突破57 通电自感和断电自感 涡流-2019高三物理一轮微专题系列之热点专题突破 18页

突破57 通电自感和断电自感　涡流 ‎1．自感现象的四大特点 ‎(1)自感电动势总是阻碍导体中原电流的变化．‎ ‎(2)通过线圈中的电流不能发生突变，只能缓慢变化．‎ ‎(3)电流稳定时，自感线圈就相当于普通导体．‎ ‎(4)线圈的自感系数越大，自感现象越明显，自感电动势只是延缓了过程的进行，但它不能使过程停止，更不能使过程反向．‎ ‎2. 对通电自感和断电自感的理解 在处理通断电自感灯泡亮度变化问题时，不能一味套用结论，如通电时逐渐变亮，断电时逐渐变暗，或闪亮一下逐渐变暗，要具体问题具体分析，关键要搞清楚电路连接情况。‎ 断电前，灯泡电流I1取决于灯泡上的电压和灯泡自身电阻，断电后，灯泡电流取决于线圈中的电流，若线圈中电流断电前为I2，断电后逐渐减小，灯泡中电流也由I2逐渐减小。所以，若I2≤I1，灯泡中电流由I2逐渐减小，灯泡逐渐变暗；若I2>I1，灯泡中电流先增大后减小，灯泡先亮一下后逐渐变暗。‎ 通电自感 断电自感 电路图 器材要求 L1、L2同规格，R＝RL，L较大 L很大(有铁芯)，RL≪RLA 现象 在S闭合瞬间，L2灯立即亮起来，L1灯逐渐变亮，最终一样亮 在开关S断开瞬间，LA灯突然闪亮一下后再渐渐熄灭(当抽掉铁芯后，重做实验，断开开关S时，会看到LA灯马上熄灭)‎ 原因 由于开关闭合时，流过电感线圈的电流迅速增大，使线圈产生自感电动势，阻碍电流的增大，使流过L1灯的电流比流过L2灯的电流增加得慢 断开开关S时，流过线圈L的电流减小，产生自感电动势，阻碍电流的减小，使电流继续存在一段时间；在S断开后，通过L的电流反向通过灯LA，且由于RL≪RLA，使得流过LA灯的电流在开关断开瞬间突然增大，从而使LA灯的发光功率突然变大 能量转 化情况 电能转化为磁场能 磁场能转化为电能 ‎3．自感中“闪亮”与“不闪亮”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 电流突然增大，然后逐渐减小达到稳定 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I1、I2：①若I2≤I1，灯泡逐渐变暗；②若I2>I1，灯泡闪亮后逐渐变暗．两种情况灯泡中电流方向均改变.‎ ‎4．涡流：当线圈中的电流发生变化时，在它附近的任何导体中都会产生感应电流，这种电流像水的漩涡所以叫涡流．‎ ‎【典例1】如图所示，线圈L的自感系数很大，且其电阻可以忽略不计，L1、L2是两个完全相同的小灯泡，随着开关S闭合和断开的过程中，L1、L2的亮度变化情况是(灯丝不会断)(　　)．‎ A．S闭合，L1亮度不变，L2亮度逐渐变亮，最后两灯一样亮；S断开，L2立即不亮，L1逐渐变亮 B．S闭合，L1亮度不变，L2很亮；S断开，L1、L2立即不亮 C．S闭合，L1、L2同时亮，而后L1逐渐熄灭，L2亮度不变；S断开，L2立即不亮，L1亮一下才灭 D．S闭合，L1、L2同时亮，而后L1逐渐熄灭，L2则逐渐变得更亮；S断开，L2立即熄灭，L1亮一下才灭 ‎【答案】　D ‎【典例2】某同学为了验证断电自感现象，自己找来带铁芯的线圈L、小灯泡A、开关S和电池组E，用导线将它们连接成如图所示的电路．检查电路后，闭合开关S，小灯泡发光；再断开开关S，小灯泡仅有不显著的延时熄灭现象．虽经多次重复，仍未见老师演示时出现的小灯泡闪亮现象，他冥思苦想找不出原因．你认为最有可能造成小灯泡未闪亮的原因是(　　)．‎ A．电源的内阻较大　　 B．小灯泡电阻偏大 C．线圈电阻偏大　　 D．线圈的自感系数较大 ‎【答案】　C ‎【典例3】如图所示为一光滑轨道，其中MN部分为一段对称的圆弧，两侧的直导轨与圆弧相切，在MN部分有如图所示的匀强磁场，有一较小的金属环如图放置在P点，金属环由静止自由释放，经很多次来回运动后，下列判断正确的有（ ）‎ A． 金属环仍能上升到与P等高处；‎ B． 金属环最终将静止在最低点；‎ C． 金属环上升的最大高度与MN等高处；‎ D． 金属环上升的最大高度一直在变小。‎ ‎【答案】C ‎【解析】金属圆盘进入和穿出磁场时，磁通量发生变化，产生涡流而发热，其机械能减少，最终会在MN间来回往复运动．‎ 金属圆盘进入和穿出磁场时，磁通量发生变化，产生涡流，机械能减少，机械能一部分转化为内能，所以金属盘不能上升到与P等高处，故A错误；随着最大高度不断降低，最终金属环将在MN间做往复运动，磁通量不变，不产生涡流，机械能守恒，BD错误C正确．‎ ‎【跟踪短训】‎ ‎1．在如图所示的电路中，a、b、c为三盏完全相同的灯泡，L是自感线圈，直流电阻为RL，则下列说法正确的是 A． 合上开关后，c先亮，a、b后亮 B． 断开开关时，N点电势高于M点 C． 断开开关后，b、c同时熄灭，a缓慢熄灭 D． 断开开关后，c马上熄灭，b闪一下后缓慢熄灭 ‎【答案】B ‎2. 如图甲、乙所示的电路中，电阻R和自感线圈L的电阻值都很小，且小于灯泡A的电阻，接通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，然后才逐渐变暗 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，然后才逐渐变暗 ‎【答案】　AD ‎【解析】　题图甲所示电路中，灯A和线圈L串联，电流相同，断开S时，线圈上产生自感电动势，阻碍原电流的减小，通过R、A形成回路，灯A逐渐变暗，选项A正确，B错误；题图乙所示电路中，电阻R和灯A串联，灯A的电阻大于线圈L的电阻，电流则小于线圈L 中的电流，断开S时，电源不给灯供电，而线圈L产生自感电动势阻碍电流的减小，通过R、A形成回路，灯A中电流比原来大，A将变得更亮，然后逐渐变暗。‎ ‎3．如图所示，A、B是两个完全相同的灯泡，D是理想二极管，L是带铁芯的线圈，其直流电阻忽略不计.下列说法正确的是（ ）‎ A． S闭合瞬间，B先亮A后亮 B． S闭合瞬间，A先亮B后亮 C． 电路稳定后，在S断开瞬间，B闪亮一下，然后逐渐熄灭 D． 电路稳定后，在S断开瞬间，B立即熄灭 ‎【答案】D ‎4．如图所示是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法中正确的是( )‎ A． 1是磁铁，在2中产生涡流 B． 2是磁铁，在1中产生涡流 C． 该装置的作用是使指针能很快地稳定 D． 该装置的作用是使指针能够转动 ‎【答案】BC ‎【解析】该装置为电磁阻尼，2是磁铁，1为闭合线框，当1切割磁感线在1中产生涡流，将动能转化成内能，从而使1很快的稳定，故BC正确，AD错误。‎ ‎5．如图所示，abcd是一闭合的小金属线框，用一根绝缘的细杆挂在固定点O，使金属线框在竖直平面内来回摆动的过程穿过水平方向的匀强磁场区域，磁感线方向跟线框平面垂直，若悬点摩擦和空气阻力不计，则( )‎ A． 线框进入或离开磁场区域时，都产生感应电流，而且电流的方向相反 B． 线框进入磁场区域后，越靠近OO′线时速度越大，因而产生的感应电流也越大 C． 线框开始摆动后，摆角会越来越小，摆角小到某一值后将不再减小 D． 线框摆动过程中，机械能完全转化为线框电路中的电能 ‎【答案】AC 课后作业 ‎1．电磁感应现象在生产生活中有着广泛的应用。图甲为工业上探测物件表面层内部是否存在缺陷的涡流探伤技术原理图。其原理是将线圈中通入电流，使被测物件内产生涡流，借助探测线圈内电流变化测定涡流的改变，从而获得被测物件内部是否断裂及位置的信息。图乙为一个带铁芯的线圈L、开关S和电源用导线连接起来的跳环实验装置，将一个套环置于线圈L上且使铁芯穿过其中，闭合开关S的瞬间，套环将立刻跳起。关于对以上两个应用实例理解正确的是 A． 能被探测的物件和实验所用的套环必须是导电材料 B． 涡流探伤技术运用了互感原理，跳环实验演示了自感现象 C． 以上两个应用实例中的线圈所连接电源都必须是变化的交流电源 D． 以上两个应用实例中的线圈所连接电源也可以都是稳恒电源 ‎【答案】A ‎2．如图所示，L是一个自感系数较大的线圈（直流电阻可忽略不计），a、b是两个完全相同的灯泡，则下列说法中正确的是 A． 开关S闭合后，a灯立即亮，然后逐渐熄灭 B． 开关S闭合后，b灯立即亮，然后逐渐熄灭 C． 电路接通稳定后，两个灯泡亮度相同 D． 电路接通稳定后，开关S断开时，a灯闪亮以下后逐渐熄灭 ‎【答案】AD ‎【解析】A、B、C、闭合开关的瞬间，经过线圈的电流增大，线圈会阻碍电流的增大，此时线圈等效为无穷大的电阻视为断路，则灯泡a和b串联，两灯立即变亮；稳定后，自感作用消失电流不变，理想线圈将与之并联的电路短路，即a灯熄灭，b灯更亮；故A正确，B错误，C错误。D、断电时，线圈会阻碍电流的减小，此时线圈等效为新电源，对构成闭合回路的a灯泡供电，故灯泡a先闪亮后逐渐熄灭，b灯立即熄灭，则D正确。故选AD。‎ ‎3．如图所示电路中，、是两个相同的小灯泡，是一个自感系数相当大的线圈。电源的电动势为，内阻为。关于这个电路的以下说法正确的是（ ）‎ A． 开关由闭合到断开瞬间，灯闪亮一下再熄灭 ‎ B． 开关闭合后，灯立刻亮，而后逐渐变暗，最后亮度稳定 C． 开关闭合后，灯立刻亮，而后逐渐变暗，最后亮度稳定 D． 开关由闭合到断开瞬间，电流自左向右通过灯 ‎【答案】C 故选C。‎ ‎4．如图所示的电路中，a、b是两个完全相同的灯泡，L是自感系数很大，直流电阻不计的线圈。闭合开关S，电路稳定后两灯泡正常发光，当突然断开开关，下列说法中正确的是 A． a灯泡立即熄灭，b灯泡突然变亮再逐渐熄灭 B． a、b两灯泡均突然变亮再逐渐熄灭 C． a、b两灯泡均立即熄灭 D． a、b两灯泡均逐渐熄灭 ‎【答案】D ‎【解析】由于原来两灯泡都正常发光，所以原来流的电流应该是相等的，当突然断开开关，由于线圈的自感现象，所以ab两灯不会突然熄灭而应该逐渐熄灭，且不会出现闪亮一下的现象。故D正确；故选D ‎5．如图所示是研究自感通电实验的电路图，A1、A2是两个规格相同的小灯泡，闭合电键调节电阻R，使两个灯泡的亮度相同，调节可变电阻R1，使它们都正常发光，然后断开电键S．重新闭合电键S，则（　　）‎ A． 闭合开关瞬间，A2立刻变亮，A1逐渐变亮 B． 稳定后，L和R两端电势差一定相同 C． 断开开关瞬间，A1慢慢熄灭，A2立即熄灭 D． 断开开关瞬间，通过A2灯的电流方向自左到右 ‎【答案】ABD ‎6．如图所示，A､B､C是相同的灯泡，L是自感系数很大的线圈，其直流电阻与各灯泡相同｡下列说法正确的是 A． 闭合S瞬间，B､C灯同时亮，A灯后亮 B． 闭合S，电路稳定后，A､B､C灯的亮度相同 C． 断开S瞬间，A灯逐渐熄灭 D． 断开S瞬间，A､B､C灯均逐渐熄灭 ‎【答案】BC 故选BC。‎ ‎7．如图所示的电路中，三个相同的灯泡a、b、c和电感L1、L2与直流电源连接，电感的电阻忽略不计．电键S从闭合状态突然断开时，下列判断正确的有（ ）‎ A．a先变亮，然后逐渐变暗 B．b先变亮，然后逐渐变暗 C．c先变亮，然后逐渐变暗 D．b、c都逐渐变暗 ‎【答案】AD ‎【解析】电键S闭合时，由电路串并联关系可知：电感L1中电流等于L2电流的两倍，断开电键K的瞬间，由于自感作用，两个电感线圈相当于两个电源，与三个灯泡构成闭合回路，通过b、c的电流都通过a，故a先变亮，然后逐渐变暗，故A正确；b、c灯泡由电流i逐渐减小，因此b、c都逐渐变暗，故B、C错误，D正确；所以AD正确，BC错误。‎ ‎8．下列哪些措施是为了防止涡流的危害（ ）‎ A． 电磁炉所用的锅要用平厚底金属锅 B． 磁电式电表的线圈常常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上 C． 变压器的铁芯不做成整块，而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成 D． 变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层 ‎【答案】CD ‎【解析】电磁炉是采用电磁感应原理，在金属锅上产生涡流，使锅体发热从而加热食物的，属于涡流的应用，故A不符合题意；磁电式电表的线圈常常用铝框做骨架，起到电磁阻尼作用，是为了利用电磁感应，故B不符合题意；变压器的铁芯不做成整块，而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成，是为了减小变压器铁芯内产生的涡流，属于涡流的防止。故C正确；变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层，是为了减小变压器铁芯内产生的涡流，属于涡流的防止。故D正确；故选CD。‎ ‎9．电磁炉热效率高达，炉面无明火，无烟无废气，“火力”强劲，安全可靠图示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是 A． 当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场，恒定磁场越强，电磁炉加热效果越好 B． 电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作 C． 在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用 D． 电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因是这些材料的导热性能较差 ‎【答案】B ‎10．金属探测器是用来探测金属的仪器，关于其工作原理，下列说法中正确的是 ‎ A． 探测器内的探测线圈会产生稳定的磁场 B． 只有有磁性的金属物才会被探测器探测到 C． 探测到金属物是因为金属物中产生了涡流 D． 探测到金属物是因为探测器中产生了涡流 ‎【答案】C ‎【解析】金属探测器探测金属时，探测器内的探测线圈会产生变化的磁场，被测金属中感应出涡流，故选项AD错误，C正确；所有的金属都能在变化的磁场中产生涡流，所以不一定是只有有磁性的金属物才会被探测器探测到，选项B错误；故选C.‎ ‎11．关于下列器材的原理和用途，正确的是（　　）‎ A． 变压器可以改变交变电压但不能改变频率 B． 扼流圈对交流的阻碍作用是因为线圈存在电阻 C． 真空冶炼炉的工作原理是炉体产生涡流使炉内金属熔化 D． 磁电式仪表中用来做线圈骨架的铝框能起电磁驱动的作用 ‎【答案】A ‎12．铺设海底金属油气管道时，焊接管道需要先用感应加热的方法对焊口两侧进行预热．将被加热管道置于感应线圈中，当感应线圈中通以电流时管道发热．下列说法中正确的是（ ）‎ A． 管道发热是由于线圈中的电流直接流经管道引起的 B． 感应加热是利用线圈电阻产生的焦耳热加热管道的 C． 感应线圈中通以恒定电流时也能在管道中产生电流 D． 感应线圈中通以正弦交流电在管道中产生的涡流也是交流电 ‎【答案】D ‎【解析】高频焊接利用高频交变电流产生高频交变磁场，在焊接的金属工件中就产生感应电流，根据法拉第电磁感应定律分析可知，电流变化的频率越高，磁通量变化频率越高，产生的感应电动势越大，感应电流越大，焊缝处的温度升高的越快。管道发热是由于线圈的作用，导致管道有涡流，A错误；感应加热是利用线圈变化的磁场，从而产生感应电场，形成涡流，B错误；感应线圈中通以正弦交流电在管道中产生的涡流也是交流电，C错误D正确．‎ ‎13．如图所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水．给线圈通入电流，一段时间后，一个容器中水温升高，则通入的电流与水温升高的是(　　)‎ A． 恒定直流、小铁锅 B． 恒定直流、玻璃杯 C． 变化的电流、小铁锅 D． 变化的电流、玻璃杯 ‎【答案】C ‎14．涡流检测是工业上无损检测的方法之一．如图所示，线圈中通以一定频率的正弦交流电，靠近待测工件时，工件内会产生涡流，同时线圈中的电流受涡流影响也会发生变化．下列说法中正确的是 (　)‎ A． 涡流的磁场总是与线圈的磁场方向相反 B． 涡流的大小与通入线圈的交流电频率无关 C． 待测工件可以是塑料或橡胶制品 ‎ D． 通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力 ‎【答案】D ‎15．如图所示，A、B为大小、形状均相同且内壁光滑，但用不同材料制成的圆管，竖直固定在相同高度。两个相同的磁性小球，同时从A、B管上端的管口无初速释放，穿过A管的小球比穿过B管的小球先落到地面，下面对于两管的描述中可能正确的是 A． A管是用塑料制成的，B管是用铜制成的 B． A管是用铝制成的，B管是用胶木制成的 C． A管是用胶木制成的，B管是用塑料制成的 D． A管是用塑料制成的，B管是用胶木制成的 ‎【答案】A ‎【解析】由题意可知，小球在B管中下落的速度要小于A管中的下落速度，故说明小球在B管时受到阻力作用；其原因是金属导体切割磁感线，从而使闭合的导体中产生感应电流，由于磁极间的相互作用而使小球 受向上的阻力；故B管应为金属导体，如铜、铝、铁等，而A管应为绝缘体，如塑料、胶木等，故A正确，B、C、D错误；故选A。‎ ‎16．如图所示，上下开口、内壁光滑的铜管P和塑料管Q竖直放置。小磁块先后在两管中从相同高度处由静止释放，并落至底部，则小磁块 A． 在P和Q中都做自由落体运动 B． 在P中的下落时间比在Q中的长 C． 在两个下落过程中的机械能都守恒 D． 落至底部时在P中的速度比在Q中的大 ‎【答案】B ‎17．如图所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通交流电源，过了几分钟，杯内的水沸腾起来．若要缩短上述加热时间，下列措施可行的有（　　）‎ A． 使线圈离金属杯远一点 B． 将金属杯换为玻璃杯 C． 使交流电源的频率变大 D． 将线圈中的铁芯拿走 ‎【答案】C ‎【解析】要缩短上述加热时间，则要求产生的电流大一些，即电动势大一些，由，可知要磁通量变化的快一些，故A错误，C正确，B、换成玻璃杯后不能产生涡流，则也不能加热杯中的水，故B错误；D、将线圈中的铁芯拿走后，在同等条件下产生的涡流比较小，达不到快速加热的效果，故D错误。故选C ‎18．如图所示，轻质弹簧一端固定在天花板上，另一端栓接条形磁铁，一个铜盘放在条形磁铁的正下方的绝缘水平桌面上，控制磁铁使弹簧处于原长，然后由静止释放磁铁，不计磁铁与弹簧之间的磁力作用，且磁铁运动过程中未与铜盘接触，下列说法中正确的是 ‎ A． 磁铁所受弹力与重力等大反向时，磁铁的加速度为零 B． 磁铁下降过程中，俯视铜盘，铜盘中产生顺时针方向的涡旋电流 C． 磁铁从静止释放到第一次运动到最低点的过程中，磁铁减少的重力势能等于弹簧弹性势能 D． 磁铁从静止释放到最终静止的过程中，磁铁减少的重力势能大于铜盘产生的焦耳热 ‎【答案】D ‎19．如图所示，水平桌面上放置一铝板，在铝板正上方通过细线将磁性小球悬挂于O点，将小球拉至处由静止释放，发现小球未接触铝板但很快停止摆动，铝板始终保持静止，下列判断中正确的是( )‎ A． 小球停止运动主要是由于铝板发生磁化的结果 B． 小球由a摆至b过程，桌面对铝板的摩擦力向左 C． 由于电磁感应，小球最后可能不停在最低点 D． 小球由b摆至c过程，铝板对桌面的压力大于重力 ‎【答案】B ‎【解析】A：小球在铝板上方来回运动，但未接触铝板，却很快停止摆动，原因是磁性小球的运动，导致通过铝板的磁通量变化，从而产生感应电流，出现感应磁场，进而阻碍磁性小球与铝板的相对运动。故A项错误。‎ ‎20．如图所示，一金属铜球用绝缘细线挂于O点，将铜球拉离平衡位置并释放，铜球摆动过程中经过有界的水平匀强磁场区域，若不计空气阻力，则( ) ‎ A． 铜球向右穿过磁场后，还能摆至原来的高度 B． 在进入和离开磁场时，铜球中均有涡流产生 C． 铜球进入磁场后离最低点越近速度越大，涡流也越大 D． 铜球最终将静止在竖直方向的最低点 ‎【答案】B ‎【解析】铜球向右进入和穿出磁场时，会产生涡流，铜球中将产生焦耳热，根据能量守恒知铜球的机械能将转化为电能，所以回不到原来的高度了，故A错误．当铜球进入或离开磁场区域时磁通量发生变化，均会产生涡流．故B正确．整个铜球进入磁场后，磁通量不发生变化，不产生涡流，即涡流为零，机械能守恒．离平衡位置越近速度越大．故C错误．在铜球不断经过磁场，机械能不断损耗过程中圆环越摆越低，最后整个圆环只会在磁场区域来回摆动，因为在此区域内没有磁通量的变化（一直是最大值），所以机械能守恒，即铜球最后的运动状态为在磁场区域来回摆动，而不是静止在最低点．故D错误．故选B．‎ ‎21．如图所示，在O点正下方有一个具有理想边界的磁场，铜环在A点由静止释放，向右摆至最高点B，不考虑空气阻力，则下列说法正确的是(　　)‎ A． A、B两点在同一水平线上 B． A点高于B点 C． A点低于B点 D． 铜环最终在磁场中来回不停的摆动 ‎【答案】BD