高中物理 第4章第6節(jié)《互感和自感》新人教版選修32.ppt

第6節(jié)互感和自感 電磁感應(yīng) 電子節(jié)能燈普通日光燈主要由燈管 鎮(zhèn)流器 啟動(dòng)器等組成 接通電源瞬間 啟動(dòng)器的動(dòng) 靜觸片先接通 后分離 分離的瞬間 鎮(zhèn)流器兩端產(chǎn)生很高的自感電動(dòng)勢(shì) 且其方向與電源電壓的方向一致 從而在燈管兩端形成一個(gè)瞬時(shí)高壓 使管內(nèi)稀薄汞蒸氣受激放電 發(fā)射出的紫外線使管內(nèi)壁的熒光粉發(fā)出可見(jiàn)光 日光燈的發(fā)光效率不僅跟管內(nèi)壁所涂的熒光粉有關(guān) 還跟鎮(zhèn)流器的電源頻率有關(guān) 所以 新的熒光燈 電子節(jié)能燈的熒光粉采用了由稀土元素的化合物 如氧化銪 氧化釔等 配制的熒光粉 這些分別能發(fā)出紅 綠 藍(lán)三基色的稀土元素的化合物按一定比例混合噴涂在管內(nèi)壁上 管內(nèi)稀薄氣體受激輻射后便能發(fā)出光譜線豐富 近似自然光的白光 科學(xué)家還采用電子變頻變壓技術(shù)成功設(shè)計(jì)了一種電子變頻鎮(zhèn)流器 它是利用由電子元件組成的高頻振蕩電路把50赫茲的交流電轉(zhuǎn)換成3萬(wàn) 5萬(wàn)赫茲的高頻高壓電 徹底摒棄了原來(lái)的自身耗電的帶鐵芯鎮(zhèn)流器 不僅省電 而且使整個(gè)燈具的重量減輕了80 其使用壽命長(zhǎng)達(dá)5000小時(shí) 1 在法拉第的實(shí)驗(yàn)中 兩個(gè)線圈之間并沒(méi)有導(dǎo)線相連 但當(dāng)一個(gè)線圈中的電流變化時(shí) 它所產(chǎn)生的 會(huì)在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生 這種現(xiàn)象叫做 2 當(dāng)一個(gè)線圈中的電流變化時(shí) 它產(chǎn)生的變化的磁場(chǎng)不僅在鄰近的電路中激發(fā)出 同樣也在它本身激發(fā)出 這種現(xiàn)象稱為 3 自感電動(dòng)勢(shì)正比于 公式為 其中l(wèi)叫做 它的單位是 符號(hào)是 1 變化的磁場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)互感2 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)自感3 電流的變化率e l自感系數(shù)亨利h 一 互感1 互感現(xiàn)象 如下圖所示電路中 兩個(gè)線圈之間并沒(méi)有導(dǎo)線相連 但當(dāng)一個(gè)線圈中的電流變化時(shí) 它所產(chǎn)生的變化的磁場(chǎng)會(huì)在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 這種現(xiàn)象叫做互感現(xiàn)象 2 互感電動(dòng)勢(shì) 在互感現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫做互感電動(dòng)勢(shì) 3 對(duì)互感的三點(diǎn)理解 1 互感現(xiàn)象是一種常見(jiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象 它不僅發(fā)生于繞在同一鐵芯上的兩個(gè)線圈之間 而且可以發(fā)生于任何相互靠近的電路之間 2 互感現(xiàn)象可以把能量由一個(gè)電路傳到另一個(gè)電路 變壓器就是利用互感現(xiàn)象制成的 3 在電力工程和電子電路中 互感現(xiàn)象有時(shí)會(huì)影響電路的正常工作 這時(shí)要求設(shè)法減小電路間的互感 如下圖所示 水平放置的兩條光滑軌道上有可自由移動(dòng)的金屬棒pq mn 當(dāng)pq在外力作用下運(yùn)動(dòng)時(shí) mn在磁場(chǎng)力作用下向右運(yùn)動(dòng) 則pq所做的運(yùn)動(dòng)可能是 a 向右勻加速運(yùn)動(dòng)b 向左勻加速運(yùn)動(dòng)c 向右勻減速運(yùn)動(dòng)d 向左勻減速運(yùn)動(dòng) 解析 這是一道涉及互感現(xiàn)象的問(wèn)題 當(dāng)mn棒中有感應(yīng)電流 受安培力作用而向右運(yùn)動(dòng) 由左手定則可判斷出mn中電流的方向是由m流至n 此電流在l1中產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向是向上的 若pq棒向右運(yùn)動(dòng) 由右手定則及安培定則可知l2產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向也是向上的 由于l1產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與l2產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向相同 可知l2產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁通量是減少的 故pq棒做的是向右的勻減速運(yùn)動(dòng) c選項(xiàng)是可能的 若pq棒向左運(yùn)動(dòng) 則它產(chǎn)生的感應(yīng)電流在l2中產(chǎn)生的磁場(chǎng)是向下的 與l1產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向是相反的 由楞次定律可知l2中的磁場(chǎng)是增強(qiáng)的 故pq棒做的是向左的勻加速運(yùn)動(dòng) b選項(xiàng)是可能的 答案 bc 二 自感1 實(shí)驗(yàn)探究自感現(xiàn)象 1 通電自感實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)條件 在右圖所示的通電自感電路中 兩燈泡a1 a2的規(guī)格完全相同 滑動(dòng)變阻器r的電阻和線圈l的電阻相同 即 r rl 這樣兩并聯(lián)支路的電阻就完全相同 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在通電瞬間 與滑動(dòng)變阻器r串聯(lián)的燈泡a2立即變亮 而與線圈串聯(lián)的燈泡a1則逐漸變亮 即其正常發(fā)光比a2滯后一段時(shí)間 最后兩燈泡都正常發(fā)光 亮度相同 原因當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合的瞬間 流過(guò)線圈l的電流急劇增大 穿過(guò)線圈的磁通量也急劇增加 這就會(huì)在線圈中產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 根據(jù)楞次定律 這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將阻礙 而非阻止 線圈中電流的增大 即對(duì)燈泡a1的正常發(fā)光起到了 延緩 的作用 所以 燈泡a1是逐漸變亮的 當(dāng)電路中的電流穩(wěn)定后 線圈中的磁通量不再發(fā)生變化 阻礙作用消失 流過(guò)兩燈泡的電流相同 亮度相同 2 斷電自感實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)條件燈泡在斷開(kāi)開(kāi)關(guān)后肯定都是逐漸熄滅的 如果這種 逐漸熄滅 進(jìn)行得很快 人眼是無(wú)法觀察清楚的 要想在右圖所示的電路中觀察到斷電時(shí)的自感現(xiàn)象 除非是在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的瞬間讓燈泡更亮一下后再熄滅 這就要求線圈l的電阻遠(yuǎn)比燈泡a的電阻小 即 rl ra 實(shí)際上后者約為前者的幾十倍 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在斷開(kāi)開(kāi)關(guān)的瞬間 燈泡a不但沒(méi)有熄滅 反而更亮一下后才熄滅 解釋開(kāi)關(guān)未斷開(kāi)前 流過(guò)線圈l的電流il 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流過(guò)燈泡a的電流ia 在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的瞬間 流過(guò)線圈l的電流急劇減小 穿過(guò)線圈的磁通量也就急劇減小 因而在線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 在線圈l和燈泡a組成的回路中產(chǎn)生了感應(yīng)電流 這個(gè)急劇減小的感應(yīng)電流遠(yuǎn)比原來(lái)流過(guò)燈泡a中的電流大 約為燈泡原來(lái)電流的幾十倍 導(dǎo)致燈泡a不但沒(méi)有立即熄滅 反而更亮了一下后才熄滅 2 自感現(xiàn)象 1 定義 由于導(dǎo)體本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象 2 本質(zhì)分析 由法拉第電磁感應(yīng)定律知道 穿過(guò)線路的磁通量發(fā)生變化時(shí) 線路中就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 在自感現(xiàn)象中 由于流過(guò)線圈的電流發(fā)生變化 導(dǎo)致穿過(guò)線圈的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì) 3 從能量角度分析 在斷電自感實(shí)驗(yàn)中 s斷開(kāi)前 線圈l中有電流 則線圈中有磁場(chǎng)能 s斷開(kāi)后 線圈所儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能通過(guò)燈泡釋放出來(lái) 流過(guò)線圈的電流在原來(lái)大小的基礎(chǔ)上逐漸減小 由于il ia 故燈泡會(huì)閃亮一下 4 自感電動(dòng)勢(shì) 自感電動(dòng)勢(shì)的作用 總是阻礙導(dǎo)體中原電流的變化 即總是起著推遲電流變化的作用 自感電動(dòng)勢(shì)的方向 自感電動(dòng)勢(shì)總是阻礙導(dǎo)體中原來(lái)電流的變化 當(dāng)原來(lái)電流增大時(shí) 自感電動(dòng)勢(shì)的方向與原來(lái)電流方向相反 當(dāng)原來(lái)電流在減小時(shí) 自感電動(dòng)勢(shì)的方向與原來(lái)電流方向相同 也遵循 增反減同 的規(guī)律 3 自感系數(shù) 1 自感電動(dòng)勢(shì)e感與哪些因素有關(guān)自感電動(dòng)勢(shì)e感可以寫(xiě)成e感 n 由于磁通量的變化是電流的變化引起的 故自感電動(dòng)勢(shì)的大小與電流變化的快慢有關(guān) 可表示為e感 l 式中l(wèi)稱為自感系數(shù) 注意 不同線圈在電流變化一致的情況下 自感電動(dòng)勢(shì)不同 可見(jiàn)自感電動(dòng)勢(shì)與線圈構(gòu)造有關(guān) 2 自感系數(shù)自感系數(shù)是表示線圈產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)本領(lǐng)大小的物理量 簡(jiǎn)稱為自感或電感 用l表示 大小 線圈的長(zhǎng)度越長(zhǎng) 線圈的截面積越大 單位長(zhǎng)度上匝數(shù)越多 線圈的自感系數(shù)越大 線圈有鐵芯比無(wú)鐵芯時(shí)自感系數(shù)大得多 單位 亨利 符號(hào)h 1亨 103毫亨 106微亨1h 103mh 106 h 物理意義 表征線圈產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)本領(lǐng)大小的物理量 數(shù)值上等于通過(guò)線圈的電流在1s內(nèi)改變1a時(shí)產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)的大小 下圖甲 乙電路中 電阻r和自感線圈l的電阻都很小 接通s 使電路達(dá)到穩(wěn)定 燈泡a發(fā)光 則 a 在電路甲中 斷開(kāi)s a將漸漸變暗b 在電路甲中 斷開(kāi)s a將先變得更亮 然后漸漸變暗c 在電路乙中 斷開(kāi)s a將漸漸變暗d 在電路乙中 斷開(kāi)s a將先變得更亮 然后漸漸變暗 分析 本題考查同學(xué)們對(duì)斷電時(shí)產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)的阻礙作用的理解 解析 在電路斷開(kāi)時(shí) 電感線圈的自感電動(dòng)勢(shì)阻礙原電流的減小 此時(shí)電感線圈在電路中相當(dāng)于一個(gè)電源 表現(xiàn)為兩個(gè)方面 一是自感電動(dòng)勢(shì)所對(duì)應(yīng)的電流方向與原電流方向一致 二是在斷電瞬間 自感電動(dòng)勢(shì)所對(duì)應(yīng)的電流大小與原電流的大小相等 以后以此電流開(kāi)始緩慢減小到零 甲圖中 電燈a與電感線圈l在同一個(gè)支路中 流過(guò)的電流相同 斷開(kāi)開(kāi)關(guān)s時(shí) 線圈l中的自感電動(dòng)勢(shì)要維持原電流不變 所以 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的瞬間 電燈a的電流不變 以后電流漸漸變小 因此 電燈漸漸變暗 乙圖中 電燈a所在支路的電流比電感線圈所在支路的電流要小 因?yàn)殡姼芯€圈的電阻很小 斷開(kāi)開(kāi)關(guān)s時(shí) 電感線圈的自感電動(dòng)勢(shì)要阻礙電流的變小 此瞬間電感線圈中的電流不變 電感線圈相當(dāng)于一個(gè)電源給燈a供電 因此 反向流過(guò)a的電流瞬間要變大 然后漸漸變小 所以電燈要先更亮一下 然后漸漸變暗 答案 ad 變式遷移 1 在如圖所示的電路中 a b為兩個(gè)完全相同的燈泡 l為自感線圈 e為電源 s為開(kāi)關(guān) 關(guān)于兩燈泡點(diǎn)亮和熄滅的先后次序 下列說(shuō)法正確的是 a 合上開(kāi)關(guān) a先亮 b后亮 斷開(kāi)開(kāi)關(guān) a b同時(shí)熄滅b 合上開(kāi)關(guān) b先亮 a后亮 斷開(kāi)開(kāi)關(guān) a先熄滅 b后熄滅c 合上開(kāi)關(guān) b先亮 a后亮 斷開(kāi)開(kāi)關(guān) a b同時(shí)熄滅d 合上開(kāi)關(guān) a b同時(shí)亮 斷開(kāi)開(kāi)關(guān) b先熄滅 a后熄滅 解析 由于l是自感線圈 當(dāng)合上開(kāi)關(guān)s時(shí) 自感線圈l將產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì) 阻礙電流的流過(guò) 故有b燈先亮 而a燈后亮 當(dāng)s斷開(kāi)時(shí) a b組成回路 l產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)阻礙電流的減弱 由此可知 a b同時(shí)熄滅 故選項(xiàng)c正確 答案 c 2 如下圖所示的電路 d1與d2是兩個(gè)相同的小電燈 l是一個(gè)自感系數(shù)相當(dāng)大的線圈 其電阻與r相等 由于自感現(xiàn)象 在開(kāi)關(guān)s接通和斷開(kāi)時(shí) 燈泡d1和d2先后亮暗的次序是 a 接通時(shí) d1先達(dá)最亮 斷開(kāi)時(shí) d1后熄滅b 接通時(shí) d2先達(dá)最亮 斷開(kāi)時(shí) d2后熄滅c 接通時(shí) d2先達(dá)最亮 斷開(kāi)時(shí) d2先熄滅d 接通時(shí) d1先達(dá)最亮 斷開(kāi)時(shí) d1先熄滅 解析 當(dāng)開(kāi)關(guān)s接通時(shí) 流過(guò)l的電流增強(qiáng) 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的效果為 增反 所以瞬時(shí)電流幾乎全部從燈d1通過(guò) 而后分別通過(guò)燈d2和r 所以d1先達(dá)最亮 穩(wěn)定以后 d1和d2兩燈一樣亮 當(dāng)開(kāi)關(guān)s斷開(kāi)時(shí) 流過(guò)l的電流減弱 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的效果為 減同 右正 左負(fù) 從而使l與d1組成的回路中仍有電流流過(guò) 所以d1后熄滅 d2先熄滅 答案 a 三 自感現(xiàn)象中能量的轉(zhuǎn)化1 自感現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化在接通電路時(shí) 電路中的電流由于自感電動(dòng)勢(shì)的作用不能發(fā)生突變而只能逐漸增加 這個(gè)過(guò)程中電源的電動(dòng)勢(shì)要克服自感電動(dòng)勢(shì)做功 把電源的一部分電能轉(zhuǎn)化為線圈的磁場(chǎng)能 電流穩(wěn)定后線圈中就儲(chǔ)存有一定量的磁場(chǎng)能 在斷電自感現(xiàn)象中 線圈l和燈a組成閉合回路 線圈的自感電動(dòng)勢(shì)把原儲(chǔ)存在線圈內(nèi)的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能用以維持這個(gè)閉合回路中保持一定時(shí)間的電流 電流逐漸減小 線圈中的磁場(chǎng)減弱 磁場(chǎng)能減少 當(dāng)電流為零時(shí) 線圈中原儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能全部轉(zhuǎn)化為電能并通過(guò)燈泡 或電阻 轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 所以 在自感現(xiàn)象中是電能轉(zhuǎn)化為線圈內(nèi)的磁場(chǎng)能或線圈內(nèi)的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程 因此自感現(xiàn)象遵循能量轉(zhuǎn)化和守恒定律 2 電感l(wèi)在自感現(xiàn)象的能量轉(zhuǎn)化中所起的作用電感l(wèi)越大 當(dāng)接通電路使線圈中通電時(shí)產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)越大 電源克服自感電動(dòng)勢(shì)所做的功越多 電能轉(zhuǎn)化的磁場(chǎng)能越多 因而當(dāng)線圈中電流穩(wěn)定時(shí) 線圈儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能也越多 且這個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng) 當(dāng)斷開(kāi)電路使線圈中電流減小時(shí) 磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化的電能越多 且持續(xù)的時(shí)間也越長(zhǎng) 1 2011年山東濟(jì)南 如圖所示 a b c為三個(gè)完全相同的燈泡 l為自感線圈 自感系數(shù)較大 電阻不計(jì) e為電源 s為開(kāi)關(guān) 閉合開(kāi)關(guān)s 電路穩(wěn)定后 三個(gè)燈泡均能發(fā)光 則 a 斷開(kāi)開(kāi)關(guān)瞬間 c燈熄滅 稍后a b燈同時(shí)熄滅b 斷開(kāi)開(kāi)關(guān)瞬間 流過(guò)a燈的電流方向改變c 閉合開(kāi)關(guān) a b c燈同時(shí)亮d 閉合開(kāi)關(guān) a b燈同時(shí)先亮 c燈后亮 基礎(chǔ)鞏固 解析 閉合開(kāi)關(guān)s時(shí) 由于l的自感作用 流過(guò)a燈的電流逐漸增大 所以b c燈先亮 a燈后亮 選項(xiàng)cd錯(cuò)誤 斷開(kāi)開(kāi)關(guān)瞬間 a b燈構(gòu)成閉合回路 由于l的自感作用 a b燈的電流要逐漸減小 電流方向不變 所以c燈立即熄滅 a b燈稍后熄滅 選項(xiàng)a正確 b錯(cuò)誤 答案 a 7 如右圖所示是日光燈的結(jié)構(gòu)示意圖 若按圖示的電路連接 關(guān)于日光燈發(fā)光的情況 下列敘述中正確的是 a s1接通 s2 s3斷開(kāi) 日光燈就能正常發(fā)光b s1 s2接通 s3斷開(kāi) 日光燈就能正常發(fā)光c s3斷開(kāi) 接通s1 s2后 再斷開(kāi)s2 日光燈就能正常發(fā)光d 當(dāng)日光燈正常發(fā)光后