教科版高中物理选修3-2学案第1章6自感

6．自感[学习目标]1.知道什么是自感现象并理解自感电动势的作用．2.知道自感系数是表示线圈本身特征的物理量，知道其单位及影响因素．(重点)3.知道日光灯管的结构和工作原理．4.会判断通电自感和断电自感中灯泡亮度的变化．(重点、难点)一、自感现象1．实验探究：通电自感和断电自感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D1慢慢变亮阻碍电流的增加断电自感断开开关的瞬间，灯泡D延迟熄灭．有时灯泡D会闪亮一下，然后逐渐变暗阻碍电流的减小2.自感现象(1)自感：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．(2)自感电动势：在自感现象中产生的电动势．(3)作用：自感电动势总阻碍导体中原电流的变化．二、自感系数1．自感电动势大小公式EL＝Leq\f(ΔI,Δt).2．自感系数(1)物理意义：表征线圈产生自感电动势本领的大小．(2)决定因素：自感系数是由线圈本身性质决定的，跟线圈的形状、体积、匝数等因素有关．另外有无铁芯对线圈的自感系数影响很大．(3)单位：亨(H)、毫亨(mH)、微亨(μH)1H＝103mH＝106μH.三、自感的典型应用——日光灯1．日光灯的构造及电路图日光灯由灯管、灯丝、镇流器和启动器组成，灯管中充有微量的惰性气体和稀薄的汞蒸气，镇流器、灯丝和启动器的电路是串联的．电路图如图所示．2．启动器的构造及作用启动器是一个充有氖气的小玻璃泡，里面有两个电极，一个是固定不动的静触片，另一个是双金属片制成的U型动触片．启动器的作用是在开关闭合后，使电路短暂接通再将电路断开，相当于一个自动开关．3．镇流器的作用在启动器短暂接通电路再将电路断开的瞬间，镇流器中的电流急剧减小，产生很高的自感电动势：这个自感电动势的方向与原来电源的电压方向相同，它们合在一起，形成一个瞬时高电压，加在灯管两端，使灯管中的气体放电，于是日光灯管成为电流的通路，开始发光．日光灯正常发光时，镇流器在电路中起着降压限流作用，保证日光灯的正常工作．1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)自感电动势总是阻碍导体中原电流的变化． (√)(2)自感电动势的方向一定与原电流的方向相反． (×)(3)通过线圈的电流增大的越来越快，则自感系数变大． (×)(4)日光灯正常发光后，拿掉启动器，日光灯将熄灭． (×)(5)日光灯正常工作时，镇流器起降压限流的作用．( √)(6)日光灯启动时，镇流器产生瞬时高压，从而使灯管中的气体放电，开始发光． (√)2.如图所示电路中，当开关S断开瞬间()A．流经R2的电流方向向右，流经L的电流方向向左B．流经R2的电流方向向左，流经L的电流方向向右C．流经R2和L的电流方向都向右D．流经R2和L的电流方向都向左A[在S断开前，自感线圈L中有自右向左的电流，断开S后瞬间，通过L的电流要减小，于是L中产生自感电动势，阻碍自身电流的减小，但电流还是逐渐减小为零，原来跟L并联的电阻R2，由于电源的断开，向左的电流会立即消失，但此时它却与L形成了串联的回路，L中维持的正在减弱的电流恰好从电阻R2中流过，方向由左到右．]3．若将图甲中启动器换为开关S1，并给镇流器并联一个开关S2，如图乙所示，则下列叙述正确的是()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C[一般日光灯启动时瞬间把电源、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，所以启动时既要使乙图中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，若把乙图中S2闭合，则镇流器失去作用，日光灯不能正常工作，D错．]对自感现象的理解1．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．2．对电感线圈阻碍作用的理解(1)若电路中的电流正在改变，电感线圈会产生自感电动势阻碍电路中电流的变化，使得通过电感线圈的电流不能突变．(2)若电路中的电流是稳定的，电感线圈相当于一段导线，其阻碍作用是由绕制线圈的导线的电阻引起的．3．自感现象的分析思路[名师提醒]1通电时，自感线圈相当于一个变化的电阻，阻值由无穷大逐渐减小，通电瞬间自感线圈处相当于断路.2断电时，自感线圈相当于电源，自感电动势由某值逐渐减小到零.3电流稳定时，自感线圈相当于导体.【例1】(多选)如图所示的电路中，a、b、c为三盏完全相同的灯泡，L是一个自感系数很大、直流电阻为零的自感线圈，E为电源，S为开关．关于三盏灯泡，下列说法正确的是()A．合上开关，c、b先亮，a后亮B．合上开关一会后，a、b一样亮C．断开开关，b、c同时熄灭，a缓慢熄灭D．断开开关，c马上熄灭，b闪一下后和a一起缓慢熄灭思路点拨：①线圈的自感系数很大，能够产生足够大的自感电动势．②线圈的直流电阻为零，电路稳定后线圈相当于普通导线．AB[闭合开关S时，由于线圈L的自感作用，流过a灯的电流逐渐增大，所以a灯后亮，b、c灯与电源构成回路，所以b、c灯先亮，故A正确；合上开关一会后，电路稳定，L是一个直流电阻为零的自感线圈，可视为导线，a、b灯完全相同，并联电压相同，故a、b灯一样亮，故B正确；断开开关瞬间，a、b灯与线圈构成闭合回路，由于L的自感作用，a、b灯的电流要逐渐减小，故c灯马上熄灭，a、b灯缓慢熄灭，C错误；由于电路稳定时，a、b灯中电流相同，故b灯无闪亮现象，D错误．]通、断电自感中灯泡亮度变化问题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，灯泡逐渐变亮灯泡立即变亮(自感线圈电阻不可忽略)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，灯泡闪亮后逐渐变暗，两种情况灯泡电流方向均改变[跟进训练]训练角度1：通电自感1．(多选)如图所示的电路中，电源电动势为E，内阻r不能忽略．R1和R2是两个定值电阻，L是一个自感系数较大的线圈．开关S原来是断开的，从闭合开关S到电路中电流达到稳定为止的时间内，通过R1的电流I1和通过R2的电流I2的变化情况是()A．I1开始较大而后逐渐变小B．I1开始很小而后逐渐变大C．I2开始很小而后逐渐变大D．I2开始较大而后逐渐变小AC[闭合开关S时，由于L是一个自感系数较大的线圈，产生反向的自感电动势阻碍电流的变化，所以开始I2很小，随着电流达到稳定，自感作用减小，I2开始逐渐变大．闭合开关S时，由于线圈阻碍作用很大，路端电压较大，随着自感作用减小，路端电压减小，所以R1上的电压逐渐减小，电流逐渐减小，故A、C正确．]训练角度2：断电自感2．(多选)如图甲、乙电路中，电阻R和自感线圈L的电阻都很小，接通S，使电路达到稳定，灯泡A发光，则下列说法中正确的是()甲乙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AD[电阻R和自感线圈L的电阻都很小，图甲中，闭合S时，IL<IR，断开S后，IR＝0，由于自感线圈的存在，阻碍灯泡中的电流IL变小，但IL仍继续变小，并通过R形成回路，所以甲图中灯泡是渐渐变暗．图乙中，同理IL′>IR′，断开S后，通过灯泡的电流在IL′的基础上变小，所以乙图中灯泡会突然亮一下，然后渐渐变暗．]自感现象中的图像问题分析自感现象中的图像问题，主要是I­t关系图像．分析问题时，关键是明确通过自感线圈的电流是怎样变化的，是增大还是减小，电流的方向如何．当电流增大时(如通电)，自感电动势方向与原电流方向相反，阻碍电流增大；当电流减小时(如断电)，自感电动势方向与原电流方向相同，阻碍电流减小．必须注意，断电时自感现象中流过电感线圈的电流瞬时是不变的，即其大小、方向都与断电前相同，即注意通过电感线圈的电流大小不能突变．【例2】如图所示电路中，S是闭合的，此时流过线圈L的电流为I1，流过灯D的电流为I2，且I1<I2，在t1时刻将S断开，那么流过灯D的电流随时间变化的曲线是下列图中的()ABCD思路点拨：①S断开瞬间，回路中电流的大小和方向由线圈L中的电流决定．②因线圈的自感作用，回路中的电流逐渐减小到零．D[注意分析各段时间内流过灯D电流的方向的变化情况．S闭合时流过灯D的电流大小为I2，方向由左向右，S断开时这一支路中电流立即减小为零，由于线圈L的作用，I1不能立即减小为零，L与灯D构成闭合电路，其中电流由I1逐渐减小至零，流经灯D的电流方向由右向左，故选D.](1)S断开时，因自感作用，线圈L中的电流不能立即减小为零，要通过回路逐渐减小为零．(2)回路中的电流方向与S断开前线圈L中的电流方向相同．(3)回路中的电流从线圈L中原来的电流大小开始逐渐减小，但不是均匀减小．[跟进训练]3.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A、B两点间电压UAB随时间t变化的图像中，正确的是()ABCDB[开关S闭合的瞬间，由于电感L的阻碍作用，由R与L组成的支路相当于断路，后来由于L的阻碍作用不断减小，相当于外电路并联部分的电阻不断减小，根据闭合电路欧姆定律I＝eq\f(E,R＋r)知，整个电路中的总电流不断增大，由U内＝Ir得内电压不断增大，由UAB＝E－Ir得路端电压UAB不断减小．电路稳定后，由于R的阻值大于灯泡D的阻值，所以流过L支路的电流小于流过灯泡D的电流．当开关断开时，由于电感L的自感作用，流过灯泡D的电流立即与L中的电流相等，与灯泡中原来的电流方向相反且逐渐减小，即UAB反向且逐渐减小，选项B正确．]对日光灯工作原理的理解1.对启动器工作原理的认识启动器主要由电容器和玻璃泡组成，电容器与玻璃泡并联．玻璃泡内构造如图所示．玻璃泡内充有氖气，泡内装有两个金属片，一个是固定不动的静触片，另一个是由双金属片制成的U形动触片，动、静触片之间留有小缝隙，形成两个电极．启动器的主要作用是在开关闭合后，利用氖管的辉光放电，通过动、静触片的接通和断开过程，使镇流器产生瞬时高电压．2．对镇流器工作原理的认识镇流器是一个带铁芯的线圈，其自感系数很大．镇流器在日光灯启动阶段和正常发光阶段，起着不尽相同的作用，具体表现为：(1)在灯管启动时，镇流器能够产生一个高出电源电压很多的瞬时电压，使日光灯内的气体导电，而被点亮．(2)在日光灯启动后，因为日光灯的电阻变得很小，只允许通过不大的电流，否则就会将灯管烧坏．这时加在灯管两端的电压低于电源电压，此要求也是通过镇流器来实现的，镇流器起降压限流作用．【例3】家用日光灯电路如图所示，S为启动器，A为灯管，C为镇流器，关于日光灯的工作原理，下列说法正确的是()A．镇流器的作用是把交流电变为直流电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B[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型动触片冷却收缩，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，碰撞管内氖气分子，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．C、D错误．故选B.][一题多变]根据上例中题图，完成以下问题：(1)开关刚合上时，220V交流电压加在________之间，使氖泡发出辉光；(2)日光灯启动瞬间，灯管两端的电压________220V(填“高于”“等于”或“小于”)；(3)日光灯正常发光时，启动器的静触片和动触片__________(填“接通”或“断开”)，镇流器起着________的作用，保证日光灯正常工作；(4)启动器中的电容器能________，没有电容器，启动器也能工作．解析：按原理图接好日光灯电路后，当开关闭合，电源把电压加在启动器的两金属片之间，使氖泡内的氖气放电发出辉光．辉光放电产生的热量使U形动片膨胀，跟静片接触把电路接通，于是镇流器的线圈和灯管的灯丝中就有电流通过，电路接通后，启动器中的氖气停止放电，U形片冷却后收缩恢复原状，两金属片分离，电路断开，由于镇流器的自感作用，会产生很高的自感电动势，其方向与原电压方向相同，很高的自感电动势加上原电源电压加在灯管两端，使管内汞气体导电，产生紫外线，激发荧光粉发光，灯管被点亮．日光灯使用的是正弦交流电，电流的大小和方向都随时间做周期性变化，在日光灯正常发光后，由于交变电流通过镇流器的线圈，线圈中会产生自感电动势，它的作用总是阻碍电流的变化，这时的镇流器就起到了降压限流的作用，保证日光灯的正常工作．启动器中的电容器能使动静片脱离时避免产生电火花而烧毁启动器．没有电容器，同样能工作，当日光灯正常点亮后，启动器不再起作用，就是摘去了也不影响日光灯的发光．答案：(1)启动器的两电极(2)高于(3)断开降压限流(4)避免产生电火花[跟进训练]4．如图所示，S为启动器，L为镇流器，其中日光灯的接线图正确的是()ABCDA[根据日光灯的工作原理，要想使日光灯发光，灯丝需要预热发出电子，灯管两端应有瞬时高压，这两个条件缺一不可．当动、静触片分离后，选项B中灯管和电源断开，选项B错误；选项C中镇流器与灯管断开，无法将瞬时高压加在灯管两端，选项C错误；选项D中灯丝左、右两端分别被短接，无法预热放出电子，不能使灯管气体导电，选项D错误．只有A项满足发光条件．]1．1种现象——自感现象2．2个概念——自感电动势和自感系数3．2个重点——通电自感和断电自感4．1个应用——日光灯1．关于自感现象，下列说法正确的是()A．感应电流一定和原来的电流方向相反B．对于同一线圈，当电流变化越大时，线圈产生的自感电动势也越大C．对于同一线圈，当电流变化越快时，线圈的自感系数也越大D．对于同一线圈，当电流变化越快时，线圈中的自感电动势也越大D[当电流增大时，感应电流的方向与原来的电流方向相反，当电流减小时，感应电流的方向与原来的电流方向相同，故选项A错误；自感电动势的大小，与电流变化快慢有关，与电流变化大小无关，故选项B错误，D正确；自感系数只取决于线圈本身的因素及有无铁芯，与电流变化情况无关，故选项C错误．]2.在如图所示的电路中，L为电阻很小的线圈，G1和G2为零刻度在表盘中央的两相同的电流表．当开关S闭合时，电流表G1、G2的指针都偏向右方，那么当断开开关S时，将出现的现象是()A．G1和G2指针都立即回到零点B．G1指针立即回到零点，而G2指针缓慢地回到零点C．G1指针缓慢地回到零点，而G2指针先立即偏向左方，然后缓慢地回到零点D．G2指针缓慢地回到零点，而G1指针先立即偏向左方，然后缓慢地回到零点D[根据题意，电流方向自右向左时，电流表指针向右偏，那么，电流方向自左向右时，电流表指针应向左偏．当开关S断开的瞬间，G1中原电流立即消失，而对于G2所在支路，由于线圈L的自感作用，阻碍电流不能立即消失，自感电流沿L、G2、G1的方向，在由它们组成的闭合回路中继续维持一段时间，即G2中的电流按原方向自右向左逐渐减为零，此时G1中的电流和原电流方向相反，变为自左向右，且与G2中的电流同时缓慢减为零