高中物理第1章电磁感应与现代生活5自感现象与日光灯课件-69张 69页

1.5 　自感现象与日光灯 　 　　　　　　　　 一、探究日光灯电路 【 生活链接 】 日光灯灯管在不发光状态下 , 两端电极间是相通的吗 ? 提示 : 不相通 , 灯管两电极间是水银蒸气。 二、探究自感现象 1. 自感现象 : 由导体 _________ 发生变化所产生的电磁 感应现象。 2. 自感电动势与自感系数 : 自身电流 自 感 电 动 势 定义 _________ 中产生的感应电动势 方向 原电流增大时 , 与原电流方向 _____; 原电流减小 时 , 与原电流方向 _____ 作用 阻碍自身电流 _________ 大小 E=L , 与 ___________ 成正比 自 感 系 数 物理 意义 能表征产生 ___________ 本领的大小 大小决 定因素 线圈的形状、 _________ 、 _____ 、匝数等 单位 (1) 亨 (H) 、 _________ 、 __________ (2)1 H=________ (3)1 mH=____ H 　 1 μ H=_____H 自感现象 相反 相同 发生变化 电流变化率 自感电动势 横截面积 长短 毫亨 (mH) 微亨 (μH) 1V·s/A 10 -3 10 -6 【 思考辨析 】 (1) 由于导体自身电流变化所产生的感应电动势叫自感电动势。 ( 　　 ) (2) 自感现象属于电磁感应现象。 ( 　　 ) (3) 自感电动势一定与原电流反向。 ( 　　 ) 提示 : (1)√ 。由于导体自身电流变化所产生的感应电动势叫自感电动势。 (2)√ 。自感现象也是由于磁通量的变化产生感应电动势的现象 , 属于电磁感应现象。 (3)× 。自感电动势一定阻碍原电流的变化 , 不一定与原电流反向。 【 生活链接 】 拔下插头时产生火花现象就是自感现象 ? 提示 : 拔下插头时会产生火花现象是自感现象。 一　日光灯的工作原理 【 典例 】 ( 多选 ) 日光灯中的启动器由电容器和氖管两大部分组成 , 其中氖管中充有氖气 , 内部有静触片和 U 形动触片。通常动、静触片不接触 , 有一个小缝隙 , 则下列说法中正确的是 ( 　　 ) A. 当电源的电压加在启动器两极时 , 氖气放电并产生热量 , 导致 U 形动触片受热膨胀 B. 当电源的电压加在启动器两极后 , 启动器的两个触片才接触 , 使电路有电流通过 C. 电源的电压加在启动器两极前 , 启动器的两个触片就接触着 , 电路就已经有电流通过 D. 当电路接通后 , 两个触片冷却 , 两个触片重新分离 【 解析 】 选 A 、 B 、 D 。依据日光灯的工作原理可知 , 电源把电压加在启动器的两极之间 , 使氖气放电而发出辉光 , 辉光产生热量使 U 形动触片膨胀伸长 , 跟静触片接触把电路接通。电路接通后 , 启动器的氖气停止放电 ,U 形动触片冷却收缩 , 两个触片分开 , 电路自动断开。 【 核心归纳 】 1. 日光灯结构如图 , 完整的日光灯包括 日光灯管、镇流器、启动器、开关等 主要部件。 2. 电键闭合后 , 启动器动触片与静触片接触 , 使灯丝和 镇流器线圈中有电流流过 , 使灯丝预热。 3. 电路接通后 , 启动器中的氖气停止放电 ,U 形片冷却收缩 , 两个触片分离 , 电路自动断开。 4. 在电路突然断开的瞬间 , 由于镇流器电流急剧减小 , 会产生很高的自感电动势 , 方向与原来的电压方向相同 , 自感电动势与电源电压加在一起 , 形成一个瞬时高压 , 加在灯管两端 , 使灯管中的气体开始放电 , 于是日光灯成为电流的通路开始发光。 5. 日光灯开始发光后 , 由于交变电流通过镇流器的线圈 , 线圈中就会产生自感电动势 , 它总是阻碍电流的变化 , 这时镇流器起着降压限流的作用 , 保证日光灯正常工作。 【 过关训练 】 1. 如图所示 ,S 为启动器 ,L 为镇流器 , 其中日光灯的接线图正确的是 ( 　　 ) 【 解析 】 选 A 。根据日光灯的工作原理 , 要想使日光灯发光 , 灯丝需要预热发出电子 , 灯管两端应有瞬时高压 , 这两个条件缺一不可。当动、静触片分离后 , 选项 B 中灯管和电源断开 , 选项 B 错误 ; 选项 C 中镇流器与灯管断开 , 无法将瞬时高压加在灯管两端 , 选项 C 错误 ; 选项 D 中灯丝左、右两端分别被短接 , 无法预热放出电子 , 不能使灯管气体导电 , 选项 D 错误。只有 A 项满足发光条件。 2.( 多选 ) 日光灯电路主要由镇流器、启动器和灯管组成 , 在日光灯正常工作的情况下 ( 　　 ) A. 灯管点亮发光后 , 启动器中的触片是分离的 B. 灯管点亮发光后 , 镇流器起降压、限流作用 C. 启动器起限流作用 D. 镇流器给日光灯的开始点亮提供瞬时高压 【 解析 】 选项 A 、 B 、 D 。日光灯在点亮时需要一个瞬时高压 , 当启动器的 U 形触片冷却收缩从而分离使电路突然中断的瞬间 , 因镇流器的自感作用产生很高的自感电动势加在灯丝两端 , 使灯管中气体导电 , 日光灯点亮。日光灯正常发光时 , 启动器中触片是断开的 , 由于交流电不断通过镇流器的线圈 , 线圈中产生的自感电动势阻碍电流变化 , 这时镇流器起到降压、限流作用 , 保证日光灯能正常工作。 3. ( 多选 ) 如图为日光灯电路 , 关于该电路 , 以下说法中正确的是 ( 　　 ) A. 启动过程中 , 启动器断开瞬间镇流器 L 产生瞬时高压 B. 日光灯正常发光后 , 镇流器 L 使灯管两端电压低于电源电压 C. 日光灯正常发光后启动器是导通的 D. 图中的电源可以是交流电源 , 也可以是直流电源 【 解析 】 选 A 、 B 。日光灯中镇流器的作用是当启动器断开的瞬间产生瞬时高压 , 击穿灯管中的稀薄气体导电 , 而启动后自感电动势会使灯管两端的电压低于电源电压 , 故 A 、 B 均正确 ; 灯管导通后 , 启动器断开 , 日光灯只能用交流电源供电 , 故 C 、 D 均错。 4. 如图所示 , 日光灯正常发光时 , 流过灯管的电流为 I, 那么对于灯丝 ab 上的电流 , 以下说法正确的是 ( 　　 ) A. 灯丝 ab 上的电流处处为 I B. 灯丝 a 处的电流为 I C. 灯丝 b 处的电流为 I, 其他地方的电流都比 I 大 D. 灯丝 b 处最容易烧断 【 解析 】 选 D 。灯管正常发光后 , 流过灯管中的电流为 I, 这个电流从 b 通过水银蒸气到另一端 , 和镇流器组成回路 , 灯管正常工作后 , 起辉器及灯丝 a 端都无电流通过 , 故 b 处最容易烧断 , 故只有 D 正确。 二　对自感现象的理解 考查角度 1 对通电自感的理解 【 典例 1】 ( 多选 )(2019· 榆林高二检测 ) 如图所示是研究通电自感实验的电路图 ,A 1 、 A 2 是两个规格相同的小灯泡 , 闭合开关 , 调节电阻 R, 使两个灯泡的亮度相同 , 调节可变电阻 R 1 , 使它们都正常发光 , 然后断开开关 S 。重新闭合开关 S, 则 ( 　　 ) A. 闭合瞬间 ,A 1 立刻变亮 ,A 2 逐渐变亮 B. 闭合瞬间 ,A 2 立刻变亮 ,A 1 逐渐变亮 C. 稳定后 ,L 和 R 两端电势差一定相同 D. 稳定后 ,A 1 和 A 2 两端电势差不相同 【 解析 】 选 B 、 C 。断开开关再重新闭合开关的瞬间 , 根据自感原理 , 可判断 A 2 立刻变亮 , 而 A 1 逐渐变亮 ,A 项错误 ,B 项正确 ; 稳定后 , 自感现象消失 , 根据题设条件 , 可判断线圈 L 和 R 两端的电势差一定相同且 A 1 和 A 2 两端电势差也相同 , 所以 ,C 项正确 ,D 项错误。 【 核心归纳 】 1. 自感现象的原理 : 当导体线圈自身中的电流发生变化时 , 电流产生的磁场也随之变化 , 引起线圈中磁通量发生变化 , 由法拉第电磁感应定律可知 , 线圈会产生阻碍自身电流变化的自感电动势。 2. 对自感电动势的理解 : (1) 产生原因 : 通过线圈的电流发生变化 , 导致穿过线圈的磁通量发生变化 , 因而在线圈上产生感应电动势。 (2) 自感电动势的方向 : 当原电流增大时 , 自感电动势的方向与原电流方向相反 ; 当原电流减小时 , 自感电动势的方向与原电流方向相同。 (3) 自感电动势的作用 : 阻碍原电流的变化。阻碍不是阻止 , 原电流仍在变化 , 只是使原电流的变化时间变长 , 即总是起着推迟电流变化的作用。 3. 自感现象的三个状态 : (1) 通电瞬间状态 : 通电瞬间自感线圈相当于一个阻值无穷大的电阻 , 其所在的支路相当于断路。 (2) 通电稳定状态 : 电路中电流稳定后 , 自感线圈相当于一段理想导线或纯电阻。 (3) 断电瞬间状态 : 电路刚断开瞬间 , 自感线圈相当于一个电源 , 对能够与它组成闭合回路的用电器供电 , 并且刚断开电路的瞬间通过自感线圈的电流大小和方向与电路稳定时通过自感线圈的电流大小和方向相同。 考查角度 2 对断电自感的理解 【 典例 2】 ( 多选 ) 如图甲、乙电路中 , 电阻 R 和自感线圈 L 的电阻都很小。闭合 S, 使电路达到稳定 , 灯泡 A 发光 , 则 ( 　　 ) A. 在电路甲中 , 断开 S,A 将渐渐变暗 B. 在电路甲中 , 断开 S,A 将先变得更亮 , 然后渐渐变暗 C. 在电路乙中 , 断开 S,A 将渐渐变暗 D. 在电路乙中 , 断开 S,A 将先变得更亮 , 然后渐渐变暗 【 解析 】 选 A 、 D 。在电路甲中 , 设通过线圈 L 的电流为 I L1 ; 在电路乙中 , 设通过 L 、 A 的电流分别为 I L2 、 I A2 。当 断开开关 S 时 , 线圈 L 相当于电源 , 产生了自感电动势 , 在 L 、 R 、 A 组成的回路中产生自感电流。在电路甲中 , 自 感电流从 I L1 逐渐减小 , 通过灯泡 A 的电流也从 I L1 逐渐减 小 , 灯泡 A 将渐渐变暗 ; 在电路乙中 , 自感电流从 I L2 逐渐 减小 , 通过灯泡 A 的电流也从 I L2 逐渐减小 , 因为 I L2 >I A2 , 所以灯泡 A 将先变得更亮 , 然后渐渐变暗。故选项 A 、 D 正确。 【 核心归纳 】 1. 断电自感 : 2. 通电自感 : 【 过关训练 】 1. ( 多选 ) 如图所示 , 带铁心的电感线圈的电阻与电阻器 R 的阻值相同 ,A 1 、 A 2 是两个完全相同的电流表 , 则下列说法中正确的是 ( 　　 ) A. 闭合 S 瞬间 , 电流表 A 1 示数小于 A 2 示数 B. 闭合 S 瞬间 , 电流表 A 1 示数等于 A 2 示数 C. 断开 S 瞬间 , 电流表 A 1 示数大于 A 2 示数 D. 断开 S 瞬间 , 电流表 A 1 示数等于 A 2 示数 【 解析 】 选 A 、 D 。开关 S 闭合瞬间 , 线圈 L 产生自感电动势阻碍电流增大 , 所以此时电流表 A 1 中电流小于电流表 A 2 中电流 ,A 项正确 ; 开关断开时 , 线圈 L 与 A 1 、 A 2 和 R 构成回路 , 线圈 L 中产生自感电动势 , 阻碍电流减小 , 所以 A 1 、 A 2 中电流也逐渐减小 , 但始终相等 ,D 项正确。 2. 如图所示的电路中 , 两个相同的电流表 G 1 和 G 2 , 零点均在刻度盘的中央 , 当电流从“ +” 接线柱流入时 , 指针向右摆 ; 当电流从“ -” 接线柱流入时 , 指针向左摆 , 在电路接通后再断开开关 S 的瞬间 , 下述说法中正确的是 A.G 1 指针向右摆 ,G 2 指针向左摆 B.G 1 指针向左摆 ,G 2 指针向右摆 C.G 1 、 G 2 的指针都向右摆 D.G 1 、 G 2 的指针都向左摆 【 解析 】 选 A 。在电路接通后再断开开关 S 的瞬间 , 由于线圈 L 中的原电流突然减小 , 线圈 L 中产生自感现象 , 线圈中的电流逐渐减小 , 电流流经 L 、 G 2 、 R 、 G 1 , 方向顺时针 , 由于从表 G 1 的“ +” 接线柱流入 , 表 G 2 的“ -” 接线柱流入 , 因此表 G 1 指针右偏 , 表 G 2 的指针左偏 , 故选 A 。 3. ( 多选 ) 在如图所示的甲、乙电路中 , 电阻 R 和灯泡 A 电阻的阻值相等 , 自感线圈 L 的电阻值可认为是 0, 在接通开关 S 时 , 则 ( 　　 ) A. 在电路甲中 , 灯泡 A 渐渐变亮 B. 在电路甲中 , 灯泡 A 将先变亮 , 然后渐渐变暗 C. 在电路乙中 , 灯泡 A 将渐渐变亮 D. 在电路乙中 , 灯泡 A 将先由亮渐渐变暗 , 然后熄灭 【 解析 】 选 A 、 D 。在电路甲中 , 当接通开关 S 时 , 通过与 灯泡 A 相连的自感线圈 L 的电流突然增大 , 由于线圈的自 感现象 , 自感电动势阻碍电流的增大 , 所以通过灯泡 A 的 电流只能慢慢增大 , 故选项 A 正确 , 选项 B 错误。 在电路乙中 , 当接通开关 S 时 , 通过自感线圈 L 的电流突然增大 , 由于线圈的自感现象 , 开始时 , 自感线圈 L 就产生一个很大的自感电动势来阻碍电流的流入 , 会有电流通过 R 和灯泡 A, 使灯泡 A 亮起。电流稳定后 , 又因为自感线圈 L 的电阻值可认为是 0, 所以通过灯泡 A 的电流可认为是 0, 故选项 C 错误 , 选项 D 正确。 4. 如图所示 , 多匝线圈的电阻和电池的内电阻可以忽略 , 两个电阻器的阻值都是 R, 开关 S 原来断开 , 电流 I 0 = 。 现合上开关 , 将一电阻器短路 , 于是线圈中有自感电动势 产生 , 此自感电动势 ( 　　 ) A. 有阻碍电流增大的作用 , 但电流最后会增大到 2I 0 B. 有阻碍电流增大的作用 , 因而电流保持 I 0 不变 C. 有阻碍电流的作用 , 最后电流由 I 0 减少到零 D. 有阻碍电流的作用 , 最后电流总小于 I 0 【 解析 】 选 A 。开关闭合把其中一个电阻 R 短路 , 因为多 匝线圈的电阻和电池内阻都忽略不计 , 所以电路的总电 阻变为原来的 , 使得电流增加 , 则线圈产生自感电动 势 , 有阻碍电流增大的作用 , 但阻碍不是阻止 , 电流最后 还会慢慢增加到原来的 2 倍 , 即 2I 0 。 【 补偿训练 】 　　某兴趣小组用如图所示的电路研究自感现象 , 图中 A 、 B 是两个相同的小灯泡 ,D 1 、 D 2 是两个理想的二极管 ,L 是自感系数大、直流电阻明显小于灯泡电阻的线圈 ,R 为保护电阻。关于实验现象 , 下列说法中正确的是 ( 　　 ) A. 闭合开关 ,A 、 B 两灯同时亮 , 随后逐渐变暗 B. 闭合开关 ,B 灯不亮 ,A 灯亮 , 随后逐渐变暗 C. 闭合开关稳定后断开开关 ,A 、 B 两灯同时亮 , 随后逐渐熄灭 D. 闭合开关稳定后断开开关 ,B 灯不亮 ,A 灯亮 , 随后逐渐熄灭 【 解析 】 选 D 。闭合开关的瞬间 , 由于二极管的单向导电 ,A 灯不亮 ,B 灯亮 , 因线圈直流电阻明显小于灯泡电阻 , 接着 B 灯的亮度变暗 , 故 A 、 B 错误 ; 闭合开关 , 待电路稳定后断开开关 , 线圈 L 产生自感电动势 , 相当于一个瞬时电源 , 则 A 灯亮 ,B 灯不亮 , 随后逐渐熄灭 , 故 C 错误 ,D 正确。 【 拓展例题 】 考查内容 : 自感现象的图像问题 【 典例 】 如图所示的电路中 , 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=t 1 时刻断开 S, 下列表示 A 、 B 两点间电压 U AB 随时间 t 变化的图像中 , 正确的是 ( 　　 ) 【 正确解答 】 选 B 。由于自感现象 ,t=0 时刻 U AB 较大 , 随时间推移 ,U AB 减小 ; 断开 S, 电感 L 中电流的方向不变 , 逐渐减小 , 经过电感 L 、电阻 R 、灯泡 D 形成回路 , 所以 U AB 的方向发生改变 , 大小逐渐减小至零 , 故正确答案为 B 。 物理思想方法 —— 用等效法对自感问题的模型化处理 【 案例示范 】 如图所示电路 , 电路线圈 L 的自感系数足 够大 , 其直流电阻忽略不计 ,L A 、 L B 是两个相同的灯泡 , 设实验过程中灯泡均没有损坏 , 则 ( 　　 ) A.S 闭合瞬间 ,L A 不亮 ,L B 很亮 ;S 断开瞬间 ,L A 、 L B 立即熄灭 B.S 闭合瞬间 ,L A 很亮 ,L B 逐渐亮 ;S 断开瞬间 ,L A 逐渐熄灭 ,L B 立即熄灭 C.S 闭合瞬间 ,L A 、 L B 同时亮 , 然后 L A 熄灭 ,L B 亮度不变 ; S 断开瞬间 ,L A 亮一下才熄灭 ,L B 立即熄灭 D.S 闭合瞬间 ,L A 、 L B 同时亮 , 然后 L A 逐渐变暗到熄灭 , L B 变得更亮 ;S 断开瞬间 ,L A 亮一下才熄灭 ,L B 立即熄灭 【 解析 】 选 D 。 S 闭合瞬间 , 由于电感线圈 L 的自感系数 足够大 , 其对电流的阻碍作用相当于一个阻值无穷大的 电阻 , 所以 L A 、 L B 同时亮 , 然后 , 电感线圈 L 的阻碍作用 逐渐消失 , 其相当于一段导线 ,L A 被短路 , 所以 L A 逐渐变 暗到熄灭 , 电路总电阻减小 , 电流增大 , 所以 L B 变得更 亮 ;S 断开瞬间 , 流过灯 L B 的电流突然消失 , 所以 L B 立即 熄灭 , 但由于流过线圈的电流突然减小 , 线圈中会产生自感电动势 , 并与 L A 组成闭合回路 , 有电流流过 L A , 所以 L A 灯亮 , 但很快又熄灭 , 选项 D 正确。 【 方法技巧 】 用“等效法”对自感问题的模型化处理 (1) 通电时线圈中产生的自感电动势阻碍电流的增加 , 感应电流与原电流方向相反 , 此时线圈 L 可等效成一个阻值无穷大的电阻然后逐渐减小到零。 (2) 断电时线圈中产生的自感电动势阻碍线圈中电流的减少 , 感应电流与原电流方向相同 : 在与线圈串联的回路中 , 线圈等效成一个瞬时电源 , 但它提供的电流从原来的 I L 逐渐变小。 (3) 线圈的自感系数越大 , 现象越明显 , 自感电动势只是延缓了变化过程的进行 , 但它不能使变化过程停止 , 更不能使变化过程反向。 【 补偿训练 】 ( 多选 ) 如图所示 , 电阻 R 1 =3 Ω,R 2 =6 Ω, 线圈的直流电阻不计。电源电动势 E=5 V, 内阻 r=1Ω, 开始时开关 S 闭合。则 ( 　　 ) A. 断开 S 前 , 电容器所带电荷量为 0 B. 断开 S 前 , 电容器的电压为 V C. 断开 S 的瞬间 , 电容器的 a 极板带正电 D. 断开 S 的瞬间 , 电容器的 b 极板带正电 【 解析 】 选 A 、 C 。线圈的直流电阻不计 , 说明当流过线 圈的电流不变时 , 可以把它当成导线 ; 开关 S 断开的瞬间 , 线圈又相当于电源向外供电。电容器 a 、 b 两极板间的 电压决定了它们的带电情况。断开开关 S 前 , 电路稳定 , 线圈 L 相当于无电阻的导线 , 则 U ab =0, 所以电容器所带 电荷量为 0, 故选项 A 正确。开关 S 断开的瞬间 , 由于线圈 L 的自感作用 , 线圈 L 中仍然存在着一个自右向左的电流。线圈 L 与电容器 C 构成了回路 , 则线圈 L 中的电流要向电容器 C 充电 , 使 a 极板带正电 ,b 极板带负电 , 故选项 C 正确。