2.3 自感现象与涡流 课件 -2025-2026学年高二下学期物理鲁科版选择性必修第二册

该高中物理课件聚焦自感现象与涡流，系统梳理自感现象的定义、通电与断电自感特点、自感电动势及涡流的产生与应用，通过电磁感应规律分析现象，搭建从已有知识到新内容的学习支架。 其亮点在于以情境探究（如断电自感电路分析）和要点归纳（自感四大特点）培养科学思维，结合高频焊接等实际应用渗透科学态度与责任，通过新知检测和思维探究引导科学探究。学生能深化理解，教师可提升教学效率。

第3节　自感现象与涡流 1.能够利用电磁感应的有关规律分析通电自感和断电自感现象,了解自感电动势、自感系数的意义和决定因素。2.了解涡流现象及其利用和危害。 [定位·学习目标]　 探究·必备知识 「知识梳理」 知识点一　自感现象 1.自感现象:由线圈 所产生的电磁感应现象。 自身的电流变化 2.通电自感和断电自感 项目 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A1 ,A2 电流的增加 逐渐亮起来 立即变亮 阻碍 断电 自感 断开开关的瞬间,灯泡A1 , A2 电流的 减小 逐渐变暗 立即熄灭 阻碍 知识点二　自感电动势 1.定义:由线圈 所产生的感应电动势称为自感电动势。 自身电流变化 3.自感系数大小的决定因素:自感系数与线圈的形状、 、长短、 以及是否有 等因素有关。 自感 电感 亨利 10-3 10-6 横截面积 匝数 铁芯 知识点三　涡流及其应用 1.定义 将一金属块放在变化的磁场中,穿过金属块的磁通量发生变化,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,就像旋涡一样 (如图)。我们把这种感应电流称为 ,简称 。 涡电流 涡流 2.应用 (1)电磁炉的工作原理与 有关。当 50 Hz 的交变电流流入电磁炉时,变频装置可将其变为高频电流(20～50 kHz)进入炉内的线圈中。由于电流的变化频率较高,通过铁质锅底的磁通量变化率较大,根据电磁感应定律可知,产生的感应电动势也较大,会在锅底产生很强的涡电流,使锅底迅速发热,进而加热食物。 (2)金属探测器应用于 、探雷器等。 安检门 涡流 3.防止 变压器、电动机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。 (1)减少发热途径一:先把硅钢轧制成很薄的板材,板材外涂以绝缘材料,再把板材叠放在一起,形成铁芯。这样,涡流被限制在薄片之内,由于回路的 很大,涡流大为 。 (2)减少发热途径二:组成铁芯的硅钢电阻率 ,也可进一步减少涡流造成的损失。 电阻 减弱 大 1.思考判断 (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)涡流是由整块导体发生的电磁感应现象,不遵从电磁感应定律。(　 　) (3)通过增大铁芯材料的电阻率可以减小涡流。(　 　) (4)变压器的铁芯用硅钢片叠成是为了减小涡流。(　 　) √ √ × 「新知检测」 × (5)线圈自感电动势的大小与自感系数L有关,反过来,L与自感电动势也有关。 (　 　) (6)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。(　 　) × × 2.思维探究 (1)自感电动势的作用是什么?方向如何判断? 【答案】 (1)总是阻碍导体中原电流的变化。当原电流增大时,自感电动势与原电流方向相反;当原电流减小时,自感电动势与原电流方向相同。 (2)断电自感现象中,在断开开关后,灯泡仍然亮一会儿,是否违背能量守恒定律? 【答案】 (2)不违背。断电时,储存在线圈内的磁场能转化为电能,用以维持回路保持一定时间的电流,直到电流为零时,磁场能全部转化为电能并通过灯泡转化为内能,可见自感现象遵循能量守恒定律。 突破·关键能力 要点一　对自感现象的理解及应用 「情境探究」 如图所示为演示断电自感的电路,先闭合开关使灯泡发光,然后断开开关。回答以下问题: (1)为什么灯泡A不立即熄灭? 【答案】 (1)电源断开时,A中由电源提供的电流瞬间变为零,而通过线圈L的电流减小,线圈中会产生自感电动势,且线圈L与灯泡A构成闭合回路,线圈L对A进行供电,所以灯泡A不会立即熄灭。 (2)L中感应电流的方向与原电流的方向有什么关系?产生的感应电动势在电路中起什么作用? 【答案】 (2)L中感应电流的方向与原电流的方向相同,产生的感应电动势在电路中起阻碍电流减小的作用。 (3)开关断开后,通过灯泡的感应电流与原来通过它的电流方向有什么关系? 【答案】 (3)原来通过灯泡的电流方向从左向右,开关断开后,通过灯泡的感应电流方向从右向左,所以通过灯泡的感应电流方向与原来通过它的电流方向相反。 「要点归纳」 1.自感现象的四大特点 (1)自感电动势总是阻碍线圈中原电流的变化。 (2)通过线圈中的电流不能发生突变,只能缓慢变化。 (3)电流稳定时,自感线圈就相当于普通导体。 (4)线圈的自感系数越大,自感现象越明显,自感电动势只是延缓了过程的进行,但它不能使过程停止,更不能使过程反向。 2.自感现象中灯泡亮度变化的问题 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I1突然变大,然后逐渐减小达到稳定,灯泡突然变亮然后逐渐变暗,最后亮度不变 断电时 电流逐渐减小,灯泡逐渐变暗,电流方向不变 电路中稳态电流为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。 两种情况下灯泡电流方向均改变 [例1] 关于自感现象、自感系数、自感电动势,下列说法正确的是(　　) A.当线圈中通恒定电流时,线圈中没有自感现象,线圈自感系数为零 B.线圈中电流变化越快,线圈的自感系数越大 C.自感电动势与原电流方向相反 D.对于确定的线圈,其产生的自感电动势与其电流变化率成正比 D [针对训练1] 关于自感系数,下列说法正确的是(　　) A.自感系数越大,自感电动势越大 B.自感系数L由线圈自身的性质决定,与线圈的大小、形状、匝数、有无铁芯有关 C.其他条件相同,线圈越细自感系数越大 D.其他条件相同,有铁芯的比没有铁芯的自感系数小 B [例2] 如图所示的电路中,A和B是两个完全相同的小灯泡,L是一个自感系数很大、直流电阻可忽略不计的电感线圈。当S闭合与断开的瞬间,对A、B的发光情况判断正确的是(　　) A.S闭合的瞬间,A、B同时立即发光,且一样亮 B.S闭合的瞬间,B立即发光,A逐渐变亮,最后两灯一样亮 C.S闭合足够长时间后再断开,A、B立即熄灭 D.S闭合足够长时间后再断开,B闪亮一下再熄灭 B 【解析】 当S闭合时,电路产生通电自感,会使A逐渐变亮,而B立即发光,稳定后A、B电流相等,两灯一样亮,选项A错误,B正确;当S断开时,会产生断电自感,此时A、B会逐渐熄灭,但不会闪亮,选项C、D错误。 断电自感的三点说明 (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,后者相当于导线。 ·方法总结· [针对训练2] 如图所示,A、B是两盏完全相同的白炽灯,L是电阻不计的电感线圈。若最初S1是接通的,S2是断开的,那么下列描述正确的是(　　) A.刚接通S2,A灯立即亮,B灯延迟一段时间才亮 B.刚接通S2时,A灯延迟一段时间才亮,B灯立即亮 C.接通S2到电路稳定,B灯由亮变暗最后熄灭 D.接通S2,电路稳定后再断开S2时,A、B灯均立即熄灭 C 【解析】 刚接通S2时,由于电感线圈L会发生通电自感现象,使通过线圈的电流由零逐渐增大,所以灯泡A、B会同时变亮;从接通S2到电路稳定,由于线圈的电阻不计,则B灯被短路,B灯由亮变暗最后熄灭,电源只给A灯供电,A灯将变得更亮,故A、B错误,C正确。接通S2,电路稳定后再断开S2时,A灯与电路断开将立即熄灭,而B灯与电感线圈构成闭合电路,由于线圈的自感现象,B灯会先亮一下,然后慢慢熄灭,故D错误。 要点二　涡流 「情境探究」 如图所示是电磁炉的工作原理图,电磁炉具为什么用平底的铁锅?涡流发生时,伴随着哪些能量发生转化? 【答案】 在平底的铁锅底部产生涡流,从而使得锅底温度升高,起到加热作用。磁场能转化为电能,最终转化为内能。 「要点归纳」 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变化的磁场中运动。 2.产生涡流时的能量转化 (1)金属块在变化的磁场中,磁场能转化为电能,最终转化为内能。 (2)金属块进出磁场或在变化的磁场中运动,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。 3.涡流的应用与防止 (1)应用:真空冶炼炉、探雷器、安检门等。 (2)防止:为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流,常用电阻率较大的硅钢做材料,而且用相互绝缘的硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯。 [例3] (双选)如图所示是冶炼金属的高频感应炉的示意图。高频感应炉中装有待冶炼的金属,当线圈中通有电流时,通过产生涡流来熔化金属。以下关于高频感应炉的说法正确的是(　 　) A.高频感应炉的线圈中必须通有变化的电流,才会产生涡流 B.高频感应炉的线圈中通有恒定的电流,也可以产生涡流 C.高频感应炉是利用线圈中的感应电流产生的焦耳热使金属熔化的 D.高频感应炉是利用炉内金属中的涡流的热效应使金属熔化的 AD 【解析】 变化的电流才能产生变化的磁场,引起感应炉中磁通量的变化,待冶炼金属内才会产生感应电流(涡流),恒定的电流不会使感应炉中的磁通量发生变化,待冶炼金属内不会产生涡流,选项A正确,B错误;当感应炉内装入待冶炼的金属时,金属中产生的涡流使金属熔化,高频感应炉不是利用线圈中的感应电流产生的焦耳热使金属熔化的,而是利用炉内金属中的涡流的热效应使金属熔化的,选项C错误,D正确。 (1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象,同样遵循法拉第电磁感应定律。 ·学习笔记· [针对训练3] 电磁炉又名电磁灶,它无需明火或传导式加热而让热直接在锅底产生,因此热效率得到了极大的提高,是一种高效节能厨具,完全区别于传统的有火或无火传导加热厨具。由高频感应加热线圈(即励磁线圈)、高频电力转换装置、控制器及铁磁材料锅底炊具等部分组成。图示是描述电磁炉工作原理的示意图,下列说法正确的是(　　) A.电磁炉通电线圈加交流电后,在图示通电线圈中产生热量从而对锅体加热 B.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 C.电磁炉不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅,主要原因是这些材料不能产生涡流 D.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 【解析】 电磁炉通电线圈加交流电后,在通电线圈中产生变化的磁场,通过锅的磁通量变化,在锅中产生感应电流对锅加热,故A错误;当恒定电流通过线圈时,不能产生变化的磁场,不能在锅中产生感应电流,无法加热,故B错误;锅能加热是因为锅底产生电磁感应现象,在锅底产生涡流,所以电磁炉不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅的主要原因是这些材料不能产生涡流,故C正确;锅能加热是因为锅底产生电磁感应现象,在锅底产生涡流,所以在锅和电磁炉中间放一纸板,电磁炉也能起到加热作用,故D错误。 提升·核心素养 「模型·方法·结论·拓展」 对自感现象的分析思路 明确通过自感线圈的电流的变化情况 (增大还是减小) ↓ 根据“增反减同”,判断自感电动势的方向 分析阻碍的结果 ↓ 电流增大时,由于自感电动势的作用,线圈中电流逐渐增大,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,线圈中电流逐渐减小,与线圈串联的元件中的电流也逐渐减小。 [示例] 在如图所示的电路中,a、b、c为三盏完全相同的灯泡,L是电感线圈,直流电阻为RL,不能忽略,下列说法正确的是(　　) A.闭合开关后,c先亮,a、b后亮 B.断开开关后,c立即熄灭,b缓慢熄灭 C.断开开关后,b、c同时熄灭,a缓慢熄灭 D.断开开关后,a缓慢熄灭,b闪亮一下后缓慢熄灭 B 【解析】 开关闭合,因通过电感线圈L的电流增大,自感电动势会阻碍电流的增大,则b、c同时亮,a缓慢变亮,故A错误;断开开关,c会立即熄灭;因为流过线圈的电流减小,线圈会阻碍电流的减小,线圈与b、a形成回路,由于线圈的直流电阻不能忽略,开关闭合时通过线圈的电流比通过b的电流小,断开开关时流过b的电流较断开前反向减小,b不会闪亮而是缓慢熄灭,故B正确,C、D错误。 「科学·技术·社会·环境」 高频焊接 高频焊接是指利用高频电流流经工件接触面所产生的电阻热,并施加压力 (或不施加压力),使金属工件形成连接的一种焊接方法。高频焊接与电阻焊接不同。高频焊接时,焊接电流仅在工件表面平行接触;电阻焊接的电流是垂直于焊接界面流动。高频焊接的电源频率范围为300～450 kHz,电阻焊接则是使用50 kHz的高频电流。 高频焊接具有下列特点: (1)由于电流高度集中于焊接区,加热速度极快,因而焊接速度可高达150～200 m/min。 (2)因焊接速度快,焊件自冷作用强,故不仅热影响区小,而且还不易发生氧化,因此焊缝的组织和性能十分优良。 (3)焊前焊件表面可以不进行清理工作,因而提高了效率。 (4)能焊接的金属种类广,产品的形状规格多。 [示例] (双选)如图所示是高频焊接原理示意图。线圈中通以高频变化的电流时,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.电流变化的频率越低,焊缝处的温度升高得越快 B.电流变化的频率越高,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较小 D.工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻较大 BD 【解析】 高频焊接利用高频交变电流产生高频交变磁场,在待焊接工件中产生感应电流,根据法拉第电磁感应定律分析知,电流变化的频率越高,磁通量变化率越大,产生的感应电动势越大,感应电流越大,焊缝处的温度升高得越快,A错误,B正确;焊缝处的电阻大,电流相同时,焊缝处的电功率大,温度高,C错误,D正确。 检测·学习效果 1.为了研究电磁炉的工作原理,某同学制作了一个简易装置。如图所示,将一根电线缠绕在铁芯外部,接通交流电源,放置在铁芯上方的不锈钢锅具开始发热。下述可以增大锅具的发热功率的办法是(　　) A.增大交流电源的频率 B.把不锈钢锅换成砂锅 C.将电源换成电动势更大的直流电源 D.把线圈内部的铁芯去掉 A 【解析】 当下方线圈通入交流电时,不锈钢锅具中会产生感应电动势,形成涡流而产生热量,增大交流电源的频率,即增大磁通量的变化率,使感应电动势增大,电流增大,热功率增大,故A正确;砂锅不是导体,把不锈钢锅换成砂锅,则不会产生涡流,不发热,故B错误;换成直流电源,恒定电流产生恒定的磁场,穿过不锈钢锅的磁通量不变,不锈钢锅中不会有感应电流,热功率为0,故C错误;把线圈内部的铁芯去掉,则磁场减弱,磁通量变化率减小,感应电动势减小,感应电流减小,热功率变小,故D错误。 2.某同学为了验证自感现象,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、二极管D、开关S和电池组E等,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,A不亮,B逐渐变亮 B.闭合S瞬间,A、B同时亮 C.闭合S待电路稳定后,A、B亮度一样 D.断开S瞬间,B闪亮后逐渐熄灭 A 【解析】 根据实物图画出电路图如图所示,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,电路稳定后B亮度保持不变;而A灯泡和二极管串联,二极管阻止由S向A的电流通过,故A灯泡一直不亮,故A正确,B、C错误。断开开关的瞬间,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B灯泡是缓慢熄灭,A会先亮再逐渐熄灭,故D错误。 3.如图为演示自感现象的实验电路,A1、A2为相同的灯泡,电感线圈的自感系数较大,且使得滑动变阻器R接入电路中的阻值与线圈直流电阻相等,下列判断正确的是(　　) A.断开开关S,灯A1、A2逐渐熄灭 B.闭合开关S,灯A2逐渐变亮,A1立即变亮 C.闭合开关S,灯A1、A2立即变亮 D.断开开关S,灯A1逐渐熄灭,A2闪一下再逐渐熄灭 A 【解析】 闭合开关S,线圈L产生自感电动势阻碍线圈所在支路的电流增大,所以通过A1的电流逐渐增大,A1逐渐变亮,而该自感电动势对通过A2的电流无影响,所以A2立即变亮,故B、C错误;因为R接入电路的阻值与线圈L的直流电阻相等,所以闭合开关S后待电路稳定时,通过A1和A2的电流大小相等,断开开关S,此时A1、A2、R和L串联在同一回路中,L产生自感电动势阻碍回路中电流减小,因为A1和A2初始电流相等,所以通过A2的电流不会突然增大,即A2不会闪亮,两灯都逐渐熄灭,故A正确,D错误。 4.如图甲所示是高频焊接原理示意图,线圈中通以图乙所示的交变电流时 (以电流顺时针为正方向),待焊接的金属工件中就产生感应电流,感应电流流过工件产生大量热量,将金属熔化,把工件焊接在一起,下列说法正确的是(　　) A.待焊接金属工件中产生的感应电流为直流电 B.图乙中的交流电的频率越小,焊缝处的温度上升越快 C.0.5×10-6～1×10-6 s内,工件中的感应电流在减小 D.1×10-6～1.5×10-6 s内,工件中的感应电流方向为顺时针 D 感谢观看 2.自感电动势的大小:E=L,其中L是自感系数,简称 或 ,单位是 ,符号是H。1 mH= H,1 μH= H。 【解析】 自感系数是描述线圈特性的物理量,只与线圈本身的形状、横截面积、长短、匝数以及是否有铁芯等因素有关,选项A、B错误;根据楞次定律,当线圈中电流增大时,自感电动势阻碍电流增大,其方向与原电流方向相反,当线圈中电流减小时,自感电动势阻碍电流减小,其方向与原电流方向相同,选项C错误;对于确定的线圈,自感系数L一定,其产生的自感电动势与其电流变化率成正比,选项D正确。 【解析】 由自感电动势公式E=L知,自感电动势不仅由自感系数决定,还与电流变化快慢有关,故A错误;自感系数与线圈的大小、形状、匝数、有无铁芯有关,与其他因素无关,故B正确;自感系数与线圈的大小、粗细有关,当其他条件相同时,线圈越细自感系数越小,故C错误;其他条件相同,有铁芯的比没有铁芯的自感系数大,故D错误。 (2)磁场变化越快(越大),导体的横截面积S越大,导体材料的电阻率越小,形成的涡流就越大。 【解析】 线圈中电流为正弦式变化,线圈中电流产生的磁场也是正弦式变化,在金属工件中的感应电流是交流电,故A错误;线圈中电流变化的频率越高,金属工件的磁通量变化频率就越高,根据E=n 可知,产生的感应电动势就越大,感应电流越大,焊缝处的温度上升越快,故B错误;0.5×10-6～1×10-6 s内,线圈中的电流变化率在变大,磁场的变化率变大,所以金属工件的磁通量变化率也在增大,工件中的感应电流在增大,故C错误;1×10-6～1.5×10-6 s内,线圈中的电流沿逆时针增大,穿过金属的磁场方向垂直于纸面向外,且不断增大,磁通量不断增大,根据楞次定律可知工件中的感应电流方向为顺时针,故D正确。 $