第2章 第3节 自感现象与涡流（Word教参）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（鲁科版 福建专用）

第3节　自感现象与涡流(强基课——逐点理清物理观念) 课标要求 学习目标 1.通过实验，了解自感现象和涡流现象。 2.能举例说明自感现象和涡流现象在生产生活中的应用。 1.形成自感与涡流的概念。 2.通过独立思考和合作讨论的方式，形成归纳总结和质疑创新的思维。 3.能完成“探究自感现象”的物理实验，并能分析现象得到实验结论，能根据实验中的问题提出改进措施。 4.能体会自感现象和涡流现象在生产生活中的应用与防护。 逐点清(一)　自感现象 [多维度理解] 1.通电自感 (1)实验现象：按图连接电路，闭合开关，调节变阻器R0，使两灯泡的亮度相同。断开开关，再次闭合开关接通电路时，与变阻器R0串联的小灯泡1立刻亮了，与线圈L串联的小灯泡2逐渐亮起来。 (2)现象解释：在闭合开关接通电路的瞬间，电流由零开始迅速增大，小灯泡2所在支路穿过线圈的磁通量也随之增大，线圈中会产生感应电动势。根据楞次定律，这个感应电动势要阻碍线圈中的电流增大，使小灯泡2迟一会儿才与小灯泡1同样亮。 2.断电自感 (1)实验现象：按图连接电路，闭合开关，调节变阻器R0，使两灯泡的亮度相同。开关断开时，小灯泡2立刻熄灭，但与线圈L并联的小灯泡1没有立刻熄灭，而是过一会儿后才熄灭。这说明在开关断开的瞬间，线圈L与小灯泡1所构成的回路中仍然有电动势和电流存在。 (2)现象解释：在开关断开的瞬间，通过线圈的电流突然减小，穿过线圈的磁通量也随之减小，从而发生电磁感应现象，线圈中产生的感应电动势阻碍电流的减小。这样线圈L和小灯泡1所构成的回路中仍然有电流通过，因此小灯泡并不立即熄灭。 3.自感现象：由线圈自身的电流变化所产生的电磁感应现象称为自感现象。 [全方位练明] 1.判断下列说法是否正确。 (1)在通电自感现象中，感应电动势起到阻碍电流增大的作用。 (√) (2)在断电自感现象中，感应电动势起到阻碍电流减小的作用。 (√) 2.某同学为了验证断电自感现象，自己找来带铁芯的线圈L、小灯泡A、开关S和电池组E，用导线将它们连接成如图所示的电路。检查电路后，闭合开关S，小灯泡发光;再断开开关S，小灯泡仅有不显著的延时熄灭现象。虽经多次重复，仍未见老师演示时出现的小灯泡闪亮现象，他冥思苦想找不出原因。你认为最有可能造成小灯泡未闪亮的原因是 (　　) A.电源的内阻较大　　　 B.小灯泡电阻偏大 C.线圈电阻偏大 D.线圈的自感系数较大 解析：选C　在断电自感现象中，断电时线圈与小灯泡构成回路，线圈中储存的磁场能转化为电能，线圈相当于电源，自感电动势E自=L，与原电源无关，A错误;如果小灯泡电阻偏大，则通过线圈的电流较大，断电时可能看到显著的延时熄灭现象和小灯泡闪亮现象，B错误;如果线圈电阻偏大，则通过线圈的电流较小，断电时只能看到不显著的延时熄灭现象，且小灯泡不会出现闪亮现象，C正确;如果线圈的自感系数较大，则自感电动势较大，可能看到显著的延时熄灭现象和小灯泡闪亮现象，D错误。 3.让几位同学“串联”在电路中，电源只需1节干电池。闭合开关S前，学生的体验——“无感觉”;闭合开关S后，学生的体验——“无感觉”;断开开关S瞬间，同学突然受到电击——“迅速收回双手”。这是为什么呢? 提示：断开开关S，线圈中电流变小，线圈L中产生自感电流阻碍电路中原电流的减小，所以人会受到电击。 逐点清(二)　自感电动势 [多维度理解] 1.定义：由线圈自身电流变化所产生的感应电动势。 2.意义：自感电动势总是要阻碍导体自身的电流发生变化。 3.自感系数 物理意义 表征产生自感电动势本领的大小 大小决定因素 线圈的形状、横截面积、长短、匝数、铁芯等 单位 亨(H)、毫亨(mH)、微亨(μH) 4.拓展一步 自感电动势公式：E=L。其中L为线圈的自感，为电流变化率。 [微点拨] 1.自感电动势的产生原因 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时间变长，即总是起着推迟电流变化的作用。 [典例]　(双选)如图所示，L是自感很大、电阻不计的线圈，当合上或断开开关S1和S2后，下列情况可能发生的是 (　　) A.S2断开，S1合上瞬间，Q灯逐渐亮起来 B.合上S1、S2稳定后，P灯是亮的 C.保持S2闭合，断开S1瞬间，Q灯立即熄灭，P灯闪亮一下再熄灭 D.保持S2闭合，断开S1瞬间，P灯和Q灯都是过一会才熄灭 [解析]　自感作用延缓了电路中电流的变化，使得在通电瞬间含线圈的电路相当于断路，而断电时线圈相当于一个电源，通过放电回路将贮存的能量释放出来。而一般的纯电阻电路可以认为通电时立即有电流，断电时电流立即消失。S2断开，S1合上瞬间，由于线圈的自感作用，流过Q灯的电流将逐渐增大，Q灯逐渐变亮，A正确(注意，P灯是立即就亮);合上S1、S2，稳定后，由于RL为零，P灯被短路，故P灯是暗的，B错误;保持S2闭合，断开S1瞬间，线圈L和P灯构成放电回路，由于自感作用，L中的电流值将由原来稳定值逐渐减小，而原来IL>IP，所以P灯将亮一下再熄灭，而跟Q灯并联的是电阻，故Q灯立即熄灭，故C正确，D错误。 [答案]　AC [思维建模] (1)断开开关后，灯泡是否瞬间变得更亮，取决于电路稳定时两支路中电流的大小关系，即由两支路中电阻的大小关系决定。 (2)若断开开关后，线圈与灯泡不能组成闭合回路，则灯泡会立即熄灭。 (3)自感线圈直流电阻小与直流电阻不计含义不同，稳定时，前者相当于定值电阻，后者出现短路。 [全方位练明] 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决定 解析：选D　自感系数是线圈本身的固有属性，取决于线圈的形状、横截面积、长短、匝数等因素，而与电流变化快慢等外部因素无关。自感电动势的大小与线圈自感系数及电流变化率有关，A、B、C错误，D正确。 2.(双选)如图所示，电池的电动势为E，内阻不计，线圈自感系数较大，直流电阻不计。当开关S闭合后，下列说法正确的是 (　　) A.a、b间电压逐渐增加，最后等于E B.b、c间电压逐渐增加，最后等于E C.a、c间电压逐渐增加，最后等于E D.电路中电流逐渐增加，最后等于 解析：选BD　由于线圈自感系数较大，在开关闭合瞬间，a、b间近似断路，所以a、b间电压很大，随着电流的增加，a、b间电压减小，b、c间电压增大，最后稳定后，a、b间电压为零，b、c间电压等于E，电流大小为I=，a、c间电压恒等于E，选项B、D正确，A、C错误。 3.在如图所示的电路中，两个相同的小灯泡A1和A2分别串联一个带铁芯的线圈L和一个滑动变阻器R。闭合开关S后，调整R，使A1和A2发光的亮度一样，此时流过两个灯泡的电流均为I。然后，断开开关S，若t'时刻再闭合开关S，则在t'前后的一小段时间内，下图中正确反映流过A1的电流i1、流过A2的电流i2随时间t变化的图像是 (　　) 解析：选B　由题中给出的电路可知，电路是线圈L与A1串联，A2与滑动变阻器R串联，然后两个支路并联。在t'时刻，A1支路中的电流因为有线圈L的自感作用，所以i1由0逐渐增大。A2支路为纯电阻电路，i2不存在逐渐增大的过程，若不计电池的内阻，则i2不变;若考虑电池的内阻，i2会略有减小，B正确。 逐点清(三)　涡流及其应用 [多维度理解] 1.定义 由于电磁感应，在导体中产生的像旋涡一样的感应电流。 2.特点 若金属的电阻率小，涡流往往很强，产生的热量很多。 3.应用 (1)涡流热效应：如真空冶炼炉、电磁炉。 (2)涡流磁效应：如探雷器、安检门。 4.防止 电动机、变压器和发电机等设备应防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量，损坏电器。 (1)途径一：增大铁芯材料的电阻率。 (2)途径二：用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整个硅钢铁芯。 [微点拨] 1.产生涡流的两种情况 (1)块状金属放在变化的磁场中。 (2)块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动。 2.产生涡流时的能量转化 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。 (1)金属块放在变化的磁场中，磁场能转化为电能，最终转化为内能。 (2)如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，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。 [典例]　光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图所示，抛物线的方程为y=x2，其下半部分处在一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是y=a的直线(如图中的虚线所示)。一个小金属块从抛物线上y=b(b>a)处以速度v沿抛物线下滑，假设滑动的时间足够长，则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量是(重力加速度为g) (　　) A.mgb　　　　　　　 B.mv2 C.mg(b-a) D.mg(b-a)+mv2 [解析]　因虚线下方的磁场是匀强磁场，则金属块整体在磁场内运动时磁通量不变，金属块内不产生涡流，机械能不变，则金属块最终在磁场区域内做往复运动。金属块由初状态到末状态能量守恒，初状态机械能E1=mgb+mv2，末状态机械能E2=mga，产生的焦耳热Q=E1-E2=mg(b-a)+mv2，D正确。 [答案]　D 　　[变式拓展]　对应[典例]中的情境，若虚线下方的磁场为非匀强磁场，则金属块在曲面上滑动时产生的焦耳热总量是多少? [解析]　由于虚线下方的磁场为非匀强磁场，则金属块最终停止于最低点O处，由能量守恒定律可知，产生的焦耳热总量Q=mgb+mv2。 [答案]　mgb+mv2 [思维建模] (1)金属块进出磁场时，产生焦耳热，损失机械能。 (2)金属块整体在匀强磁场中运动时，其机械能不再损失，在磁场中做往复运动。 (3)金属块整体在非匀强磁场中运动时，金属块内部有涡流产生，金属块的机械能仍转化为电能。 [全方位练明] 1.电磁炉热效率高达90%，炉面无明火，无烟无废气，“火力”强劲，安全可靠，如图所示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是 (　　) A.当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场，恒定磁场越强，电磁炉加热效果越好 B.在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用 C.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 D.电磁炉通电线圈加变化的电流后，在锅底产生涡流，进而发热工作 解析：选D　锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，所加的电流是变化的电流，不是恒定的电流，A错误，D正确;在锅和电磁炉中间放一纸板，不会影响电磁炉的加热作用，B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，里面不会产生涡流，C错误。 2.如图所示，一根长1 m左右的无缝空心铝管竖直放置，把一枚磁性比较强的小圆柱形永磁体从铝管上端放入管口，圆柱直径略小于铝管的内径。让磁体从管口处由静止下落，磁体在管内运动时，没有跟铝管内壁发生摩擦。有关磁体在铝管中下落的过程，下列说法可能正确的是 (　　) A.磁体做自由落体运动 B.磁体受到铝管中涡流的作用力方向先向上后向下 C.磁体受到的合力方向一直向下 D.磁体的机械能先增大后减小 解析：选C　由于是无缝空心铝管，故磁体下落时，会产生电磁感应，出现涡流，根据楞次定律可知，会产生阻力阻止磁体的下落。开始时，磁体的速度较小，受到的阻力小于重力，合力向下，当磁体的速度逐渐增大时，磁体所受阻力也增大，加速度减小。当空心铝管足够长时，磁体会先做加速度逐渐减小的加速运动，达到最大速度时，磁体所受阻力等于重力，做匀速直线运动，因此磁体不可能做自由落体运动，且磁体受到铝管中涡流的作用力方向一直向上，故A、B错误;当铝管长度有限时，磁体可能达不到最大速度就穿过了铝管，即该过程中磁体的合力方向一直向下，故C可能正确;由于一直存在阻力做负功，因此磁体的机械能一直减小，故D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $