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(yīng)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(yīng)用 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識 脈 絡(luò) 1.了解日光燈的構(gòu)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(gòu)造和作用．(重點、難點) 3．了解感應(yīng)圈的工作過程及應(yīng)用. 日 光 燈 與 鎮(zhèn) 流 器 1．日光燈的構(gòu)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(guān)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(gòu)造及作用 啟動器、燈管、鎮(zhèn)流器的比較 構(gòu)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(zhì)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(guān)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(guān)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(yù)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(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)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(yù)熱放出電子，不能使燈管氣體導(dǎo)電，選項D錯誤．只有A項滿足發(fā)光條件． 【答案】　A 2．(多選)關(guān)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(dāng)于自動開關(guān)的作用，啟動后雙金屬片恢復(fù)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(dāng)電源的電壓加在啟動器兩極時，氖氣放電并產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致U形動觸片受熱膨脹 B．當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(yīng) 圈、 自 感 現(xiàn) 象 的 其 他 應(yīng) 用 1．感應(yīng)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(jié)構(gòu) 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(gòu)成． (3)用途 在物理、化學(xué)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(yīng)用 (1)應(yīng)用 在廣播電臺和電視臺的無線電設(shè)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(guān)斷開時產(chǎn)生電弧火花，燒壞開關(guān)或造成安全隱患． 1．感應(yīng)圈可以利用低電壓獲得高電壓．(√) 2．感應(yīng)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(yīng)圈工作原理 如圖233所示，是感應(yīng)圈的原理圖，閉合開關(guān)S，低壓直流電源接通．開關(guān)S和彈簧片DK與初級線圈L1構(gòu)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(fù)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(yīng)出數(shù)萬伏的高壓． 圖233 4．關(guān)于感應(yīng)圈下列說法不正確的是(　　) A．感應(yīng)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(yīng)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(yīng)圈產(chǎn)生高電壓電火花來完成的 D．感應(yīng)圈的主要構(gòu)造包括繞在鐵芯上的兩個絕緣線圈及繼電器等 【解析】　感應(yīng)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(yīng)圈不能作為大功率高壓電源使用，B不正確．感應(yīng)圈的主要構(gòu)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(yīng)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(guān)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(yīng)用，故D不符合題意． 【答案】　ABC 感應(yīng)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(zhì)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(yīng)圈產(chǎn)生的高壓電火花來完成點火工作的． 學(xué)業(yè)分層測評(六) (建議用時：45分鐘) [學(xué)業(yè)達標(biāo)] 1．關(guān)于日光燈的發(fā)光實質(zhì)，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(dǎo)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(zhì)上是紫外線激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光 【解析】　日光燈發(fā)光的本質(zhì)，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(zhì)而發(fā)光．故選項D正確． 【答案】　D 2．關(guān)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(zhì)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(gòu)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(guān)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(dǎo)通；燈管導(dǎo)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(guān)于日光燈啟動器的說法中正確的有(　　) 【導(dǎo)學(xué)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(guān)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(dāng)于一個自動開關(guān)，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(yīng)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(dǎo)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(zhì)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(dāng)于自動開關(guān)，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(dǎo)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(zhì)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(yīng)圈的工作原理是電磁感應(yīng)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(yīng)圈中的兩個線圈的匝數(shù)一樣多 D．一個標(biāo)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(yīng)圈就是利用了電路中的電流不斷地變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的，當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(shè)備中的延時繼電器 D．物理、化學(xué)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(yīng)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(xué)實驗中的小功率電源是利用感應(yīng)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(yīng)來正常工作的，沒有用到感應(yīng)圈，C錯誤． 【答案】　ABD 8．下列關(guān)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(yīng)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(guān)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(guān)的作用，實際上可用一個彈片開關(guān)代替(按下接通，放手?jǐn)嚅_) 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(guān)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(gòu)成有燈管、鎮(zhèn)流器、啟動器．啟動器的構(gòu)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(zhì)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(dǎo)學(xué)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(guān)次數(shù)有密切關(guān)系，頻繁開關(guān)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(guān)，點亮的時間要比每晝夜開關(guān)八次的日光燈點亮?xí)r間長兩倍半，為什么頻繁開關(guān)會影響燈管的壽命？ 【導(dǎo)學(xué)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(guān)S接到A點，電路中電流恒定，若將開關(guān)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(dāng)開關(guān)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(dāng)開關(guān)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(gòu)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