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

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第2節(jié)　自感 學(xué) 習(xí) 目 標 知 識 脈 絡(luò) 1.了解自感現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因，會分析自感現(xiàn)象．(難點) 2．理解自感電動勢在自感現(xiàn)象中的作用．(重點) 3．理解自感系數(shù)由哪些因素決定，自感現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化情況． 自 感 現(xiàn) 象　自 感 電 動 勢 1．自感現(xiàn)象：由導(dǎo)體自身電流變化，所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象． 2．自感電動勢 定義 由導(dǎo)體自身電流變化所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢 方向 原電流增大時，與原電流相反，原電流減小時，與原電流相同 作用 阻礙自身電流發(fā)生變化 大小 E＝L，與電流變化率成正比 1．自感現(xiàn)象屬于電磁感應(yīng)現(xiàn)象．(√) 2．當線圈中有電流時，線圈中就有自感電動勢．() 3．當線圈中電流減小時，線圈中自感電動勢的方向與線圈中電流的方向相反．() 大城市的無軌電車在行駛的過程中，由于車身顛簸，有可能使車頂上的電弓瞬間脫離電網(wǎng)線，這時可以看到電火花閃現(xiàn)．試說明產(chǎn)生電火花的原因是什么？ 【提示】　電弓脫離電網(wǎng)線的瞬間電流減小，所產(chǎn)生的自感電動勢很大，在電弓與電網(wǎng)線的空隙產(chǎn)生電火花． 如圖221所示，A1、A2是規(guī)格完全一樣的燈泡，①S閉合時，發(fā)現(xiàn)A1比A2亮得晚；②S斷開時，兩燈泡都亮一會再熄滅． 圖221 探討1：為什么會出現(xiàn)上述①中的現(xiàn)象？ 【提示】　開關(guān)閉合時，電流從0開始增加，線圈L中的磁通量發(fā)生變化形成感應(yīng)電流，阻礙線圈中電流的增加，推遲了電流達到正常值的時間，故A1比A2亮得晚． 探討2：S斷開時為什么出現(xiàn)②中的現(xiàn)象？ 【提示】　S斷開時，電流開始減小，線圈中磁通量也發(fā)生變化，同樣推遲電流的減小時間，此時L相當于電源，回路中的A1、A2都亮一會再熄滅． 探討3：①②兩種現(xiàn)象中，流過A1、A2的電流方向一樣嗎？ 【提示】　A1中電流方向不變，A2中電流方向相反． 在處理通斷電燈泡亮度變化問題時，不能一味套用結(jié)論，如通電時逐漸變亮，斷電時逐漸變暗，或閃亮一下逐漸變暗，要具體問題具體分析，關(guān)鍵要搞清楚電路連接情況． 與線圈串聯(lián)的燈泡 與線圈并聯(lián)的燈泡 電路圖 通電時 電流逐漸增大， 燈泡逐漸變亮 電流突然變大，然后逐漸減小達到穩(wěn)定 斷電時 電流逐漸減小 燈泡逐漸變暗 電流方向不變 電路中穩(wěn)態(tài)電流為I1、I2 ①若I2≤I1，燈泡逐漸變暗 ②若I2>I1，燈炮閃亮后逐漸變暗 兩種情況燈泡電流方向均改變 1．(多選)如圖222所示，燈LA、LB完全相同，帶鐵芯的線圈L的電阻可忽略．則(　　) 圖222 A．S閉合的瞬間，LA、LB同時發(fā)光，接著LA熄滅，LB更亮 B．S閉合的瞬間，LA不亮，LB立即亮 C．S閉合的瞬間，LA、LB都不立即亮 D．穩(wěn)定后斷開S的瞬間，LB立即熄滅，LA先亮一下再熄滅 【解析】　S接通的瞬間，L支路中電流從無到有發(fā)生變化，因此，L中產(chǎn)生的自感電動勢阻礙電流增大．所以，S接通的瞬間L中的電流非常小，即干路中的電流幾乎全部流過LA，故LA、LB會同時亮．又由于L中電流很快穩(wěn)定，感應(yīng)電動勢很快消失，對LA起到“短路”作用，因此，LA便熄滅．這時電路的總電阻比剛接通時小，由恒定電流知識可知LB會比以前更亮．故選項A正確．斷開S的瞬間，線圈L產(chǎn)生自感電動勢，在L、LA回路中產(chǎn)生自感電流，所以LA先亮一下再熄滅；LB在S斷開的瞬間處于斷路狀態(tài)，電流立即變?yōu)榱?，所以LB熄滅． 【答案】　AD 2．(多選)如圖223所示，電路甲、乙中電阻R和自感線圈L的電阻都很小．接通開關(guān)S，使電路達到穩(wěn)定，燈泡A發(fā)光，則(　　) 甲　　　　　　　　　　乙 圖223 A．在電路甲中，斷開S，A將漸漸變暗 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將漸漸變暗 D．在電路乙中，斷開S，A將先變得更亮，然后漸漸變暗 【解析】　甲圖中，燈泡A與線圈L在同一支路，通過它們的電流相同，IA＝IL；斷開開關(guān)S時，A、L、R組成回路；由于自感作用，回路中電流由IL逐漸減小，燈泡A不會閃亮，將逐漸變暗，故A正確；乙圖中，電路穩(wěn)定時，通過上支路的電流IL>IA(因L的電阻很小)；斷開開關(guān)S時，由于L的自感作用，回路中的自感電流在IL的基礎(chǔ)上減小，電流反向通過燈泡A的瞬間，燈泡A中電流變大，然后逐漸變小，所以燈泡A閃亮一下，然后逐漸變暗，故D正確． 【答案】　AD 自感電動勢的作用 在通電自感現(xiàn)象中，線圈L相當于阻值逐漸減小的“電阻”；在斷電自感現(xiàn)象中，線圈L相當于電動勢逐漸減小的“電源”．在斷電自感中要判斷某一個小燈泡是否會閃亮一下再熄滅，一是看是否能組成臨時回路，二是看此時通過小燈泡的電流比斷開前大還是?。? 　　　　　　　　　自 感 系 數(shù) 自感系數(shù) 物理意義 表征產(chǎn)生自感電動勢本領(lǐng)的大小 大小決定因素 線圈形狀、橫截面積、長短、匝數(shù)、鐵芯等 單位 亨(H)、毫亨(mH)、微亨(μH) 1．線圈的自感系數(shù)大，其電阻一定大．() 2．不管電流如何變化，線圈的自感系數(shù)不變．(√) 3．產(chǎn)生的自感電動勢較大，說明自感系數(shù)較大．() 照明用電燈泡內(nèi)，有螺旋狀燈絲，且用的是交流電，開燈、關(guān)燈時，你發(fā)現(xiàn)自感現(xiàn)象了嗎？請給予解釋． 【提示】　照明用交流電，開、關(guān)燈時燈絲內(nèi)電流會發(fā)生變化，會有自感現(xiàn)象發(fā)生，只是由于燈絲的自感系數(shù)太小，自感現(xiàn)象不明顯，使我們并沒有發(fā)現(xiàn)． 探討1：線圈中電流變化越快，自感系數(shù)如何變化？ 【提示】　不變 探討2：把線圈中的鐵芯抽出一些，自感系數(shù)如何變化？ 【提示】　減小 自感系數(shù)L 線圈的自感系數(shù)是由線圈本身決定的，與是否通電及電流的大小無關(guān)．具體地說，是由線圈截面的粗細、線圈的長短、匝數(shù)的密集程度(即單位長度的匝數(shù))以及線圈內(nèi)部是否存在鐵芯等因素共同決定的．且線圈越長、匝數(shù)越多、越密、橫截面積越大，以及有鐵芯時，則線圈的自感系數(shù)就越大． 3．(多選)通過一個線圈的電流在均勻增大時，這個線圈的(　　)． A．自感系數(shù)也將均勻增大 B．自感電動勢也將均勻增大 C．磁通量也將均勻增大 D．自感系數(shù)和自感電動勢不變 【解析】　線圈的磁通量與電流大小有關(guān)，電流增大，磁通量增大，故C項正確；而自感系數(shù)由線圈本身決定，與電流大小無關(guān)；自感電動勢EL＝L，與自感系數(shù)和電流變化率有關(guān)，對于給定的線圈，L一定，已知電流均勻增大，說明電流變化率恒定，故自感電動勢不變，D項正確． 【答案】　CD 4．下列單位關(guān)系不正確的是(　　) A．1亨＝1歐秒 B．1亨＝1伏安/秒 C．1伏＝1韋/秒 D．1伏＝1亨安/秒 【解析】　由E＝L知，L＝，故1亨＝1伏秒/安，或1伏＝1亨安/秒，選項B錯誤，D正確；又1伏＝1安歐，故A正確；由E＝n知，選項C也正確．綜上知，不正確的為B. 【答案】　B 線圈自感系數(shù)由線圈本身的因素及有無鐵芯決定． 學(xué)業(yè)分層測評(五) (建議用時：45分鐘) [學(xué)業(yè)達標] 1．關(guān)于線圈的自感系數(shù)、自感電動勢的下列說法中正確的是(　　)． A．線圈中電流變化越大，線圈自感系數(shù)越大 B．對于某一線圈，自感電動勢正比于電流的變化量 C．一個線圈的電流均勻增大，這個線圈的自感系數(shù)、自感電動勢都不變 D．自感電動勢總與原電流方向相反 【解析】　線圈的自感系數(shù)L只由線圈本身的因素決定，選項A錯誤．由E自＝L知，E自與成正比，與ΔI無直接關(guān)系，選項B錯誤，C正確．E自方向在電流增大時與原電流方向相反，在電流減小時與原電流方向相同，選項D錯誤． 【答案】　C 2．(多選)下列說法正確的是(　　) A．當線圈中電流不變時，線圈中沒有自感電動勢 B．當線圈中電流反向時，線圈中自感電動勢的方向與線圈中原電流的方向相反 C．當線圈中電流增大時，線圈中自感電動勢的方向與線圈中電流的方向相反 D．當線圈中電流減小時，線圈中自感電動勢的方向與線圈中電流的方向相反 【解析】　由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，當線圈中電流不變時，不產(chǎn)生自感電動勢，A對；當線圈中電流反向時，相當于電流先減小后反向增大，線圈中自感電動勢的方向與線圈中原電流的方向相同，B錯；當線圈中電流增大時，自感電動勢阻礙電流的增大，線圈中自感電動勢的方向與線圈中電流的方向相反，C對；當線圈中電流減小時，自感電動勢阻礙電流的減小，線圈中自感電動勢的方向與線圈中電流的方向相同，D錯． 【答案】　AC 3.如圖224所示的是自感現(xiàn)象的實驗裝置，A是燈泡，L是帶鐵芯的線圈，E為電源，S是開關(guān)．下述判斷正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：78870029】 圖224 A．S接通的瞬間，L產(chǎn)生自感電動勢，S接通后和斷開瞬間L不產(chǎn)生自感電動勢 B．S斷開的瞬間L產(chǎn)生自感電動勢，S接通瞬間和接通后L不產(chǎn)生自感電動勢 C．S在接通或斷開的瞬間L都產(chǎn)生自感電動勢，S接通后L不再產(chǎn)生自感電動勢 D．S在接通或斷開瞬間以及S接通后，L一直產(chǎn)生自感電動勢 【解析】　S斷開和接通瞬間，通過線圈的電流都發(fā)生變化，都產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，S接通后通過線圈的電流不再變化，沒有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，故A、B、D錯誤，C正確． 【答案】　C 4．(多選)某線圈通有如圖225所示的電流，則線圈中自感電動勢改變方向的時刻有(　　) 圖225 A．第1 s末 B．第2 s末 C．第3 s末 D．第4 s末 【解析】　在自感現(xiàn)象中，當原電流減小時，自感電動勢與原電流的方向相同；當原電流增大時，自感電動勢與原電流方向相反．在0～1s內(nèi)原電流沿正方向減小，所以自感電動勢的方向是正方向；在1～2s內(nèi)原電流沿負方向增加，所以自感電動勢與其方向相反，即沿正方向；同理分析2～3 s、3～4 s、4～5 s內(nèi)自感電動勢的方向分別是沿負方向、負方向、正方向，可得正確答案為選項B、 D. 【答案】　BD 5. (多選)如圖226所示，E為電池組，L是自感線圈(直流電阻不計)，D1、D2是規(guī)格相同的小燈泡．下列判斷正確的是(　　) 圖226 A．開關(guān)S閉合時，D1先亮，D2后亮 B．閉合S達穩(wěn)定時，D1熄滅，D2比起初更亮 C．斷開S時，D1閃亮一下 D．斷開S時，D1、D2均不立即熄滅 【解析】　開關(guān)S閉合時D1，D2同時亮，電流從無到有，線圈阻礙電流的增加，A錯．閉合S達穩(wěn)定時D1被短路，電路中電阻減小，D2比起初更亮，B對．斷開S時，線圈阻礙電流減小，故D1會閃亮一下，而D2在S斷開后無法形成通路，會立即熄滅，所以C對，D錯． 【答案】　BC 6.如圖227所示的電路中，兩個相同的電流表G1和G2，零點均在刻度盤的中央，當電流從“＋”接線柱流入時，指針向右擺；當電流從“－”接線柱流入時，指針向左擺，在電路接通后再斷開開關(guān)S的瞬間，下述說法中正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：78870030】 圖227 A．G1指針向右擺，G2指針向左擺 B．G1指針向左擺，G2指針向右擺 C．G1、G2的指針都向右擺 D．G1、G2的指針都向左擺 【解析】　在電路接通后再斷開開關(guān)S的瞬間，由于線圈L中的原電流突然減小，線圈L中產(chǎn)生自感現(xiàn)象，線圈中的電流逐漸減小，電流流經(jīng)L、G2、R、G1，方向順時針，由于從表G1的“＋”接線柱流入，表G2的“－”接線柱流入，因此G1指針右偏，表G2的指針左偏，答案選A. 【答案】　A 7．如圖228所示，L是電阻不計的自感線圈，C是電容器，E為電源，在開關(guān)S閉合和斷開時，關(guān)于電容器的帶電情況，下列說法正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：78870031】 圖228 A．S閉合瞬間，A板帶正電，B板帶負電 B．S保持閉合，A板帶正電，B板帶負電 C．S斷開瞬間，A板帶正電，B板帶負電 D．由于線圈L的電阻不計，電容器被短路，上述三種情況下電容器均不帶電 【解析】　S閉合瞬間，通過L的電流增大，L產(chǎn)生的自感電動勢的方向是由下指向上，使電容器充電，A板帶正電，B板帶負電，A項正確；S保持閉合時，L的電阻為零，電容器兩極板被短路，不帶電，B項錯誤；S斷開瞬間，通過L的電流減小，自感電動勢的方向由上指向下，在L、C組成的回路中給電容器充電，使B板帶正電，A板帶負電，C項錯誤．綜上D項錯誤． 【答案】　A 8.如圖229所示，R1、R2的阻值均為R，電感線圈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)生自感電動勢，自感電動勢的作用是(　　) 圖229 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 【解析】　當S閉合時，電路中電阻減小，電流增大，線圈的作用是阻礙電流的增大，選項A錯誤；阻礙電流增大，不是不讓電流增大，而是讓電流增大的速度減緩，選項B、C錯誤；最后達到穩(wěn)定時，I＝＝2I0，故選項D正確． 【答案】　D [能力提升] 9．(多選)如圖2210所示是研究自感通電實驗的電路圖，A1、A2是兩個規(guī)格相同的小燈泡，閉合開關(guān)調(diào)節(jié)電阻R，使兩個燈泡的亮度相同，調(diào)節(jié)可變電阻R1，使它們都正常發(fā)光，然后斷開開關(guān)S.重新閉合開關(guān)S，則(　　) 圖2210 A．閉合瞬間，A1立刻變亮，A2逐漸變亮 B．閉合瞬間，A2立刻變亮，A1逐漸變亮 C．穩(wěn)定后，L和R兩端電勢差一定相同 D．穩(wěn)定后，A1和A2兩端電勢差不相同 【解析】　閉合瞬間，A2立刻變亮，A1逐漸變亮，穩(wěn)定后，兩個燈泡的亮度相同，說明它們的電壓相同，L和R兩端電勢差一定相同，選項B、C正確，A、D錯誤． 【答案】　BC 10．如圖2211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2211 【解析】　S閉合時，由于自感L的作用，經(jīng)過一段時間電流穩(wěn)定時L電阻不計．可見電路的外阻是從大變小的過程．由U外＝E可知U外也是從大變小的過程．t1時刻斷開S，由于自感在L、R、D構(gòu)成的回路中電流從B向A且中間流過D，所以t1時刻UAB反向，B正確． 【答案】　B 11.如圖2212所示，電源的電動勢E＝15 V，內(nèi)阻忽略不計．R1＝5 Ω，R2＝15 Ω，電感線圈的電阻不計，求當開關(guān)S接通的瞬間，S接通達到穩(wěn)定時及S切斷的瞬間流過R1的電流． 圖2212 【解析】　開關(guān)S接通瞬間，流過線圈L的電流不能突變，所以流過R1的電流仍為0.達到穩(wěn)定時，線圈相當于導(dǎo)線，所以流過R1的電流為I1＝＝A＝3 A. 開關(guān)S斷開瞬間，流過線圈L的電流不能突變，所以流過R1的電流仍為3 A. 【答案】　0　3 A　3 A 12.如圖2213所示為研究自感實驗電路圖，并用電流傳感器顯示出在t＝110－3s時斷開開關(guān)前后一段時間內(nèi)各時刻通過線圈L的電流(如圖2214)．已知電源電動勢E＝6 V，內(nèi)阻不計，燈泡R1的阻值為6 Ω，電阻R的阻值為2 Ω.求： 圖2213 圖2214 (1)線圈的直流電阻RL是多少？ (2)開關(guān)斷開時，該同學(xué)觀察到什么現(xiàn)象？ (3)計算開關(guān)斷開瞬間線圈產(chǎn)生的自感電動勢． 【解析】　由圖象可知S閉合穩(wěn)定時IL＝1.5 A RL＝－R＝ Ω－2 Ω＝2 Ω 此時小燈泡電流I1＝＝ A＝1 A S斷開后，L、R、R1組成臨時回路 電流由1.5 A逐漸減小，所以燈會閃亮一下再熄滅，自感電動勢E＝IL(R＋RL＋R1)＝15 V. 【答案】　(1)2　(2)燈泡閃亮一下后逐漸變暗，最后熄滅　(3)15