第2章 第4节 互感和自感-【优学精讲】2026-2027学年高中物理选择性必修二同步教参（人教版）

第4节　互感和自感 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.知道磁场具有能量。 一、互感现象 1．互感：两个线圈之间并没有导线相连，但当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势。这种现象叫作互感。 2．互感的应用：利用互感现象可以把能量由一个线圈传递到另一个线圈，如变压器就是利用互感现象制成的。 3．互感的危害：互感现象可以发生于任何两个相互靠近的电路之间，互感现象有时会影响电路的正常工作。 二、自感现象：当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场在线圈本身激发出感应电动势。这种现象称为自感。 三、自感系数 1．自感电动势：由于自感现象而产生的感应电动势。自感电动势E＝L，其中L叫作自感系数，简称自感或电感。 2．自感系数 (1)单位：亨利，简称亨，符号是H。 (2)决定自感系数大小的因素：线圈的大小、形状、匝数，以及是否有铁芯等。 四、磁场的能量 1．线圈中电流从无到有时：磁场从无到有，电源把能量输送给磁场，储存在磁场中。 2．线圈中电流减小时：磁场中的能量释放出来转化为电能。 (1)互感现象只能发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间，而不可能产生于相互靠近的电路之间。(　　) (2)互感现象和自感现象均属于电磁感应现象。(　　) (3)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。(　　) (4)线圈的自感系数大，其电阻不一定大。(　　) (5)自感系数越大，自感电动势不一定越大。(　　) 提示：(1)×　(2)√　(3)×　(4)√　(5)√ 知识点一　互感现象 在法拉第的实验中两个线圈并没有用导线连接，当一个线圈中的电流变化时，另一个线圈中为什么会产生感应电动势呢？ [提示]　两个线圈之间并没有导线相连，但当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势。 1．互感原理：当一个线圈中的电流变化时，它产生的磁场就发生变化，变化的磁场在周围产生感生电场，在感生电场的作用下，另一个线圈中的自由电荷定向运动，产生感应电动势。 2．应用与危害 (1)应用：变压器、收音机的磁性天线都是利用互感现象制成的。 (2)危害：在电力工程和电子电路中，互感现象有时会影响电路的正常工作，这时要设法减小电路间的互感。 　下列说法不正确的是(　　) A．一个线圈中的电流变化时，与之靠近的线圈中产生感应电动势的现象称为互感现象 B．互感现象的实质是电磁感应现象，同样遵循楞次定律和法拉第电磁感应定律 C．利用互感现象能够将能量由一个线圈传递到另一个线圈，所以人们制造了收音机的“磁性天线” D．在电力工程以及电子电路中不会出现互感现象而影响电路的正常工作 [解析]　一个线圈中的电流变化时，与之靠近的线圈中产生感应电动势的现象称为互感现象，故A正确，不符合题意；互感现象的实质是电磁感应现象，同样遵循楞次定律和法拉第电磁感应定律，故B正确，不符合题意；利用互感现象能够将能量由一个线圈传递到另一个线圈，所以人们制造了收音机的“磁性天线”，故C正确，不符合题意；互感现象能发生在任何两个相互靠近的电路之间，会影响电力工程以及电子电路中电路的正常工作，故D错误，符合题意。 [答案]　D 　【教材经典P44第1题】如图是一种延时继电器的示意图。铁芯上有两个线圈A和B。线圈A跟电源连接，线圈B两端连在一起，构成一个闭合电路。在断开开关S的时候，弹簧K并不会立刻将衔铁D拉起而使触头C(连接工作电路)离开，而是过一小段时间后才执行这个动作。延时继电器就是因此而得名的。 (1)请解释：当开关S断开后，为什么电磁体还会继续吸住衔铁一小段时间？ (2)如果线圈B不闭合，是否会对延时效果产生影响？为什么？ [解析]　(1)当开关S断开后，使线圈A中的电流减小并消失时，穿过线圈B的磁通量减少，因而在线圈B中将产生感应电流，根据楞次定律，感应电流的磁场要阻碍原磁场的减小，这样就使铁芯中磁场减弱得慢些，即在开关S断开一段时间后，铁芯中还有逐渐减弱的磁场，这个磁场对衔铁D依然有力的作用，因此弹簧K不能立即将衔铁拉起。 (2)如果线圈B不闭合，不会产生延时效果。在开关S断开时，线圈A中电流减小并很快消失，线圈B中只有感应电动势而无感应电流，不会阻碍铁芯中磁场的消失，所以铁芯中的磁场很快消失，磁场对衔铁D的作用力也很快消失，弹簧K很快将衔铁D拉起。 [答案]　见解析 互感现象的理解 (1)互感现象是一种常见的电磁感应现象，它不仅可以发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间，而且可以发生于任何相互靠近的电路之间。 (2)一个线圈中电流变化越快(电流的变化率越大)，另一个线圈中产生的感应电动势越大。 知识点二　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。再次闭合S，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，电流从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，感应电流产生的磁场与原来电流产生的磁场方向相反，则线圈中感应电动势的方向与原来的电流方向相反，阻碍了线圈L中电流的增加，即推迟了电流达到稳定值的时间。 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。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：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，使灯泡瞬时功率增大而闪亮，随后电流逐渐减小直至消失，即灯泡逐渐熄灭。 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．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：电源供给线圈的电流增大时，由于自感电动势的阻碍作用，使得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；断电瞬间，线圈中电流的大小、方向都不变，电流减小，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。 　(2026·辽宁抚顺市期末)如图所示，L是自感系数很大且直流电阻为零的理想线圈，L1、L2是两个相同的灯泡，定值电阻的阻值小于灯泡的电阻，假设灯泡的电阻始终不变。下列说法正确的是(　　) A．闭合开关S，灯泡L1逐渐变亮，灯泡L2瞬间变亮 B．闭合开关S，灯泡L1瞬间变亮，灯泡L2逐渐变亮 C．闭合开关S稳定后，再断开开关S，灯泡L1、L2均瞬间熄灭 D．闭合开关S稳定后，再断开开关S，灯泡L2先闪亮再逐渐熄灭 [解析]　闭合开关S瞬间，灯泡L1、L2同时亮起，A、B错误；闭合开关S稳定后，通过线圈和定值电阻的电流大于通过灯泡L2的电流，断开开关S，灯泡L1瞬间熄灭，在线圈中产生自感电动势阻碍线圈中电流的减小，该电流在灯泡L2中重新形成回路，则灯泡L2先闪亮再逐渐熄灭，C错误，D正确。 [答案]　D 　(2026·广东广州市期中)如图所示，线圈的自感系数为L，电容器的电容为C，电源电动势为E，A1、A2和A3是三个相同的小灯泡。开始时，开关S处于断开状态。忽略线圈电阻和电源内阻，将开关S闭合，下列说法正确的是(　　) A．闭合瞬间，A1和A3同时亮起 B．闭合后，A2亮起后亮度不变 C．稳定后，A1和A3亮度一样 D．稳定后，A2和A3亮度一样 [解析]　闭合开关瞬间，电容器相当于通路，线圈能产生自感电动势，阻碍电流增大，所以A1和A2同时亮起，A3逐渐变亮，故A错误；闭合开关后，电容器充电，充电完成后相当于断路，所以A2亮起后熄灭，稳定后，电容器相当于断路，线圈相当于导线，A1和A3串联，所以A1、A3一样亮，故B、D错误，C正确。 [答案]　C 　(2026·山东济宁市期末)如图所示，电路中有两相同灯泡A1、A2，D为理想二极管，线圈L的直流电阻不计。下列说法正确的是(　　) A．闭合开关S后，A1会立即变亮，然后逐渐变暗 B．闭合开关S后，A2会立即变亮，然后逐渐熄灭 C．断开开关S的瞬间，流过L的电流方向与原来相反 D．断开开关S的瞬间，A2会闪亮一下后逐渐熄灭 [解析]　闭合开关S后，由于二极管加反向电压，则A2不亮，线圈中产生自感电动势阻碍电流增加，则A1会逐渐变亮，A、B错误；断开开关S的瞬间，A1会立刻熄灭，而由于L中产生自感电动势阻碍电流减小，则L相当于电源，与A2、二极管构成新的闭合回路，则此时流过L的电流方向与原来相同，A2会闪亮一下后逐渐熄灭，C错误，D正确。 [答案]　D 自感中“闪亮”与“不闪亮”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突然增大，灯泡立刻变亮，然后电流I2逐渐增大，I1逐渐减小达到稳定 断电 时 电流逐渐减小，灯泡逐渐变暗，灯泡中电流方向不变 ①若I2≤I1，灯泡逐渐变暗； ②若I2>I1，灯泡闪亮后逐渐变暗。 两种情况灯泡中电流方向均改变 知识点三　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(　　) [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，路端电压U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，形成的新的闭合回路中，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。 [答案]　D 　如图所示的电路中，L是自感系数足够大的自感线圈，其直流电阻值小于灯泡D的阻值，电流传感器(相当于电流表)的电阻忽略不计，电源内阻不可忽略。在t＝0时刻闭合开关S，经过一段时间在 t＝t1时刻断开开关S，则下列电流传感器记录的电流随时间变化情况的图像中，可能正确的是(　　) [解析]　闭合S瞬间，线圈中产生自感电动势阻碍电流增加，则线圈相当于断路，此时通过电流传感器的电流最大；随线圈阻碍作用的减小，通过线圈的电流逐渐变大，通过电流传感器的电流逐渐减小，电路稳定后，外电路电阻不变，外电压不变，通过电流传感器的电流不变；因为线圈的直流电阻值小于灯泡D的阻值，稳定后，通过线圈的电流大于通过电流传感器的电流，t＝t1时刻断开开关S，线圈L与灯泡D、电流传感器形成新的闭合回路，此时通过灯泡D的电流比闭合稳定时的要大，由于自感现象，电感线圈阻碍电流减小，原来通过线圈L的电流此时从左向右流过电流传感器，与原来方向相反，且逐渐减小，故A正确，B、C、D错误。 [答案]　A 自感现象中I－t图像的处理技巧 1．(对互感现象的理解)(多选)某电磁冲击钻的原理图如图所示，若突然发现钻头M向右运动，则可能是(　　) A．开关S闭合瞬间 B．开关S由闭合到断开的瞬间 C．开关S已经是闭合的，滑动变阻器滑片P向左迅速滑动 D．开关S已经是闭合的，滑动变阻器滑片P向右迅速滑动 解析：选AC。当开关突然闭合时，左侧线圈上有了电流，产生磁场，而对于右侧线圈来说，线圈中磁通量增加，产生感应电流阻碍磁通量增加，使钻头M向右运动，同理可知，开关由闭合到断开瞬间，钻头M向左运动，故A正确，B错误；当开关S闭合时，只有左侧线圈电流增大才会导致钻头M向右运动，故C正确，D错误。 2．(对自感现象的理解)(2026·北京西城区期中)如图所示的电路中，A1和A2是完全相同的灯泡，线圈L的电阻可以忽略，下列说法正确的是(　　) A．闭合开关S后，A2始终比A1亮 B．闭合开关S后，A2先亮，A1后亮 C．断开开关S后，A2先熄灭，A1过一会儿才熄灭 D．断开开关S后，A2会“闪亮”一下才熄灭 解析：选B。闭合开关S后，A2立即亮，线圈对电流的增大有阻碍作用，所以通过A1的电流缓慢变大，又线圈L的电阻可以忽略不计，A1和A2是完全相同的灯泡，所以最终一样亮，故A错误，B正确；断开开关S后，通过A2的原来的电流立即消失，A1和A2及线圈L构成新回路，线圈对电流的减小有阻碍作用，所以通过A1、A2的电流会缓慢变小直至两灯泡熄灭，但通过灯泡A2的电流大小不变，则不会闪亮一下，故C、D错误。 3.(对自感现象的理解)(2026·浙江宁波市期中)在物理兴趣活动时，老师组织10位健康的同学进行了“千人震”实验，两节干电池，带铁芯的多匝线圈(电阻很小)，开关，同学按如图所示连接，同学们彼此之间手拉手。先闭合开关，待电路稳定后再断开开关，下列说法正确的是(　　) A．闭合开关瞬间，同学们感觉到有电流流过身体 B．断开开关瞬间，同学们感觉到有电流流过身体 C．断开开关瞬间，流过同学们的电流突然减小 D．断开开关瞬间，流过同学们的电流方向为A到B 解析：选B。两节干电池电动势约为3 V，闭合开关瞬间，人体两端的电压等于电源两端电压为3 V，因人体电阻特别大，感觉不到有电流流过身体，故A错误；断开开关的瞬间，由于电流变化太快，导致线圈产生的感应电动势非常大，故线圈两端电压会变大，流过同学们的电流变大，同学们感觉有电流流过身体，故B正确，C错误；断开开关瞬间，线圈产生的电动势要阻碍线圈中的电流变小，因此通过线圈的感应电流的方向与原方向相同，自左向右，断开开关时，线圈与人组成新的闭合回路，因此流过人体的电流方向为从B到A，故D错误。 4．(自感现象中的图像问题)某同学利用如图所示电路研究自感现象。A1和A2是两个完全相同的电流传感器，L为直流电阻RL很小的自感线圈，R为滑动变阻器(接入阻值R′＞RL)，E为电源(内阻不可忽略)。在t1时刻闭合开关，t2时刻断开开关，电流传感器A2中电流随时间变化的图像可能正确的是(　　) 解析：选A。闭合开关瞬间，A2有电流通过，而由于自感线圈L的自感作用，通过A1的电流逐渐增大，所以电路稳定后，通过A2的电流会变小；由于R′＞RL，可知通过A1的电流I1大于通过A2的电流I2；当断开开关，由于电感阻碍自身电流变化，通过A1的电流将逐渐减小，产生的感应电流流过A2，方向与原来相反，大小从I1逐渐减小最后为零，故A符合题意。 学科网（北京）股份有限公司 $