第2章 第4节 自感-【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册教用Word(教科版)

第4节　自　感 1．了解互感现象及互感现象的应用。　2.了解自感现象，认识自感电动势对电路中电流的影响。 3．了解自感系数的意义和决定因素。　4.了解生产和生活中的自感现象。　 一、自感现象 1．定义：由于导体线圈本身的电流______________而引起的电磁感应现象，叫作自感，在自感现象中产生的电动势叫作自感电动势。 2．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__________转化为____________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．定义：自感电动势跟穿过线圈的磁通量的变化率成正比，在自感现象中磁通量的变化率又跟线圈中的电流的变化率成正比，即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。 2．自感系数的单位是亨利，简称亨，符号是H。 3．影响因素：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。横截面积越大，匝数越多，它的自感系数越大。另外有铁芯时线圈的自感系数比没有铁芯时要大得多。 三、自感现象的应用——日光灯 1．日光灯的组成：灯管、镇流器、启动器、导线和开关组成，如图所示。 2．工作原理：灯管中有微量惰性气体和稀薄的汞蒸气，管内壁上涂有荧光粉。在高压激发下，气体导电时发出紫外线，荧光粉受紫外线照射发出可见光。闭合开关时，启动器内氖气放电产生辉光放热，使动、静触片接触，把电路接通，后又自动断开，由于镇流器的自感，形成一个瞬时高压，加在灯管两端，使灯管中气体放电，日光灯被点亮。点亮后，镇流器又起着______________的作用，保证日光灯的正常工作。 判断下列说法是否正确。 (1)自感现象中感应电流的方向一定与引起自感的原电流的方向相反。(　　) (2)线圈的自感系数大，其电阻不一定大。(　　) (3)自感系数越大，自感电动势不一定越大。(　　) (4)镇流器为日光灯的点亮提供瞬时高电压。(　　) (5)镇流器维持灯管两端电压高于电源电压，使灯管正常工作。(　　) 提示：(1)×　(2)√　(3)√　(4)√　(5)× [答案自填] 发生变化　电能　磁场能　降压限流 知识点一　对自感现象的理解 1．如图所示，先闭合S，调节R2使A1、A2的亮度相同，再调节R1，使A1、A2都正常发光，然后断开S。再次闭合S，观察到什么现象？为什么有这样的现象？ 2．如图所示，L为自感系数较大的线圈，其直流电阻比灯泡的电阻小，先闭合开关使灯泡发光，然后断开开关。观察到什么现象？为什么有这样的现象？　 [提示]　1.现象：灯泡A2立即发光，灯泡A1逐渐亮起来。原因：电路接通时，电流由0开始增加，穿过线圈L的磁通量逐渐增加，为了阻碍磁通量的增加，感应电流产生的磁通量与原来电流产生的磁通量方向相反，则线圈中感应电动势的方向与原来的电流方向相反，阻碍了L中电流的增加，即推迟了电流达到稳定值的时间。 2．现象：灯泡A闪亮一下再熄灭。原因：灯泡断电后自感线圈中产生的感应电流比开关断开前流过灯泡的电流大。要想使灯泡闪亮一下再熄灭，就必须使自感线圈的电阻小于与之并联的灯泡的电阻。而当线圈电阻大于或等于灯泡的电阻时，灯泡就会缓慢变暗直至熄灭。 1．对自感现象的理解：自感现象是一种电磁感应现象，遵从法拉第电磁感应定律和楞次定律。 2．对自感电动势的理解 (1)产生原因：通过线圈的电流发生变化，导致穿过线圈的磁通量发生变化，因而在原线圈上产生感应电动势。 (2)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)。 (3)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变慢。 3．对自感线圈阻碍作用的理解 (1)若电路中的电流正在改变，自感线圈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)若电路中的电流是稳定的，自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。 4．自感现象的分析思路 (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。 　如图所示，L是自感系数很大的线圈，其直流电阻几乎为0，A和B是两个相同的小灯泡。闭合开关，待电路稳定后，灯泡A恰能正常发光，则(　　) A．闭合开关，灯泡A、B均逐渐变亮 B．闭合开关，灯泡A立即变亮，灯泡B逐渐变亮　 C．断开开关，灯泡A会闪亮一下再逐渐熄灭 D．断开开关，灯泡B不可能被烧坏 [解析]　闭合开关，电流可以迅速通过灯泡A和灯泡B，故灯泡A、B均立即变亮，之后随着线圈自感电动势阻碍作用的减弱，其电流逐渐增大，稳定时相当于导线，把灯泡B短路，故灯泡B变亮后逐渐熄灭，A、B错误；断开开关，线圈的自感电动势相当于电源，通过灯泡B形成回路，故灯泡B会闪亮一下再逐渐熄灭，而灯泡A直接熄灭，C错误；由题可知，断电瞬间，通过灯泡B的电流不会大于灯泡B的额定电流，故断开开关，灯泡B不可能被烧坏，D正确。 [答案]　D 　如图所示，电路中A、B、C是三个完全相同的灯泡，L是一个自感系数很大、直流电阻为零的自感线圈，原来开关S是闭合的，三盏灯泡均发光。某时刻将开关S断开，则下列判断正确的是(　　) A．M点电势高于N点，A灯闪亮后缓慢熄灭 B．N点电势高于M点，B、C灯闪亮后缓慢熄灭 C．M点电势高于N点，B、C灯闪亮后缓慢熄灭 D．N点电势高于M点，B、C灯不会闪亮只是缓慢熄灭 [解析]　开关S闭合稳定时，电感线圈支路的总电阻比B、C灯支路电阻小，故流过A灯的电流I1大于流过B、C灯的电流I2，且电流方向由M到N，因为理想线圈无内阻，故M点电势等于N点电势；当开关S断开，电感线圈会产生自感现象，相当于电源，由楞次定律知，感应电流方向由M到N，MN当电源，故N点电势高于M点，所以断开开关S瞬间，流过B、C灯支路的电流比原来的大，故B、C灯闪亮后缓慢熄灭。 [答案]　B 　(2024·江苏连云港统考期中)如图所示，小明做自感现象实验时，连接电路如图所示，其中L是自感系数较大、直流电阻不计的线圈，L1、L2是规格相同的灯泡，D是理想二极管，则(　　) A．闭合开关S，L2逐渐变亮，然后亮度不变 B．闭合开关S，L1、L2都逐渐变亮，最后亮度相同 C．断开开关S，L2一直不亮，L1逐渐变暗至熄灭 D．断开开关S，L2变亮后与L1一起逐渐变暗至熄灭 [解析]　闭合开关S后，由于L1与线圈L的关系是串联的关系，开始时L对电流的增大有阻碍作用，所以电流只能逐渐增大，则灯L1逐渐变亮，题图中二极管反接，其所在支路中没有电流，所以灯泡L2始终不亮，故A、B错误；断开S的瞬间，线圈L产生自感电动势阻碍电流的减小，此时线圈左端的电势低于右端电势，同时二极管左端的电势也低于右端电势，二极管导通，线圈L与二极管以及L1、L2构成回路，所以L1逐渐变暗至熄灭，L2变亮后再与L1一起逐渐变暗至熄灭，故C错误，D正确。 [答案]　D 知识点二　自感现象中的图像问题 　如图所示的电路中，S闭合且电路稳定后流过电感线圈L的电流是2 A，流过灯泡D的电流是1 A。现将S突然断开，S断开前后，能正确反映流过灯泡的电流i随时间t变化关系的图像是(　　) [解析]　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，自感线圈的自感现象会使线圈L所在支路产生与线圈L中原电流方向相同的自感电动势，使线圈中的电流从原来的2 A逐渐减小，方向不变，且同灯泡D构成回路，通过灯泡D的电流和线圈L中的电流相同，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，D正确。 [答案]　D 　(2023·重庆一中期末)如图所示的电路中，电源电动势为 E，线圈自感系数为 L，电路中的总电阻为 R。闭合开关S，电路中电流 I 遵循规律 E－RI＝L，其 I－t 图像可能正确的是(　　) [解析]　由于电路中电流 I 遵循规律E－RI＝L，由自感规律可知，线圈产生的自感电动势阻碍电流的增大，使电流的增大速度变慢，电路稳定后自感现象消失，故I－t 图线的斜率逐渐减小直至斜率为0。 [答案]　B 1．(对自感现象的理解)如图所示电路中，L为自感系数很大的电感线圈，其直流电阻不计，A、B为两相同灯泡，则下列说法正确的是(　　) A．合上S的瞬间，B先亮，A后亮 B．合上S的瞬间，A先亮，B后亮 C．合上S后，A逐渐变得更亮，B逐渐变暗直至熄灭 D．断开S时，A、B灯均闪亮后逐渐熄灭 解析：选C。闭合S时，电源的电压同时加到两灯上，A、B同时亮；随着L中电流增大，由于线圈L直流电阻可忽略不计，分流作用增大，B逐渐被短路直到熄灭，外电路总电阻减小，总电流增大，A灯变得更亮，A、B错误，C正确；断开S，A立即熄灭，线圈L中电流减小，产生自感电动势，感应电流流过B灯，B闪亮一下后熄灭，D错误。 2．(对自感现象的理解)如图所示的电路中，A、B、C是三个相同的灯泡，L是自感线圈，其电阻与灯泡电阻相等，开关S先闭合然后再断开，则(　　) A．S闭合后，A立即亮而B、C慢慢亮 B．S闭合后，B、C立即亮而A慢慢亮 C．S断开后，B、C先变亮然后逐渐变暗 D．S断开后，A先变亮然后逐渐变暗 解析：选B。S闭合后，B、C立即亮，由于灯泡A与自感线圈串联，线圈会阻碍电流的增大，所以A慢慢变亮，A错误，B正确；S断开后，由于线圈的作用阻碍电流的减小，所以A慢慢变暗，因为线圈电阻与灯泡电阻相等，所以在开关闭合时通过灯泡B、C和A的电流大小相等，所以当开关断开后线圈与A、B、C构成闭合回路，此时B、C不会先变亮，而是逐渐变暗，C、D错误。 3．(自感系数)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．线圈中电流变化得越快，线圈的自感系数越大 C．若线圈中通入恒定电流，线圈自感系数为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，则线圈中通入的电流、电流改变量、电流变化率等都不会影响其自感系数，故D正确。 4．(自感现象中的图像问题)如图所示的电路中，电源的电动势为E，内阻为r，电感L的电阻不计，电阻R的阻值大于灯泡D的阻值。在t＝0时刻闭合开关S，经过一段时间后，在t＝t1时刻断开S。下列表示A、B两点间电压UAB随时间t变化的图像，正确的是(　　) 解析：选B。开关S闭合的瞬间，由于L的阻碍作用，由R与L组成的支路相当于断路，后来由于L的阻碍作用不断减小，相当于外电路并联部分的电阻不断减小，根据闭合电路欧姆定律I＝，整个电路中的总电流增大，由U内＝Ir得内电压增大，由UAB＝E－Ir得路端电压UAB减小。电路稳定后，由于R的阻值大于灯泡D的阻值，所以流过L支路的电流小于流过灯泡D的电流。当开关断开时，由于电感L的自感作用，流过灯泡D的电流立即与L电流相等，与灯泡原来的电流方向相反且逐渐减小，即UAB反向减小，B正确。 学科网（北京）股份有限公司 $