2020版高中物理 第一章 电磁感应

2020版高中物理 第一章 电磁感应

‎6　自感 ‎[学习目标]　1.能够通过电磁感应的有关规律分析通电自感和断电自感现象.2.了解自感电动势的表达式EL＝L，知道自感系数的决定因素.3.了解日光灯结构及工作原理.‎ 一、自感现象 由于导体线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应现象叫做自感，在自感现象中产生的电动势叫做自感电动势.‎ 二、自感系数 ‎1.自感电动势：EL＝L，其中L是自感系数，简称自感或电感.单位：亨利,简称亨,符号：H.‎ ‎2.自感系数与线圈的形状、大小、匝数，以及是否有铁芯等因素有关.‎ 三、日光灯 ‎1.日光灯的构造：普通日光灯由灯管、镇流器、启动器、导线和开关组成.‎ ‎2.镇流器的作用：启动时产生瞬时高电压使灯管发光，正常工作时，起着降压限流作用.‎ ‎[即学即用]‎ ‎1.判断下列说法的正误.‎ ‎(1)自感现象中，感应电流一定与原电流方向相反.(　×　)‎ ‎(2)线圈的自感系数与电流大小无关，与电流的变化率有关.(　×　)‎ ‎(3)日光灯点亮后，启动器就没有作用了.(　√　)‎ 8‎ ‎(4)在日光灯正常工作中，镇流器只会消耗能量，没有作用.(　×　)‎ ‎2.如图1所示，电路中电源内阻不能忽略，L的自感系数很大，其直流电阻忽略不计，A、B为两个完全相同的灯泡，当S闭合时，A灯________亮，B灯________亮.当S断开时，A灯________熄灭，B灯________熄灭.(填“立即”或“慢慢”)‎ 图1‎ 答案　慢慢　立即　慢慢　慢慢 一、通电自感现象 ‎[导学探究]　如图2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，观察两只灯泡在电路接通的瞬间发光情况有什么不同？根据楞次定律分析现象产生的原因.‎ 图2‎ 答案　现象：灯泡A2立即发光，灯泡A1逐渐亮起来.‎ 原因：电路接通时，电流由零开始增加，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.‎ ‎[知识深化]‎ 通电自感现象中，当线圈中的电流增大时，自感电动势的方向与原电流的方向相反，阻碍电流的增大，但不能阻止电流的变化.‎ 例1　(多选)在如图3所示的甲、乙电路中，电阻R和灯泡电阻的阻值相等，自感线圈L的电阻值可认为是0，在接通开关S时，则(　　)‎ 8‎ 图3‎ A.在电路甲中，A将渐渐变亮 B.在电路甲中，A将先变亮，然后渐渐变暗 C.在电路乙中，A将渐渐变亮 D.在电路乙中，A将先由亮渐渐变暗，然后熄灭 答案　AD 解析　在电路甲中，当接通开关S时，通过与灯泡相连的自感线圈的电流突然增大，由于线圈的自感现象，开始时，自感线圈产生一个很大的自感电动势来阻碍电流的流入，流入灯泡的电流很小；后来由于电流的不断流入，通过自感线圈的电流变化逐渐变慢，所以自感线圈的阻碍作用逐渐减小；当流过线圈的电流最大时，自感线圈不再有阻碍作用，所以通过灯泡的电流只能慢慢增大，故选项A正确.在电路乙中，当接通开关S时，通过自感线圈的电流突然增大，由于线圈的自感现象，开始时，自感线圈就产生一个很大的自感电动势来阻碍电流的流入，流入线圈的电流很小(可认为是0)，电路中的电流可以认为都是从灯泡通过的，以后自感线圈的阻碍作用逐渐减小，通过自感线圈的电流逐渐增大，而通过灯泡的电流逐渐减小，直到流过线圈的电流最大时，自感线圈不再有阻碍作用，又因为自感线圈L的电阻值可认为是0，所以灯泡被短路，故选项D正确.‎ 分析通电自感需抓住三点：‎ (1)通电瞬间自感线圈处相当于断路；‎ (2)电流增大过程中自感线圈对电流有阻碍作用，使线圈中的电流从0逐渐增大到稳定值；‎ (3)电流稳定时自感线圈相当于导体(若直流电阻为0，相当于导线).‎ 二、断电自感现象 ‎[导学探究]　如图4所示，先闭合开关使灯泡发光，然后断开开关.‎ 图4‎ 8‎ ‎(1)开关断开前后，流过灯泡的电流方向相同吗？‎ ‎(2)在断开过程中，有时灯泡闪亮一下再熄灭，有时灯泡只会缓慢变暗直至熄灭，请分析上述两种现象产生的原因是什么？‎ 答案　(1)不相同.S闭合时，灯泡A中的电流方向向左，S断开瞬间，灯泡A中的电流方向向右，所以开关S断开前后，流过灯泡的电流方向相反.‎ ‎(2)在开关断开后灯泡又闪亮一下的原因是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电阻.而当线圈电阻大于或等于灯泡电阻时，灯泡就会缓慢变暗直至熄灭.‎ ‎[知识深化]‎ ‎1.当线圈中的电流减小时，自感电动势的方向与原电流方向相同；‎ ‎2.断电自感中，由于自感电动势的作用，线圈中电流从原值逐渐减小.若断开开关瞬间通过灯泡的电流大于断开开关前的电流，灯泡会闪亮一下；若断开开关瞬间通过灯泡的电流小于或等于断开开关前的电流，灯泡不会闪亮一下，而是逐渐变暗直至熄灭.‎ ‎3.自感电动势总是阻碍线圈中电流的变化，但不能阻止线圈中电流的变化.‎ 例2　(多选)如图5甲、乙所示的电路中，电阻R和自感线圈L的电阻值都很小，且小于灯泡A的电阻，闭合开关S，使电路达到稳定，灯泡A发光，则(　　)‎ 图5‎ A.在电路甲中，断开S，A将渐渐变暗 B.在电路甲中，断开S，A将先变得更亮，然后渐渐变暗 C.在电路乙中，断开S，A将渐渐变暗 D.在电路乙中，断开S，A将先变得更亮，然后渐渐变暗 答案　AD 解析　在电路甲中，灯A和线圈L串联，它们的电流相同，断开S时，线圈上产生自感电动势，阻碍原电流的减小，流过灯A的电流逐渐减小，灯A渐渐变暗.在电路乙中，电阻R和灯A串联，灯A的电阻大于线圈L的电阻，电流则小于线圈L中的电流，断开S时，电源不再给灯泡供电，而线圈产生自感电动势阻碍电流的减小，通过R、A形成回路，灯A中电流突然变大，灯A将先变得更亮，然后渐渐变暗，故A、D正确.‎ 三、自感现象中的图像问题 例3　如图6所示的电路中，S闭合且稳定后流过电感线圈的电流是‎2 A，流过灯泡的电流是‎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 8‎ 变化关系的图像是(　　)‎ 图6‎ 答案　D 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，自感线圈的支路由于自感现象会产生与线圈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中的电流相等，也应该是从‎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对.‎ ‎1.断电时，若自感线圈能组成闭合回路，自感线圈处电流由原值逐渐减小，不能发生突变，而且电流方向也不变；若自感线圈不能组成闭合回路，自感线圈处电流立即变为0.‎ ‎2.断电前后，无线圈的支路要注意电流方向是否变化.‎ 四、自感的典型应用——日光灯 ‎1.日光灯的电路如图7所示.‎ 图7‎ ‎2.工作原理：日光灯在接通电源时，启动器首先导通，又立即断开，在断开的瞬间，由于自感现象，镇流器产生很高的自感电动势，而使灯管快速启动.‎ ‎3.镇流器的作用：日光灯启动时，镇流器提供瞬时高电压，而使气体放电；灯管发光后，镇流器又起着降压限流的作用.‎ 例4　若将图8甲中启动器换为开关S1，并给镇流器并联一个开关S2‎ 8‎ ‎，如图乙所示，则下列叙述正确的是(　　)‎ 图8‎ A.只把S3接通，日光灯就能正常发光 B.把S3、S1接通后，S2不接通，日光灯就能正常发光 C.S2不接通，接通S3、S1后，再断开S1，日光灯就能正常发光 D.当日光灯正常发光后，再接通S2，日光灯仍能正常发光 答案　C 解析　一般日光灯启动的瞬间把电源、灯丝、镇流器接通，然后自动断开，靠镇流器产生瞬时高压，使灯管内气体导电，所以启动时既要使题图乙中S3闭合，又需使S1瞬间闭合再断开，A、B错，C对.正常工作时镇流器起降压限流作用，若把题图乙中S2闭合，则镇流器失去作用，日光灯不能正常工作，D错.‎ ‎1.(对自感电动势的理解)关于线圈中自感电动势的大小，下列说法中正确的是(　　)‎ A.电感一定时，电流变化越大，自感电动势越大 B.电感一定时，电流变化越快，自感电动势越大 C.通过线圈的电流为零的瞬间，自感电动势为零 D.通过线圈的电流为最大值的瞬间，自感电动势最大 答案　B 解析　电感一定时，电流变化越快，越大，由EL＝L知，自感电动势越大，A错，B对；线圈中电流为零时，电流的变化率不一定为零，自感电动势不一定为零，故C错；当通过线圈的电流最大时，若电流的变化率为零，自感电动势为零，故D错.‎ ‎2.(自感现象的分析)(多选)如图9所示，带铁芯的电感线圈的电阻与电阻器R的阻值相同，A1、A2是两个完全相同的电流表，则下列说法中正确的是(　　)‎ 8‎ 图9‎ A.闭合S瞬间，电流表A1示数小于A2示数 B.闭合S瞬间，电流表A1示数等于A2示数 C.断开S瞬间，电流表A1示数大于A2示数 D.断开S瞬间，电流表A1示数等于A2示数 答案　AD 解析　开关S闭合瞬间，线圈L中产生自感电动势阻碍电流增大，所以此时电流表A1中的电流小于电流表A2中的电流，A项正确；开关S断开瞬间，线圈L与A1、A2和R构成回路，线圈L中产生自感电动势，阻碍电流减小，所以A1、A2中电流也逐渐减小，但始终相等，‎ D项正确.‎ ‎3.(自感现象的图像问题)(多选)如图10所示，用电流传感器研究自感现象.电源内阻不可忽略，线圈的自感系数较大，其直流电阻小于电阻R的阻值.t＝0时刻闭合开关S，电路稳定后，t1时刻断开S，电流传感器连接计算机分别描绘了整个过程线圈中的电流IL和电阻中的电流IR随时间t变化的图像.下列图像中可能正确的是(　　)‎ 图10‎ 答案　AD ‎4.(日光灯工作原理)家用日光灯电路如图11所示，S为启动器，A为灯管，L为镇流器，关于日光灯的工作原理，下列说法正确的是(　　)‎ 8‎ 图11‎ A.镇流器的作用是将交流电变为直流电 B.在日光灯正常发光时，启动器中的两个触片是分开的 C.日光灯发出的光是电流加热灯丝发出的 D.日光灯发出的光是汞原子受到激发后直接辐射的 答案　B 解析　镇流器在启动时产生瞬时高压，在正常工作时起降压限流作用，故A错误；电路接通后，启动器中的氖气停止放电(启动器分压少、辉光放电无法进行，不工作)，U形动触片冷却收缩，两个触片分离，B正确.灯丝受热时发射出来的大量电子，在灯管两端高电压作用下，以极大的速度由低电势端向高电势端运动.在加速运动的过程中，碰撞管内气体(通常是氩气)分子，使之迅速电离.在紫外线的激发下，管壁上的荧光粉发出近乎白色的可见光.故C、D 错误.‎ 8‎