2019-2020学年高中物理第4章电磁感应第6节互感和自感课件 人教版选修3-2 56页

第 6 节　互感和自感 1 ．互感：两个线圈之间并没有导线相连，当一个线圈中的电流 ________ 时，它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生 ______________ 的现象． 要点一　互感现象 变化　 课前教材预案 感应电动势　 2 ．互感电动势：互感现象中产生的感应电动势． 3 ．互感的应用：利用互感现象可以把 ________ 由一个线圈传递到另一个线圈．如变压器，收音机里的“磁性天线”等． 能量　 1 ．自感：当一个线圈中的电流 ________ 时，在其本身激发出 ______________ 的现象． 2 ．自感电动势：由于自感而产生的感应电动势． 3 ．自感电动势对电流的作用：自感电动势总是阻碍导体中原电流的变化． 变化　 要点二　自感现象 感应电动势　 1 ． 自感电动势 (1) 大小：正比于 ________________. (2) 公式： E ＝ __ _ __ __( 式中 L 表示自感系数 ) ． (3) 方向：应用 ____________ 判断． 电流的变化率　 要点三　自感电动势与自感系数 楞次定律　 2 ． 自感系数 (1) 物理意义：表示线圈产生自感电动势本领大小的物理量． (2) 大小的决定因素：自感系数与线圈的 ________ 、 ________ 、 ________ 、 ____________ 等因素有关． (3) 单位： ________ ，符号 _____. 大小　 形状　 匝数　 有无铁芯　 亨利　 H 　 课堂深度拓展 考点一　互感现象的理解与应用 (2) 互感现象的实质是两个线圈通过变化的磁场传输电能的过程． 2 ． 应用与危害 (1) 应用：变压器、收音机的磁性天线都是利用互感现象制成的． (2) 危害：在电力工程和电子电路中，互感现象有时会影响电路的正常工作，这时要设法减小电路间的互感．例如在电路板的刻制时就要设法减小电路间的互感现象． (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递到另一个电路． 【例题 1 】　 如图所示，在同一铁芯上绕着两个线圈，左边电路中两电源相同，单刀双掷开关原来接“ 1” ，现在把它从“ 1” 扳向“ 2” ，直到电流重新稳定．则在此过程中，电阻 R 中的电流方向是 ( 　　 ) A ．先由 P → Q ，再由 Q → P B ．先由 Q → P ，再由 P → Q C ．始终由 Q → P D ．始终由 P → Q 思维导引： 首先分析 S 从 “ 1 ” 扳向 “ 2 ” 的过程中，穿过 B 线圈的磁通量大小和方向变化情况，然后应用楞次定律和安培定则确定 R 上的电流方向． 易错指津： 在互感现象中一定要认清产生变化磁场的线圈和发生电磁感应的线圈．产生变化磁场的部分应用安培定则判断磁场方向和变化方向．发生电磁感应的线圈要应用楞次定律判断其电流方向． 答案　 A 　 解析　 由于 A 线圈磁场变化，使 B 线圈产生感应电流，这就是互感，将开关由 1 扳向 2 的过程中，分两个阶段来分析电阻 R 上的电流方向． (1) 在线圈 A 中电流沿原方向减小到零的过程中，线圈 A 的磁场自右向左也跟着减弱，导致穿过线圈 B 的磁通量减少，由楞次定律知，线圈 B 中会产生右上左下的感应电流，即流过电阻 R 的电流方向是由 P → Q . (2) 在线圈 A 中电流由零沿原方向增大的过程中，线圈 A 的磁场自右向左也跟着增强，导致穿过线圈 B 的磁通量增加，由楞次定律知，线圈 B 中会产生左上右下的感应电流，即通过电阻 R 的电流方向是由 Q → P . 综上分析可知，全过程中流过电阻 R 的电流方向先是由 P → Q ，然后是由 Q → P ，选项 A 正确． 【变式 1 】　 ( 多选 ) 如图所示，是一种延时装置的原理图，当 S 1 闭合时，电磁铁 F 将衔铁 D 吸下， C 线路接通；当 S 2 闭合， S 1 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 S 2 ，无延时作用 D ．如果断开 B 线圈的开关 S 2 ，延时将变化 答案 　 BC 　 解析　 线圈 A 中的磁场随开关 S 1 的闭合而产生，随 S 1 的断开而消失．当 S 1 闭合时，线圈 A 中的磁场穿过线圈 B ，当 S 2 闭合， S 1 断开时，线圈 A 在线圈 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，选项 B 正确， A 错误；若 S 2 断开，线圈 B 中不产生感应电流而起不到延时作用，选项 C 正确， D 错误． 1 ． 自感现象 考点二　通电自感和断电自感 2 ． 灯泡亮度变化 与线圈串联的灯泡 与线圈并联的灯泡 断电时 电流逐渐减小 灯泡逐渐变暗 电流方向不变 电路中稳态电流为 I 1 、 I 2 ① 若 I 2 ≤ I 1 ，灯泡逐渐变暗 ② 若 I 2 > I 1 ，灯泡闪亮后逐渐变暗 两种情况灯泡中电流方向均改变 (1) 电路在稳态时线圈的电阻能否忽略是很多问题判定的关键，应关注题中的条件． (2) 注意电路中电流的方向，断电时流过线圈的电流的方向不变，与线圈串联的用电器电流的方向不变，原先与线圈并联的用电器上的电流会反向． 【例题 2 】　 如图所示，灯 L 1 、 L 2 完全相同，带铁芯的线圈 L 的电阻可忽略，则 ( 　　 ) A ． S 闭合瞬间， L 1 、 L 2 同时发光，接着 L 1 变暗， L 2 更亮，最后 L 1 熄灭 B ． S 闭合瞬间， L 1 不亮， L 2 立即亮 C ． S 闭合瞬间， L 1 、 L 2 都不立即亮 D ．稳定后再断开 S 的瞬间， L 2 熄灭， L 1 比 L 2 ( 稳定时 ) 更亮 思维导引： ① 自感现象中，要理解 “ 阻碍 ” 不是阻止，电流的增加是必然的，自感现象结束后，灯泡的最终亮度就要看线圈 L 电阻的大小． ② 断电时，线圈 L 的磁场能转化为电能输出，供给与之并联的电路，且电流 I L 不会发生突变． 答案　 A 　 解析　 S 接通的瞬间，线圈 L 支路中电流从无到有发生变化，因此，线圈 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较强，所以 S 接通的瞬间线圈 L 中的电流非常小，即干路中的电流几乎全部流过 L 1 、 L 2 ，所以 L 1 、 L 2 会同时亮； 又由于线圈 L 中电流很快稳定，感应电动势很快消失， L 的电阻可忽略，对 L 1 起到 “ 短路 ” 作用，因此 L 1 熄灭，这时电路的总电阻比刚接通时小，通过 L 2 的电流增大， L 2 会比以前更亮，选项 A 正确， B 、 C 错误．断开 S 后，通过 L 1 的电流不比原来 L 2 的电流大， L 1 不会更亮，选项 D 错误． 【变式 2 】　 如图所示， L 1 、 L 2 为两个相同的灯泡，线圈 L 的直流电阻不计，灯泡 L 1 与理想二极管 D 相连，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．闭合开关 S 后， L 1 会逐渐变亮 B ．闭合开关 S 稳定后， L 1 、 L 2 亮度相同 C ．断开 S 的瞬间， L 1 会逐渐熄灭 D ．断开 S 的瞬间， a 点的电势比 b 点高 答案　 D 　 解析　 闭合开关 S 后，线圈自感只是阻碍流过 L 的电流增大，则两灯立刻变亮，故选项 A 错误．闭合开关 S 稳定后，因线圈 L 的直流电阻不计，所以 L 1 与二极管被短路，导致灯泡 L 1 不亮，而 L 2 将更亮，因此 L 1 、 L 2 亮度不同，故选项 B 错误．断开 S 的瞬间， L 2 会立刻熄灭，线圈 L 与灯泡 L 1 及二极管构成回路，因线圈产生感应电动势， a 端的电势高于 b 端，此时的二极管反接，所以回路中没有电流， L 1 立即熄灭，故选项 C 错误， D 正确． 自感现象中的图象问题主要是判断自感现象中的电流变化图象，自感现象中电流从一个定态向另一个定态变化时，只能渐变而不能突变．解决问题的关键在于确定两定态的电流，电流由初状态向末状态渐变，变化速度是由快到慢，即 I － t 图象斜率由大到小． 考点三　自感现象中的图象问题 线圈和电阻的阻碍作用 (1) 线圈阻碍的是电流的变化，而电阻阻碍的是电流的通过． (2) 线圈只在电流变化时才阻碍，在稳定状态时，线圈相当于一个定值电阻或导线． (3) 阻碍效果不同，电阻的阻值越大，电流越小；而线圈仅仅是延缓了电流达到稳态的时间，电感越大，时间越长． 【例题 3 】　 如图所示的电路中， S 闭合且稳定后流过自感线圈的电流是 2 A ，流过灯泡的电流是 1 A ，现将开关 S 突然断开， S 断开前后，能正确反映流过灯泡的电流 i 随时间 t 变化关系的图象是 ( 　　 ) 思维导引： 电路稳定后，通过灯泡的电流通过欧姆定律求出，再分析开关 S 断开时，电路在自感线圈作用下通过灯泡的电流变化． 答案　 D 　 解析　 开关 S 断开前，通过灯泡 D 的电流是稳定的，其值为 1 A ；开关 S 断开瞬间，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，使线圈中的电流从原来的 2 A 逐渐减小，方向不变，且同灯泡 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 逐渐减小到零，但是方向与原来通过灯泡 D 的电流方向相反，选项 D 正确． 【变式 3 】　 ( 多选 ) 如图所示的电路中， L 是一个自感系数很大、直流电阻不计的线圈， A 1 、 A 2 和 A 3 是三个完全相同的灯泡， E 是内阻不计的电源，在 t ＝ 0 时刻，闭合开关 S ，电路稳定后在 t 1 时刻断开开关 S. 规定以电路稳定时流过 A 1 、 A 2 的电流方向为正方向，分别用 I 1 、 I 2 表示流过 A 1 和 A 2 的电流，则下列图中能定性描述电流 I 随时间 t 变化关系的是 ( 　　 ) 答案 　 BC 　 解析　 闭合开关 S 后，通过 A 1 、 A 2 和 A 3 的电流方向都是由上向下，断开 S 后，由于自感现象，通过 A 1 的电流方向不变，电流大小也不能突变，由原电流逐渐减小为零，选项 A 错误， B 正确；断开开关 S 后， A 2 和 A 3 的电流方向都是由下向上，选项 C 正确， D 错误． 1 ．绕在同一铁芯上的线圈 Ⅰ 、 Ⅱ 按如图所示方法连接， G 为电流表，下列说法正确的是 ( 　　 ) 课末随堂演练 A ．开关 S 闭合瞬间， G 中的电流从左向右 B ．保持开关 S 闭合， G 中的电流从左向右 C ．保持开关 S 闭合，向右移动变阻器 R 0 的滑动触头， G 中的电流从左向右 D ．断开开关 S 的瞬间， G 的示数也为零 答案　 A 　 解析　 闭合开关瞬间， Ⅰ 线圈中有电流通过，产生磁场，线圈内部磁场方向从左向右， Ⅱ 线圈中也有磁场，穿过 Ⅱ 线圈的磁通量从无到有，产生感应电流，根据楞次定律可知，电流表中的电流从左向右，选项 A 正确；保持开关闭合， Ⅰ 线圈中电流不变，穿过 Ⅱ 线圈的磁通量不变，没有感应电流产生， G 的示数为零，选项 B 错误； 保持开关 S 闭台，向右移动变阻器 R 0 的滑动触头， Ⅰ 线圈中电流减小，线圈内部产生向右减弱的磁场，穿过 Ⅱ 线圈的磁通量变化，产生感应电流，根据楞次定律可知，电流表中的电流从右向左，选项 C 错误；断开开关 S 的瞬间， Ⅰ 线圈中电流减小 ( 从有到无 ) ，产生磁场，穿过 Ⅱ 线圈的磁通量变化，产生感应电流，则电流表中有电流，选项 D 错误． 2 ． 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，自感电动势就一定越大 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 答案　 D 　 解析　 自感系数是由线圈的大小、形状、匝数、有无铁芯等因素决定，故选项 B 、 C 错误， D 正确；自感电动势不仅由自感系数决定，还与电流变化快慢有关，故选项 A 错误． 3 ． ( 多选 ) 如图所示的甲、乙两个电路中，电阻 R 和自感线圈 L 的电阻值都很小，且都小于灯泡 A 的电阻，接通开关 S ，使电路达到稳定，灯泡 A 发光，则 ( 　　 ) A ．在电路甲中，断开 S 后， A 将逐渐变暗 B ．在电路甲中，断开 S 后， A 将先变得更亮，然后逐渐变暗 C ．在电路乙中，断开 S 后， A 将逐渐变暗 D ．在电路乙中，断开 S 后， A 将先变得更亮，然后逐渐变暗 答案 　 AD 　 解析　 在电路断开时，自感线圈的自感电动势阻碍原电流的减小，此时自感线圈在电路中相当于一个电源，表现在两个方面：一是自感电动势所对应的电流方向与原电流方向一致；二是在断电瞬间，自感电动势所对应的电流大小与原电流的大小相等，以后此电流开始缓慢减小到零． 甲图中，灯 A 与自感线圈 L 在同一个支路中，流过的电流相同，当断开开关 S 时，灯 A 将逐渐变暗；乙图中，断开开关 S 时， A 中原来的电流立即为零，但由于自感，自感线圈 L 中将维持本身的电流不变，且 I L > I A ，所以灯 A 亮一下才逐渐熄灭，综上所述，选项 A 、 D 正确． 4 ．如图所示，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 I 0 . 现将开关 S 闭合，线圈 L 中有自感电动势产生，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．由于自感电动势有阻碍电流的作用，电路中电流最终由 I 0 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 I 0 C ．由于自感电动势有阻碍电流的作用，电路中电流将保持 I 0 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 2 I 0 答案　 D 　 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 ” 实际上是 “ 延缓 ” ，电路中的电流不会立刻变为 2 I 0 ，但最终仍会增大到 2 I 0 ，选项 D 正确． 5 ． 如图所示的电路中，电源的电动势为 E ，内阻为 r ，自感线圈 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 ＝ t 1 时刻断开 S ，下列表示 A 、 B 两点间电压 U AB 随时间 t 变化的图象正确的是 ( 　　 ) 答案　 B 　 　 A 　　　　　 B 　　　　　　 C 　　　　　 D 解析　 在 t ＝ 0 时刻闭合开关 S ，由于电感线圈 L 产生自感电动势，阻碍电流通过，电源输出电流较小，路端电压较高，经过一段时间电路稳定后，电源输出电流较大，路端电压较低．在 t ＝ t 1 时刻断开 S ，电感线圈 L 产生自感电动势，与灯泡构成闭合回路，灯泡 D 中有反向电流通过，所以表示 A 、 B 两点间电压 U AB 随时间 t 变化的图象正确的是 B ．