高二物理 4.6《自感和互感》课件（4）（新人教版选修3-2）

欢迎进入物理课堂 知识与技能1 了解互感现象及互感现象的应用 2 掌握自感现象 知道自感电动势的概念 作用 能解释通电自感和断电自感 3 了解自感系数由哪些因素决定 掌握自感系数的单位 4 知道磁场具有能量 过程与方法1 通过演示实验的方法得出互感和自感的定义 2 通过对实验现象的分析 总结得到产生互感 自感的条件 情感 态度与价值观通过对现实生活中电学知识的认识学习 提高学习物理的兴趣 现在日光灯使用已经很普遍了 你知道为什么有些日光灯闭合开关后灯管两头先亮 过一会儿灯管才正常发光吗 日光灯是怎样启动的呢 1 互感现象 如图所示的电路中 两个线圈之间并没有导线相连 但当一个线圈中的电流变化时 它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势 这种现象叫做互感现象 2 互感电动势 在互感现象中产生的电动势叫做互感电动势 对互感的三点理解 1 互感现象是一种常见的电磁感应现象 它不仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间 而且可以发生于任何相互靠近的电路之间 2 互感现象可以把能量由一个电路传到另一个电路 变压器就是利用互感现象制成的 3 在电力工程和电子电路中 互感现象有时会影响电路的正常工作 这时要求设法减小电路间的互感 1 定义 由于通过线圈本身的电流发生变化时 线圈本身产生的电磁感应现象 2 自感电动势 由于通过导体本身电流发生变化而产生的感应电动势 3 对自感电动势的进一步理解 1 自感电动势产生的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 自感电动势的作用阻碍原电流的变化 而不是阻止 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 自感电动势的方向当原电流增大时 自感电动势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 4 自感现象的分析思路 1 明确通过自感线圈的电流怎样变化 是增大还是减小 2 判断自感电动势方向 电流增强时 如通电 自感电动势方向与电流方向相反 电流减小时 如断电 自感电动势方向与电流方向相同 3 分析电流变化情况 电流增强时 如通电 由于自感电动势方向与原电流方向相反 阻碍原电流增大 电流逐渐增大 电流减小时 如断电 由于自感电动势方向与原电流方向相同 阻碍原电流减小 线圈中电流方向不变 电流逐渐减小 断电自感现象中灯泡能否闪亮一下的分析 如下图所示 在断电自感现象中 当原来电路闭合处于稳定状态时 L与A并联 其电流分别为IL和IA 方向都是从右向左 在断开S的瞬间 A中原来的电流IA立即消失 但A与线圈L组成一闭合电路 由于L的自感作用 其中的电流IL不会立即消失 而是在回路中逐渐减弱维持短暂的时间 这段时间内A中有从左向右的电流通过 这时通过A的电流从IL开始减弱 如果线圈L的直流电阻RLIA 则灯A在熄灭之前要闪亮一下 1 自感系数L的大小是由线圈本身的构造决定的 线圈的长度越长 横截面积越大 单位长度上的匝数越多 线圈的自感系数越大 线圈有铁芯比无铁芯时自感系数大得多 2 自感系数L是表征线圈产生自感电动势本领大小的物理量 数值上等于通过线圈的电流在1s内改变1A时产生的自感电动势的大小 3 自感的单位自感的单位为亨利 符号为H 取1H 1V s A 另外常用的单位还有毫亨 mH 微亨 H 且1H 103mH 106 H 4 电阻和电感 1 电能与磁场能的转换自感现象中 线圈中电流从无到有 磁场从无到有时 电源把能量输送给磁场 储存在磁场中 电流减小时 磁场中的能量释放出来转换为电能 2 电的 惯性 自感电动势阻碍线圈中电流变化的性质 例1在如图所示的电路中 S1和S2是两个相同的小灯泡 L是一个自感系数相当大的线圈 其直流电阻值与R相等 在电键S接通和断开时 灯泡S1和S2亮暗的顺序是 A 接通时 S1先达到最亮 断开时 S1后暗B 接通时 S2先达到最亮 断开时 S2后暗C 接通时 S1先达到最亮 断开时 S1先暗D 接通时 S2先达到最亮 断开时 S2先暗答案 A 解析 在S接通时 线圈中将产生自感电动势 从而使通过线圈L的电流只能从零逐渐地增大 等效地看 在S接通时 相当于L表现为很大的电阻 故S1先达到最亮 当S切断的瞬间 通过S2和R的电流立即消失 而在线圈L中将产生阻碍电流减小的自感电动势 线圈L与S1组成闭合电路 通过S1的电流与通过L的电流相等 所以S1后暗 选项A正确 反思提升 当电流发生变化时 线圈电路中将产生自感电动势 自感电动势起阻碍电流变化的作用 在S接通时 相当于L表现为很大的电阻 在S断开时 L相当于电源 变式训练1 1如图 a b 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A的电阻 接通S 使电路达到稳定 灯泡A发光 则 A 在电路 a 中 断开S后 A将逐渐变暗B 在电路 a 中 断开S后 A将先变得更亮 然后才逐渐变暗C 在电路 b 中 断开S后 A将逐渐变暗D 在电路 b 中 断开S后 A将先变得更亮 然后渐渐变暗答案 AD 解析 a 电路中 灯A和线圈L串联电流相同 断开S时 线圈上产生自感电动势 阻碍原电流的减小 通过R A形成回路 A将渐渐变暗 b 电路电阻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 电源不给灯供电 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中电流比原来大 变得更亮 然后渐渐变暗 例2关于线圈的自感系数 下面说法正确的是 A 线圈中产生的自感电动势越大 线圈的自感系数一定越大B 线圈中电流变化越快 自感系数越大C 线圈中的电流为零 自感系数也为零D 线圈的自感系数是由线圈本身的几何尺寸及有无铁芯情况决定的 答案 D解析 自感系数是线圈本身的固有属性 只决定于线圈长短 粗细 匝数 有无铁芯等自身因素 而与电流变化快慢等外部因素无关 所以选D 变式训练2 1一个线圈中的电流如果均匀增大 则这个线圈的 A 自感电动势将均匀增大B 磁通量将均匀增大C 自感系数也均匀增大D 自感系数和电动势都不变答案 BD 解析 线圈电流均匀增大直接得出的是 穿过线圈的磁通量均匀增大 则变化率为恒值 自感电动势不变化 自感系数只由线圈自身的特点与有无铁芯等条件决定 因而不会随电流而变化 例3如图 甲 所示的电路 电键原先闭合 电路处于稳定 在某一时刻t1突然打开电键S 则通过电阻R1中的电流I1随时间变化的图线可用图 乙 中的哪一个图表示 答案 D 变式训练3 1某线圈通有如图所示的电流 则线圈中的自感电动势改变方向的时刻有 A 第1s末B 第2s末C 第3s末D 第4s末答案 BD 解析 如图所示为一线圈 规定电流从A B为正方向 在0 1s 电流正向且减小 感应电动势阻碍其减小 方向与原电流同向 自感电动势方向A B 在1s 2s 电流反方向增加 自感电动势阻碍其增加 方向仍为从A B 在2s 3s 电流反方向减小 自感电动势方向与之同向 即自感电动势方向B A B正确 在3s 4s 电流正方向增加 自感电动势方向与之相反 即从B A 在4s 5s 电流正方向减小 则自感电动势与正方向一致 即从A B D项正确 例4如图所示的电路中 已知E 20V R1 20 R2 10 L是纯电感线圈 电源内阻不计 则S闭合稳定后打开S的瞬间 L两端的电压为多少 哪端电势高 答案 60Vb端解析 当S闭合时 流过L的电流I E R2 20 10 2A 打开S瞬间 R2和R1与L串联 开始瞬间 L中电流为I 所以L两端电压为I R1 R2 2 20 10 V 60V 经分析可知b端电势高 变式训练4 1如图所示 设电源的电动势为E 10V 内阻不计 L与R的电阻均为5 两灯泡的电阻均为RL 10 1 求断开S的瞬间 灯泡L1两端的电压 2 画出断开S前后一段时间内电流随时间的变化规律 答案 1 10V 2 见解析图 解析 1 电路稳定工作时 由于a b两点的电势相等 导线ab无电流流过 因此通过L的电流为IL E 2R 10 10 A 1A流过L1的电流为IL1 E 2RL 10 20 A 0 5A断开S的瞬间 由于线圈要想维持IL不变 而与L1组成闭合回路 因此通过L1的最大电流为1A 所以此时L1两端的电压为10V 比正常工作时大5V 2 曲线如图所示 电子节能灯普通日光灯主要由灯管 镇流器 启动器等组成 接通电源瞬间 启动器的动 静触片先接通 后分离 分离的瞬间 镇流器两端产生很高的自感电动势 且其方向与电源电压的方向一致 从而在灯管两端形成一个瞬时高压 使管内稀薄汞蒸气受激放电 发射出的紫外线使管内壁的荧光粉发出可见光 日光灯的发光效率不仅跟管内壁所涂的荧光粉有关 还跟镇流器的电源频率有关 所以 新的荧光灯 电子节能灯的荧光粉采用了由稀土元素的化合物 如氧化铕 氧化钇等 配制的荧光粉 这些分别能发出红 绿 蓝三基色的稀土元素的化合物按一定比例混合喷涂在管内壁上 管内稀薄气体受激辐射后便能发出光谱线丰富 近似自然光的白光 科学家还采用电子变频变压技术成功设计了一种电子变频镇流器 它是利用由电子元件组成的高频振荡电路把50赫兹的交流电转换成3万 5万赫兹的高频高压电 彻底摒弃了原来的自身耗电的带铁芯镇流器 不仅省电 而且使整个灯具的重量减轻了80 其使用寿命长达5000小时 1 在法拉第的实验中 两个线圈之间并没有导线相连 但当一个线圈中的电流变化时 它所产生的 会在另一个线圈中产生 这种现象叫做 2 当一个线圈中的电流变化时 它产生的变化的磁场不仅在邻近的电路中激发出 同样也在它本身激发出 这种现象称为 3 自感电动势正比于 公式为 其中L叫做 它的单位是 符号是 1 变化的磁场感应电动势互感2 感应电动势感应电动势自感3 电流的变化率E L自感系数亨利H 一 互感1 互感现象 如下图所示电路中 两个线圈之间并没有导线相连 但当一个线圈中的电流变化时 它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势 这种现象叫做互感现象 2 互感电动势 在互感现象中产生的电动势叫做互感电动势 3 对互感的三点理解 1 互感现象是一种常见的电磁感应现象 它不仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间 而且可以发生于任何相互靠近的电路之间 2 互感现象可以把能量由一个电路传到另一个电路 变压器就是利用互感现象制成的 3 在电力工程和电子电路中 互感现象有时会影响电路的正常工作 这时要求设法减小电路间的互感 如下图所示 水平放置的两条光滑轨道上有可自由移动的金属棒PQ MN 当PQ在外力作用下运动时 MN在磁场力作用下向右运动 则PQ所做的运动可能是 A 向右匀加速运动B 向左匀加速运动C 向右匀减速运动D 向左匀减速运动 解析 这是一道涉及互感现象的问题 当MN棒中有感应电流 受安培力作用而向右运动 由左手定则可判断出MN中电流的方向是由M流至N 此电流在L1中产生磁场的方向是向上的 若PQ棒向右运动 由右手定则及安培定则可知L2产生的磁场的方向也是向上的 由于L1产生的磁场方向与L2产生的磁场的方向相同 可知L2产生的磁场的磁通量是减少的 故PQ棒做的是向右的匀减速运动 C选项是可能的 若PQ棒向左运动 则它产生的感应电流在L2中产生的磁场是向下的 与L1产生的磁场方向是相反的 由楞次定律可知L2中的磁场是增强的 故PQ棒做的是向左的匀加速运动 B选项是可能的 答案 BC 二 自感1 实验探究自感现象 1 通电自感实验 实验条件 在右图所示的通电自感电路中 两灯泡A1 A2的规格完全相同 滑动变阻器R的电阻和线圈L的电阻相同 即 R RL 这样两并联支路的电阻就完全相同 实验现象在通电瞬间 与滑动变阻器R串联的灯泡A2立即变亮 而与线圈串联的灯泡A1则逐渐变亮 即其正常发光比A2滞后一段时间 最后两灯泡都正常发光 亮度相同 原因当开关闭合的瞬间 流过线圈L的电流急剧增大 穿过线圈的磁通量也急剧增加 这就会在线圈中产生很大的感应电动势 根据楞次定律 这个感应电动势将阻碍 而非阻止 线圈中电流的增大 即对灯泡A1的正常发光起到了 延缓 的作用 所以 灯泡A1是逐渐变亮的 当电路中的电流稳定后 线圈中的磁通量不再发生变化 阻碍作用消失 流过两灯泡的电流相同 亮度相同 2 断电自感实验 实验条件灯泡在断开开关后肯定都是逐渐熄灭的 如果这种 逐渐熄灭 进行得很快 人眼是无法观察清楚的 要想在右图所示的电路中观察到断电时的自感现象 除非是在开关断开的瞬间让灯泡更亮一下后再熄灭 这就要求线圈L的电阻远比灯泡A的电阻小 即 RL RA 实际上后者约为前者的几十倍 实验现象在断开开关的瞬间 灯泡A不但没有熄灭 反而更亮一下后才熄灭 解释开关未断开前 流过线圈L的电流IL 远远大于流过灯泡A的电流IA 在开关断开的瞬间 流过线圈L的电流急剧减小 穿过线圈的磁通量也就急剧减小 因而在线圈中产生了感应电动势 在线圈L和灯泡A组成的回路中产生了感应电流 这个急剧减小的感应电流远比原来流过灯泡A中的电流大 约为灯泡原来电流的几十倍 导致灯泡A不但没有立即熄灭 反而更亮了一下后才熄灭 2 自感现象 1 定义 由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象 2 本质分析 由法拉第电磁感应定律知道 穿过线路的磁通量发生变化时 线路中就产生感应电动势 在自感现象中 由于流过线圈的电流发生变化 导致穿过线圈的磁通量发生变化而产生自感电动势 3 从能量角度分析 在断电自感实验中 S断开前 线圈L中有电流 则线圈中有磁场能 S断开后 线圈所储存的磁场能通过灯泡释放出来 流过线圈的电流在原来大小的基础上逐渐减小 由于IL IA 故灯泡会闪亮一下 4 自感电动势 自感电动势的作用 总是阻碍导体中原电流的变化 即总是起着推迟电流变化的作用 自感电动势的方向 自感电动势总是阻碍导体中原来电流的变化 当原来电流增大时 自感电动势的方向与原来电流方向相反 当原来电流在减小时 自感电动势的方向与原来电流方向相同 也遵循 增反减同 的规律 3 自感系数 1 自感电动势E感与哪些因素有关自感电动势E感可以写成E感 n 由于磁通量的变化是电流的变化引起的 故自感电动势的大小与电流变化的快慢有关 可表示为E感 L 式中L称为自感系数 注意 不同线圈在电流变化一致的情况下 自感电动势不同 可见自感电动势与线圈构造有关 2 自感系数自感系数是表示线圈产生自感电动势本领大小的物理量 简称为自感或电感 用L表示 大小 线圈的长度越长 线圈的截面积越大 单位长度上匝数越多 线圈的自感系数越大 线圈有铁芯比无铁芯时自感系数大得多 单位 亨利 符号H 1亨 103毫亨 106微亨1H 103mH 106 H 物理意义 表征线圈产生自感电动势本领大小的物理量 数值上等于通过线圈的电流在1s内改变1A时产生的自感电动势的大小 下图甲 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 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 分析 本题考查同学们对断电时产生的自感电动势的阻碍作用的理解 解析 在电路断开时 电感线圈的自感电动势阻碍原电流的减小 此时电感线圈在电路中相当于一个电源 表现为两个方面 一是自感电动势所对应的电流方向与原电流方向一致 二是在断电瞬间 自感电动势所对应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 甲图中 电灯A与电感线圈L在同一个支路中 流过的电流相同 断开开关S时 线圈L中的自感电动势要维持原电流不变 所以 开关断开的瞬间 电灯A的电流不变 以后电流渐渐变小 因此 电灯渐渐变暗 乙图中 电灯A所在支路的电流比电感线圈所在支路的电流要小 因为电感线圈的电阻很小 断开开关S时 电感线圈的自感电动势要阻碍电流的变小 此瞬间电感线圈中的电流不变 电感线圈相当于一个电源给灯A供电 因此 反向流过A的电流瞬间要变大 然后渐渐变小 所以电灯要先更亮一下 然后渐渐变暗 答案 AD 变式迁移 1 在如图所示的电路中 a b为两个完全相同的灯泡 L为自感线圈 E为电源 S为开关 关于两灯泡点亮和熄灭的先后次序 下列说法正确的是 A 合上开关 a先亮 b后亮 断开开关 a b同时熄灭B 合上开关 b先亮 a后亮 断开开关 a先熄灭 b后熄灭C 合上开关 b先亮 a后亮 断开开关 a b同时熄灭D 合上开关 a b同时亮 断开开关 b先熄灭 a后熄灭 解析 由于L是自感线圈 当合上开关S时 自感线圈L将产生自感电动势 阻碍电流的流过 故有b灯先亮 而a灯后亮 当S断开时 a b组成回路 L产生自感电动势阻碍电流的减弱 由此可知 a b同时熄灭 故选项C正确 答案 C 2 如下图所示的电路 D1与D2是两个相同的小电灯 L是一个自感系数相当大的线圈 其电阻与R相等 由于自感现象 在开关S接通和断开时 灯泡D1和D2先后亮暗的次序是 A 接通时 D1先达最亮 断开时 D1后熄灭B 接通时 D2先达最亮 断开时 D2后熄灭C 接通时 D2先达最亮 断开时 D2先熄灭D 接通时 D1先达最亮 断开时 D1先熄灭 解析 当开关S接通时 流过L的电流增强 产生感应电动势的效果为 增反 所以瞬时电流几乎全部从灯D1通过 而后分别通过灯D2和R 所以D1先达最亮 稳定以后 D1和D2两灯一样亮 当开关S断开时 流过L的电流减弱 产生感应电动势的效果为 减同 右正 左负 从而使L与D1组成的回路中仍有电流流过 所以D1后熄灭 D2先熄灭 答案 A 三 自感现象中能量的转化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A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 在自感现象中是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的过程 因此自感现象遵循能量转化和守恒定律 2 电感L在自感现象的能量转化中所起的作用电感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 电能转化的磁场能越多 因而当线圈中电流稳定时 线圈储存的磁场能也越多 且这个过程持续时间越长 当断开电路使线圈中电流减小时 磁场能转化的电能越多 且持续的时间也越长 1 2011年山东济南 如图所示 a b c为三个完全相同的灯泡 L为自感线圈 自感系数较大 电阻不计 E为电源 S为开关 闭合开关S 电路稳定后 三个灯泡均能发光 则 A 断开开关瞬间 c灯熄灭 稍后a b灯同时熄灭B 断开开关瞬间 流过a灯的电流方向改变C 闭合开关 a b c灯同时亮D 闭合开关 a b灯同时先亮 c灯后亮 基础巩固 解析 闭合开关S时 由于L的自感作用 流过a灯的电流逐渐增大 所以b c灯先亮 a灯后亮 选项CD错误 断开开关瞬间 a b灯构成闭合回路 由于L的自感作用 a b灯的电流要逐渐减小 电流方向不变 所以c灯立即熄灭 a b灯稍后熄灭 选项A正确 B错误 答案 A 7 如右图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 A 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 能力提升 解析 当S1接通 S2 S3断开时 电源电压200V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 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 选项C正确 答案 C 日光灯的电路结构及镇流器 启动器的作用 1 启动器利用氖管的辉光放电 起着自动把电路接通和断开的作用 2 镇流器在日光灯点燃时 利用自感现象 产生瞬时高压 在日光灯正常发光时 利用自感现象起降压限流作用 3 日光灯的工作原理日光灯的电路如图所示 当开关闭合时 电源把电压加在启动器的两极之间 使氖气放电而发出辉光 辉光产生的热量使U形动触片膨胀伸长 从而接通电路 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形动触片冷却收缩 两个触片分离 电路自动断开 流过镇流器的电流迅速减少 会产生很高的自感电动势 方向与原来电压方向相同 形成瞬时高压加在灯管两端 使灯管中的气体开始放电 于是日光灯管成为电流的通路开始发光 由于日光灯使用的是交流电源 电流的大小和方向做周期性变化 当交流电的大小增大时 镇流器上的自感电动势阻碍原电流增大 自感电动势与原电压反向 当交流电的大小减小时 镇流器上的自感电动势阻碍原电流减小 自感电动势与原电压同向 可见镇流器的自感电动势总是阻碍电流的变化 镇流器就起着降压 限流的作用 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全