闭合回路，流经A的电流方向为b→a，D正确。 5.如图所示的电路中，灯泡L1、L2的电阻关系为R1<R2，电感L的直流电阻可忽略，D为理想二极管。下列判断正确的是(　　) A．开关K闭合后，L1、L2立即变亮 B．开关K闭合后，L1逐渐变亮，L2立即变亮 C．闭合电路且稳定后，再断开开关K，L1先变亮，然后逐渐变暗，L2立即熄灭 D．闭合电路且稳定后，再断开开关K，L1逐渐变暗，L2先变亮，然后逐渐变暗 B　解析：开关闭合后，对于二极管是正向导电，L2灯立即变亮，但由于线圈中自感电动势的阻碍作用，L1灯会逐渐变亮，A错误，B正确；开关从闭合到断开，电感中产生方向向右的自感电动势，因理想二极管单向导电，所以线圈虽然产生了自感电动势，但无法与两个灯泡构成回路，故L1灯和L2灯都是立即熄灭，C、D错误。 [课时梯级训练(12)见P150] [章末综合检测(二)见P152] 学科网（北京）股份有限公司 $$