第2章 第3节 自感现象与涡流-【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册教用课件(鲁科版)

第3节　自感现象与涡流 1 1．了解自感现象，认识自感电动势对电路中电流的影响。　2.了解涡流的产生，知道涡流现象的利用和危害。　3.了解涡流现象在生产和生活中的应用。 返回导航 课前　知识梳理 1 课堂　深度探究 2 内容 索引 随堂　巩固落实 3 课前　知识梳理 PART 01 第一部分 4 一、自感现象 1．定义：由线圈自身的_______________所产生的电磁感应现象称为自感现象。 电流变化 返回导航 课前　知识梳理 2．通电自感和断电自感 (1)如图甲所示，闭合开关，调节R0，使小灯泡1、2的亮度相同，然后断开开关。再次闭合开关接通电路时，__________立刻亮了，而__________逐渐亮起来。接通电路时，线圈中产生感应电动势，阻碍线圈中的电流增大。 小灯泡1 小灯泡2 返回导航 课前　知识梳理 (2)如图乙所示，闭合开关，调节R0，使小灯泡1、小灯泡2的亮度相同。断开开关时，小灯泡2立刻熄灭，但与线圈L并联的小灯泡1过了一会后才熄灭。这说明开关断开时，线圈中产生感应电动势阻碍电流的减小。 返回导航 课前　知识梳理 二、自感电动势 1．定义：由线圈________________变化所产生的感应电动势称为自感电动势。自感电动势总是阻碍导体自身的电流发生变化。 自身电流 自感系数 返回导航 课前　知识梳理 3．自感系数 (1)定义：自感电动势的大小与___________的一些特性密切相关，物理学中，用自感系数来表示线圈的这些特性。 (2)单位：国际单位制中，自感的单位是________，简称亨，符号是H，常用的较小单位还有毫亨(mH)和微亨(μH)。 (3)决定因素：线圈的自感与线圈的形状、__________、长短、__________等因素有关。 4．自感现象的应用：无线电设备、收音机、电视机、________等。 线圈本身 亨利 横截面积 匝数 电焊 返回导航 课前　知识梳理 三、涡流及其应用 1．涡流：将一金属块放在_____________中、穿过金属块的____________发生变化，金属块内部就会产生感应电流，这种电流在金属块内部形成闭合回路，就像漩涡一样，我们把这种感应电流称为涡电流，简称涡流。 变化的磁场 磁通量 2．应用及危害 (1)应用：电磁炉。 (2)危害：变压器、____________和发电机的铁芯常会因涡流损失大量的电能并导致设备发热。 电动机 返回导航 课前　知识梳理 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)在断开电路时，与线圈并联的灯泡会亮一下后再逐渐熄灭，说明能量不再守恒了。(　　) (4)自感系数越大，自感电动势不一定越大。(　　) (5)通过增大铁芯材料的电阻率可以减小涡流的产生。(　　) (6)变压器的铁芯用硅钢片叠成是为了减小涡流。(　　) × √ × √ √ √ 返回导航 课前　知识梳理 课堂　深度探究 PART 02 第二部分 12 知识点一　对自感现象的理解   1．如图甲所示，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。当再次闭 合S时，观察到什么现象？为什么有这样的现象？ [提示]　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。 返回导航 课堂　深度探究 2．如图乙所示，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，此时 观察到什么现象？为什么有这样的现象？ [提示]　现象：灯泡A闪亮一下再熄灭。 原因：自感线圈的电阻小于与之并联的灯泡的电阻，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，所以灯泡会闪亮一下再熄灭。 返回导航 课堂　深度探究 1．对自感现象的理解：自感现象是一种电磁感应现象，遵循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。 返回导航 课堂　深度探究 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。 返回导航 课堂　深度探究 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。 返回导航 课堂　深度探究 　　　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 √ 返回导航 课堂　深度探究 [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； 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。 返回导航 课堂　深度探究 　　　(2023·陕西宝鸡期末)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 √ 返回导航 课堂　深度探究 [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相当于电源，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。 返回导航 课堂　深度探究 知识点二　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，正确的是(　　) √ 返回导航 课堂　深度探究 [解析]　闭合开关时，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，并联电路电阻逐渐减小，电压UAB逐渐减小，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。 返回导航 课堂　深度探究 √ 返回导航 课堂　深度探究 返回导航 课堂　深度探究 知识点三　涡流现象及应用   高考考场用的金属探测器是一根长的黑色扁棒，使用时 监考教师手持探测器，在考生前后左右和容易藏东西的 部位划过，如藏有金属物品，即便是一粒金属纽扣，探 测器也会鸣响。金属探测器的原理是什么？ [提示]　金属探测器的探测线圈中有变化着的电流，会在隐蔽金属中感应出涡流，涡流的磁场反过来影响探测线圈中的电流，使仪器报警。 返回导航 课堂　深度探究 1．涡流的产生 涡流实际上是一种特殊的电磁感应现象，当导体处在变化的磁场中，或者导体在非匀强磁场中运动时，导体内部可以等效成许许多多的闭合电路，当穿过这些闭合电路的磁通量变化时，在导体内部的这些闭合电路中将产生感应电流，即导体内部产生了涡流。 返回导航 课堂　深度探究 2．能量转化 伴随着涡流现象，其他形式的能转化成电能，最终在金属块中转化为内能。如果金属块放在了变化的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能；如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，则由于克服安培力做功，金属块的机械能转化为电能，最终转化为内能。 返回导航 课堂　深度探究 3．涡流的防止和利用 (1)为了减小涡流，变压器、电机里的铁芯不是由整块的钢铁制成的，而是用薄薄的硅钢片叠合而成。 (2)用来冶炼合金钢的真空冶炼炉，炉外有线圈，线圈中通入迅速变化的电流，炉内的金属中产生涡流，涡流产生的热量使金属熔化。 返回导航 课堂　深度探究 角度1　涡流的产生 　　　(2023·江苏苏州期中)工业上探测物件表面层内部是否存在缺陷的涡流探伤技术原理图如图所示，其原理是将线圈中通入电流，使被测物件内产生涡流，借助探测线圈内电流变化测定涡流的改变，从而获得被测物件内部是否断裂及位置的信息，关于以上应用实例理解正确的是(　　) A．线圈所连接的电源可以是直流电源 B．线圈所连接的电源应该是交流电源 C．能被探测的物件可以是非导电材料 D．工业涡流探伤技术运用了自感原理 √ 返回导航 课堂　深度探究 [解析]　为产生涡流，线圈所连接的电源必须是交流电源，A错误，B正确； 能被探测的物件必须是导电材料，否则不会产生涡流，C错误； 工业涡流探伤技术其原理是用电流线圈使物件内产生涡电流，借助探测线圈测定涡电流的改变技术，不是自感原理，D错误。 返回导航 课堂　深度探究 角度2　涡流的防止和利用 　　　(多选)用涡流金属探测器探测地下金属物的示意图如图所示。关于该探测器，下列说法正确的是(　　) A．探测器内的探测线圈会产生交变磁场 B．探测器只能探测到有磁性的金属物 C．探测器能探测到地下的金属物是因为探头中产生了涡流 D．探测器能探测到地下的金属物是因为金属物中产生了涡流 √ √ 返回导航 课堂　深度探究 [解析]　用涡流金属探测器探测地下金属物时，探测器内的探测线圈会产生交变磁场，从而使金属物中产生涡流，而涡流产生的磁场再被探测器探测到，而被探测物只要是金属即可，不一定具有磁性，故A、D正确，B、C错误。 返回导航 课堂　深度探究 　　　电磁炉又名电磁灶(图1)，它无须明火或传导式加热，而是让热直接在锅底产生，因此热效率得到了极大的提高。图2是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是(　　)  A．电磁炉通电线圈加直流电，电流 越大，电磁炉加热效果越好 B．电磁炉原理是通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作 C．在锅和电磁炉中间放一绝缘物质，电磁炉不能起到加热作用 D．电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因是这些材料的导热性能较差 √ 返回导航 课堂　深度探究 [解析]　电磁炉通电线圈加直流电，会产生恒定磁场，穿过锅底的磁通量不会发生变化，不能产生涡流，所以没有加热效果，故A错误； 电磁炉的原理是磁场感应涡流加热，即利用交变电流通过线圈产生交变磁场，所以电磁炉通过线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作，故B正确； 在锅和电磁炉中间放一绝缘物质，不会影响涡流的产生，因此不会影响电磁炉的加热作用，故C错误； 金属锅自身产生无数小涡流而直接加热锅，陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，不会产生涡流，而不是因为导热性能较差，故D错误。 返回导航 课堂　深度探究 随堂　巩固落实 PART 03 第三部分 36 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 √ 返回导航 随堂　巩固落实 解析：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，因其电阻不计，则有较大的感应电流流过B灯，B闪亮一下后熄灭，D错误。 返回导航 随堂　巩固落实 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 √ 返回导航 随堂　巩固落实 解析：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。 返回导航 随堂　巩固落实 3.(涡流的应用)涡流探伤是工业上常用的技术之一，该技术通 过励磁线圈使构件中产生涡电流，再借助探测线圈测定涡电 流的变化量，从而获得构件缺陷的有关信息，则(　　) A．工作时励磁线圈必须要与被测构件接触 B．涡流探伤也适用于检测橡胶构件的缺陷 C．励磁线圈中应该通入恒定电流完成检测 D．探测线圈是根据接收到的涡流磁场工作的 √ 返回导航 随堂　巩固落实 解析：涡流探伤技术的原理是用励磁线圈使被测构件内产生涡电流，借助探测线圈测定涡电流的改变，故工作时励磁线圈不需要与被测构件接触，故A错误； 因橡胶构件不能产生涡流，所以涡流探伤不适用于检测橡胶构件的缺陷，故B错误； 励磁线圈中通入交变电流才能产生变化的磁场，当金属构件处于该磁场中时，该金属构件中才会发生电磁感应现象产生涡流，完成检测，由此可知，探测线圈是根据接收到的涡流磁场工作的，故C错误，D正确。 返回导航 随堂　巩固落实 4．(涡流的应用)(多选)高频焊接原理示意图如图所示。线圈中通以高频交变电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流通过焊缝处产生大量热量，将金属熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热很少，以下说法正确的是(　　) A．交流电的频率越高，焊缝处的温度升高得越快 B．交流电的频率越低，焊缝处的温度升高得越快 C．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小 D．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大 √ √ 返回导航 随堂　巩固落实 解析：交变电流的频率越高，它产生的磁场的变化就越快，根据法拉第电磁感应定律，可知在待焊接工件中产生的感应电动势就越大，感应电流就越大，而放出的热量与电流的平方成正比，所以交变电流的频率越高，焊缝处放出的热量越多；焊缝处与其他地方的电流大小一样，根据Q＝I2Rt，工件上只有焊缝处温度升得高，是因为焊缝处电阻很大，故A、D正确。 返回导航 随堂　巩固落实 　(2023·重庆一中期末)如图电路，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(　　) $