2022年高中物理選修(3-2)第一章《自感現(xiàn)象及其應(yīng)用》word學(xué)案
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1、2022年高中物理選修(3-2)第一章《自感現(xiàn)象及其應(yīng)用》word學(xué)案 [學(xué)習(xí)目標(biāo)定位] 1.觀察實驗,了解自感現(xiàn)象,并能夠通過電磁感應(yīng)規(guī)律分析通電自感與斷電自感.2.了解影響自感電動勢大小的因素和自感系數(shù)的決定因素.3.了解日光燈的發(fā)光原理. 1.電磁感應(yīng)現(xiàn)象:穿過回路的磁通量發(fā)生變化時,回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象.電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電流叫感應(yīng)電流. 2.通電導(dǎo)線周圍存在磁場,當(dāng)導(dǎo)線中電流增大時,導(dǎo)線周圍各處的磁場都增強,當(dāng)導(dǎo)線中電流減小時,導(dǎo)線周圍各處的磁場都減弱. 3.楞次定律:感應(yīng)電流的磁場總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化. 一、自感現(xiàn)象 1.自感現(xiàn)象:由于
2、線圈本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象. 2.自感電動勢:自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢. 3.自感系數(shù):簡稱自感或電感,跟線圈的形狀、長短、匝數(shù)等因素有關(guān),此外,有鐵芯的線圈的自感系數(shù)比沒有鐵芯的大得多,單位是亨利,符號H. 1 mH=10-3 H,1μH=10-3 mH. 二、日光燈 1.主要組成:燈管、鎮(zhèn)流器、啟動器. 2.燈管:管中氣體在導(dǎo)電時主要發(fā)出紫外線,管壁上的熒光粉受其照射時發(fā)出可見光. 3.鎮(zhèn)流器:一個帶鐵芯的線圈.當(dāng)啟動日光燈時,鎮(zhèn)流器產(chǎn)生瞬時的高電壓;當(dāng)日光燈正常發(fā)光時,鎮(zhèn)流器對燈管起降壓限流作用. 一、自感現(xiàn)象 [問題設(shè)計] 1.通電自感:如圖1
3、所示,開關(guān)S閉合的時候兩個燈泡的發(fā)光情況有什么不同? 圖1 答案 燈泡A2立即正常發(fā)光,燈泡A1逐漸亮起來. 2.?dāng)嚯娮愿校喝鐖D2所示,先閉合開關(guān)使燈泡發(fā)光,然后斷開開關(guān). 圖2 (1)開關(guān)斷開前后,流過燈泡的電流方向有何關(guān)系? (2)在開關(guān)斷開過程中,有時燈泡閃亮一下再熄滅,有時燈泡只會緩慢變暗直至熄滅,請分析上述兩種現(xiàn)象的原因是什么? 答案 (1)S閉合時,燈泡A中電流向左,S斷開瞬間,燈泡A中電流方向向右,所以開關(guān)S斷開前后,流過燈泡的電流方向相反. (2)在開關(guān)斷開后燈泡又閃亮一下的原因是燈泡斷電后自感線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流比原線圈中的電流大.要想使燈泡閃亮一下再
4、熄滅,就必須使自感線圈的電阻小于與之并聯(lián)的燈泡.而當(dāng)線圈電阻大于燈泡電阻時,燈泡只會延遲一段時間再熄滅. [要點提煉] 自感現(xiàn)象是指當(dāng)通過線圈的電流發(fā)生變化時,在線圈中引起的電磁感應(yīng)現(xiàn)象. 1.當(dāng)線圈中的電流增大時,自感電動勢的方向與原電流方向相反; 2.當(dāng)線圈中的電流減小時,自感電動勢的方向與原電流方向相同; 3.自感電動勢總是阻礙線圈中電流的變化,但不能阻止線圈中電流的變化,只是延緩了過程的進行. 4.?dāng)嚯娮愿兄?,若斷開開關(guān)瞬間,通過燈泡的電流瞬間比斷開開關(guān)前大,燈泡會閃亮一下;若斷開開關(guān)后,通過燈泡的電流比斷開開關(guān)前小,燈泡不會閃亮一下,而是逐漸變暗.(填“會閃亮”或“不會閃
5、亮”) 二、日光燈 [問題設(shè)計] 1.自感現(xiàn)象可分為斷電自感和通電自感,在使日光燈管啟動的過程中,應(yīng)用了哪種自感現(xiàn)象? 答案 斷電自感 2.仔細閱讀教材,你認為啟動器在日光燈電路中的作用是什么? 答案 啟動器在日光燈電路中相當(dāng)于一個自動開關(guān). 3.鎮(zhèn)流器在日光燈的啟動及正常工作時各起什么作用? 答案 當(dāng)啟動日光燈時,由于啟動器的兩個觸片的分離,鎮(zhèn)流器中的電流急劇減小,會產(chǎn)生很高的自感電動勢,這個自感電動勢與電源電壓加在一起,形成一個瞬時高電壓,加在燈管兩端,使燈管中的氣體放電,日光燈被點亮.日光燈管發(fā)光后,電阻小,要求電流小,且日光燈管是用交流電源(大小與方向都隨時間變化的電流
6、)供電,此時鎮(zhèn)流器產(chǎn)生自感電動勢,阻礙電流的變化,從而在燈管正常發(fā)光時起到降壓限流的作用,保證日光燈管的正常工作. [要點提煉] 1.啟動器在日光燈電路中的作用為自動開關(guān). 2.鎮(zhèn)流器的作用:當(dāng)啟動日光燈時,鎮(zhèn)流器利用自感現(xiàn)象產(chǎn)生瞬時的高電壓;當(dāng)日光燈正常發(fā)光時,鎮(zhèn)流器又利用自感現(xiàn)象,對燈管起到降壓限流作用. 一、自感現(xiàn)象的分析 例1 (單選)如圖3所示,電感線圈L的自感系數(shù)足夠大,其直流電阻忽略不計,LA、LB是兩個相同的燈泡,且在下列實驗中不會燒毀,電阻R2阻值約等于R1的兩倍,則 ( ) 圖3 A.閉合開關(guān)S時,LA、LB同時達到最亮,且LB更亮一些 B.閉合開
7、關(guān)S時,LA、LB均慢慢亮起來,且LA更亮一些 C.?dāng)嚅_開關(guān)S時,LA慢慢熄滅,LB馬上熄滅 D.?dāng)嚅_開關(guān)S時,LA慢慢熄滅,LB閃亮后才慢慢熄滅 解析 由于燈泡LA與線圈L串聯(lián),燈泡LB與電阻R2串聯(lián),當(dāng)S閉合的瞬間,通過線圈的電流突然增大,線圈產(chǎn)生自感電動勢,阻礙電流的增加,所以LB先亮;由于LA所在的支路電阻阻值偏小,故穩(wěn)定時電流大,即LA更亮一些,A、B錯誤;當(dāng)S斷開的瞬間,線圈產(chǎn)生自感電動勢,兩燈組成的串聯(lián)電路中,電流從線圈中電流開始減小,即從IA減小,故LA慢慢熄滅,LB閃亮后才慢慢熄滅,C錯誤、D正確. 答案 D 思路點撥 (1)分析自感電流的大小時,應(yīng)注意“L的自感系
8、數(shù)足夠大,其直流電阻忽略不計”這一關(guān)鍵語句; (2)電路接通瞬間,自感線圈相當(dāng)于斷路; (3)電路斷開瞬間,回路中電流從L中原來的電流開始減小. 二、自感現(xiàn)象的圖象問題 例2 (單選)如圖4所示的電路中,S閉合且穩(wěn)定后流過電感線圈的電流是2 A,流過燈泡的電流是1 A,現(xiàn)將S突然斷開,S斷開前后,能正確反映流過燈泡的電流i隨時間t變化關(guān)系的圖象是( ) 圖4 解析 開關(guān)S斷開前,通過燈泡D的電流是穩(wěn)定的,其值為1 A.開關(guān)S斷開瞬間,自感線圈的支路由于自感現(xiàn)象會產(chǎn)生與線圈中原電流方向相同的感應(yīng)電動勢,使線圈中的電流從原來的2 A逐漸減小,方向不變,且同燈泡D構(gòu)成回路,
9、通過燈泡D的電流和線圈L中的電流相同,也應(yīng)該是從2 A逐漸減小到零,但是方向與原來通過燈泡D的電流方向相反,D對. 答案 D 三、對日光燈的工作原理的理解 例3 (單選)如圖5所示是日光燈的結(jié)構(gòu)示意圖,若按圖示的電路連接,關(guān)于日光燈發(fā)光的情況,下列敘述中正確的是( ) 圖5 A.S1接通,S2、S3斷開,日光燈就能正常發(fā)光 B.S1、S2接通,S3斷開,日光燈就能正常發(fā)光 C.S3斷開,接通S1、S2后,再斷開S2,日光燈就能正常發(fā)光 D.當(dāng)日光燈正常發(fā)光后,再接通S3,日光燈仍能正常發(fā)光 解析 當(dāng)S1接通,S2、S3斷開時,電源電壓220 V直接加在燈管兩端,達不到燈
10、管啟動的高壓值,日光燈不能發(fā)光,選項A錯誤. 當(dāng)S1、S2接通,S3斷開時,燈絲兩端被短路,電壓為零,不能使氣體電離導(dǎo)電,日光燈不能發(fā)光,選項B錯誤. 當(dāng)日光燈正常發(fā)光后,再接通S3,則鎮(zhèn)流器被短路,燈管兩端電壓過高,會損壞燈管,選項D錯誤 只有當(dāng)S1、S2接通,燈絲被預(yù)熱,發(fā)出電子,再斷開S2,鎮(zhèn)流器中產(chǎn)生很大的自感電動勢,和原電壓一起加在燈管兩端,使氣體電離,日光燈正常發(fā)光,選項C正確. 答案 C 1.(對自感現(xiàn)象的理解)(單選)關(guān)于自感現(xiàn)象,下列說法正確的是( ) A.感應(yīng)電流一定和原來的電流方向相反 B.對于同一線圈,當(dāng)電流變化越大時,線圈產(chǎn)生的自感電動勢也
11、越大 C.對于同一線圈,當(dāng)電流變化越快時,線圈的自感系數(shù)也越大 D.對于同一線圈,當(dāng)電流變化越快時,線圈中的自感電動勢也越大 答案 D 解析 當(dāng)電流增大時,感應(yīng)電流的方向與原來的電流相反,當(dāng)電流減小時,感應(yīng)電流的方向與原來的電流相同,故選項A錯誤;自感電動勢的大小與電流變化快慢有關(guān),與電流變化大小無關(guān),故選項B錯誤,D正確;自感系數(shù)只取決于線圈本身的因素,與電流變化情況無關(guān).故選項C錯誤. 2.(自感現(xiàn)象的圖象問題)(單選)在如圖6所示的電路中,S是閉合的,此時流過線圈L的電流為i1,流過燈泡A的電流為i2,且i1>i2,在t1時刻將S斷開,那么流過燈泡A的電流隨時間變化的圖象是圖中
12、的 ( ) 圖6 答案 D 解析 在0~t1時間內(nèi)流過燈泡的電流為i2,且方向為從左向右,當(dāng)斷開S時,i2立即消失,但由于自感作用,i1并不立刻消失,而是產(chǎn)生自感電動勢,與燈泡構(gòu)成回路緩慢消失,此時流過燈泡的電流從i1開始逐漸減小,方向為從右向左,故D正確.故選D. 3.(對日光燈工作原理的理解)(單選)如圖所示,S為啟動器,L為鎮(zhèn)流器,其中日光燈的接線圖正確的是( ) 解析 根據(jù)日光燈的工作原理,要想使日光燈發(fā)光,燈絲需要預(yù)熱發(fā)出電子,燈管兩端應(yīng)有瞬時高壓,這兩個條件缺一不可.當(dāng)啟動器動、靜觸片分離后,選項B中燈管和電源斷開,選項B錯誤;選項C中鎮(zhèn)流器與燈管斷開
13、,無法將瞬時高壓加在燈管兩端,選項C錯誤;選項D中燈絲左、右端分別被短接,無法預(yù)熱放出電子,不能使燈管內(nèi)氣體導(dǎo)電,選項D錯誤. 答案 A 題組一 自感現(xiàn)象的分析 1.(單選)關(guān)于線圈的自感系數(shù),下面說法正確的是( ) A.線圈的自感系數(shù)越大,自感電動勢就一定越大 B.線圈中電流等于零時,自感系數(shù)也等于零 C.線圈中電流變化越快,自感系數(shù)越大 D.線圈的自感系數(shù)由線圈本身的因素及有無鐵芯決定 答案 D 解析 自感系數(shù)是由線圈的大小、形狀、圈數(shù)、有無鐵芯等因素決定的,故B、C錯,D對;自感電動勢不僅與自感系數(shù)有關(guān),還與電流變化快慢有關(guān),故A錯. 2.(單選)如圖1所示,L
14、為自感系數(shù)較大的線圈,電路穩(wěn)定后小燈泡A正常發(fā)光,當(dāng)斷開開關(guān)S的瞬間會有( ) 圖1 A.燈A立即熄滅 B.燈A慢慢熄滅 C.燈A突然閃亮一下再慢慢熄滅 D.燈A突然閃亮一下再突然熄滅 答案 A 解析 當(dāng)開關(guān)S斷開時,由于通過自感線圈的電流從有變到零,線圈將產(chǎn)生自感電動勢,但由于線圈L與燈A串聯(lián),在S斷開瞬間,不能形成閉合回路,因此燈A在開關(guān)斷開瞬間,立即熄滅. 3.(單選)某同學(xué)為了驗證斷電自感現(xiàn)象,自己找來帶鐵芯的線圈L、小燈泡A、開關(guān)S和電池組E,用導(dǎo)線將它們連接成如圖2所示的電路.檢查電路后,閉合開關(guān)S,小燈泡發(fā)光;再斷開開關(guān)S,小燈泡僅有不顯著的延時熄滅現(xiàn)象.雖
15、經(jīng)多次重復(fù),仍未見老師演示時出現(xiàn)的小燈泡閃亮現(xiàn)象,他冥思苦想找不出原因.你認為最有可能造成小燈泡未閃亮的原因是( ) 圖2 A.電源的內(nèi)阻較大 B.小燈泡電阻偏大 C.線圈電阻偏大 D.線圈的自感系數(shù)較大 答案 C 解析 從實物連接圖中可以看出,線圈L與小燈泡并聯(lián),斷開開關(guān)S時,小燈泡A中原來的電流立即消失,線圈L與小燈泡組成閉合回路,由于自感,線圈中的電流逐漸變小,使小燈泡中的電流變?yōu)榉聪蚯遗c線圈中電流相同,小燈泡未閃亮說明斷開S前,流過線圈的電流與小燈泡的電流相同或較小,原因可能是線圈電阻偏大,故選項C正確. 4.(單選)如圖3所示,兩個電阻阻值均為R,電
16、感線圈L的電阻及電池內(nèi)阻均可忽略不計,S原來斷開,電路中電流I0=,現(xiàn)將S閉合,于是電路中產(chǎn)生了自感電動勢,此自感電動勢的作用是 ( ) 圖3 A.使電路的電流減小,最后由I0減小到零 B.有阻礙電流增大的作用,最后電流小于I0 C.有阻礙電流增大的作用,因而電流總保持不變 D.有阻礙電流增大的作用,但電流最后還是變?yōu)?I0 答案 D 解析 S閉合,電路中電阻減小,電流增大,線圈產(chǎn)生的自感電動勢的作用是阻礙原電流的增大,A錯;阻礙電流增大,不是不讓電流增大,而是讓電流增大的速度變慢,B、C錯;最后達到穩(wěn)定時,電路中電流為I==2I0,故D正確. 5.(雙選)如圖4所示的電
17、路中,線圈L的自感系數(shù)足夠大,其直流電阻忽略不計,A、B是兩個相同的燈泡,下列說法中正確的是( ) 圖4 A.S閉合后,A、B同時發(fā)光且亮度不變 B.S閉合后,A立即發(fā)光,然后又逐漸熄滅 C.S斷開的瞬間,A、B同時熄滅 D.S斷開的瞬間,A再次發(fā)光,然后又逐漸熄滅 答案 BD 解析 線圈對變化的電流有阻礙作用,開關(guān)接通時,A、B串聯(lián), 同時發(fā)光,但電流穩(wěn)定后線圈的直流電阻忽略不計,使A被短路,所以A錯誤,B正確;開關(guān)斷開時,線圈產(chǎn)生自感電動勢,與A構(gòu)成回路,A再次發(fā)光,然后又逐漸熄滅,所以C錯誤,D正確. 6.(雙選)如圖5所示甲、乙電路,電阻R和自感線圈L的電阻都很小
18、,且小于燈泡電阻.接通S,使電路達到穩(wěn)定,燈泡A發(fā)光,則 ( ) 圖5 A.在電路甲中,斷開S,A將逐漸變暗 B.在電路甲中,斷開S,A將先變得更亮,然后漸漸變暗 C.在電路乙中,斷開S,A將逐漸變暗 D.在電路乙中,斷開S,A將先變得更亮,然后漸漸變暗 答案 AD 解析 題圖甲中,A與電感線圈L在同一個支路中,流過的電流相同,斷開開關(guān)S時,線圈L中的自感電動勢要維持原電流不變,所以開關(guān)斷開的瞬間,A的電流不變,以后電流漸漸變?。虼?,A漸漸變暗.題圖乙中,A所在支路的電流比電感線圈所在支路的電流要小(因為電感線圈的電阻相對很小),斷開開關(guān)S時,電感線圈的自感電動勢要阻礙電
19、流的變小,此瞬間電感線圈中的電流不變,電感線圈相當(dāng)于一個電源給A供電.因此,反向流過A的電流瞬間要變大,然后漸漸變小,所以A將先閃亮一下,然后漸漸變暗. 7.(單選)在制作精密電阻時,為了消除使用過程中由于電流變化而引起的自感現(xiàn)象,采取了雙線繞法,如圖6所示,其道理是( ) 圖6 A.當(dāng)電路中的電流變化時,兩股導(dǎo)線中產(chǎn)生的自感電動勢相互抵消 B.當(dāng)電路中的電流變化時,兩股導(dǎo)線中產(chǎn)生的感應(yīng)電流互相抵消 C.當(dāng)電路中的電流變化時,兩股導(dǎo)線中產(chǎn)生的磁通量互相抵消 D.當(dāng)電路中的電流變化時,電流的變化量相互抵消 答案 C 解析 能否有感應(yīng)電動勢,關(guān)鍵在于穿過回路的磁通量是否變化.
20、由于導(dǎo)線是雙線繞法,使穿過回路的磁通量等于零,無論通過的電流變化與否,磁通量均為零不變,所以不存在感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流. 題組二 自感現(xiàn)象的圖象問題 8.(單選)在如圖7所示的電路中,兩個相同的小燈泡L1和L2分別串聯(lián)一個帶鐵芯的電感線圈L和一個滑動變阻器R.閉合開關(guān)S后,調(diào)節(jié)R,使L1和L2發(fā)光的亮度一樣,此時流過兩個燈泡的電流均為I.然后,斷開S.若t′時刻再閉合S,則在t′前后的一小段時間內(nèi),能正確反映流過L1的電流i1、流過L2的電流i2隨時間t變化的圖象是( ) 答案 B 解析 與滑動變阻器R串聯(lián)的L2,沒有自感,直接變亮,電流變化圖象如A中圖線,C、D錯誤.與帶鐵芯
21、的電感線圈串聯(lián)的L1,由于自感,電流逐漸變大,A錯誤,B正確. 9.(單選)如圖8所示的電路中,電源的電動勢為E,內(nèi)阻為r,電感L的電阻不計,電阻R的阻值大于燈泡D的阻值,在t=0時刻閉合開關(guān)S,經(jīng)過一段時間后,在t=t1時刻斷開S,下列表示A、B兩點間電壓UAB隨時間t變化的圖象中,正確的是( ) 圖8 答案 B 解析 在t=0時刻閉合開關(guān)S,由于電感線圈L產(chǎn)生自感電動勢,阻礙電流通過,電源輸出電流較小,路端電壓較高,經(jīng)過一段時間電路穩(wěn)定后,電源輸出電流較大,路端電壓較低.在t=t1時刻斷開S,電感線圈L產(chǎn)生自感電動勢,與燈泡構(gòu)成閉合回路,燈泡D中有反向電流通過,所以表示A
22、、B兩點間電壓UAB隨時間t變化的圖象中正確的是B. 10.如圖9所示,電源的電動勢為E=10 V,內(nèi)阻不計,L與R的電阻值均為5 Ω,兩燈泡的電阻值均為RS=10 Ω. 圖9 (1)求斷開S的瞬間,燈泡L1兩端的電壓; (2)定性畫出斷開S前后一段時間內(nèi)通過L1的電流隨時間的變化規(guī)律. 答案 (1)10 V (2)見解析圖 解析 (1)電路穩(wěn)定工作時,由于a、b兩點的電勢相等,導(dǎo)線ab上無電流通過.因此通過L的電流為IL== A=1 A 流過L1的電流為IS== A=0.5 A 斷開S的瞬間,由于線圈要想維持IL不變,而與L1組成閉合回路,因此通過L1的最大電流為1 A.
23、 所以此時L1兩端的電壓為U=IL·RS=10 V(正常工作時為5 V). (2)斷開S前,流過L1的電流為0.5 A不變,而斷開S的瞬間,通過L1的電流突變?yōu)? A,且方向也與原電流方向相反,然后漸漸減小到零,所以它的圖象如圖所示(t0為斷開S的時刻). 注:從t0開始,電流持續(xù)的時間實際上一般是很短的. 題組三 對日光燈工作原理的理解 11.(雙選)在日光燈電路中接有啟動器、鎮(zhèn)流器和日光燈管,下列說法中正確的是( ) A.日光燈點燃后,鎮(zhèn)流器、啟動器都不起作用 B.鎮(zhèn)流器在點燃燈管時產(chǎn)生瞬時高壓,點燃后起降壓限流作用 C.日光燈點亮后,啟動器不再起作用,可以將啟動器去掉
24、 D.日光燈點亮后,使鎮(zhèn)流器短路,日光燈仍能正常發(fā)光,并能降低對電能的消耗 答案 BC 解析 日光燈工作時都要經(jīng)過預(yù)熱、啟動和正常工作三個不同的階段,它們的工作電流通路如圖所示. 在啟動階段鎮(zhèn)流器與啟動器配合產(chǎn)生瞬時高壓.工作時,電流由鎮(zhèn)流器經(jīng)燈管,不再流過啟動器,故日光燈啟動后啟動器不再工作,可以去掉,而鎮(zhèn)流器還要起降壓限流作用,不能去掉,故選B、C. 12.在如圖10所示的日光燈工作原理電路圖中: (1)開關(guān)合上前,啟動器的靜觸片和動觸片是________(填“接通的”或“斷開的”); 圖10 (2)開關(guān)剛合上時,220 V電壓加在________上,使________
25、發(fā)出輝光; (3)日光燈啟動瞬間,燈管兩端電壓________220 V(填“大于”、“等于”或“小于”); (4)日光燈正常發(fā)光時,啟動器的靜觸片和動觸片________(填“接通”或“斷開”),鎮(zhèn)流器起著__________作用,保證日光燈正常工作; 答案 (1)斷開的 (2)啟動器 氖氣放電 (3)大于 (4)斷開 降壓限流 解析 日光燈按原理圖接好電路后,當(dāng)開關(guān)閉合,電源把電壓加到啟動器兩極,使氖氣放電而發(fā)出輝光.輝光產(chǎn)生的熱量使U形動觸片膨脹伸長,跟靜觸片接觸而把電路接通,于是鎮(zhèn)流器的線圈和燈管的燈絲中就有電流通過.電路接通后,啟動器中的氖氣停止放電,U形動觸片冷卻收縮,兩個觸片分離,電路自動斷開,在電路突然斷開的瞬間,由于鎮(zhèn)流器中的電流急劇減小,會產(chǎn)生很高的自感電動勢,其方向與原來電壓方向相同,于是日光燈管成為電流的通路開始發(fā)光. 日光燈使用的是交變電流,電流的大小和方向都在不斷地變化,在日光燈正常發(fā)光時,由于交變電流通過鎮(zhèn)流器的線圈,線圈中就會產(chǎn)生自感電動勢,它總是阻礙電流變化,這時鎮(zhèn)流器就起著降壓限流的作用,保證日光燈的正常工作.
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