2022-2023學年高中物理 第一章 電磁感應 6 自感學案 教科版選修3-2

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1、2022-2023學年高中物理 第一章 電磁感應 6 自感學案 教科版選修3-2 [目標定位]　1.知道自感現(xiàn)象.觀察通電自感和斷電自感實驗現(xiàn)象，了解自感現(xiàn)象中自感電動勢的作用.2.理解自感系數(shù)和自感系數(shù)的決定因素.3.了解日光燈的構(gòu)造及工作原理. 一、自感現(xiàn)象 1.定義：由于導體線圈本身的電流發(fā)生變化而引起的電磁感應現(xiàn)象，叫做自感.在自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢叫做自感電動勢. 圖1 2.自感電動勢對電流的作用：電流增加時，自感電動勢阻礙電流的增加；電流減小時，自感電動勢阻礙電流的減小. 實驗1：演示通電自感現(xiàn)象 實驗電路如圖1所示，開關(guān)S接通時，可以看到燈泡2立即發(fā)光，而燈

2、泡1是逐漸亮起來的. 實驗2：演示斷電自感現(xiàn)象. 圖2 實驗電路如圖2所示，線圈L的電阻比燈泡的電阻小，接通電路，燈泡正常發(fā)光后，迅速斷開開關(guān)S，可以看到燈泡閃亮一下再逐漸熄滅. 深度思考 在斷電自感現(xiàn)象中，電流減小時，自感線圈中的電流大小一定小于原先所通過電流的大小，為什么燈泡有時閃亮一下再熄滅？ 答案　斷電自感時，自感線圈中的電流大小一定小于原先所通過電流的大小，但是可能會大于燈泡中的電流，所以燈泡會閃亮一下再熄滅. 例1　如圖3所示，電路中電源的內(nèi)阻不能忽略，R的阻值和L的自感系數(shù)都很大，A、B為兩個完全相同的燈泡，當S閉合時，下列說法正確的是(　　) 圖3

3、 A．A比B先亮，然后A滅 B．B比A先亮，然后B逐漸變暗 C．A、B一起亮，然后A滅 D．A、B一起亮，然后B滅 解析　本題考查通電自感現(xiàn)象的分析，關(guān)鍵是要知道純電感線圈在電路穩(wěn)定前后的作用：S閉合時，由于與A燈串聯(lián)的線圈L的自感系數(shù)很大，故在線圈上產(chǎn)生很大的自感電動勢，阻礙電流的增大，所以B比A先亮，故A、C、D錯；穩(wěn)定后，由于與B燈連接的電阻很大，流過B燈支路的電流很小，所以B燈逐漸變暗，故B正確． 答案　B 分析通電自感需抓住三點： (1)通電瞬間自感線圈處相當于斷路； (2)電流增大過程中自感線圈對電流有阻礙作用使線圈中的電流從0逐漸增大到穩(wěn)定值； (3)電流穩(wěn)

4、定時自感線圈相當于導體. 例2　如圖4(a)、(b)所示的電路中，電阻R和自感線圈L的電阻值都很小，且小于燈泡A的電阻，閉合開關(guān)S，使電路達到穩(wěn)定，燈泡A發(fā)光，則(　　) 圖4 A.在電路(a)中，斷開S，A將漸漸變暗 B.在電路(a)中，斷開S，A將先變得更亮，然后漸漸變暗 C.在電路(b)中，斷開S，A將漸漸變暗 D.在電路(b)中，斷開S，A將先變得更亮，然后漸漸變暗 解析　在電路(a)中，燈A和線圈L串聯(lián)，它們的電流相同，斷開S時，線圈上產(chǎn)生自感電動勢，阻礙原電流的減小，流過燈A的電流逐漸減小，從而燈A只能漸漸變暗. 在電路(b)中，電阻R和燈A串聯(lián)，燈A的

5、電阻大于線圈L的電阻，電流則小于線圈L中的電流，斷開S時，電源不再給燈泡供電，而線圈產(chǎn)生自感電動勢阻礙電流的減小，通過R、A形成回路，燈A中電流突然變大，燈A將先變得更亮，然后漸漸變暗，故A、D正確. 答案　AD 針對訓練　如圖5所示的電路中，電源的電動勢為E，內(nèi)阻為r，線圈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變化的圖像中，正確的是(　　) 圖5 答案　B 解析　在t＝0時刻閉合開關(guān)S，由于線圈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

6、電路穩(wěn)定，電源輸出電流較大，路端電壓較低.在t＝t1時刻斷開S，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、B兩點間電壓UAB隨時間t變化的圖像中正確的是B. (1)斷電時，自感線圈處相當于電源，其電流逐漸減小，不會發(fā)生突變. (2)斷電時，燈泡會不會閃亮一下再熄滅取決于通過燈泡前后電流大小的關(guān)系.若斷電前自感線圈電流IL大于燈泡的電流ID則燈泡會閃亮一下再熄滅；若斷電前自感線圈中的電流IL小于或等于燈泡中的電流ID則不會出現(xiàn)閃亮，而是逐漸熄滅. (3)要注意斷電前后通過燈泡的電流方向是否變化. 二、自感系數(shù) 1.自感電動勢的大小和自

7、感系數(shù) (1)自感電動勢EL跟電流的變化率成正比.公式EL＝L. 式中比例系數(shù)L叫做線圈的自感系數(shù)，簡稱自感或電感. (2)自感系數(shù)： 單位：亨利，符號：H.1mH＝10－3_H，1μH＝10－6_H. 2.自感系數(shù)的決定因素：與線圈的形狀、體積、匝數(shù)，以及是否有鐵芯等因素有關(guān). 例3　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 解析　線圈的自感系數(shù)是由線圈本身的因素及有無鐵芯決定的，與有無電

8、流、電流變化情況都沒有關(guān)系，故B、C錯誤，D正確；自感電動勢的大小除了與自感系數(shù)有關(guān)，還與電流的變化率有關(guān)，故A錯誤. 答案　D 對自感系數(shù)的理解： (1)自感系數(shù)的大小由線圈本身的特性及有無鐵芯決定，線圈越長，單位長度的匝數(shù)越多，自感系數(shù)越大. (2)自感系數(shù)與E、ΔI、Δt等均無關(guān). 三、自感的典型應用——日光燈 1.日光燈的電路如圖6所示. 圖6 2.工作原理：日光燈在接通電源時，啟動器首先導通，又立即斷開，在斷開的瞬間，由于自感現(xiàn)象，鎮(zhèn)流器產(chǎn)生很高的自感電壓，而使燈管快速啟動. 3.鎮(zhèn)流器的作用：日光燈啟動時，鎮(zhèn)流器提供瞬時高壓，而使氣體電離；燈管

9、發(fā)光后，鎮(zhèn)流器又起著穩(wěn)壓限流的作用. 例4　如圖7甲為日光燈電路，圖乙為啟動器結(jié)構(gòu)圖.在日光燈正常工作的過程中(　　) 圖7 A.鎮(zhèn)流器為日光燈的點亮提供瞬時高壓 B.鎮(zhèn)流器維持燈管兩端有高于電源的電壓，使燈管正常工作 C.燈管點亮發(fā)光后，啟動器中兩個觸片是接觸的 D.燈管點亮發(fā)光后，鎮(zhèn)流器起分壓限流作用使燈管在較低的電壓下工作 解析　日光燈剛發(fā)光時，鎮(zhèn)流器在啟動時產(chǎn)生瞬時高壓，故A正確；燈管點亮發(fā)光后，鎮(zhèn)流器起分壓限流作用使燈管在較低的電壓下工作，故B錯誤，D正確.燈管正常發(fā)光后，啟動器不再工作，啟動器中兩個觸片是分離的.故C錯誤；故選A、D. 答案　AD

10、1.(對通、斷電自感的理解)(多選)如圖8所示，帶鐵芯的電感線圈的電阻與電阻器R的阻值相同，A1、A2是兩個完全相同的電流表，則下列說法中正確的是(　　) 圖8 A.閉合S瞬間，電流表A1示數(shù)小于A2示數(shù) B.閉合S瞬間，電流表A1示數(shù)等于A2示數(shù) C.斷開S瞬間，電流表A1示數(shù)大于A2示數(shù) D.斷開S瞬間，電流表A1示數(shù)等于A2示數(shù) 答案　AD 解析　開關(guān)S閉合瞬間，線圈L產(chǎn)生自感電動勢阻礙電流增大，所以此時電流表A1中的電流小于電流表A2中的電流，A項正確；開關(guān)斷開瞬間，線圈L與A1、A2和R構(gòu)成回路，線圈L中產(chǎn)生自感電動勢，阻礙電流減小，所以A1、A2中電流也逐漸減小，

11、但始終相等，D項正確. 2.(對通、斷電自感的理解)如圖9所示的電路中A1和A2是兩個相同的小燈泡，L是一個自感系數(shù)很大的線圈，其阻值與R相同.在開關(guān)S接通和斷開時，燈泡A1和A2亮暗的順序是(　　) 圖9 A.閉合時A1先達最亮，斷開時A1后滅 B.閉合時A2先達最亮，斷開時A1后滅 C.閉合時A1先達最亮，斷開時A1先滅 D.閉合時A2先達最亮，斷開時A2先滅 答案　A 解析　當開關(guān)S閉合時，A1和A2同時亮，但由于自感現(xiàn)象的存在，線圈上產(chǎn)生自感電動勢阻礙電流的增大，使通過線圈的電流從零開始逐漸增大，所以開始時電流幾乎全部從A1通過，而該電流又將同時分兩路通過A2和R，

12、所以A1先達最亮，經(jīng)過一段時間電路穩(wěn)定后，A1和A2達到一樣亮；當開關(guān)S斷開時，電源電流立即為零，因此A2立即熄滅，而對A1，由于通過線圈的電流突然減小，線圈中產(chǎn)生自感電動勢阻礙電流的減小，使線圈L和A1組成的閉合電路中有感應電流，所以A1后滅. 3.(對自感電動勢的理解)關(guān)于線圈中自感電動勢大小的說法中正確的是(　　) A.電感一定時，電流變化越大，自感電動勢越大 B.電感一定時，電流變化越快，自感電動勢越大 C.通過線圈的電流為零的瞬間，自感電動勢為零 D.通過線圈的電流為最大值的瞬間，自感電動勢最大 答案　B 解析　電感一定時，電流變化越快，越大，由E＝L知，自感電動勢越大

13、，A錯，B對；線圈中電流為零時，電流的變化率不一定為零，自感電動勢不一定為零，故C錯；當通過線圈的電流最大時，電流的變化率為零，自感電動勢為零，故D錯. 4.(自感的典型應用——日光燈)(多選)日光燈電路主要由鎮(zhèn)流器、啟動器和燈管組成，下列說法正確的是(　　) A.日光燈正常工作時，啟動器中兩個觸片是閉合的 B.鎮(zhèn)流器給日光燈開始點燃提供瞬時高壓 C.燈管正常發(fā)光后，鎮(zhèn)流器起降壓限流作用 D.日光燈正常工作時，取下啟動器，日光燈不能正常工作 答案　BC 題組一　對通、斷電自感現(xiàn)象的分析 1.如圖1是用于觀察自感現(xiàn)象的電路圖，設(shè)線圈的自感系數(shù)很大，線圈的直流電阻RL與燈泡的電

14、阻R滿足RL?R，則在開關(guān)S由閉合到斷開的瞬間，可以觀察到(　　) 圖1 A.燈泡立即熄滅 B.燈泡逐漸熄滅 C.燈泡有明顯的閃亮現(xiàn)象 D.只有在RL?R時，才會看到燈泡有明顯的閃亮現(xiàn)象 答案　C 解析　S閉合，電路穩(wěn)定時，由于RL?R，那么IL?IR，S斷開的瞬時，流過線圈的電流IL要減小，在L上產(chǎn)生的自感電動勢要阻礙電流的減小，而燈泡與線圈形成閉合回路，流過線圈的電流IL通過燈泡，由于IL?IR，因此燈開始有明顯的閃亮，C正確，A、B錯誤.若RL?R，則IL?IR，這樣燈不會有明顯的閃亮，D錯. 2.如圖2所示，L為一純電感線圈(即電阻為零).A是一個燈泡，下列說法正確

15、的是(　　) 圖2 A.開關(guān)S閉合瞬間，無電流通過燈泡 B.開關(guān)S閉合后，電路穩(wěn)定時，無電流通過燈泡 C.開關(guān)S斷開瞬間，無電流通過燈泡 D.開關(guān)S閉合瞬間及穩(wěn)定時，燈泡中均有從a到b的電流，而在開關(guān)S斷開瞬間，燈泡中有從b到a的電流 答案　B 解析　開關(guān)S閉合瞬間，燈泡中的電流從a到b，線圈由于自感作用，通過它的電流將逐漸增加.開關(guān)S閉合后，電路穩(wěn)定時，純電感線圈對電流無阻礙作用，將燈泡短路，燈泡中無電流通過.開關(guān)S斷開瞬間，由于線圈的自感作用，線圈中原有向右的電流將逐漸減小，線圈和燈泡形成回路，故燈泡中有從b到a的瞬間電流. 3.如圖3所示，多匝電感線圈的電阻和電池內(nèi)阻

16、都忽略不計，兩個定值電阻的阻值都是R，開關(guān)S原來打開，電流為I0，現(xiàn)合上開關(guān)將一電阻短路，于是線圈中有自感電動勢產(chǎn)生，此電動勢(　　) 圖3 A.有阻礙電流的作用，最后電流由I0減小到零 B.有阻礙電流的作用，最后電流總小于I0 C.有阻礙電流增大的作用，因而電流I0保持不變 D.有阻礙電流增大的作用，但電流最后還是增大到2I0 答案　D 解析　當S合上時，電路的電阻減小，電路中電流要增大，故L要產(chǎn)生自感電動勢，阻礙電路中的電流增大，但阻礙不是阻止；當S閉合電流穩(wěn)定后，L的自感作用消失，電路的電流為I＝＝2I0，D項正確. 4.如圖4所示，電感線圈L的自感系數(shù)足夠大，其電阻

17、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4 A.閉合開關(guān)S時，LA、LB同時達到最亮，且LB更亮一些 B.閉合開關(guān)S時，LA、LB均慢慢亮起來，且LA更亮一些 C.斷開開關(guān)S時，LA慢慢熄滅，LB馬上熄滅 D.斷開開關(guān)S時，LA慢慢熄滅，LB閃亮后才慢慢熄滅 答案　D 解析　由于燈泡LA與線圈L和R1串聯(lián)，燈泡LB與電阻R2串聯(lián)，當S閉合瞬間，通過線圈的電流突然增大，線圈產(chǎn)生自感電動勢，阻礙電流的增大，所以LB比LA先亮，A、B選項錯誤；由于LA所在的支路電阻阻值較小，故穩(wěn)定時電流較大，即LA更亮一些，當S斷開

18、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. 5.(多選)如圖5所示，E為電池，L是電阻可忽略不計、自感系數(shù)足夠大的線圈，D1、D2是兩個規(guī)格相同的燈泡，S是控制電路的開關(guān).對于這個電路，下列說法中正確的是(　　) 圖5 A.剛閉合S的瞬間，通過D1、D2的電流大小相等 B.剛閉合S的瞬間，通過D1、D2的電流大小不相等 C.閉合S待電路達到穩(wěn)定后，D1熄滅，D2比S剛閉合時亮 D.閉合S待電路達到穩(wěn)定后，再將S斷開的瞬間，D2立即熄滅 答案　ACD 解析　剛閉合S的瞬間，由于線圈

19、的阻礙作用，通過D1、D2的電流大小相等，A正確，B錯誤.閉合S待電路達到穩(wěn)定后，D1中無電流通過，D1熄滅，回路的電阻減小，電流增大，D2比S剛閉合時亮，C正確；閉合S待電路達到穩(wěn)定后，再將S斷開的瞬間，D2中無電流，立即熄滅，D正確.故選A、C、D. 6.如圖6所示的電路可用來測定自感系數(shù)較大的線圈的直流電阻，線圈兩端并聯(lián)一個電壓表，用來測量自感線圈兩端的直流電壓，在實驗完畢后，將電路拆去時應(　　) 圖6 A.先斷開開關(guān)S1 B.先斷開開關(guān)S2 C.先拆去電流表 D.先拆去電阻R 答案　B 解析　當開關(guān)S1、S2閉合穩(wěn)定后，線圈中的電流由a→b，電壓表右端為“＋”極，左端

20、為“－”極，指針正向偏轉(zhuǎn)，先斷開開關(guān)S1或先拆去電流表A或先拆去電阻R的瞬間，線圈中產(chǎn)生的自感電動勢相當于瞬間電源，其a端相當于電源的負極，b端相當于電源的正極，此時電壓表上加了一個反向電壓，使指針反偏，若反偏電壓過大，會燒壞電壓表，故應先斷開開關(guān)S2，故選B. 7.某同學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，用導線將它們連接成如圖7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.雖經(jīng)多次重復，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7

21、 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　根據(jù)實物連線圖畫出正確的電路圖，如圖所示， 當閉合開關(guān)S，電路穩(wěn)定之后，小燈泡中有穩(wěn)定的電流IA，自感線圈中有穩(wěn)定的電流IL，當開關(guān)S突然斷開時，電流IA立即消失，但是，由于自感電動勢的作用，流過線圈的電流IL不能突變，而是要繼續(xù)流動，于是，自感線圈和小燈泡構(gòu)成了回路，如果IL>IA，則能觀察到小燈泡閃亮一下再熄滅，線圈的自感系數(shù)越大，小燈泡延時閃亮的時間就越長.如果不滿足IL>IA的條件，小燈泡只是延時熄滅，不會觀察到閃亮一下再熄滅.可見燈泡未閃亮的根本原因是不滿足IL>IA的條

22、件，這是線圈電阻偏大造成的.故C正確. 題組二　自感現(xiàn)象中的圖像問題 8.在如圖8所示的電路中，開關(guān)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像是下列圖中的哪一個(　　) 圖8 答案　D 解析　開關(guān)S閉合時，L與A并聯(lián)，其電流分別為i1和i2，方向都是從左向右.在斷開S的瞬間，燈A中原來從左向右的電流i2立即消失，但燈A與線圈L組成閉合回路，由于L的自感作用，其中的電流i1不會立即消失，而是在回路中逐漸減弱，這段時間內(nèi)燈A中有從右向左的電流通過.這時通過A的電流是從i1開始減弱，故正

23、確選項為D. 9.在如圖9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)整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)，正確反映流過L1的電流i1、流過L2的電流i2隨時間t變化的圖像是(　　) 圖9 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，電流變化圖像如A中圖線，C、D錯誤.與帶鐵芯的電感線圈串聯(lián)的L1，由于電感線圈的自感作用，電流逐漸變大，A錯誤，B正確. 題組三　對自感系數(shù)及自感電動勢的理解 10.關(guān)于自感現(xiàn)象

24、，下列說法正確的是(　　) A.感應電流一定和原電流方向相反 B.線圈中產(chǎn)生的自感電動勢較大時，其自感系數(shù)一定較大 C.對于同一線圈，當電流變化較快時，線圈中的自感系數(shù)較大 D.對于同一線圈，當電流變化較快時，線圈中的自感電動勢也較大 答案　D 解析　自感現(xiàn)象中感應電動勢的方向遵從楞次定律，當原電流減小時，自感電動勢和自感電流與原電流方向相同；當原電流增大時，自感電流與原電流方向相反，所以A錯誤；自感電動勢的大小EL＝L，所以自感電動勢大不一定是由自感系數(shù)大引起的，有可能是電流的變化率很大引起的，所以B錯誤；線圈自感系數(shù)的大小，由線圈本身決定，與線圈中有無電流以及電流變化的快慢無關(guān)

25、，所以C錯誤；由EL＝L知，對于同一線圈，自感系數(shù)L確定，當電流變化較快時，線圈中產(chǎn)生的自感電動勢也較大，所以D正確. 11.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，采用雙線并繞的方法，如圖10所示．其原理是(　　) 圖10 A．當電路中的電流變化時，兩股導線產(chǎn)生的自感電動勢相互抵消 B．當電路中的電流變化時，兩股導線產(chǎn)生的感應電流相互抵消 C．當電路中的電流變化時，兩股導線中感應電流的磁通量相互抵消 D．以上說法都不對 答案　C 解析　由于采用雙線并繞的方法，當電流通過時，兩股導線中的電流方向是相反的，不管電流怎樣變化，任何時刻兩股電流總是等大反

26、向的，所產(chǎn)生的磁通量也是等大反向的．故總磁通量等于零，在該線圈中不會產(chǎn)生電磁感應現(xiàn)象，因此消除了自感，選項C正確． 題組四　自感的典型應用——日光燈 12.家用日光燈電路如圖11所示，S為啟動器，A為燈管，C為鎮(zhèn)流器，關(guān)于日光燈的工作原理，下列說法正確的是(　　) 圖11 A.鎮(zhèn)流器的作用是交流電變?yōu)橹绷麟? B.在日光燈正常發(fā)光時，啟動器中的兩個觸片是分開的 C.日光燈發(fā)出的光是電流加熱燈絲發(fā)出的 D.日光燈發(fā)出的光是汞原子受到激發(fā)后直接輻射的 答案　B 解析　鎮(zhèn)流器在啟動時產(chǎn)生瞬時高壓，在正常工作時起降壓限流作用，故A錯誤；電路接通后，啟動器中的氖氣停止放電(啟動器分壓少、輝光放電無法進行，不工作)，U型動觸片冷卻收縮，兩個觸片分離，B正確. 燈絲受熱時發(fā)射出來的大量電子，在燈管兩端高電壓作用下，以極大的速度由低電勢端向高電勢端運動.在加速運動的過程中，碰撞管內(nèi)氖氣分子，使之迅速電離.在紫外線的激發(fā)下，管壁內(nèi)的熒光粉發(fā)出近乎白色的可見光.故C、D錯誤.故選B.