学年高中物理第2章楞次定律和自感现象第2节自感教师用书鲁科版.docx
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学年高中物理第2章楞次定律和自感现象第2节自感教师用书鲁科版
第2节 自感
学习目标
知识脉络
1.了解自感现象及其产生的原因,会分析自感现象.(难点)
2.理解自感电动势在自感现象中的作用.(重点)
3.理解自感系数由哪些因素决定,自感现象中的能量转化情况.
自感现象 自感电动势
1.自感现象:
由导体自身电流变化,所产生的电磁感应现象.
2.自感电动势
定义
由导体自身电流变化所产生的感应电动势
方向
原电流增大时,与原电流相反,原电流减小时,与原电流相同
作用
阻碍自身电流发生变化
大小
E=L
,与电流变化率成正比
1.自感现象属于电磁感应现象.(√)
2.当线圈中有电流时,线圈中就有自感电动势.(×)
3.当线圈中电流减小时,线圈中自感电动势的方向与线圈中电流的方向相反.(×)
大城市的无轨电车在行驶的过程中,由于车身颠簸,有可能使车顶上的电弓瞬间脱离电网线,这时可以看到电火花闪现.试说明产生电火花的原因是什么?
【提示】 电弓脱离电网线的瞬间电流减小,所产生的自感电动势很大,在电弓与电网线的空隙产生电火花.
如图221所示,A1、A2是规格完全一样的灯泡,①S闭合时,发现A1比A2亮得晚;②S断开时,两灯泡都亮一会再熄灭.
图221
探讨1:
为什么会出现上述①中的现象?
【提示】 开关闭合时,电流从0开始增加,线圈L中的磁通量发生变化形成感应电流,阻碍线圈中电流的增加,推迟了电流达到正常值的时间,故A1比A2亮得晚.
探讨2:
S断开时为什么出现②中的现象?
【提示】 S断开时,电流开始减小,线圈中磁通量也发生变化,同样推迟电流的减小时间,此时L相当于电源,回路中的A1、A2都亮一会再熄灭.
探讨3:
①②两种现象中,流过A1、A2的电流方向一样吗?
【提示】 A1中电流方向不变,A2中电流方向相反.
在处理通断电灯泡亮度变化问题时,不能一味套用结论,如通电时逐渐变亮,断电时逐渐变暗,或闪亮一下逐渐变暗,要具体问题具体分析,关键要搞清楚电路连接情况.
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
电流突然变大,然后逐渐减小达到稳定
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,灯炮闪亮后逐渐变暗
两种情况灯泡电流方向均改变
1.(多选)如图222所示,灯LA、LB完全相同,带铁芯的线圈L的电阻可忽略.则( )
图222
A.S闭合的瞬间,LA、LB同时发光,接着LA熄灭,LB更亮
B.S闭合的瞬间,LA不亮,LB立即亮
C.S闭合的瞬间,LA、LB都不立即亮
D.稳定后断开S的瞬间,LB立即熄灭,LA先亮一下再熄灭
【解析】 S接通的瞬间,L支路中电流从无到有发生变化,因此,L中产生的自感电动势阻碍电流增大.所以,S接通的瞬间L中的电流非常小,即干路中的电流几乎全部流过LA,故LA、LB会同时亮.又由于L中电流很快稳定,感应电动势很快消失,对LA起到“短路”作用,因此,LA便熄灭.这时电路的总电阻比刚接通时小,由恒定电流知识可知LB会比以前更亮.故选项A正确.断开S的瞬间,线圈L产生自感电动势,在L、LA回路中产生自感电流,所以LA先亮一下再熄灭;LB在S断开的瞬间处于断路状态,电流立即变为零,所以LB熄灭.
【答案】 AD
2.(多选)如图223所示,电路甲、乙中电阻R和自感线圈L的电阻都很小.接通开关S,使电路达到稳定,灯泡A发光,则( )
甲 乙
图223
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
【解析】 甲图中,灯泡A与线圈L在同一支路,通过它们的电流相同,IA=IL;断开开关S时,A、L、R组成回路;由于自感作用,回路中电流由IL逐渐减小,灯泡A不会闪亮,将逐渐变暗,故A正确;乙图中,电路稳定时,通过上支路的电流IL>IA(因L的电阻很小);断开开关S时,由于L的自感作用,回路中的自感电流在IL的基础上减小,电流反向通过灯泡A的瞬间,灯泡A中电流变大,然后逐渐变小,所以灯泡A闪亮一下,然后逐渐变暗,故D正确.
【答案】 AD
自感电动势的作用
在通电自感现象中,线圈L相当于阻值逐渐减小的“电阻”;在断电自感现象中,线圈L相当于电动势逐渐减小的“电源”.在断电自感中要判断某一个小灯泡是否会闪亮一下再熄灭,一是看是否能组成临时回路,二是看此时通过小灯泡的电流比断开前大还是小.
自感系数
自感系数
物理意义
表征产生自感电动势本领的大小
大小决定因素
线圈形状、横截面积、长短、匝数、铁芯等
单位
亨(H)、毫亨(mH)、微亨(μH)
1.线圈的自感系数大,其电阻一定大.(×)
2.不管电流如何变化,线圈的自感系数不变.(√)
3.产生的自感电动势较大,说明自感系数较大.(×)
照明用电灯泡内,有螺旋状灯丝,且用的是交流电,开灯、关灯时,你发现自感现象了吗?
请给予解释.
【提示】 照明用交流电,开、关灯时灯丝内电流会发生变化,会有自感现象发生,只是由于灯丝的自感系数太小,自感现象不明显,使我们并没有发现.
探讨1:
线圈中电流变化越快,自感系数如何变化?
【提示】 不变
探讨2:
把线圈中的铁芯抽出一些,自感系数如何变化?
【提示】 减小
自感系数L
线圈的自感系数是由线圈本身决定的,与是否通电及电流的大小无关.具体地说,是由线圈截面的粗细、线圈的长短、匝数的密集程度(即单位长度的匝数)以及线圈内部是否存在铁芯等因素共同决定的.且线圈越长、匝数越多、越密、横截面积越大,以及有铁芯时,则线圈的自感系数就越大.
3.(多选)通过一个线圈的电流在均匀增大时,这个线圈的( ).
A.自感系数也将均匀增大
B.自感电动势也将均匀增大
C.磁通量也将均匀增大
D.自感系数和自感电动势不变
【解析】 线圈的磁通量与电流大小有关,电流增大,磁通量增大,故C项正确;而自感系数由线圈本身决定,与电流大小无关;自感电动势EL=L
,与自感系数和电流变化率有关,对于给定的线圈,L一定,已知电流均匀增大,说明电流变化率恒定,故自感电动势不变,D项正确.
【答案】 CD
4.下列单位关系不正确的是( )
A.1亨=1欧·秒B.1亨=1伏·安/秒
C.1伏=1韦/秒D.1伏=1亨·安/秒
【解析】 由E=L
知,L=
,故1亨=1伏·秒/安,或1伏=1亨·安/秒,选项B错误,D正确;又1伏=1安·欧,故A正确;由E=n
知,选项C也正确.综上知,不正确的为B.
【答案】 B
线圈自感系数由线圈本身的因素及有无铁芯决定.
学业分层测评(五)
(建议用时:
45分钟)
[学业达标]
1.关于线圈的自感系数、自感电动势的下列说法中正确的是( ).
A.线圈中电流变化越大,线圈自感系数越大
B.对于某一线圈,自感电动势正比于电流的变化量
C.一个线圈的电流均匀增大,这个线圈的自感系数、自感电动势都不变
D.自感电动势总与原电流方向相反
【解析】 线圈的自感系数L只由线圈本身的因素决定,选项A错误.由E自=L
知,E自与
成正比,与ΔI无直接关系,选项B错误,C正确.E自方向在电流增大时与原电流方向相反,在电流减小时与原电流方向相同,选项D错误.
【答案】 C
2.(多选)下列说法正确的是( )
A.当线圈中电流不变时,线圈中没有自感电动势
B.当线圈中电流反向时,线圈中自感电动势的方向与线圈中原电流的方向相反
C.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
D.当线圈中电流减小时,线圈中自感电动势的方向与线圈中电流的方向相反
【解析】 由法拉第电磁感应定律可知,当线圈中电流不变时,不产生自感电动势,A对;当线圈中电流反向时,相当于电流先减小后反向增大,线圈中自感电动势的方向与线圈中原电流的方向相同,B错;当线圈中电流增大时,自感电动势阻碍电流的增大,线圈中自感电动势的方向与线圈中电流的方向相反,C对;当线圈中电流减小时,自感电动势阻碍电流的减小,线圈中自感电动势的方向与线圈中电流的方向相同,D错.
【答案】 AC
3.如图224所示的是自感现象的实验装置,A是灯泡,L是带铁芯的线圈,E为电源,S是开关.下述判断正确的是( )
【导学号:
78870029】
图224
A.S接通的瞬间,L产生自感电动势,S接通后和断开瞬间L不产生自感电动势
B.S断开的瞬间L产生自感电动势,S接通瞬间和接通后L不产生自感电动势
C.S在接通或断开的瞬间L都产生自感电动势,S接通后L不再产生自感电动势
D.S在接通或断开瞬间以及S接通后,L一直产生自感电动势
【解析】 S断开和接通瞬间,通过线圈的电流都发生变化,都产生感应电动势,S接通后通过线圈的电流不再变化,没有感应电动势产生,故A、B、D错误,C正确.
【答案】 C
4.(多选)某线圈通有如图225所示的电流,则线圈中自感电动势改变方向的时刻有( )
图225
A.第1s末
B.第2s末
C.第3s末
D.第4s末
【解析】 在自感现象中,当原电流减小时,自感电动势与原电流的方向相同;当原电流增大时,自感电动势与原电流方向相反.在0~1s内原电流沿正方向减小,所以自感电动势的方向是正方向;在1~2s内原电流沿负方向增加,所以自感电动势与其方向相反,即沿正方向;同理分析2~3s、3~4s、4~5s内自感电动势的方向分别是沿负方向、负方向、正方向,可得正确答案为选项B、D.
【答案】 BD
5.(多选)如图226所示,E为电池组,L是自感线圈(直流电阻不计),D1、D2是规格相同的小灯泡.下列判断正确的是( )
图226
A.开关S闭合时,D1先亮,D2后亮
B.闭合S达稳定时,D1熄灭,D2比起初更亮
C.断开S时,D1闪亮一下
D.断开S时,D1、D2均不立即熄灭
【解析】 开关S闭合时D1,D2同时亮,电流从无到有,线圈阻碍电流的增加,A错.闭合S达稳定时D1被短路,电路中电阻减小,D2比起初更亮,B对.断开S时,线圈阻碍电流减小,故D1会闪亮一下,而D2在S断开后无法形成通路,会立即熄灭,所以C对,D错.
【答案】 BC
6.如图227所示的电路中,两个相同的电流表G1和G2,零点均在刻度盘的中央,当电流从“+”接线柱流入时,指针向右摆;当电流从“-”接线柱流入时,指针向左摆,在电路接通后再断开开关S的瞬间,下述说法中正确的是( )
【导学号:
78870030】
图227
A.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.G1、G2的指针都向右摆
D.G1、G2的指针都向左摆
【解析】 在电路接通后再断开开关S的瞬间,由于线圈L中的原电流突然减小,线圈L中产生自感现象,线圈中的电流逐渐减小,电流流经L、G2、R、G1,方向顺时针,由于从表G1的“+”接线柱流入,表G2的“-”接线柱流入,因此G1指针右偏,表G2的指针左偏,答案选A.
【答案】 A
7.如图228所示,L是电阻不计的自感线圈,C是电容器,E为电源,在开关S闭合和断开时,关于电容器的带电情况,下列说法正确的是( )
【导学号:
78870031】
图228
A.S闭合瞬间,A板带正电,B板带负电
B.S保持闭合,A板带正电,B板带负电
C.S断开瞬间,A板带正电,B板带负电
D.由于线圈L的电阻不计,电容器被短路,上述三种情况下电容器均不带电
【解析】 S闭合瞬间,通过L的电流增大,L产生的自感电动势的方向是由下指向上,使电容器充电,A板带正电,B板带负电,A项正确;S保持闭合时,L的电阻为零,电容器两极板被短路,不带电,B项错误;S断开瞬间,通过L的电流减小,自感电动势的方向由上指向下,在L、C组成的回路中给电容器充电,使B板带正电,A板带负电,C项错误.综上D项错误.
【答案】 A
8.如图229所示,R1、R2的阻值均为R,电感线圈L的电阻及电池内阻均可忽略不计,S原来断开,电路中电流I0=
.现将S闭合,于是电路中产生自感电动势,自感电动势的作用是( )
图229
A.使电路的电流减小,最后由I0减小到零
B.有阻碍电流增大的作用,最后电流小于I0
C.有阻碍电流增大的作用,因而电流总保持不变
D.有阻碍电流增大的作用,但电流最后还是变为2I0
【解析】 当S闭合时,电路中电阻减小,电流增大,线圈的作用是阻碍电流的增大,选项A错误;阻碍电流增大,不是不让电流增大,而是让电流增大的速度减缓,选项B、C错误;最后达到稳定时,I=
=2I0,故选项D正确.
【答案】 D
[能力提升]
9.(多选)如图2210所示是研究自感通电实验的电路图,A1、A2是两个规格相同的小灯泡,闭合开关调节电阻R,使两个灯泡的亮度相同,调节可变电阻R1,使它们都正常发光,然后断开开关S.重新闭合开关S,则( )
图2210
A.闭合瞬间,A1立刻变亮,A2逐渐变亮
B.闭合瞬间,A2立刻变亮,A1逐渐变亮
C.稳定后,L和R两端电势差一定相同
D.稳定后,A1和A2两端电势差不相同
【解析】 闭合瞬间,A2立刻变亮,A1逐渐变亮,稳定后,两个灯泡的亮度相同,说明它们的电压相同,L和R两端电势差一定相同,选项B、C正确,A、D错误.
【答案】 BC
10.如图2211所示的电路中,电源的电动势为E,内阻为r,电感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变化的图象中,正确的是( )
图2211
【解析】 S闭合时,由于自感L的作用,经过一段时间电流稳定时L电阻不计.可见电路的外阻是从大变小的过程.由U外=
E可知U外也是从大变小的过程.t1时刻断开S,由于自感在L、R、D构成的回路中电流从B向A且中间流过D,所以t1时刻UAB反向,B正确.
【答案】 B
11.如图2212所示,电源的电动势E=15V,内阻忽略不计.R1=5Ω,R2=15Ω,电感线圈的电阻不计,求当开关S接通的瞬间,S接通达到稳定时及S切断的瞬间流过R1的电流.
图2212
【解析】 开关S接通瞬间,流过线圈L的电流不能突变,所以流过R1的电流仍为0.达到稳定时,线圈相当于导线,所以流过R1的电流为I1=
=
A=3A.
开关S断开瞬间,流过线圈L的电流不能突变,所以流过R1的电流仍为3A.
【答案】 0 3A 3A
12.如图2213所示为研究自感实验电路图,并用电流传感器显示出在t=1×10-3s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2214).已知电源电动势E=6V,内阻不计,灯泡R1的阻值为6Ω,电阻R的阻值为2Ω.求:
图2213
图2214
(1)线圈的直流电阻RL是多少?
(2)开关断开时,该同学观察到什么现象?
(3)计算开关断开瞬间线圈产生的自感电动势.
【解析】 由图象可知S闭合稳定时IL=1.5A
RL=
-R=
Ω-2Ω=2Ω
此时小灯泡电流I1=
=
A=1A
S断开后,L、R、R1组成临时回路
电流由1.5A逐渐减小,所以灯会闪亮一下再熄灭,自感电动势E=IL(R+RL+R1)=15V.
【答案】
(1)2
(2)灯泡闪亮一下后逐渐变暗,最后熄灭 (3)15
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