高中物理 第2章 楞次定律和自感現(xiàn)象 第3節(jié) 自感現(xiàn)象的應用教師用書 魯科版選修3-2

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第3節(jié)　自感現(xiàn)象的應用 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.了解日光燈的構造及電路圖，知道正常發(fā)光時對電壓、電流的不同要求． 2．理解啟動器、鎮(zhèn)流器的構造和作用．(重點、難點) 3．了解感應圈的工作過程及應用. 日 光 燈 與 鎮(zhèn) 流 器 1．日光燈的構造及電路圖 完整的日光燈電路包括日光燈管、鎮(zhèn)流器、啟動器、開關等主要部件．其電路如圖231所示． 圖231 2．日光燈的主要元件的構造及作用 啟動器、燈管、鎮(zhèn)流器的比較 構造 原理、作用 啟動器 電容器、動觸片、靜觸片 啟動時將電路瞬時接通后斷開 燈管 燈管、燈絲、氬和汞蒸氣 高壓將管內(nèi)氣體擊穿，釋放電子與汞原子碰撞發(fā)出紫外線使熒光物質發(fā)光 鎮(zhèn)流器 自感系數(shù)大的線圈 啟動時形成瞬時高壓，工作時降壓限流 1．日光燈使用的是穩(wěn)恒電流．() 2．日光燈正常發(fā)光后，啟動器就不起什么作用了．(√) 3．鎮(zhèn)流器只起升壓作用．() 日光燈燈管兩端的電極是相通的嗎？ 【提示】　不是．燈管兩端有電極，中間有水銀蒸氣． 在如圖232所示的日光燈原理圖中： 圖232 探討1：開關剛合上時，220 V電壓加在什么元件上？ 【提示】　啟動器 探討2：鎮(zhèn)流器在日光燈點燃瞬間的作用是什么？ 【提示】　提供瞬間高壓 日光燈工作的三個階段 1．開關閉合后，啟動器動觸片與靜觸片接觸，使燈絲和鎮(zhèn)流器線圈中有電流流過，使燈絲預熱． 2．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，由于通過鎮(zhèn)流器的電流急劇減小，會產(chǎn)生很大的自感電動勢，方向與原來的電壓方向相同，自感電動勢與電源電壓一起加在燈管兩端，形成一個瞬時高電壓，使燈管中的氣體擊穿，于是日光燈開始發(fā)光． 3．日光燈正常發(fā)光后，由于交變電流通過鎮(zhèn)流器線圈，線圈中會產(chǎn)生自感電動勢，它總是阻礙電流變化，鎮(zhèn)流器起降壓限流的作用，保證日光燈正常發(fā)光． 1．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，燈絲需要預熱發(fā)出電子，燈管兩端應有瞬時高壓，這兩個條件缺一不可．當動、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，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、右兩端分別被短接，無法預熱放出電子，不能使燈管氣體導電，選項D錯誤．只有A項滿足發(fā)光條件． 【答案】　A 2．(多選)關于日光燈的下列說法正確的是(　　) A．啟動器觸片接通時，鎮(zhèn)流器產(chǎn)生瞬時高壓 B．工作時，鎮(zhèn)流器降壓、限流，保證日光燈管正常發(fā)光 C．工作時，鎮(zhèn)流器使日光燈管的電壓穩(wěn)定在220 V D．正常工作和不工作時，雙金屬片的狀態(tài)相同 【解析】　啟動器接通后再斷開時，鎮(zhèn)流器產(chǎn)生瞬時高壓，而不是接通時產(chǎn)生高壓，故A錯．日光燈正常工作時，因交流電通過鎮(zhèn)流器產(chǎn)生自感電動勢，起降壓限流作用，故B正確．保證日光燈管正常工作，此時有電流通過日光燈管，燈管兩端電壓小于220 V，故C錯．啟動器在啟動時，相當于自動開關的作用，啟動后雙金屬片恢復原狀，故D正確． 【答案】　BD 3．(多選)啟動器由電容器和氖管兩大部分組成，其中氖管中充有氖氣，內(nèi)部有靜觸片和U形動觸片．通常動、靜觸片不接觸，有一個小縫隙，則下列說法中正確的是(　　) A．當電源的電壓加在啟動器兩極時，氖氣放電并產(chǎn)生熱量，導致U形動觸片受熱膨脹 B．當電源的電壓加在啟動器兩極后，啟動器的兩個觸片才接觸，使電路有電流通過 C．電源的電壓加在啟動器兩極前，啟動器的兩個觸片就接觸著，電路就已經(jīng)有電流通過 D．當電路接通后，兩個觸片冷卻，兩個觸片重新分離 【解析】　依據(jù)日光燈的工作原理可知，電源把電壓加在啟動器的兩極之間，使氖氣放電而發(fā)出輝光，輝光產(chǎn)生熱量使U形動觸片膨脹伸長，跟靜觸片接觸把電路接通．電路接通后，啟動器的氖氣停止放電，U形動觸片冷卻收縮，兩個觸片分開，電路自動斷開． 【答案】　ABD 鎮(zhèn)流器的作用 日光燈管在啟動時需要500～700 V的瞬時高壓，這個高壓是由鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的自感電動勢與電源電壓疊加后產(chǎn)生的．當燈管正常發(fā)光后，它的電阻變得很小，允許通過較小的電流，需要加在它兩端的電壓變小，鎮(zhèn)流器這時又起到給燈管降壓限流的作用． 感 應 圈、 自 感 現(xiàn) 象 的 其 他 應 用 1．感應圈 (1)工作原理 利用自感現(xiàn)象用低壓直流電源來獲得高電壓． (2)結構 主要由直接繞在鐵芯上的初級線圈和接在放電器上的次級線圈構成． (3)用途 在物理、化學實驗室里可以作為小功率高壓電源，在汽車、煤氣灶點火裝置中產(chǎn)生高壓電火花完成點火工作． 2．自感現(xiàn)象的其他應用 (1)應用 在廣播電臺和電視臺的無線電設備中，用自感線圈和電容器組成振蕩電路來發(fā)射電磁波；在收音機和電視機中，同樣也用振蕩電路來接收電磁波．另外電焊機也利用了自感現(xiàn)象，使焊條與工件之間的空隙產(chǎn)生電弧火花，使工件局部熔化． (2)危害 在電路中，開關斷開時產(chǎn)生電弧火花，燒壞開關或造成安全隱患． 1．感應圈可以利用低電壓獲得高電壓．(√) 2．感應圈可以利用低功率獲得高功率．() 在加油站附近為什么要禁止用手機接打電話？ 【提示】　加油站附近空氣中汽油的濃度較高，在用手機接打電話時，電話電路中有可能由于自感產(chǎn)生電火花，引起危險． 探討：在進行電焊時，焊條和金屬工件被熔化，那么點火電壓一定很高嗎？ 【提示】　在電焊時，電弧的電流可達幾十至幾百安，電弧中心的氣體溫度可達6 000 ?C，焊條熔液的溫度約為2 000 ?C.焊條和金屬工件的電阻很小，所以電焊所用的電壓并不是很高，點火電壓約70 V，維持電弧的電壓約25V. 感應圈工作原理 如圖233所示，是感應圈的原理圖，閉合開關S，低壓直流電源接通．開關S和彈簧片DK與初級線圈L1構成回路．此時，鐵芯被磁化，吸引彈簧片DK，使L1斷路，瞬時無電流通過，鐵芯失磁，彈簧片DK返回，L1回路再次接通．在這樣的反復過程中，L1中產(chǎn)生變化的電流．在通、斷的瞬間，由于初級線圈中的電流迅速變化，L1的自感電動勢會猛增至數(shù)百伏．次級線圈L2的線圈匝數(shù)約為L1的100倍，于是在次級線圈L2的兩端感應出數(shù)萬伏的高壓． 圖233 4．關于感應圈下列說法不正確的是(　　) A．感應圈是利用自感現(xiàn)象來獲得高電壓的裝置 B．在工程中，感應圈可作為大功率高壓電源使用 C．煤氣灶電子點火裝置，是利用感應圈產(chǎn)生高電壓電火花來完成的 D．感應圈的主要構造包括繞在鐵芯上的兩個絕緣線圈及繼電器等 【解析】　感應圈是利用自感現(xiàn)象，通過低壓直流電源來獲得高電壓的裝置，A正確．受直流電源提供電功率的限制，感應圈不能作為大功率高壓電源使用，B不正確．感應圈的主要構造包括兩個絕緣線圈和繼電器等，D正確．煤氣灶電子點火裝置是利用感應圈產(chǎn)生的高電壓電火花來完成的，C正確． 【答案】　B 5．(多選)下列屬于自感現(xiàn)象的是(　　) A．電焊機在進行電焊時，產(chǎn)生電弧火花 B．拔下家用電器的電源插頭看到電火花 C．大型電動機斷開開關產(chǎn)生電弧火花 D．用高頻交流電焊接自行車零件 【解析】　用高頻交流電焊接自行車零件是渦流的典型應用，故D不符合題意． 【答案】　ABC 感應圈用途 可以用于低氣壓放電管、陰極射線管、X射線管、光譜管實驗；還可以用來演示空氣中的火花放電現(xiàn)象、液體及固體介質的電擊穿現(xiàn)象以及在空氣中獲得臭氧等．另外，汽車發(fā)動機點火裝置、煤氣灶電子點火裝置等，都是利用感應圈產(chǎn)生的高壓電火花來完成點火工作的． 學業(yè)分層測評(六) (建議用時：45分鐘) [學業(yè)達標] 1．關于日光燈的發(fā)光實質，下列說法中正確的有(　　) A．是由于燈管兩端的燈絲在熾熱狀態(tài)下發(fā)光，后經(jīng)燈管壁多次反射和透射傳到周圍空間 B．是在鎮(zhèn)流器的高電壓作用下，燈管內(nèi)氣體被電離成為導體，形成大電流，使氣體處于熾熱狀態(tài)而發(fā)光 C．日光燈發(fā)出的其實就是紫外線 D．日光燈發(fā)出的光，實質上是紫外線激發(fā)熒光物質發(fā)光 【解析】　日光燈發(fā)光的本質，是燈絲發(fā)射的電子與汞原子碰撞而放出紫外線，紫外線照射燈管內(nèi)壁的熒光物質而發(fā)光．故選項D正確． 【答案】　D 2．關于日光燈下列說法中正確的是(　　) A．日光燈是常用的照明燈具之一，它所消耗的電功率僅為相同亮度白熾燈的～ B．燈管內(nèi)氣體的擊穿電壓和正常工作電壓都是220 V C．燈管發(fā)光是由于管內(nèi)的氣體被加熱到熾熱狀態(tài)，發(fā)出的光 D．讓日光燈正常工作，必須一直給其提供比220 V高很多的電壓 【解析】　日光燈比白熾燈發(fā)光效率高，屬于節(jié)能的燈具，它所消耗的電功率僅為相同亮度白熾燈的～，故選項A正確．燈管啟動電壓高于220 V、正常工作電壓低于220 V，選項B、D錯誤．燈管發(fā)光是因為燈管兩端熾熱的燈絲釋放出大量電子，這些電子與汞原子碰撞而放出紫外線，涂在內(nèi)壁的熒光物質在紫外線的照射下發(fā)出可見光．選項C錯誤． 【答案】　A 3．鎮(zhèn)流器是由一個線圈和鐵芯構成的，下列說法中正確的是(　　) A．鎮(zhèn)流器中加入鐵芯變成了電磁鐵，在日光燈電路中起開關的作用 B．鎮(zhèn)流器在日光燈正常發(fā)光后，只消耗電能，為了節(jié)能可以把它短路 C．日光燈電路中的鎮(zhèn)流器可以用白熾燈泡來替代 D．鎮(zhèn)流器中的鐵芯是為了增大自感系數(shù) 【解析】　鎮(zhèn)流器中加入鐵芯是為了增大線圈整體的自感系數(shù)，進而產(chǎn)生更大的自感電動勢．以擊穿燈管內(nèi)氣體而導通；燈管導通后鎮(zhèn)流器又起降壓限流作用，故不可將其短路，且在啟動時不可用白熾燈泡來代替．故D正確． 【答案】　D 4．下列關于日光燈啟動器的說法中正確的有(　　) 【導學號：78870032】 ①啟動器由氖管和電容器并聯(lián)組成?、跊]有電容器，啟動器無法正常工作?、垭娙萜鲹舸┖?，日光燈管仍能正常發(fā)光?、軉悠髌鹬詣娱_關的作用 A．①②　　B．①③　　C．①④　　D．②④ 【解析】　啟動器主要是一個充有氖氣的小玻璃泡，里面裝有兩個電極，一個是靜觸片，另一個是由兩個膨脹系數(shù)不同的金屬片制成的U形動觸片．啟動器相當于一個自動開關，在日光燈點燃前它是接通的，在日光燈點燃后它是斷開的．它應與鎮(zhèn)流器串聯(lián)，與日光燈管只能并聯(lián)連接．電容器與氖管并聯(lián)，它的作用是防止產(chǎn)生電火花擊穿后成為導體使氖管短路． 【答案】　C 5．(多選)下列對日光燈元件的認識，正確的是(　　) A．啟動器氖管內(nèi)的氖氣在較低電壓下發(fā)光，但不適于照明 B．燈管內(nèi)的汞蒸氣在較高電壓下發(fā)光且適合照明 C．啟動器中的電容器是使動、靜觸片在分離時不產(chǎn)生火花 D．燈管內(nèi)壁的熒光物質是在燈絲發(fā)出的電子激發(fā)下發(fā)光的 【解析】　啟動器相當于自動開關，配合鎮(zhèn)流器產(chǎn)生瞬時高壓，啟動器發(fā)光時間短且弱，不適于照明，選項A正確，電容器的作用是在動、靜觸片分離時不產(chǎn)生火花，以避免燒毀觸片，選項C正確．燈管內(nèi)汞蒸氣在高電壓導通，熾熱燈絲發(fā)出的大量電子與汞原子碰撞而放出紫外線，熒光物質在紫外線照射下發(fā)出可見光，選項B、D均錯誤． 【答案】　AC 6．下列說法正確的是(　　) A．感應圈的工作原理是電磁感應現(xiàn)象 B．日光燈和白熾燈一樣，都可接在直流電路中正常工作 C．感應圈中的兩個線圈的匝數(shù)一樣多 D．一個標有“220 V　40 W”的日光燈管，用歐姆表測燈管兩端，讀數(shù)約為1 210 Ω 【解析】　感應圈就是利用了電路中的電流不斷地變化產(chǎn)生感應電動勢的，當電流變化較快時，產(chǎn)生高壓，故選項A正確；日光燈必須接在交流電路中，故選項B錯誤；在感應圈中次級線圈的匝數(shù)要多于初級線圈，在次級線圈中得到較高的電壓，故選項C錯誤；日光燈在不接通時，處于斷路，故電阻為無窮大，選項D錯誤． 【答案】　A 7．(多選)下列利用了感應圈的是(　　) A．煤氣灶電子點火裝置 B．汽車發(fā)動機點火裝置 C．自動設備中的延時繼電器 D．物理、化學實驗中的小功率高壓電源 【解析】　煤氣灶電子點火裝置、汽車發(fā)電機點火裝置都是利用感應圈產(chǎn)生的高壓電火花來完成點火工作的，A、B正確．物理、化學實驗中的小功率電源是利用感應圈通過低壓直流電源獲得高電壓，D正確．延時繼電器是利用線圈的電磁感應來正常工作的，沒有用到感應圈，C錯誤． 【答案】　ABD 8．下列關于電焊機的說法正確的是(　　) A．電焊時，焊條與工件始終接觸 B．電焊時，是靠流過焊條與工件接觸電阻的電流的熱效應完成的 C．電焊時，點火電壓很高，約為幾萬伏 D．電焊時，電弧火花產(chǎn)生的高溫把金屬工件局部熔化，冷卻后焊接處就熔為一體 【解析】　電焊時，先把焊條與被焊的工件短暫接觸，然后迅速將焊條提起，與工件保持4 mm～5 mm的距離，故選項A錯；電焊時，是靠電弧火花產(chǎn)生的高溫把金屬工件局部熔化進行焊接，故選項B錯，D對；電焊時，點火電壓約為70 V，并不高，故C錯． 【答案】　D [能力提升] 9.如圖234所示，在日光燈的連接線路中，關于啟動器的作用，以下說法正確的是(　　) 圖234 A．日光燈啟動時，為燈管提供瞬時高壓 B．日光燈正常工作時，起降壓限流的作用 C．起到一個自動開關的作用，實際上可用一個彈片開關代替(按下接通，放手斷開) D．啟動器內(nèi)的電容器毫無作用 【解析】　日光燈啟動時，鎮(zhèn)流器為燈管提供瞬時高壓，日光燈正常工作時，鎮(zhèn)流器起降壓限流的作用．啟動器只是起一個自動開關的作用，故A、B錯誤，C正確；啟動器內(nèi)的電容器的作用是在動、靜觸片分離時避免產(chǎn)生火花而燒壞觸片，對啟動器起保護作用，故D錯誤． 【答案】　C 10．人類生活中對能源的可持續(xù)利用可以通過節(jié)能方式體現(xiàn)，日光燈是最常用的節(jié)能照明工具，它的主要構成有燈管、鎮(zhèn)流器、啟動器．啟動器的構造如圖235所示，為了便于日光燈工作，常在啟動器兩端并上一個紙質電容器C，現(xiàn)有一盞日光燈總是出現(xiàn)燈管兩端亮而中間不亮，經(jīng)檢查，燈管是好的，電源電壓正常，鎮(zhèn)流器無故障，其原因可能是(　　) 【導學號：78870033】 圖235 A．啟動器兩腳A、B與啟動器座接觸不良 B．電容器C斷路 C．電容器C擊穿而短路 D．鎮(zhèn)流器自感系數(shù)L太大 【解析】　題目說鎮(zhèn)流器無故障，故D項錯誤．日光燈管兩端亮而中間不亮，說明燈管兩端的燈絲處于通電狀態(tài)，即啟動器接通，但不能自動斷開，說明電容器C短路了，選C. 【答案】　C 11．日光燈管的壽命和開關次數(shù)有密切關系，頻繁開關會使燈管的壽命大大縮短，據(jù)統(tǒng)計，同樣的日光燈，連續(xù)點燃不關，點亮的時間要比每晝夜開關八次的日光燈點亮時間長兩倍半，為什么頻繁開關會影響燈管的壽命？ 【導學號：78870034】 【解析】　日光燈在通電啟動的一瞬間，氣體放電，日光燈燈絲不但要發(fā)射熱電子，還要受到帶電粒子強有力的轟擊，每啟動一次，要消耗大量的電子，還要受到高電壓沖擊一次，啟動的次數(shù)越多，燈絲的壽命越短． 【答案】　見解析 12.如圖236所示的電路，已知E＝12 V，r＝1 Ω，R1＝2 Ω，R2＝9 Ω，R3＝15 Ω，L＝2H，線圈電阻不計．開始開關S接到A點，電路中電流恒定，若將開關S接到B點的瞬間，線圈L中產(chǎn)生的最大自感電動勢是多大？ 圖236 【解析】　當開關S接到A點時，通過線圈L的恒定電流可以由歐姆定律求得，即I0＝E/(R1＋R2＋r)＝1 A. 當開關S接到B點的瞬間，線圈L中的電流不能突變，仍為I0＝1 A，此時線圈L、電阻R2、R3構成回路，線圈L中產(chǎn)生的最大自感電動勢是E自＝I0(R2＋R3)＝24 V. 【答案】　24 V