【同步】高中物理鲁科版(2019)选择性必修2：第2章第3节自感现象与涡流课件

第2章第3节自感现象与涡流学习目标思维导图1.了解自感现象,认识自感电动势对电路中电流的影响。(物理观念)2.了解自感系数的意义和决定因素。(科学思维)3.了解自感现象在生产生活中的应用。(科学思维)4.了解涡流的成因,了解涡流现象的利用和危害。(科学态度与责任)5.了解涡流现象在生活和生产中的应用。(科学思维)基础落实·必备知识全过关重难探究·能力素养全提升目录索引

学以致用·随堂检测全达标基础落实·必备知识全过关一、自感现象1.自感现象:由线圈自身的

变化所产生的电磁感应现象。

2.自感电动势:由线圈自身的

变化所产生的感应电动势。

想一想自感现象中,感应电流一定与原电流方向相反吗?电流

电流

提示

根据楞次定律,当原电流增大时,感应电流与原电流方向相反;当原电流减小时,感应电流与原电流方向相同。二、自感电动势1.自感电动势的大小:。其中L是自感系数,简称

或

,单位是

,符号是H。

2.自感大小的决定因素:线圈的自感与线圈的

、

、

、

等因素有关。

想一想自感电动势较大的线圈其自感系数一定较大吗?自感电感亨利形状横截面积长短匝数提示

自感系数是由线圈本身的特性决定的,与自感电动势的大小无关。

三、涡流及其应用1.涡流:如图所示,电流在金属块内形成

回路,就像旋涡一样。我们把这种感应电流称为

,简称涡流。

闭合涡电流2.涡流的产生:把金属块放在

的磁场中,金属块内会产生涡流。

3.涡流的特点:电流在金属块内形成

回路,整块金属的电阻很小,涡流往往很强,金属块会产生大量的热量。

4.电磁炉(1)原理:电磁炉采用的工作原理与

有关。

(2)优点:①无明火,没有燃烧生成物污染室内。②热效高、环保、节能,且集煎、炒等多功能于一身。变化闭合涡流想一想(1)请说明涡流现象中的能量转化情况。(2)请说明金属块进出磁场时的能量转化情况。提示

(1)涡流现象中,其他形式的能转化成电能,并最终在金属块中转化为内能。(2)金属块进出磁场时,机械能转化为电能,电能又转化为内能。易错辨析

判一判(1)线圈中产生的自感电动势较大时,其自感系数一定较大。(

)(2)对于同一线圈,当电流变化较快时,线圈中的自感电动势较大。(

)(3)真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置。(

)(4)家用电磁炉锅体中的涡流是由恒定磁场产生的。(

)×提示

自感系数是由线圈本身的特性决定的,与自感电动势的大小无关。

√√×提示

恒定磁场不会产生涡流。

即学即用

练一练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,断开开关S的瞬间会有(

)A.小灯泡立即熄灭B.小灯泡慢慢熄灭C.小灯泡突然闪亮一下再慢慢熄灭D.小灯泡突然闪亮一下再突然熄灭A解析

开关S断开时,由于通过自感线圈的电流减小,线圈将产生自感电动势,但由于线圈L与小灯泡在S断开后不能形成闭合回路,故在开关断开后通过小灯泡的电流为零,小灯泡立即熄灭,A正确。2.高考期间,考生入场时,监考老师会使用金属探测仪对考生逐个进行安全检查。金属探测器是用来探测金属的仪器,关于其工作原理,下列说法正确的是(

)A.探测器内的探测线圈会产生稳定的磁场B.只有有磁性的金属物才会被探测器探测到C.探测到金属物是因为金属物中产生了涡流D.探测到金属物是因为探测器中产生了涡流C解析

金属探测器利用涡流探测金属物品的原理是,线圈中的交变电流产生交变的磁场,会使金属物品产生感应电流,即涡流,而金属物品中感应电流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流,引起线圈中交变电流发生变化,从而被探测到,故A、B、D错误,C正确。重难探究·能力素养全提升探究一自感现象情境探究(1)如图所示,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。为什么灯泡A2立即发光,灯泡A1逐渐亮起来?要点提示

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。(2)如图所示,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。为什么灯泡A闪亮一下再熄灭?要点提示

在开关断开后,灯泡闪亮一下的原因是,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的电阻。而当线圈电阻大于或等于灯泡的电阻时,灯泡就会缓慢变暗直至熄灭。知识归纳1.自感现象的分析思路(1)明确通过自感线圈的电流大小的变化情况。(2)根据“增反减同”,判断自感电动势的方向。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时间变长,即总是起着推迟电流变化的作用。明确增大还是减小

闪光语录

导体本身电流发生变化而产生的电磁感应现象是自感现象,电流变化越快,穿过线圈的磁通量变化越快,自感电动势越大;同一线圈加铁芯后线圈自感系数增大。应用体验典例1

(多选)如图所示,灯A、B完全相同,带铁芯的线圈L的电阻可忽略,则(

)A.S闭合的瞬间,灯A、B同时发光,接着灯A变暗,灯B更亮,最后灯A熄灭B.S闭合瞬间,灯A不亮,灯B立即亮C.S闭合瞬间,灯A、B都不立即亮D.稳定后再断开S的瞬间,灯B立即熄灭,灯A闪亮一下再熄灭AD解析

S接通的瞬间,L所在支路中电流从无到有发生变化,因此,L中产生的自感电动势阻碍电流增加,由于有铁芯,自感系数较大,对电流的阻碍作用也就很强,所以S接通的瞬间L中的电流非常小,即干路中的电流几乎全部流过灯A,所以灯A、B会同时亮;又由于L中电流逐渐稳定,感应电动势逐渐消失,灯A逐渐变暗,线圈的电阻可忽略,对灯A起到“短路”作用,因此灯A最后熄灭。这个过程电路的总电阻比刚接通时小,由恒定电流知识可知,灯B会更亮。稳定后S断开瞬间,由于线圈的电流较大,L与灯A组成回路,灯A要闪亮一下再熄灭,灯B立即熄灭。故A、D正确。针对训练1(2023重庆第二十九中学高二月考)如图所示,灯泡的灯丝电阻为2Ω,电池电动势为2V,内阻不计,线圈的自感系数很大,先合上开关S,稳定后突然断开S,则下列说法正确的是(

)A.若线圈电阻很小,灯泡会逐渐变暗直至熄灭B.若线圈电阻很小,灯泡会突然亮一下再逐渐熄灭C.若线圈电阻为4Ω,灯泡会闪亮一下再逐渐熄灭,且灯泡中电流方向与S断开前方向相反D.若线圈电阻为4Ω,灯泡会逐渐变暗直至熄灭,且灯泡中电流方向与S断开前方向相同B解析

突然断开S,线圈将产生自感现象,且与灯泡构成一闭合回路,此时通过灯泡的电流向上,与断开S前的电流方向相反,故D错误;若线圈直流电阻比灯泡电阻小,断开S前通过线圈的电流大于通过灯泡的电流,则稳定后突然断开S,灯泡会突然亮一下再逐渐熄灭,故B正确,A错误;若线圈直流电阻为4

Ω,比灯泡的电阻大,可知断开S前通过线圈的电流小于通过灯泡的电流,则稳定后突然断开S,灯泡会逐渐变暗直至熄灭,故C错误。探究二自感系数情境探究如图所示是测定一线圈的直流电阻的电路,若已知线圈的自感系数很大,为了保护电表,实验结束后,将电路拆开时,为什么要先断开开关S2?要点提示

如果先断开开关S1或先拆去电流表或先拆去电阻R,由于线圈的自感作用都会使线圈和电压表组成回路,原先L中有较大的电流通过,大电流流过电压表时,造成仪器烧坏。先断开开关S2时,线圈没有闭合回路,不会产生感应电流。知识归纳1.自感现象与自感系数(1)自感电动势总是阻碍导体中原电流的变化。(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。自身有电阻

2.自感电动势与自感系数(1)定义:由线圈自身电流变化所产生的感应电动势。(3)自感系数L:与线圈的形状、横截面积、长短、匝数等因素有关,单位为亨利(H)。应用体验典例2

(多选)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EB.b、c间电压逐渐增加,最后等于EC.a、c间电压逐渐增加,最后等于ED.电路中电流逐渐增加,最后等于BD解析

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

,a、c间电压恒等于E,选项B、D正确,A、C错误。针对训练2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D解析

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。探究三涡流现象情境探究如图所示,线圈中的电流随时间变化时,探讨导体中的感应电流。导体中有感应电流吗?如果有,它的形状像什么?要点提示

有。变化的电流产生变化的磁场,变化的磁场产生感生电场,使导体中的自由电子发生定向移动,产生感应电流,它的形状像水中的旋涡,所以把它称为涡电流,简称涡流。知识归纳1.涡流的特点当电流在金属块内形成闭合回路(产生涡流)时,由于整块金属的电阻很小,涡流往往很强,根据公式P=I2R知,发热功率的大小与电流的二次方成正比,故金属块的发热功率很大。2.涡流中的能量转化涡流现象中,其他形式的能转化成电能,并最终在金属块中转化为内能。如果金属块放在变化的磁场中,则磁场能转化为电能,最终转化为内能;如果金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动,则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。闪光语录

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。

应用体验典例3

(多选)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,感应电流通过焊缝产生大量热,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.电流变化的频率越高,焊缝处的温度升高得越快B.电流变化的频率越低,焊缝处的温度升高得越快C.工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻小D.工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻大AD解析

电流变化的频率越高,则产生的感应电流越强,升温越快,故A项正确,B项错误;工件上各处电流相同,电阻大处产生的热量多,故D项正确,C项错误。规律方法

涡流与感应加热的应用感应加热是将被加热金属置于高频变化的电磁场中(实际应用是在感应线圈中),强大的电磁场在其表面形成感应涡流,依靠材料本身的内阻,使之迅速发热,以改善工件的机械性能。针对训练3(多选)下列哪些措施是为了防止涡流的危害(

)A.电磁炉所用的锅要用平厚底金属锅B.机场、车站和重要活动场所的安检门可以探测人身携带的金属物品C.变压器的铁芯不做成整块,而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成D.变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层CD解析

电磁炉是采用电磁感应原理,在金属锅上产生涡流,使锅体发热从而加热食物的,属于涡流的应用;安检门是利用涡流工作的;变压器的铁芯不做成整块,而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成,是为了减小变压器铁芯内产生的涡流,属于涡流的防止;变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层,是为了减小变压器铁芯内产生的涡流,属于涡流的防止。故C、D正确。学以致用·随堂检测全达标12341.下列关于自感系数及自感电动势的说法正确的是(

)A.通过线圈的电流为最大值的瞬间,自感电动势最大B.电流变化越大,自感电动势越大C.线圈中的电流变化越快,其自感系数越大D.线圈内插入铁芯,其自感系数增大D解析

由

可知,自感电动势的大小与电流的变化率成正比,与电流的大小及电流变化的大小无关,故选项A、B错误;线圈的自感系数仅由线圈自身的因素决定,如线圈的横截面积、长度、单位长度上的线圈匝数、有无铁芯等,与其他因素无关,故选项C错误,D正确。12342.如图所示,闭合电路中的螺线管可自由伸缩,螺线管有一定的长度,灯泡具有一定的亮度。若将一软铁棒从螺线管左边迅速插入螺线管内,则将看到(

)A.灯泡变暗

B.灯泡变亮C.螺线管缩短

D.螺线管长度不变A解析

当软铁棒插入螺线管中时,穿过螺线管的磁通量增加,故产生反向的自感电动势,使总电流减小,灯泡变暗,每匝线圈间同向电流吸引力减小,螺线管变长。12343.电磁炉热效率高达90%,炉面无明火,无烟无废气,电磁“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