高中物理 第1章 电磁感应与现代生活 1_5 自感现象与日光灯教师用书 沪科版选修3-2

1.5自感现象与日光灯学 习 目 标知 识 脉 络1.了解日光灯中起辉器的构造和工作原理.2.知道自感现象及其产生的原因，会分析自感现象.(重点)3.掌握日光灯工作原理及通电自感、断电自感现象的分析.(重点)4.掌握自感电动势和自感系数，知道互感现象.(难点)探 究 日 光 灯 电 路日光灯与镇流器元件名称构造原理、作用起辉器电容器、动触片、静触片启动时将电路瞬时接通后断开灯管灯管、灯丝、氩和汞蒸气高压将管内气体击穿，释放电子与汞原子碰撞发出紫外线使荧光物质发光镇流器自感系数大的线圈启动时形成瞬时高压，工作时降压限流1.日光灯正常工作后，起辉器不再起作用.()2.日光灯正常工作时，管内气体变为导电状态，电阻很小.()3.日光灯正常发光后，使镇流器短路，日光灯仍能正常发光，并能降低电能的消耗.()1.起辉器在日光灯启动时起什么作用？【提示】起辉器起开关作用，接通电路后再断开.2.镇流器有什么作用？【提示】镇流器是带铁心的多匝线圈，当线圈中的电流突然被切断时，可以产生近千伏的电压(起辉电压)，使灯管产生辉光放电；灯管导通后，由于镇流器的存在，镇流器产生的电动势总是阻碍电流的变化，使灯管两端的电压比电源的电压低(约108 V)，镇流器启动时产生高电压，启动后又起限流作用.起辉器和镇流器是日光灯的重要元件，在日光灯启动和发光过程中起着重要的作用.探讨1：若没有镇流器，日光灯能正常工作吗？【提示】不能.在点亮时，日光灯灯管内的气体电离需高电压，是通过镇流器发生自感现象实现的；正常工作时需低电压，此时镇流器起到降压限流的作用.探讨2：起辉器在日光灯正常工作后还有用吗？【提示】起辉器在日光灯点燃时，起到一个自动开关的作用.日光灯正常工作后，它不再起作用.1.日光灯的构造图151如图151所示，日光灯主要是由灯管、镇流器、启动器三部分构成.启动器与灯管并联，镇流器与灯管串联.2.各部分的作用(1)灯管：灯管两端有灯丝，管内充有微量的氩和稀薄的汞蒸气，管壁上涂有荧光粉.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)镇流器：镇流器是一个带铁心的线圈，其匝数很多且为闭合铁心，自感系数很大.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，对灯管起着降压限流的作用.(3)起辉器：其构造如图152所示，它是一个充有氖气的小玻璃泡，里面装有两个电极，一个固定不动的静触片和一个用双金属片制成的U形动触片.起辉器的作用：通断电路(开关).图1523.日光灯的工作原理(1)启动：开关闭合后，电源电压加在起辉器两极，使氖气放电发出辉光，辉光产生的热量使U形动触片膨胀，跟静触片接触把电路接通.电路接通后，氖气停止放电，U形动触片冷却收缩，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，使灯管中的汞蒸气放电，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串联电路.由于镇流器中的线圈的自感现象，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.1.人类生活中对能源的可持续利用可以通过节能方式体现，日光灯是最常用的节能照明工具，它的主要构成有灯管、镇流器、起辉器.起辉器的构造如图153所示，为了便于日光灯工作，常在起辉器两端并上一个纸质电容器C.现有一盏日光灯总是出现灯管两端亮而中间不亮，经检查，灯管是好的，电源电压正常，镇流器无故障，其原因可能是()图153A.起辉器两脚A、B与起辉器座接触不良B.电容器C断路C.电容器C被击穿而短路D.镇流器自感系数L太大【解析】由题意知镇流器无故障，故D项错误；日光灯管两端亮而中间不亮，说明灯管两端的灯丝处于通电状态，即起辉器接通， 但不能自动断开，说明电容器C短路了，选C.【答案】C2.对于日光灯的下列说法中正确的是()A.起辉器是在日光灯启动过程中起接通电路并提供瞬时高压的作用B.镇流器在日光灯启动及工作过程中起降压限流作用C.日光灯发光原理同白炽灯一样，不是由灯丝产生足够热量时发光的D.起辉器只在日光灯启动时起暂时接通电路的作用，而镇流器在启动时提供高压，在正常工作时又起降压限流作用【解析】启动时，起辉器起接通电路作用，然后断开，镇流器由于自感产生瞬时高压，将气体击穿后，炽热的灯丝释放电子与汞原子碰撞产生紫外线，再引起荧光物质发光，正常工作时镇流器又阻碍电流变化起降压限流作用，可见A、B、C错，D对.【答案】D3.如图154所示是日光灯的结构示意图，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()【导学号：72000039】图154A.S1接通，S2、S3断开，日光灯就能正常发光B.S1、S2接通，S3断开，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【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，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，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，故选项C正确.【答案】C日光灯电路的分析方法(1)电路连接：日光灯电路中，镇流器与灯管串联，起辉器与灯管并联.(2)各部分作用：起辉器起开关作用；镇流器点燃灯管时提供高压，灯管正常发光时降压限流；灯管能够发光.探 究 自 感 现 象1.自感由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象叫做自感现象，自感现象中产生的感应电动势叫做自感电动势.2.自感电动势的大小(1)规律：自感电动势与电流的变化率成正比(2)公式：EL.式中的L称为自感系数，只跟线圈自身的因素有关.线圈的横截面积越大、长度越长、匝数越多，它的自感系数就越大.有铁心的比无铁心的自感系数大.1.只要线圈本身电流发生变化就有自感电动势产生.()2.当线圈中电流增大时，线圈中自感电动势的方向与线圈中电流的方向相反.()3.线圈中电流变化得越快，线圈的自感系数就越大.()1.自感现象是否属于电磁感应现象，是否遵守楞次定律和法拉第电磁感应定律？【提示】自感现象属于电磁感应现象，同样遵守楞次定律和法拉第电磁感应定律.2.在自感现象中，自感电动势的方向与原电流方向之间的关系怎样？【提示】在自感现象中，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，即遵循“增反减同”的原则.如图155所示，为演示自感现象的电路，闭合开关S时，发现LA2直接亮起来，而LA1逐渐亮起来.图155探讨1：LA1在闭合开关S时，为什么逐渐亮起来？【提示】电路接通时，电流由零开始增加，穿过L的磁通量随之增加，线圈L中产生自感电动势阻碍电流增加，从而推迟了LA1中电流增加到正常值的时间，使LA1灯比LA2灯晚亮.探讨2：自感电动势的方向是否总与原电流方向相反？【提示】不是.由楞次定律知阻碍作用，当原电流增大时自感电动势的方向与原电流方向相反；当电流减小时自感电动势的方向与原电流方向相同.探讨3：自感电动势有什么作用？【提示】阻碍原电流的变化，但不是阻止，是阻而不止，只是使原电流变化变慢.1.对自感现象的理解(1)自感现象是一种特殊的电磁感应现象，其特殊性在于产生原磁场和产生感应电动势的是同一导体.(2)产生自感现象的原因是导体本身的电流发生变化而引起穿过自身的磁通量的变化，从而产生感应电动势.(3)自感现象的规律符合电磁感应现象的一般规律，仍然遵守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.(3)自感电动势的作用：阻碍原电流的变化.阻碍不是阻止，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.3.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)阻碍作用过程中能量转化的特点：线圈对变化电流的阻碍作用结果是实现电能和磁能的相互转化.线圈中电流从无到有时，磁场从无到有，电源的能量输送给磁场，储存在磁场中.相反，线圈中电流减小时，磁场中的能量释放出来转化为电能.4.(多选)下列关于自感现象的论述中，正确的是()A.线圈的自感系数跟线圈内电流的变化率成正比B.当导体中电流减弱时，自感电流的方向与原电流方向相反C.当导体中电流增大时，自感电流的方向与原电流方向相反D.穿过线圈的磁通量的变化和线圈中电流的变化成正比【解析】线圈的自感系数是由线圈本身性质决定的，与线圈的长度、匝数、线圈的横截面积、铁芯有关，而与线圈内电流的变化率无关，A错.自感电流的方向总是阻碍原来线圈中电流的变化，即原来线圈中电流增大，自感电流的方向与原电流方向相反；线圈中电流减弱，自感电流的方向与原电流方向相同，C对B错.根据ELI/t和En/t比较可知I，则D正确.【答案】CD5. (多选)如图156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.下列说法中正确的是() 【导学号：72000040】图156A.合上开关S接通电路时，A2先亮，A1后亮，最后一样亮B.合上开关S接通电路时，A1和A2始终一样亮C.断开开关S切断电路时，A2立刻熄灭，A1过一会儿才熄灭D.断开开关S切断电路时，A1和A2都要过一会儿才熄灭【解析】由于自感现象，合上开关时，A1中的电流缓慢增大到某一个值，故过一会儿才亮；断开开关时，A1中的电流缓慢减小到0，A1、A2串联，电流始终相等，都是过一会儿才熄灭.故选A、D.【答案】AD6.如图157所示电路中，L为自感系数很大、电阻为RL的线圈，A为一阻值为RA的小灯泡，已知RLRA，电源的电动势为E，内阻不计，某物理实验小组的同学们把S闭合一段时间后开始计时，记录各支路的电流，测得流过L的电流为i1，流过灯A的电流为i2，并在t1时刻将S断开，画出了通过灯泡A的电流随时间变化的图像，你认为正确的是() 【导学号：72000041】图157ABCD【解析】当S闭合时，由于RLRA，故开始一段时间内，各支路电流之间的关系为i2i1，流过灯A的电流方向从左向右，S断开时，由于L的自感作用，流经L的电流方向从左向右不变，大小由原来的i1逐渐减小，它与灯A构成闭合回路，由此可知灯A的电流方向与原来相反，大小与L中电流相同，即由i1逐渐减小，故A、B、C错，D对.【答案】D自感电动势的两个特点1.自感电动势阻碍自身电流的变化，但不能阻止，且自感电动势阻碍自身电流变化的结果，会对其他电路元件的电流产生影响.2.自感电动势的大小跟自身电流变化的快慢有关，电流变化越快，自感电动势越大.学业分层测评(五)(建议用时：45分钟)学业达标1.下列说法中正确的是 ()A.电路中电流越大，自感电动势越大B.电路中电流变化越大，自感电动势越大C.线圈中电流均匀增大，线圈的自感系数也均匀增大D.线圈中电流为零时，自感电动势不一定为零【解析】自感系数L跟线圈中的电流无关，是由线圈本身的性质决定的，而自感电动势的大小跟电流变化的快慢有关，故D正确.【答案】D2.(多选)无线电力传输目前已取得重大突破，日本展出了一种非接触式电源供应系统.这种系统基于电磁感应原理可无线传输电力.两个感应线圈可以放置在左右相邻或上下相对的位置，原理示意图如图158所示.下列说法正确的是 ()AB图158A.若A线圈中输入电流，B线圈中就会产生感应电动势 B.只有A线圈中输入变化的电流，B线圈中才会产生感应电动势 C.A中电流越大，B中感应电动势越大D.A中电流变化越快，B中感应电动势越大【解析】根据产生感应电动势的条件，只有处于变化的磁场中，B线圈才能产生感应电动势，A错，B对；根据法拉第电磁感应定律，感应电动势的大小取决于磁通量变化率，所以C错，D对.【答案】BD3.如图159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()图159A.灯泡变暗B.灯泡变亮C.螺线管缩短D.螺线管长度不变【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.【答案】A4.如图所示，S为起辉器，L为镇流器.其中日光灯的接线图正确的是()【解析】根据日光灯的工作原理，要想使日光灯发光，灯丝必须预热发出电子，灯管的两端应有瞬时高压，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、右端分别被短接，无法预热放出电子，不能使灯管中的气体导电，选项D错误.【答案】A5.在制精密电阻时，为了消除制作过程中由于电流变化而引起的自感现象，采取了双线并绕的方式，如图1510所示，其道理是()【导学号：72000042】图1510A.当电路中的电流变化时，两股导线中产生的自感电动势相互抵消B.当电路中的电流变化时，两股导线中产生的感应电流相互抵消C.当电路中的电流变化时，两股导线中原电流的磁通量相互抵消D.以上说法都不对【解析】采用双线并绕的方式，当电流通过时，两股导线中的电流方向是相反的，不管电流怎样变化，任何时刻两股电流总是等大反向的，所产生的磁场也是等大反向的，故总磁通量等于零，在该线圈中不会产生电磁感应现象，因此消除了自感，选项A、B错误，只有C正确.【答案】C6.在如图1511所示的电路中，两个相同的小灯泡L1和L2分别串联一个带铁心的电感线圈L和一个滑动变阻器R.闭合开关S后，调整R，使L1和L2发光的亮度一样，此时流过两个灯泡的电流均为I.然后，断开S.若t时刻再闭合S，则在t前后的一小段时间内，正确反映流过L1的电流i1、流过L2的电流i2随时间t变化的图像是() 【导学号：72000043】图1511【解析】由题中给出的电路可知，电路由L与L1和L2与R两个支路并联，在t时刻，L1支路的电流因为有L的自感作用，所以i1由零逐渐增大，L2支路为纯电阻电路，i2不存在逐渐增大的过程，所以选项B正确.【答案】B7.在生产实际中，有些高压直流电路中含有自感系数很大的线圈，当电路中的开关S由闭合到断开时，线圈会产生很大的自感电动势，使开关S处产生电弧，危及操作人员的人身安全.为了避免电弧的产生，可在线圈处并联一个元件，在下列设计的方案中(如图所示)可行的是 ()ABCD【解析】断开开关S，A图中由于电容器被充电，开关S处仍将产生电弧；B、C图中闭合开关时，电路发生短路；而D图是利用二极管的单向导电性使线圈短路可避免开关处电弧的产生，故D正确.【答案】D8.如图1512所示的电路中，两个相同的电流表G1和G2的零点均在刻度盘中央，当电流从“十”接线柱流入时，指针向左摆；当电流从“一”接线柱流入时，指针向右摆.在电路接通后再断开开关S的瞬间，下列说法中正确的是 ()【导学号：72000044】图1512A.G1指针向右摆，G2指针向左摆B.G1指针向左摆，G2指针向右摆C.两表指针都向右摆D.两表指针都向左摆【解析】当开关S闭合时，流经电感线圈L的电流方向自左向右.当断开开关S的瞬间，通过线圈L的电流将变小，根据楞次定律可知，感应电流方向与原电流方向相同，也将是自左向右流，以阻碍原电流减小的变化.这样在由L、G2、R及G1组成的闭合电路中，感应电流将从G2的负接线柱流入，因而G2的指针向右偏；感应电流将从G1的正接线柱流入，因而G1的指针向左偏.【答案】B能力提升9.如图1513所示，电感线圈L的自感系数足够大，其直流电阻忽略不计，LA、LB是两个相同的灯泡，且在下列实验中不会烧毁，电阻R2的阻值约等于R1的两倍大，则()图1513A.闭合开关S时，LA、LB同时达到最亮，且LB更亮一些B.闭合开关S时，LA、LB均慢慢亮起来，且LA更亮一些C.断开开关S时，LA慢慢熄灭，LB马上熄灭D.断开开关S时，LA慢慢熄灭，LB闪亮后才慢慢熄灭【解析】由于线圈L的自感系数足够大，闭合开关S时产生很强的阻碍，纯电阻R2无自感，因此LA慢慢亮起来，LB随即达到稳定亮度，A、B错；当电路稳定时，将线圈L等效为导线，则有ILIAIB.断开开关S时，则由于自感线圈L与LB、R2形成闭合回路，因此有IBIB，因此断开开关S时，LA慢慢熄灭，LB闪亮后才慢慢熄灭，C错D对.【答案】D10.(多选)如图1514所示为一个日光灯电路，主要由灯管、镇流器和起辉器等元件组成.在日光灯正常工作的情况下，则()图1514A.灯管两端的灯丝跟镇流器、起辉器、开关都是串联的B.灯管在开始点燃时，需要一个很高的瞬时电压，可通过使用镇流器来达到这个要求C.灯管点燃发光后，镇流器不再起作用D.灯管在点燃发光后，起辉器的两个触片是分离的，起辉器不再起作用【解析】闭合开关，电压加在起辉器两极间，氖气放电发出辉光，产生的热量使U形动触片膨胀，跟静触片接触使电路接通，灯丝和镇流器中有电流通过.电路接通后，起辉器中的氖气停止放电，U形动触片冷却收缩，两个触片分离，电路自动断开.在电路突然断开的瞬间，由于镇流器电流急剧减小，会产生很高的自感电动势，方向与电源电动势方向相同，这个自感电动势与电源电压加在一起，形成一个瞬时高压，加在灯管中的气体开始放电，于是日光灯成为电流的通路开始发光.日光灯开始发光后，由于交变电流通过镇流器线圈，线圈中会产生自感电动势，它总是阻碍电流的变化，这时的镇流器起着降压、限流的作用，保证日光灯正常发光.所以选项B、D正确.【答案】BD11.如图1515甲所示为研究自感实验电路图，并用电流传感器显示出在t1103s时，断开开关前后一段时间内各时刻通过线圈L的电流(如图1515乙).已知电源电动势E6 V，内阻不计，灯泡R1的阻值为6 ，电阻R的阻值为2 .甲乙图1515(1)线圈的直流电阻RL .(2)开关断开时，该同学观察到的现象是 ，并计算开关断开瞬间线圈产生的自感电动势是 V.【解析】由图像可知S闭合稳定时IL1.5 ARLR 2 2 此时小灯泡的电流I1 A1 AS断开后，L、R、R1组成临时回路电流由1.5 A逐渐减小，所以灯泡会闪亮一下再熄灭，自感电动势EIL(RRLR1)15 V【答案】(1)2(2)灯泡闪亮一下后逐渐变暗，最后熄灭1512.如图1516所示，灯泡电阻大小为8 .线圈的直流电阻为2 ，电源电动势为4 V，电阻忽略不计.试计算在S断开时刻线圈L的自感电动势大小. 【导学号：72000045】图1516【解析】根据直流电路知识，计算出稳定时通过灯泡A的电流为0.5 A，通过线圈L的电流为2 A.断开S瞬间，通过灯泡A的0.5 A电流立即消失，由于“自感要阻碍通过线圈的原电流变化”.流经L的2 A电流将由2 A逐渐减小，所以断开S时刻的自感电动势大小EI2(RLRA)20 V.【答案】20 V