高中物理第一章电磁感应第七节自感现象及其应用预习导学案粤教版选修3_220171103229.doc

第七节 自感现象及其应用【思维激活】1.在接通或断开电动机电路时，在开关处会产生火花放电，你知道为什么吗？ 提示：电动机电路是含有线圈的电路，在通电瞬间或断电瞬间，线圈中就会有电流的巨大变化，从无到有或从有到无，在也会产生电磁感应现象，产生感应电动势，由于变化较快，感应电动势会比较大，加在开关的动片与静片之间，就会形成火花放电。这是自感现象。2.在日常生活中，若发现或怀疑家用煤气泄漏，选用了打电话报警的方式求助，你认为这种方法正确吗？提示：不正确，打电话时会产生火花引起火灾，酿成更大的事故。【自主整理】1.互感现象：绕在同一铁芯的两个线圈，当其中一个线圈上的电流变化时，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，这种现象就叫互感。2.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，同样也会在它本身激发出感应电动势。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。3.自感电动势：由于自感而产生的感应电动势叫做自感电动势。4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：_，符号是H.常用的还有_（mH）和_（H），换算关系是：1 H=_mH=_H.。5.磁场的能量：线圈中有电流，就有磁场，_就储存在磁场中。【高手笔记】1.自感现象是否符合楞次定律？剖析：自感现象是一种特殊的电磁感应现象，其规律符合楞次定律，即感应电动势阻碍磁通量的变化。只不过由于自感现象中磁通量的变化是由于电路中电流的变化引起的。所以，自感电动势直接表现为阻碍原电源的变化。这里要着重强调阻碍的含义：“阻碍”不是“相反”：原电流增加时“反抗”；原电流减小时“反抗”；原电流减小时“补偿”。“阻碍”不是“阻止”：自感现象虽然延缓了电流变化进程，但最终电流还是要变化到稳定时应有的值。2.对断电自感应如何分析？剖析：对图1-7-1所示电路，普遍存在这样的错误认识：断开开关S，流过L的电流迅速减小，线圈L中产生一个很大的自感电动势，自感电动势在线圈中产生一个比原来的电流还要大的感应电流，从而使灯泡闪亮一下，其实，出现明显闪烁现象的根本原因是IL>IA，而IL和IA是电路处于稳定状态时两支路的电流。电路稳定时，线圈L也只相当于一个电阻。因此，线圈的直流电阻RL<<RA才是实验现象中出现明显闪烁的根本条件。图1-7-1由于原来流过线圈的电流IL大于流过灯泡A的电流IA，断开开关S后，最初的一小段时间（t1-t0）内流过灯泡A的电充大于IA，故灯泡会闪烁。图1-7-1是L中电流的变化情况。t0时刻断开开关S，t0时刻后的电流也是灯泡中的电流。【名师解惑】1.自感现象（1）实验电路图1-7-2为通电自感实验，图1-7-3为断电自感实验。图1-7-2 图1-7-3（2）实验现象在图1-7-2中，闭合开关S，灯泡A2立刻正常发光，而跟线圈L串联的灯泡A1却是逐渐亮起来。在图1-7-3中，断开开关S，灯泡A并非立即熄灭，而是过一会才逐渐熄灭。（3）实验分析现象分析：上述两种实验电路中有一个共同点，那就是闭合开关或断开开关时，流过线圈的电流都发生变化。概念：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。 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。注意：在图1-7-2中，通过时产生的自感电动势阻碍线圈的电流增加，故A1逐渐亮起来；在图1-7-3中断电时产生的电动势阻碍线圈的电流减小，当S断开后，灯泡A和线圈L组成了新的闭合电路，自感电动势所提供的电流方向和线圈中原来的电流方向相同，但流过A的电流方向却和原来相反。小结：自感电动势的作用：总是阻碍导体中原电流变化，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，自感电动势与原来电流方向相反；当原来电流在减小时，自感电动势与原来电流方向相同。从能量角度分析在断电实验中，S断开前后，线圈L中有电流，则线圈中有磁场能。S断开后，线圈所储有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，故灯泡会更亮一下再慢慢熄灭。2.自感电动势与自感系数（1）自感电动势在自感现象中产生的感应电动势叫自感电动势。其作用是阻碍导体本身电流的变化。表达式：E即自感电动势与电流的变化率成正比，其中L为自感系数。（2）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，自感电动势与原来电流方向相反；当原来电流在减小时，自感电动势与原来电流方向相同。（3）自感系数L自感系简科称自感或电感，不同的线圈，在电流变化相同的条件下，产生的自感电动势不同，电学中用自感系数来表示线圈的这种特性。线圈的长度越长，线圈的面积越大，单位长度上匝数越多，线圈的自感系数越大，线圈中有铁芯比无铁芯时自感系数大。单位：亨利，符号H，1H=103mH=106H物理意义：表示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.在断电自感中，灯泡更亮一下的条件是什么？在如图1-7-4所示的电路中，当开关S断开后，灯泡A是否会更亮一下？更亮一下的条件是什么？图1-7-4该天关闭合时，电源路端电压为U，线圈的电阻为RL，灯泡的电阻为RA，则通过线圈的电流为，通过灯泡的电流为。当开关断开后，线圈中灯泡组成的回路中的电流从IL开始减弱。若RA>RL，有IA<IL，在断开开关的瞬间，通过灯泡的电流会瞬时增大，灯泡会更亮一下，若RARL，有IAIL，断开开关后，通过灯泡的电流减小，灯泡不会更亮一下。4.线圈对变化电流的阻碍作用与对稳定电流的阻碍作用有何不同（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，对稳定电流阻碍作用的产生原因，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。线圈对变化电流的阻碍作用，是由绕圈的自感现象引起的，当通过线圈中的电流变化时，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1-7-5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（图1-7-5乙）图1-7-5（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E/RL，由此可知线圈的稳态电阻决定了电流的稳定值。由图丙知，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。电流变化的越慢，总之，稳态电阻决定了电流所能达到的稳定值，对变化电流的阻碍作用决定了要达到稳定值所需的时间。【讲练互动】例1.在制作精密电阻时，为消除使用过程中由于电流变化而引起的自感现象，采用如图1-7-6所示的双线绕法，其道理是（ ）图1-7-6A.当电路中的电流变化时，两股导线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：产生感应电动势的最根本原因是因为有磁通量，有了，才有感应电动势E，有了E才能产生感应电流I，从这个因果关系不难发现C项是正确的，对于D，电流的变化量是抵消不了的，输入电流与输出电流变化量是一样的。答案：【变式训练】1.关于线圈的自感系数，下面说法正确的是（ ）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及有无铁芯决定解析：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。自感电动势的大小与线圈系数及电流变化率有关，而自感系数与线圈形状、长短、匝数、有无铁芯有关。线圈越长，横截面积越大，单位长度上的匝数越多，系数越大，另外，有铁芯时线圈的自感系数比没有铁芯时线圈的自感系数要大得多。线圈的自感系数与线圈的形状、长短，匝数及有无铁芯有关，与线圈中的电流无关，B、C错，D对；由E自=L知，自感系数越大，自感电动势不一定越大，A错。答案：D例2.如图1-7-7所示，线圈L的电阻可忽略，开关S处于闭合状态，当将开关断开的瞬间，以下说法正确的是（ ）图1-7-7A.A立即熄灭B.A逐渐熄灭C.A先闪一下再逐渐熄灭D.难以判断解析：对自感现象要搞清通电自感和断电自感两种情况，这是自感现象分析的基本问题，如图1-7-6所示，原来电路闭合处于稳定状态，L与A并联，其电流分别为IA、IL，方向都是从左到右的。在断开S的瞬间，A中原来的从左到右的电流IA立即消失。但是A与L组成一闭合回路，由于线圈L的自感作用，在回路中产生了一自感电动势，给回路提供电源，使其中的IL不会立即消失，而是在回路中逐渐减弱维持短暂的时间，这个时间内灯A中有从右到左的电流通过。这时通过A的电流从IL开始减弱，如果RL<RA（RL为线圈L的直流电阻），原来的电流IA<IL，则在灯熄灭之前要闪一下；如果RLRA，原来的电流IAIL，则灯是逐渐熄灭不是闪亮一下，本题线圈L的电阻可忽略，故RL<RA，正确答案应选C。答案：C【变式训练二】1.如图1-7-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，下列说法正确的是（ ）图1-7-A.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立即熄灭，A1过一会儿才熄灭D.断开开关S切断电路时，A1和A2都要过一会儿熄灭解析：本题考查了对通电自感和断电自感现象的理解，以及纯电感线圈在电流稳定时相当于一根短路导线，通电瞬间，L中有自感电动势产生，与L在同一支路的灯A1要逐渐变亮，而A2和电源构成回路则立即变亮；稳定后，A1与A2并联，两灯一样亮，断开开关瞬间，L中有自感电动势，相当于电源，与A1、A2构成回路，所以两灯都过一会儿才熄灭。答案：AD【变式训练三】1.如图1-7-9所示，A1和A2是两个相同的小灯泡，L是自感系数相当大的线圈，其电阻阻值与R相同，由于存在自感现象，在开关S接通和断开时，灯A1、A2亮暗的先后顺序是（ ）图1-7-9A.接通时，A1先达最亮；断开时，A1后暗B.接通时，A2先达最亮；断开时，A2后暗C.接通时，A1.A2同时达最亮；断开时，A1后暗D.接通时，A2先达最亮；断开时，A1后暗答案：D【体验探究】如图1-7-10所示，电路中A1、A2是规格完全相同的两个灯泡，闭合开关S，调节变阻器的电阻，使A1、A2亮度相同，再调节R1，使两灯泡正常发光。将开关断开，然后将开关闭合（反复几次）。通过仔细观察，我们会发现如下现象：（1）开关闭合的瞬间，A1慢慢变亮，而A2瞬间变亮，即A1比A2亮得晚；（2）将已闭合的开关打开的瞬间，A1、A2均慢慢变暗到熄灭，如果将电路中的线圈L换成一根导线或电阻，A1、A2会同时亮起和同时熄灭。为什么会有以上现象存在？线圈L起什么作用？开关已断天，为什么灯不会立即熄灭？有新的电源产生吗？图1-7-10【导思】此问题可根据楞次定律的“增长减同”原理进行分析【探究】电路接通时，电流由零开始增加，穿过线圈L的磁通量随着增加，依据楞次定律中“增反减同”的原理，在L支路中产生的感应电动势的方向与原来电流方向相反，阻碍电流增加，即推迟了电流达到正常值的时间，从而使与线圈L串联的灯A2慢慢变亮。电路断开时，通过线圈L的电流突然减弱，通过线圈L的磁通量也很快地减少，依据楞次定律中“增反减同”的原理，在线圈中产生的感应电动势的方向与原来电流方向相同，阻碍电流的减弱，即推迟了电流减小到零的时间，从而使A1、A2逐渐熄灭，这里的线圈L为L、A1、A2所构成的回路提供了新的电源。6