高中物理 1.6 自感现象及其应用 粤教版选修3-2

1、目标导航,预习导引,目标导航,预习导引,一,二,三,一、自感现象 1.自感现象 当一个线圈中的电流发生变化时,它所产生的变化磁场不仅在邻近的电路中激发出感应电动势,同样它本身也会激发出感应电动势.这种由于导体本身的电流发生变化而使自身产生电磁感应的现象,叫做自感现象. 2.自感电动势 由自感而产生的感应电动势叫做自感电动势,目标导航,预习导引,一,二,三,二、自感系数 自感系数L简称自感或电感,它跟线圈的大小、形状、圈数以及是否有铁芯等因素有关,线圈的横截面积越大、线圈绕制得越密、匝数越多,它的自感系数就越大.另外有铁芯的线圈的自感系数比没有铁芯时大.单位亨利,符号是H.常用的还有毫亨(mH)

2、和微亨(H),换算关系是1 H=103 mH=106 H. 自感电动势与什么因素有关呢? 答案：自感电动势的大小与电流的变化快慢、线圈的自感系数有关,目标导航,预习导引,一,二,三,三、日光灯 1.主要组成 灯管、镇流器和启动器. 2.灯管 (1)工作原理:管中气体导电时发出紫外线,荧光粉受其照射发出可见光.可见光的颜色由荧光粉的种类决定. (2)气体导电的特点:灯管两端的电压达到一定值时,气体才能导电;而要在灯管中维持一定大小的电流,所需的电压却低得多,目标导航,预习导引,一,二,三,在高电压的激发下,日光灯的灯管才能发光.这个使日光灯的灯管发光的高电压是由谁来提供的? 答案：镇流器中的电流

3、急剧减小,会产生很高的自感电动势,这个自感电动势与电源电压加在一起,形成一个瞬时高电压,加在灯管两端,使灯管中的气体放电,日光灯被点亮,知识精要,思考探究,典题例解,一,二,三,迁移应用,一、实验探究通电自感和断电自感 1.在通电自感中,两个灯泡不同时亮起. 如图所示的电路,两灯泡规格相同,接通开关后调节滑动变阻器R,使两个灯泡亮度相同,然后断开电路,再次接通的瞬间,产生的现象及原因如下表,知识精要,思考探究,典题例解,一,二,三,迁移应用,2.在断电自感中,灯泡的亮度变化. 自感电动势总是要阻碍引起自感的电流的变化,就好像感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化一样,自感电动势阻碍

4、的对象是“电流的变化”,而不是电流本身,知识精要,思考探究,典题例解,一,二,三,迁移应用,失,而由于线圈的自感,I1不会马上消失,线圈总力图维持I1的存在,所以线圈上产生一个b端为正、a端为负的自感电动势,与灯泡组成abcd回路,由此流过L的电流大小由I2变成I1,方向由dc变成cd.可见通过L的电流大小与方向都发生了变化. 至于灯泡中的电流是突然变大还是变小(也就是说灯泡是否突然变得更亮一下),就取决于I2与I1谁大谁小,也就是取决于R和r谁大谁小的问题,一,二,三,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,在断电过程中,有时灯泡闪亮一下再熄灭,有时灯泡只会延迟一段时间再熄灭,出现上述两种现

5、象的原因是什么? 答案：在电源断开后灯泡又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原线圈中的电流大.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.而当线圈电阻大于灯泡电阻,则灯泡只会延迟一段时间再熄灭,一,二,三,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,例1】 如图所示电路,L1和L2是两个相同的灯泡,L是一个自感系数相当大的线圈,其直流电阻与R相同.由于存在自感现象,在开关S接通和断开时,灯泡L1和L2先后亮暗的次序是() (导学号51130013) A.接通时L1先达最亮,断开时L1后灭 B.接通时L2先达最亮,断开时L2后灭 C.接通时L1先达最亮,断开时

6、L1先灭 D.接通时L2先达最亮,断开时L2先灭,一,二,三,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,解析：电流发生变化时,自感电动势将阻碍电流的变化,根据电流的变化来分析电路中灯的明暗情况.当S接通时,L1和L2应该同时亮,但由于自感现象的存在,流过线圈的电流由零变大时,线圈上将产生自感电动势,阻碍电流的增加,所以开始的瞬间电流几乎全部从L1通过,而该电流又将同时分别通过L2和R,所以L1先达最亮,经过一段时间稳定后,L1和L2达到一样亮.当开关S断开时,电源电流立即为零,因此L2立即熄灭,而对于L1,由于通过线圈的电流突然减弱,线圈中产生自感电动势,使线圈L和L1组成的闭合电路中有感应电流

7、,所以L1后灭. 答案：A,一,二,三,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,一,二,三,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,1.如图所示,L为自感系数较大的线圈,电路稳定后小灯泡正常发光,当断开开关S的瞬间会有() (导学号51130014) A.灯L立即熄灭 B.灯L慢慢熄灭 C.灯L突然闪亮一下再慢慢熄灭 D.灯L突然闪亮一下再突然熄灭 答案：A 解析：本题考查对自感电动势的正确理解,关键是看到断开开关,电路断路,线圈中虽然产生感应电动势,但不能形成感应电流,故灯L立即熄灭,故选A,一,二,三,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,2.(多选)如图所示的(a)(b)两个电路中,电

8、阻R和自感线圈L的电阻值都小,且小于灯泡L的电阻,接通开关S,使电路达到稳定,灯泡L发光,则() (导学号51130015) A.在电路(a)中,断开S后,L将逐渐变暗 B.在电路(a)中,断开S后,L将先变得更亮,然后逐渐变暗 C.在电路(b)中,断开S后,L将逐渐变暗 D.在电路(b)中,断开S后,L将先变得更亮,然后逐渐变暗,一,二,三,知识精要,思考探究,典题例解,迁移应用,答案：AD 解析：本题考查了对断电时产生的自感电动势的阻碍作用的理解. 在电路断开时,自感线圈的自感电动势阻碍原电流的减小,此时自感线圈在电路中相当于一个电源,表现在两个方面:一是自感电动势所引起的电流方向与原电流

9、方向一致;二是在断电瞬间,自感电动势所引起的电流大小与原电流的大小相等,以后以此电流开始缓慢减小到零. (a)图中,灯L与自感线圈L在同一个支路中,流过的电流相同,当断开开关S时,灯L将逐渐变暗;(b)图中,断开S时,L中的电流立即为零,但由于自感,自感线圈L中将维持本身的电流不变,且ILIL,所以灯L亮一下才逐渐熄灭,综上所述选A、D,一,二,三,知识精要,典题例解,迁移应用,二、线圈对变化电流、稳定电流的阻碍作用 1.两种阻碍作用产生的原因不同. 线圈对稳定电流的阻碍作用,是由绕制线圈的导线的电阻决定的,对稳定电流的阻碍作用,是金属对定向运动电子的阻碍作用,具体可用金属导电理论理解. 线圈

10、对变化电流的阻碍作用,主要是由线圈的自感现象引起的,当通过线圈的电流变化时,穿过线圈的磁通量发生变化,产生自感电动势,根据楞次定律知,当线圈中的电流增加时,线圈中的自感电动势与电流方向相反,阻碍电流的增加, 如图甲所示.当线圈中的电流减小时,线圈中的自感电动势与电流方向相同,阻碍电流减小(如图乙,一,二,三,知识精要,典题例解,迁移应用,2.两种阻碍作用产生的效果不同. 在通电线圈中,电流稳定值为 ,由此可知线圈的稳态电阻决定了电流的稳定值,L越大,电流由零增大到稳定值I0的时间越长,也就是说,线圈对变化电流的阻碍作用越大,电流变化得越慢,总之,稳态电阻决定了电流所能达到的稳定值,对变化电流的

11、阻碍作用决定了要达到稳定值所需的时间,一,二,三,知识精要,典题例解,迁移应用,例2】 (多选)如图所示的电路中,灯泡L1和灯泡L2是完全相同的灯泡,自感线圈L的直流电阻为零,且自感系数很大,电容器C的电容较大且不漏电,下列判断正确的是() (导学号51130016,A.开关S闭合后,L1灯亮后逐渐熄灭,L2灯逐渐变亮 B.开关S闭合后,L1灯、L2灯同时亮,然后L1灯暗,L2灯更亮 C.开关S闭合,电路稳定后,S再断开时,L1灯突然亮一下,然后熄灭,L2灯立即熄灭 D.开关S闭合,电路稳定后,S再断开时,L1灯突然亮一下,然后熄灭,L2灯逐渐熄灭,一,二,三,知识精要,典题例解,迁移应用,解

12、析：如图所示的电路中,L1灯与自感线圈L并联,L2灯与电容器C并联,然后这两部分电路串联接在电源上,当开关S闭合时,自感线圈对电流的增大起阻碍作用,导致L1灯两端电压较大,而电容器C开始电压较小,充电电流较大,故L2灯的电流较小;自感线圈L上的电流逐渐增大,电容器C上的充电电流逐渐减小,L1灯上的电流逐渐减小,L2灯上的电流逐渐增大,达到稳定后,L1灯无电流,L2灯达到最亮,所以A项正确.开关S闭合,电路稳定后,当S断开时,自感线圈L与L1灯组成闭合回路,自感线圈中的电流流经L1灯,使L1灯突然亮一下再熄灭;而电容器C所带的电荷量经L2灯放电,L2灯不立即熄灭,而是逐渐熄灭,所以D项也是正确的

13、. 答案：AD,一,二,三,知识精要,典题例解,迁移应用,一,二,三,知识精要,典题例解,迁移应用,如图所示,电阻R和电感L的值很大,电源内阻不可不计,A、B是完全相同的两只灯泡,当开关S闭合时,下列判断正确的是() (导学号51130017) A.灯A比灯B先亮,然后灯A熄灭 B.灯B比灯A先亮,然后灯B逐渐变暗 C.灯A与灯B一起亮,而后灯A熄灭 D.灯A与灯B一起亮,而后灯B熄灭 答案：B 解析：开关S闭合时,B灯立即亮,A灯由于电感L的自感作用,将逐渐变亮,由于总电流逐渐变大,路端电压变小,B灯逐渐变暗,选项B说法正确,一,二,三,知识精要,典题例解,迁移应用,三、日光灯的构成及工作原

14、理 1.灯管:当两灯丝间的气体导电时发出紫外线,紫外线使涂在管壁上的荧光粉发出柔和的可见光. 2.启动器:利用氖管的辉光放电,起自动接通与切断电路的作用,是为镇流器产生瞬时自感高压而服务的. 启动器中的电容器能使动、静触片在分离时不产生火花,以免烧坏触点. 3.镇流器的作用:日光灯点燃时,利用自感现象产生瞬时高压;日光灯正常发光时,利用自感现象,对灯管起到降压限流作用,一,二,三,知识精要,典题例解,迁移应用,4.日光灯的工作原理. (1)启动:开关闭合后,电源电压加在启动器两极,使氖气放电,发辉光,产生热量,使U形触片膨胀,跟静触片接触使电路接通.电路接通后,氖气停止放电,U形动触片冷却收缩

15、,两触片分开,电路断开.电路断开的瞬间,镇流器产生很高的自感电动势,其方向与原电压方向相同,共同加在灯管两端,使汞蒸气放电,日光灯开始工作. (2)正常发光:日光灯正常发光时,镇流器与两灯丝及灯管内的汞蒸气组成电路,由于镇流器的线圈的自感现象,阻碍通过灯管的电流变化,起降压限流作用,确保日光灯正常工作,一,二,三,知识精要,典题例解,迁移应用,例3】 如图所示的四个日光灯的接线图中,S1为启动器,S2为开关,L为镇流器,能使日光灯正常发光的是 (,A.B. C.D,一,二,三,知识精要,典题例解,迁移应用,解析：日光灯工作时,电流通过镇流器、灯丝、电源和启动器形成电路,使启动器发出辉光,相当于

16、启动器短路接通,同时电流加热灯丝,灯丝发射电子,镇流器起控制加热电流的作用;之后启动器断开瞬间,镇流器产生很大的自感电动势,出现一个高电压加在灯管两端,灯管中的气体放电、发光,此时启动器已无作用.所以启动器可用手动的开关来代替(实际操作时,当启动器丢失或损坏时,可手持带绝缘皮的导线短接启动器然后再断开),图的错误是不能让镇流器短路. 答案：A,一,二,三,知识精要,典题例解,迁移应用,一,二,三,知识精要,典题例解,迁移应用,日光灯的结构示意图如图所示,若按图示的电路连接,关于日光灯发光的情况,下列叙述中正确的是() A.S1接通,S2、S3断开,日光灯就能正常发光 B.S1、S2接通,S3断

17、开,日光灯就能正常发光 C.S3断开,接通S1、S2后,再断开S2,日光灯就能正常发光 D.当日光灯正常发光后,再接通S3,日光灯仍能正常发光,一,二,三,知识精要,典题例解,迁移应用,答案：C 解析：当S1接通,S2、S3断开时,电源电压220 V直接加在灯管两端,达不到灯管启动的高压值,日光灯不能发光,选项A错误. 当S1、S2接通,S3断开时,灯丝两端被短路,电压为零,不能使气体电离导电,日光灯不能发光,选项B错误. 当日光灯正常发光后,再接通S3,则镇流器被短路,灯管两端电压过高,会损坏灯管,选项D错误. 只有当S1、S2接通,灯丝被预热,发出电子,再断开S2,镇流器中产生很大的自感电

18、动势,和原电压一起加在灯管两端,使气体电离,日光灯正常发光,选项C正确,知识链接,案例探究,规律方法:自感现象中的能量问题 1.自感现象中的能量转化 在接通电路时,电路中的电流由于自感电动势的作用不能发生突变而只能逐渐增加,这个过程中电源的电动势要克服自感电动势做功,把电源的一部分电能转化为线圈的磁场能,电流稳定后线圈中就储存有一定量的磁场能.在断电自感现象中,线圈L和灯泡(或电阻)组成闭合回路,线圈的自感电动势把原储存在线圈内的磁场能转化为电能用以维持这个闭合回路中保持一定时间的电流.电流逐渐减小,线圈中的磁场减弱,磁场能减少,当电流为零时,线圈中原储存的磁场能全部转化为电能并通过灯泡(或电阻)转化为内能. 所以,在自感现象中电能转化为线圈内的磁场能或线圈内的磁场能转化为电能,因此自感现象遵循能量守恒定律,知识链接,案例探究,2.电感L在自感现象的能量转化中起什么作用 电感L越大,当接通电路使线圈中通电时产生的自感电动势越大,电源克服自感电动势所做的功越多,电能