2018-2019学年高中物理人教版选修3-2课件：第四章 第6节 互感和自感

6 互感和自感学习目标知识脉络1．了解互感现象及互感现象的应用．(重点)2．了解自感现象，认识自感电动势对电路中电流的影响． (难点)3．了解自感系数的意义和决定因素．(重点)4．知道磁场具有能量．(难点)[自主预习·探新知][知识梳理]一、互感现象1．定义：两个相互靠近的线圈，当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势的现象．产生的电动势叫做互感电动势．2．应用：互感现象可以把能量由一个线圈传递到另一个线圈，变压器、收音机的“磁性天线”就是利用互感现象制成的．3．危害：互感现象能发生在任何两个相互靠近的电路之间．在电力工程和电子电路中，互感现象有时会影响电路正常工作．二、自感现象和自感系数1．自感现象：当一个线圈中的电流变化时，它产生的变化的磁场在它本身激发出感应电动势的现象．2．自感电动势：由于自感而产生的感应电动势．3．通电自感和断电自感电路现象自感电动势的作用通电自感接通电源的瞬间，灯泡A1逐渐地亮起来阻碍电流的增加断开开关的瞬间，灯泡闪亮断电自感阻碍电流的减小一下后逐渐变暗或灯泡 A 逐渐变暗，直至熄灭ΔI4.自感电动势的大小：E＝L ，其中 L 是自感系数，简称自感或电感，单位：亨Δt利，符号是 H.5．自感系数大小的决定因素：自感系数与线圈的大小、形状、圈数，以及是否有铁芯等因素有关．三、磁场的能量1．自感现象中的磁场能量(1)线圈中电流从无到有时：磁场从无到有，电源的能量输送给磁场，储存在磁场中．(2)线圈中电流减小时：磁场中的能量释放出来转化为电能．2．电的“惯性”：自感电动势有阻碍线圈中电流变化的“惯性”．[基础自测]1．思考判断(1)两线圈相距较近时，可以产生互感现象，相距较远时，不产生互感现象．(× )(2)在实际生活中，有的互感现象是有害的，有的互感现象可以利用．(√)(3)只有闭合的回路才能产生互感．(× )(4)线圈自感电动势的大小与自感系数L 有关，反过来，L 与自感电动势也有关．(× )(5)线圈中电流最大的瞬间可能没有自感电动势．(√)2．(多选)如图 4-6-1 所示，是一种延时装置的原理图，当S1 闭合时，电磁铁 F 将衔铁 D 吸下，C 线路接通；当S1 断开时，由于电磁感应作用， D 将延迟一段时间才被释放．则 ( )A．由于 A 线圈的电磁感应作用，才产生延时释放 D 的作用B．由于 B 线圈的电磁感应作用，才产生延时释放 D 的作用C．如果断开 B 线圈的开关 S2，无延时作用D．如果断开B 线圈的开关S2，延时将变化图4-6-1【解析】S1 断开时，线圈B 中的磁场变弱，线圈 B 中有感应电流， B 中电流的磁场继续吸引D 而起到延时的作用，故 B 正确，A 错误；若 S2 断开，线圈 B中不产生感应电流而起不到延时作用，故 C 正确，D 错误．【答案】BC3．通过一个线圈的电流在均匀增大时，则这个线圈的( )【导学号：57272066】A．自感系数也将均匀增大B．自感电动势也将均匀增大C．磁通量保持不变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，由法拉第电磁感应定律知，磁通量变化，故 C 项错误；自感系数由线圈本身决定，与电流大小无关， A 项ΔI错误；自感电动势E＝LΔt，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， B 项错误，D 项正确．【答案】 D[合作探究·攻重难]对互感现象的理解和应用1．互感现象是一种常见的电磁感应现象，它不仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间，而且可以发生于任何两个相互靠近的电路之间．2．互感现象可以把能量由一个电路传到另一个电路．变压器就是利用互感现象制成的．如图 4-6-2 甲所示，A、B 两绝缘金属环套在同一铁芯上， A 环中电流 iA 随时间 t 的变化规律如图乙所示，下列说法中正确的是( )图4-6-2A．t1 时刻，两环作用力最大B．t2 和t3 时刻，两环相互吸引C．t2 时刻两环相互吸引， t3 时刻两环相互排斥D．t3 和t4 时刻，两环相互吸引【解析】t1 时刻感应电流为零，故两环作用力为零， A 错误；t2 和t3 时刻 A 环中电流在减小，则B 环中产生与 A 环中同向的电流，故相互吸引，B 正确，C 错误；t4 时刻 A 中电流为零，两环无相互作用， D 错误．【答案】 B[针对训练]1．在同一铁芯上绕着两个线圈，单刀双掷开关原来接在 1 处，现把它从1 扳到2，如图 4-6-3 所示，试判断在此过程中，在电阻R 上的电流方向是 ( ) A．先由 P→Q，再由 Q→PB．先由 Q→P，再由 P→QC．始终由 Q→PD．始终由 P→Q图4-6-3【解析】开关由 1 扳到 2，线圈 A 中电流产生的磁场由向右变为向左，先减小后反向增加，由楞次定律可得R 中电流由 Q→P，C 正确．【答案】 C对自感现象的理解和应用1．对自感现象的分析思路(1)明确通过自感线圈的电流大小的变化情况(是增大还是减小 )．(2)根据“增反减同”，判断自感电动势的方向．(3)分析阻碍的结果：当电流增强时，由于自感电动势的作用，线圈中的电流逐渐增大，与线圈串联的元件中的电流也逐渐增大；当电流减小时，由于自感电动势的作用，线圈中的电流逐渐减小，与线圈串联的元件中的电流也逐渐减小．2．自感现象中，灯泡亮度变化的问题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I1 突然变大，然后逐渐减小达到稳定，灯泡突然变亮然后逐渐变暗，最后亮度不变电流逐渐减小，灯泡电路中稳态电流为I1、I2，①若I2≤I1，灯泡逐断电时逐渐变暗，电流方向渐变暗；②若I2＞I1，灯泡闪亮一下后逐渐变暗，不变两种情况灯泡电流方向均改变(多选)如图4-6-4 所示，灯A、B 完全相同，带铁芯的线圈L 的电阻可忽略，则()【导学号：57272067】A．S 闭合的瞬间，灯A、B 同时发光，接着灯 A 变暗，灯B 更亮，最后灯A 熄灭B．S 闭合瞬间，灯 A 不亮，灯B 立即亮C．S闭合瞬间，灯A、B 都不立即亮D．稳定后再断开S 的瞬间，灯B 熄灭，灯A 闪亮一下再熄灭图4-6-4【解析】S 接通的瞬间，L 所在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加．由于有铁芯，自感系数较大，对电流的阻碍作用也就很强，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灯A，所以灯A、B 会同时亮；又由于L 中电流逐渐稳定，感应电动势逐渐消失，灯A 逐渐变暗，线圈的电阻可忽略，对灯 A 起到“短路”作用，因此灯 A 最后熄灭．这个过程电路的总电阻比刚接通时小，由恒定电流知识可知，灯 B会更亮．稳定后S 断开瞬间，由于线圈的电流较大，L 与灯A 组成回路，灯 A 要闪亮一下再熄灭，灯 B 立即熄灭．【答案】AD1 断开开关后，灯泡是否瞬间变得更亮，取决于电路稳定时两支路中电流的大小关系，即由两支路中电阻的大小关系决定.2 若断开开关后，线圈与灯泡不能组成闭合回路，则灯泡会立即熄灭.3 自感线圈直流电阻小与直流电阻不计含义不同，稳定时，前者相当于定值电阻，后者出现短路 .[针对训练]2．如图 4-6-5 所示，L1 和 L2 是两个相同的小灯泡，L 是一个自感系数相当大的线圈，其电阻与R 相同，由于存在自感现象，在开关S 接通和断开时， L1、L2 先后亮暗的顺序是 ( )A．接通时， L1 先达最亮；断开时，L1 后暗B．接通时， L2 先达最亮；断开时，L2 后暗C．接通时， L1 先达最亮；断开时，L1 先暗D．接通时， L2 先达最亮；断开时，L2 先暗图4-6-5【解析】开关闭合时，由于线圈 L 的自感作用阻碍电流的增大，所以大部分电流从 L1 中流过，L1 先达最亮；开关断开时，线圈中产生的自感电动势阻碍电流减小，自感电流方向与原电流的方向相同，且只能在 L 与 L1 的闭合回路中流过，L1 中有自感电流，所以L1 后暗．故选项A 正确．【答案】 A自感现象中的图象问题如图 4-6-6 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 时刻断开开关S.如选项图所示，表示 A、B 两点间电压 U AB 随时间t 变化的图象中，正确的是( )图4-6-6【解析】开关 S 闭合的瞬间，由于L 的阻碍作用，由R 与L 组成的支路相当于断路，后来由于 L 的阻碍作用不断减小，相当于外电路并联部分的电阻不断减E，整个电路中的总电流增大，由U 内＝Ir 得小，根据闭合电路欧姆定律I＝R＋r内电压增大，由U AB＝E－Ir 得路端电压U AB 减小．电路稳定后，由于R 的阻值大于灯泡 D 的阻值，所以流过L 支路的电流小于流过灯泡 D 的电流．当开关S 断开时，由于电感L 的自感作用，流过灯泡 D 的电流立即与L 电流相等，与灯泡原来的电流方向相反且逐渐减小，即U AB 反向减小，选项B 正确．【答案】 B1 L 中电流变化时，自感电动势对电流有阻碍作用，随时间延续，其阻碍作用逐渐变小.2 U AB 有正负之分，根据流过灯泡 D 的电流方向确定U AB 的正负.[针对训练]3．在如图4-6-7 所示的电路中，两个相同的小灯泡A1 和 A2 分别串联一个带铁芯的电感线圈L 和一个滑动变阻器R.闭合开关 S 后，调整 R，使 A1 和 A2 发光的亮度一样，此时流过两个灯泡的电流均为I.然后，断开开关S.若 t′时刻再闭合开关 S，则在 t′前后的一小段时间内，选项图中正确反映流过A1 的电流 i1、流过A2 的电流 i2 随时间 t 变化的图象是 ( )【导学号：57272068】图4-6-7【解析】由题中给出的电路可知，电路由L 与 A1 和 A2 与 R 两个支路并联，在t′时刻，A1 支路的电流因为有L 的自感作用，所以i1 由0 逐渐增大，A2 支路为纯电阻电路， i2 不存在逐渐增大或减小的过程，故选项 B 正确．【答案】 B[当堂达标·固双基]1．关于线圈的自感系数，下列说法正确的是( )A．线圈的自感系数越大，自感电动势一定越大B．线圈中电流等于零时，自感系数也等于零C．线圈中电流变化越快，自感系数越大D．线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁芯决定【解析】自感系数是线圈本身的固有属性，只取决于线圈长短、粗细、匝数、有无铁芯等因素，而与电流变化快慢等外部因素无关．自感电动势的大小与线圈自感系数及电流变化率有关，A、B、C 错误，D 正确．【答案】 D2．如图4-6-8 所示，L 为自感系数较大的线圈，电路稳定后小灯泡正常发光，当断开开关 S 的瞬间会有 ( )A．灯 A 立即熄灭B．灯 A 慢慢熄灭C．灯 A 突然闪亮一下再慢慢熄灭D．灯 A 突然闪亮一下再突然熄灭图4-6-8【解析】本题中，当开关 S 断开时，由于通过自感线圈的电流从有变到零，线圈将产生自感电动势，但由于线圈L 与灯 A 在S 断开后不能形成闭合回路，故在开关断开后通过灯 A 的电流为零，灯立即熄灭．A 正确．【答案】 A3．如图 4-6-9 所示，线圈L 的电阻和电源内阻都很小，可忽略不计，电路中两个电阻的阻值均为R，开始时开关S 断开，此时电路中电流为I0.现将开关 S 闭合，线圈 L 中有自感电动势产生，下列说法中正确的是( )A．由于自感电动势有阻碍电流的作用，电路中电流最终由I0 减小到零B．由于自感电动势有阻碍电流的作用，电路中电流最终小于I0C．由于自感电动势有阻碍电流的作用，电路中电流将保持I0 不变D．自感电动势有阻碍电流增大的作用，但电路中电流最终还要增大到2I0图4-6-9【解析】当开关 S 闭合时，通过线圈的电流增大，在线圈中产生自感电动势，自感电动势阻碍电流的增大，但“阻碍”不是“阻止”，“阻碍”实质上是“延缓”，电路中的电流不会立刻变为2I0，但最终仍会增大到2I0.选项 D 正确．【答案】 D4．(多选)如图 4-6-10 所示的电路中，电源电动势为E，内阻 r 不能忽略． R1 和R2 是两个定值电阻， L 是一个自感系数较大，电阻可忽略的线圈．开关S 原来是断开的，从闭合开关S 到电路中电流达到稳定为止的时间内，通过R1 的电流 I1 和通过 R2 的电流 I2 的变化情况是 ( )A．I1 开始较大而后逐渐变小B．I1 开始很小而后逐渐变大C．I2 开始很小而后逐渐变大D．I2 开始较大而后逐渐变小图4-6-10【解析】闭合开关S 时，由于L 是一个自感系数较大的线圈，产生反向的自感电动势阻碍电流的变化，所以开始 I2 很小，随着电流达到稳定，自感作用减小，I2 开始逐渐变大．闭合开关S时，由于线圈阻碍作用很大，路端电压较大，随着自感作用减小，路端电压减小，所以R1 上的电压逐渐减小，电流逐渐减小，故A、C 正确．【答案】AC5．如图 4-6-11 所示的电路中，S 闭合且稳定后流过电感线圈的电流是 2 A，流过灯泡的电流是1 A．将 S 突然断开，则 S 断开前后，能正确反映流过灯泡的电流I 随时间 t 变化关系的是图中的( )【导学号：57272069】图 4-6-11【解析】S断开前，通过灯泡 D 的电流是稳定的，其大小值为 1 A．S 断开瞬间，灯泡支路的电流立即减为零，但是自感线圈的支路由于自感现象会产生与线圈中原电流方向相同的感应电动势，使线圈中的电流将从原来的 2 A 逐渐减小，WORD格式方向不变，且由于它和灯泡 D 构成回路，通过灯泡 D 的电流和线圈L 中的电流相同，也应该是从 2 A 逐渐减小为零，但是方向与原来通过灯泡 D 的电流方向相反，故 D 项正确．【答案】 D11可编辑。