高中物理 17自感现象及其应用教案 粤教版选修32.docx
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高中物理17自感现象及其应用教案粤教版选修32
2019-2020年高中物理1.7自感现象及其应用教案粤教版选修3-2
【教学目的】
1、通过逻辑推理和对实验的观察和分析,使学生在电磁感应知识的基础上理解自感现象的产生的它的规律,明确自感系数的意义和决定条件
2、通过分析理解在自感现象中能量形式的转化情况,为进一步学习电磁振荡打下基础
3、通过对两个自感实验的观察和讨论,培养学生的观察能力和分析推理能力
4、日光灯的原理
【重点难点】
重点:
使学生在掌握了自感现象与电磁感应现象统一性的基础上,把握自感现象的特点。
难点:
断电自感现象中,灯泡突然闪亮一下学生很难理解,是教学中的难点。
【教具】电源(6V)、导线、带闭合铁芯的线圈、电键、灯泡等
【教学过程】
○、复习&引入
师:
上节课提到了几种不同形式的电磁感应现象,你们认为引起电磁感应现象最重要的条件是什么?
☆生:
穿过电路的磁通量发生变化
师:
对!
不论采用什么方式,只要能使穿过电路的磁通量发生变化,均能引起电磁感应现象。
1、
揭示现象,提出问题
[实验]:
(6V电源,A、B为裸露铜线,L为带闭合铁芯的线圈)
提出问题:
在A、B触点断开瞬间,A、B间的高压从何而来?
2、分析现象,建立概念
在上图所示的电路中,当电键K搭接后,线圈中存在稳定的电流I,线圈内部铁心中存在很强的磁场,穿过线圈的磁通量很大;在电键K断开瞬间,在很短的时间内,线圈中的电流迅速减小到零,穿过线圈的磁通量也迅速减小到零,磁通量的变化量虽然不是很大。
但由于时间很短,在电键K由接通至断开瞬间,对于线圈来说,在线圈上产生了很高的感生电动势,这就是引起试验学生强烈触电感觉的高压的来源。
上述现象属于一种特殊的电磁感应现象,其中穿过电路磁通量的变化是由于通过导体本身的电流发生变化而引起的。
这种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。
在自感现象中产生的感应电动势,叫做自感电动势。
(板书)
3、演示现象,强化概念(课本上的实验)
总结1:
电路接通时,电流由零开始增加,L支路中感应电流方向与原来电流方向相反,阻碍电流的增加,即推迟了电流达到正常值的时间(见上左图)。
启发学生说出这时L相当于瞬时电源(将原电流方向及自感电流的方向在力中标出)
问:
如果不断地用手按动K,会发生什么现象?
(灯1始终达不到正常发光亮度)加快按动频率,又有什么现象?
(灯1逐渐变得更暗)思考这是什么原因?
总结2:
K断开,电源切断,但灯不仅不立刻熄灭,反而产生了更强的延时电流,这是为什么?
提醒学生,这时一定又出现了新电源,这个电源在哪里?
电动势的方向如何?
K断开时,线圈L产生自感电动势,方向与原来电流方向相同,阻碍电流的减小。
L相当一瞬时电源,此电源与灯A形成回路(在图中画出电流方向),故灯A还有一段时间的持续电流。
灯A比原来更亮地一闪,说明这瞬间电流比原来电流大。
显然这是由L产生的。
原来L支路中电流iL比A支路中电流iA大很多(如上右图),K断开时,iA立即减为零,而iL由原原值逐渐减为零,推迟了减到零的时间,可见在一段时间内,流过A的电流还大于原来的电流iA,故而发出更亮的光。
板书:
自感电动势的方向总是阻碍原来电流的变化。
自感现象既然也是一种电磁感应现象,当然仍然遵守楞次定律,即自感电动势的方向总是阻碍原来电流的变化。
4、自感现象中的能量转化
5、自感系数
演示“千人震”实验,折掉铁芯,触电感觉消失,说明线圈中产生的自感电动势还与线圈本身有关。
1)自感系数反映了线圈对电流变化阻碍作用的大小,不同线圈,自感系数不同,它由线圈本身决定(S、n、密集、铁心)
2)单位:
享利
3)大小:
【巩固练习】
1、在如图所示的电路(a)、(b)中,电阻R和自感线圈L的电阻值都很小.接通K,使电路达到稳定,灯泡S发光.(A、D)
(A)在电路(a)中,断开K,S将渐渐变暗.
(B)在电路(a)中,一断开K,S将先变得更亮,然后渐渐变暗.
(C)在电路(b)中,断开K,S将渐渐变暗.
(D)在电路(b)中,断开K,S将先变得更亮,然后渐渐变暗.
2、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)
(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
分析与解答:
从等效的观点看,在S接通时,相当于L表现为很大的电阻,故S1先达到最亮.选项A正确.
3、如图所示,多匝线圈L的电阻和电源内阻都很小,可忽略不计,电路中两个电阻器的电阻均为R,开始时电键S断开.此时电路中电流强度为I0,现将电键S闭合、线圈L中有自感电动势产生,下列说法中正确的是(D)
(A)由于自感电动势有阻碍电流的作用,电路中电流最终由I0减小到零.
(B)由于自感电动势有阻碍电流的作用,电路中电流最终总小于I0.
(C)由于自感电动势有阻碍电流的作用,电路中电流将保持I0不变.
(D)自感电动势有阻碍电流增大的作用,但电路中电流最终还要增大到2I0
4、右图中a、b灯分别标有“36V40W”和“36V25W”,闭合电键调节,能使a、b都正常发光.断开电键后重做实验:
电键闭合后看到的现象是什么?
稳定后那只灯较亮?
再断开电键,又将看到什么现象?
分析:
闭合瞬间,a将慢慢亮起来,b立即变亮.稳定后两灯都正常发光,a的功率大,较亮.这时的作用相当于一只普通的电阻(就是该线圈的内阻);断开瞬间,通过a的电流将逐渐减小,a渐渐变暗到熄灭,而ab组成同一个闭合回路,所以b灯也将逐渐变暗到熄灭,而且开始还会闪亮一下,这时相当于一个电源.
(二)日光灯的主要组成
日光灯主要由灯管、镇流器、启动器组成。
分别将灯管、镇流器、启动器的实物模型展示在投影仪上,对其结构及其原理进行讲解。
教师出示碎日光灯,如右图,向学生介绍灯管的构造及发光原理。
教师讲解:
灯管内充有微量的惰性气体(如:
氩)和稀薄的汞蒸气,两个灯丝之间的气体导电时发出紫外线,使涂在管壁上的荧光粉发出柔和的可见光。
教师说明:
①管内所充气体不同、管壁所涂的荧光粉不同,发光的颜色就不同;②日光灯开始点燃时,要激发汞蒸气导电需要一个高出电源电压很多的电压,而正常发光时,灯管的电阻变得很小(因为气体导电的电阻小),只允许通过不大的电流,这时要求加在灯管上的电压低于电源电压。
教师出示拆开的镇流器,如右图,向学生介绍镇流器的构造——是一个带铁芯的线圈,自感系数很大。
教师出示拆开的起动器,如右图,要求学生观察并总结启动器的主要构造:
启动器主要是一个充有氖气的小玻璃泡,里面装有两个电极,一个是静触片,一个是由两个膨胀系数不同的金属制成的U形动触片。
教师演示双金属片受热弯曲的实验,同时讲述温度升高时,动触片与静触片接通的原理。
平常动触片与静触片之间不接触,有小缝隙,双金属片受热时,两金属片膨胀程度不同,下层的膨胀大一些,使U形动触片稍伸开一点,与静触片接触。
教师说明:
启动器中与动、静触片并接的电容器只是起一个使动、静触片在分离时不产生火花,以免烧坏触点。
即使没有电容器,启动器也能工作。
(二)电路连接
教师利用投影仪出示日光灯的电路连接图。
如右图。
(三)日光灯的工作过程
引导学生分析并掌握日光灯工作的全过程。
1、K闭合,启动器的动、静触片先接通,后分离。
K闭合时,电源将电压加在起动器两极间,使氖气放电发出辉光,辉光产生热量使U形动触片膨胀伸长,与静触片接通。
于是在镇流器线圈和灯管的灯丝间有电流通过。
电路接通后,起动器的氖气停止放电,U形动触片冷却收缩,两触片分离,电路自动断开。
2、启动器的动、静触片分离的瞬间,镇流器由于自感产生一个瞬时高压并与电源电压一起加在灯管的两灯丝间,使灯管中的汞蒸气导电,气体导电时发出的紫外线,使涂在管壁的荧光粉发出柔和的可见光。
3、日光灯启动后,镇流器由于自感作用使加在灯管上的电压低于电源电压,使灯管正常工作。
日光灯点燃后,只允许通过不大的电流。
由于灯管正常工作时,因为是气体导电,电阻小,故要求加在灯管两端的电压不能太大(低于电源电压220V)。
日光灯用交变电源供电,正常工作时,在镇流器中产生自感电动势阻碍电流变化,镇流器等效于一个大电阻并与一个小电阻(灯管)串联在220V的电源电压两端,使灯管两端所加的电压较小而正常工作。
教师引导学生总结镇流器在日光灯工作过程中的作用:
⑴启动时,产生瞬时高压。
⑵正常工作时,降压限流。
要求学生思考下面的问题并作出回答。
问题1:
日光灯的可见光是谁发出呢?
是不是汞蒸气发出?
问题2:
日光灯为什么能节电?
学生回答:
1.汞蒸气导电时发出紫外线,使涂在管壁上的荧光粉发出柔和的可见光。
不是汞蒸气发出。
2.日光灯由于靠离子导电,电阻很小,故电流的热效应很小,这样日光灯能节约电能。
三、巩固练习
1.如图所示,L是自感系数很大,直流电阻很小的线圈,电表的零刻度都在表盘的中央,且量程均较大,闭合电键S,各表的指针都偏向零刻度的右边,则在断开电键的瞬间,哪几个表指针偏向零刻度的左边?
A.A1表B.A2表C.A3表D.V表(CD)
2.在日光灯的连接线路中,关于启动器的作用,以下说法正确的是:
A.日光灯起动时,为灯管提供瞬时高压;(C)
B.日光灯正常工作时,起降压限流的作用;
C.起到一个自动开关的作用,实际上可用一个弹片开关代替(按下接通,放手断开);
D.以上说法均不正确。
3.日光灯镇流器的作用是:
(BC)
A.启动时限制灯管中电流;
B.启动时产生瞬间高压,点燃灯管;
C.工作时降压限流,使灯管在较低电压下工作;
D.工作时维持灯管两端有高于电源的电压,使灯管正常工作。
2019-2020年高中物理1.7静电现象的应用同步练习新人教版选修3-1
1.电工穿的高压作业服是用铜丝编织的,下列说法正确的是( )
A.铜丝编织的衣服不易拉破
B.电工被铜丝衣服所包裹,使体内电势为零
C.电工被铜丝衣服所包裹,使体内电场强度为零
D.铜线电阻小,能对人体起到保护作用
解析:
高压线路的检修人员在进行高压作业时,要穿上用铜丝网制成的高压作业服,相当于把人体用铜丝网罩起来。
这样,外部电场就不会影响到人体,从而避免了感应电场对人体的伤害。
故选项C正确。
答案:
C
2.如图所示,带电体Q靠近一个接地空腔导体,空腔里面无电荷。
在静电平衡后,下列物理量中不为零的是( )
A.导体空腔内任意点的电场强度
B.导体空腔内任意点的电势
C.导体外表面的电荷量
D.导体空腔内表面的电荷量
解析:
静电平衡状态下的导体内部电场强度处处为零,且内表面不带电。
由于导体接地,故整个导体的电势为零。
导体外表面受带电体Q的影响,所带电荷量不为零,故选项C正确。
答案:
C
3.一个不带电的空心金属球,在它的球心处放一个正电荷,其电场分布是下图中的( )
解析:
正电荷放在空心金属球球心,球壳由于静电感应带电,内表面带负电,外表面带正电,因为电场线从正电荷出发,到无穷远或负电荷终止,球壳金属内部电场强度的矢量和处处为零,所以选项B正确。
答案:
B
4.一金属球,原来不带电。
现沿球的直径的延长线放置一均匀带电的细杆MN,如图所示。
金属球上感应电荷产生的电场在球内直径上a、b、c三点的电场强度大小分别为Ea、Eb、Ec,则三者相比( )
A.Ea最大B.Eb最大
C.Ec最大D.Ea=Eb=Ec
解析:
处于静电平衡的导体内部电场强度处处为零,故a、b、c三点的电场强度都为零。
静电平衡的导体内部电场强度为零是感应电荷产生的电场与外电场叠加的结果,所以感应电荷在球内某点产生的电场的电场强度与MN在这一点形成的电场的电场强度等大反向,比较a、b、c三点感应电场的电场强度,实质上是比较带电体MN在这三点的电场强度,由于c点离MN最近,故MN在c点的电场强度最大,感应电荷在c点的电场强度也最大,故选项C正确。
答案:
C
5.如图所示,带正电的导体球A置于原来不带电的空腔导体球B内,a、c分别为导体A、B内的点,b为导体A和B之间的一点,下列说法正确的是( )
A.a、b、c三点的电势都相等
B.a点的电场强度为零,但电势最高
C.b点的电场强度为零,但电势大于零
D.a、b、c三点的电场强度都为零
解析:
A球带正电,不带电的空腔B可以理解为导体的静电平衡,故Ea=Ec=0,空腔内壁感应电荷为负,外壁感应电荷为正。
空腔内的电场线分布为由A指向B,所以φa>φb>φc,Eb≠0,选项B正确。
答案:
B
6.(多选)如图所示,在真空中把一绝缘导体向带负电的小球P缓缓靠近(不相碰),下列说法中正确的是( )
A.B端的感应电荷越来越多
B.导体内电场强度越来越大
C.导体的感应电荷在M点产生的电场强度大于在N点产生的电场强度
D.导体的感应电荷在M、N两点产生的电场强度相等
解析:
绝缘导体缓缓靠近小球P时,小球P上的负电荷在绝缘导体所在区域产生的电场增强,将会有更多的自由电子向绝缘导体的B端移动,B端的感应电荷越来越多,选项A正确;绝缘导体始终处于静电平衡状态,内部电场强度始终为零,选项B错误;导体上感应电荷在导体上某点产生的电场的电场强度大小等于小球P上的负电荷在该点产生的电场的电场强度,故选项C正确,D错误。
答案:
AC
7.(多选)如图所示,放在绝缘台上的金属网罩B内放有一个不带电的验电器C,如把一带有正电荷的绝缘体A移近金属网罩B,则( )
A.在B的内表面带正电荷,φB=φC=0
B.在B的右侧外表面带正电荷
C.验电器的金属箔片将张开,φB<φC
D.φB=φC,B的左右两侧电势相等
解析:
静电平衡时,电荷分布于导体的外表面上,所以选项A错误;由于产生静电感应,使B金属网罩的左侧外表面感应出负电荷,所以B的右侧外表面感应出正电荷,选项B正确;由于静电屏蔽,金属网罩内电场强度为零,故C上无感应电荷,验电器的金属箔片不会张开,选项C错误;由静电屏蔽特点知,导体是等势体,导体表面是等势面,所以选项D正确。
答案:
BD
8.(多选)如图所示,接地的金属板右侧有固定的点电荷+Q,a、b点是金属板右侧表面的两点,其中a到+Q的距离较小。
下列说法正确的是( )
A.由于静电感应,金属板右侧表面带负电,左侧表面带正电
B.由于静电感应,金属板右侧表面带负电,左侧表面不带电
C.整个导体,包括表面上的a、b点,是一个等势体,且电势等于零
D.a、b两点的电场强度不为零,且a、b两点电场强度方向相同,但a点的电场强度比b点的电场强度要强(大)一些
解析:
金属板若不接地,右侧表面将有感应的负电荷,左侧表面将有感应的等量正电荷,现金属板接地,静电平衡时左侧表面不带电,整个金属板的电势都为零,所以选项A错误,选项B、C正确。
金属板接地时,右侧表面上仍有感应负电荷,而且a点附近的电荷面密度(单位面积上的电荷量)比b点附近的电荷面密度要大些,电场线也密一些,电场强度要大些;整个金属板是等势体,右侧表面是等势面,电场线与等势面垂直,可见a、b两点的电场强度方向都垂直指向右侧面,方向相同,选项D也正确。
答案:
BCD
9.如图所示,在真空中有两个点电荷A和B,电荷量分别为-Q和+2Q,它们相距l,如果在两点电荷连线的中点O有一个半径为r(2r 解析: 球壳处于静电平衡时内部电场强度处处为0,故O点电场强度为0。 所以E感-E=0。 球壳上的感应电荷在O点处的电场强度大小等于A、B在O点产生的电场强度的矢量和 E感=EA+EB=k+k 方向沿AB指向B。 答案: 沿AB指向B B组 1.(多选)在绝缘板上放有一个不带电的金箔验电器A和一个带正电荷的空腔导体B,下列实验方法中能使验电器箔片张开的是( ) A.用取电棒(带绝缘柄的导体)先跟B的内壁接触一下后再跟A接触 B.用取电棒先跟B的外壁接触一下后再跟A接触 C.用绝缘导线把验电器与取电棒的导体部分相连,再把取电棒与B的内壁接触 D.使验电器A靠近B 解析: 由于处于静电平衡的导体内部电场强度处处为零,导体上的净电荷都分布在外表面上,所以用取电棒接触B的外壁可以使A带电,但接触内壁不能使A带电,所以选项A错误,选项B正确。 用绝缘导线把验电器与取电棒的导体部分相连,再把取电棒与B的内壁接触,验电器、取电棒和导体就相当于一个大导体,这时验电器在外部,所以会带电,选项C正确。 验电器靠近B,由于静电感应,验电器也会带电,所以选项D正确。 答案: BCD 2.如图所示为一空腔球形导体(不带电),现将一个带正电荷的小金属球A放入空腔中,当静电平衡时,图中a、b、c三点的电场强度E和电势φ的关系是( ) A.Ea>Eb>Ec,φa>φb>φc B.Ea=Eb>Ec,φa=φb>φc C.Ea=Eb=Ec,φa=φb=φc D.Ea>Ec>Eb,φa>φb>φc 解析: 空腔球形导体在正电荷A的电场中感应的结果如图所示,从电场线的疏密可确定a点电场强度大于c点电场强度,而b点电场强度为零,故Ea>Ec>Eb,而沿着电场线电势降低,故φa>φb>φc,选项D正确。 答案: D 3.(多选)如图所示,水平放置的金属板正上方放有一固定的正点电荷Q,一表面绝缘的带正电小球(可视为质点且不影响Q的电场),从左端以初速度v0滑上金属板,沿光滑的上表面向右运动到右端,在该运动过程中( ) A.小球做匀速直线运动 B.小球先做减速运动,后做加速运动 C.小球的电势能保持不变 D.静电力对小球所做的功为零 解析: 由于金属板处于点电荷Q形成的电场中,达到静电平衡后,金属板的上表面是一个等势面,表面上电场线是竖直向下的,所以小球受到重力、支持力、向下的静电力,合力为零,故小球做匀速直线运动。 静电力对小球不做功。 答案: ACD 4.一个半径为r,带正电的实心金属球球心在x轴上的O点,金属球在周围空间产生静电场,则其电势φ在x轴上的分布情况正确的是( ) 解析: 取无穷远处电势为零,则正电荷周围的电势均为正值,选项D可排除;实心金属球本身是一个等势体,选项C排除;描述的是电场强度变化的快慢,因为x越大,电场强度减小得越慢,所以随x的增大而减小,选项A错误,B正确。 本题答案为B。 答案: B 5.图中金属球A的半径为R,电荷量为Q,点电荷B的电荷量为q。 B与A球的球心间的距离为r,当B不存在而只有A存在且达到静电平衡时,电荷Q在球心O处的电场强度等于 ,这是因为 , 当点电荷B也同时存在并达到静电平衡时,球心O处的电场强度等于 ,金属球上的电荷在球心O处产生的电场强度大小等于 ,这是因为 。 解析: 金属球A处于静电平衡状态时,内部电场强度处处为零,由于点电荷B在球心O处的电场强度大小为,根据电场强度叠加原理,(重新分布后的)金属球上的电荷在球心O处产生的电场强度大小必为。 答案: 0 处于静电平衡状态的导体内部电场强度处处为零 0 导体要处于静电平衡状态,其内部电场强度必处处为零
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