新教材2023-2024學年高中物理第2章電磁感應4互感和自感課件新人教版選擇性必修第二冊

第二章4互感和自感學習目標1.了解自感現(xiàn)象和互感現(xiàn)象的概念,會用其解釋自然現(xiàn)象,解決實際問題。(物理觀念)2.能在問題情境中應用楞次定律判斷自感電動勢的方向,知道自感電動勢的大小符合法拉第電磁感應定律。(科學思維)3.通過實驗觀察通電自感和斷電自感現(xiàn)象,并能解釋其工作原理。(科學探究)基礎(chǔ)落實·必備知識全過關(guān)重難探究·能力素養(yǎng)全提升目錄索引

學以致用·隨堂檢測全達標基礎(chǔ)落實·必備知識全過關(guān)一、互感現(xiàn)象1.定義:兩個相互靠近的線圈之間沒有導線相連,當一個線圈中的電流變化時,它所產(chǎn)生的變化的磁場會在另一個線圈中產(chǎn)生

的現(xiàn)象。這種感應電動勢叫作互感電動勢。

2.應用:利用互感現(xiàn)象可以把能量由一個線圈傳遞到另一個線圈,變壓器、收音機的“磁性天線”就是利用

制成的。

3.危害:互感現(xiàn)象能發(fā)生在任何兩個

的電路之間。在電力工程和電子電路中,互感現(xiàn)象有時會影響電路正常工作。

感應電動勢

互感現(xiàn)象相互靠近二、自感現(xiàn)象、自感系數(shù)、磁場的能量1.自感現(xiàn)象:當一個線圈中的電流變化時,它所產(chǎn)生的變化的磁場在

激發(fā)出感應電動勢的現(xiàn)象。

2.自感電動勢:由于

而產(chǎn)生的感應電動勢。

3.自感電動勢的大小:E=L,其中L是自感系數(shù),簡稱__________

或

,單位:

,符號為H。

4.自感系數(shù)大小的決定因素:自感系數(shù)與線圈的

、

、

,以及是否有

等因素有關(guān)。

由線圈自身決定

線圈本身自感自感電感亨利大小形狀匝數(shù)鐵芯5.自感現(xiàn)象中的磁場能量(1)線圈中電流從無到有時:磁場從無到有,電源的能量輸送給

,儲存在

中。

(2)線圈中電流減小時:

中的能量釋放出來轉(zhuǎn)化為

。

6.自感電動勢有阻礙線圈中電流

的性質(zhì)。

符合楞次定律

磁場磁場磁場電能變化情境鏈接把手機耳機與原線圈連在一起,手機內(nèi)的揚聲器與副線圈連在一起,用手機播放音樂,當把原線圈插入副線圈時,耳機中會播放音樂,試說明原理。提示

手機播放音樂時,在與揚聲器相連的副線圈中有變化的電流,使副線圈周圍產(chǎn)生變化的磁場,當把原線圈插入副線圈時,在原線圈中產(chǎn)生變化的感應電流,聲音通過耳機播放出來。教材拓展手機可以無線充電,如圖所示,試說明其原理。提示

交流電源對充電底座供電,充電底座內(nèi)的送電線圈產(chǎn)生交變磁場,從而使手機內(nèi)的受電線圈產(chǎn)生交變電流,再經(jīng)整流電路轉(zhuǎn)變成直流電后對手機電池充電。易錯辨析(1)兩個線圈之間必須有導線相連,才能產(chǎn)生互感現(xiàn)象。(

)(2)兩個線圈相距較近時,可以產(chǎn)生互感現(xiàn)象,相距較遠時,不產(chǎn)生互感現(xiàn)象。(

)(3)互感現(xiàn)象可以把能量從一個線圈傳到另一個線圈。(

)(4)自感現(xiàn)象中,感應電動勢一定和原電流方向相反。(

)×提示

兩個線圈之間產(chǎn)生互感現(xiàn)象不需要導線相連。

×提示

線圈相距較近時互感現(xiàn)象很顯著,相距較遠時仍有微弱的互感現(xiàn)象。

√×提示

自感現(xiàn)象中感應電動勢的方向遵從楞次定律。當原電流減小時,自感電動勢與原電流方向相同;當原電流增大時,自感電動勢與原電流方向相反。(5)線圈中產(chǎn)生的自感電動勢較大時,其自感系數(shù)一定較大。(

)×(6)對于同一線圈,當電流變化較快時,線圈中的自感電動勢也較大。(

)提示

自感電動勢的大小E=L,所以自感電動勢大不一定是自感系數(shù)大,也有可能是電流的變化率大。√提示

由E=L知,對于同一線圈,自感系數(shù)一定,電流變化越快,線圈中產(chǎn)生的自感電動勢也越大。重難探究·能力素養(yǎng)全提升探究點一互感現(xiàn)象導學探究在法拉第的實驗中兩個線圈并沒有用導線連接,當一個線圈中的電流變化時,在另一個線圈中為什么會產(chǎn)生感應電動勢呢?要點提示

兩個線圈之間并沒有導線相連,但當一個線圈中的電流變化時,它所產(chǎn)生的變化的磁場會在另一個線圈中產(chǎn)生感應電動勢。知識歸納1.互感現(xiàn)象是一種常見的電磁感應現(xiàn)象,它不僅發(fā)生于繞在同一鐵芯上的兩個線圈之間,而且可以發(fā)生于任何兩個相互靠近的電路之間。2.互感現(xiàn)象可以把能量由一個電路傳到另一個電路。變壓器就是利用互感現(xiàn)象制成的。應用體驗【例1】

如圖甲所示,A、B兩絕緣金屬環(huán)套在同一鐵芯上,A環(huán)中電流iA隨時間t的變化規(guī)律如圖乙所示,下列說法正確的是(

)A.t1時刻,兩環(huán)作用力最大B.t2和t3時刻,兩環(huán)相互吸引C.t2時刻兩環(huán)相互吸引,t3時刻兩環(huán)相互排斥D.t3和t4時刻,兩環(huán)相互吸引B解析

t1時刻B環(huán)中感應電流為零,故兩環(huán)作用力為零,A錯誤;t2和t3時刻A環(huán)中電流在減小,則B環(huán)中產(chǎn)生與A環(huán)中同向的電流,故相互吸引,B正確,C錯誤;t4時刻A環(huán)中電流為零,兩環(huán)無相互作用,D錯誤。對點演練1.在同一鐵芯上繞著兩個線圈,單刀雙擲開關(guān)原來接在1處,現(xiàn)把它從1扳到2,如圖所示,試判斷在此過程中,在電阻R上的電流方向是(

)A.先由P→Q,再由Q→PB.先由Q→P,再由P→QC.始終由Q→PD.始終由P→QC解析

開關(guān)由1扳到2,線圈A中電流產(chǎn)生的磁場開始由左向右,先減小后反向增加,由楞次定律可得R中電流由Q→P,C正確。探究點二自感現(xiàn)象導學探究(1)無軌電車在行駛過程中,車頂上的車弓處為什么會產(chǎn)生電火花?要點提示

由于車身顛簸,會使車弓瞬間離開電網(wǎng);由于自感現(xiàn)象,電車內(nèi)部的電動機的線圈會產(chǎn)生一個較大的瞬時自感電動勢;由于這個電動勢較大,使車弓與電網(wǎng)之間的空氣電離,產(chǎn)生放電現(xiàn)象。(2)斷開正在工作的電動機的開關(guān)時,會產(chǎn)生電火花,這是為什么?要點提示

電動機中的線圈匝數(shù)很多,當電路開關(guān)斷開時會產(chǎn)生很大的自感電動勢,使得開關(guān)中的金屬片之間產(chǎn)生電火花。知識歸納1.自感現(xiàn)象自感現(xiàn)象是一種電磁感應現(xiàn)象,遵守法拉第電磁感應定律和楞次定律。2.自感電動勢(1)產(chǎn)生原因通過線圈的電流發(fā)生變化,導致穿過線圈的磁通量發(fā)生變化,因而在原線圈上產(chǎn)生感應電動勢。(2)方向當原電流增大時,自感電動勢的方向與原電流方向相反;當原電流減小時,自感電動勢的方向與原電流方向相同(即增反減同)。(3)作用阻礙原電流的變化,而不是阻止,原電流仍在變化,只是使原電流的變化時間變長,即總是起著推遲電流變化的作用。3.電感線圈的阻礙作用(1)若電路中的電流正在改變,電感線圈會產(chǎn)生自感電動勢阻礙電路中電流的變化,使得通過電感線圈的電流不能突變。(2)若電路中的電流是穩(wěn)定的,電感線圈相當于一段導線,其阻礙作用是由繞制線圈的導線的電阻引起的。(3)線圈通電和斷電時線圈中電流的變化規(guī)律如圖。特別提示

閉合開關(guān)瞬間時,線圈相當于斷路;斷開開關(guān)瞬間,線圈相當于電源。應用體驗【例2】

如圖所示的電路中A1和A2是兩個相同的小燈泡,L是一個自感系數(shù)相當大的線圈,其直流電阻阻值與R相同。在開關(guān)S閉合和斷開時,燈泡A1和A2亮暗的順序是(

)A.S閉合時A1先達最亮,S斷開時A1后滅B.S閉合時A2先達最亮,S斷開時A1后滅C.S閉合時A1先達最亮,S斷開時A1先滅D.S閉合時A2先達最亮,S斷開時A1先滅A解析

當開關(guān)S閉合時,A1和A2同時亮,但由于自感現(xiàn)象的存在,流過線圈的電流由零變大時,線圈上產(chǎn)生自感電動勢阻礙電流的增大,使通過線圈的電流從零開始慢慢增加,所以開始時電流幾乎全部從A1通過,而該電流又將同時分路通過A2和R,所以A1先達最亮,經(jīng)過一段時間電路穩(wěn)定后,A1和A2達到一樣亮;當開關(guān)S斷開時,電源電流立即為零,因此A2立即熄滅,而對A1,由于通過線圈的電流突然減小,線圈中產(chǎn)生自感電動勢阻礙電流的減小,使線圈L和A1組成的閉合電路中有感應電流,所以A1后滅。方法技巧

自感現(xiàn)象的分析思路明確通過自感線圈的電流的變化情況(增大還是減小)↓根據(jù)“增反減同”,判斷自感電動勢的方向↓分析阻礙的結(jié)果:電流增強時,由于自感電動勢的作用,線圈中電流逐漸增大,與線圈串聯(lián)的元件中的電流也逐漸增大;電流減小時,由于自感電動勢的作用,線圈中電流逐漸減小,與線圈串聯(lián)的元件中的電流也逐漸減小對點演練2.在如圖所示的電路中,a、b、c為三個完全相同的燈泡,L是一個自感系數(shù)很大、直流電阻為零的自感線圈,E為電源,S為開關(guān)。關(guān)于三個燈泡,下列說法正確的是(

)A.閉合開關(guān),c、b先亮,a后亮B.閉合開關(guān)一會兒后,a、b、c一樣亮C.斷開開關(guān),b、c同時熄滅,a緩慢熄滅D.斷開開關(guān),c馬上熄滅,b閃一下后和a一起緩慢熄滅A解析

開關(guān)S閉合瞬間,流過線圈L的電流增大,線圈中產(chǎn)生自感電動勢,阻礙電流的增大,則b、c先亮,a后亮,故A正確;閉合開關(guān)一會兒后,因線圈中電流恒定,線圈L相當于導線,所以a、b一樣亮,c的電流是a、b的電流之和,故c比a、b更亮,B錯誤;斷開開關(guān)S的瞬間,由自感的特性可知L和a、b組成的回路中有電流,導致a、b一起緩慢熄滅,而c沒有電流通過,所以馬上熄滅,因a與b的電流是相等的,b不會閃一下再熄滅,故C、D錯誤。探究點三自感系數(shù)、磁場的能量導學探究1.自感電動勢的大小跟什么因素有關(guān)?2.如圖所示,為什么電路板上電感線圈尺寸大小和匝數(shù)不一樣?要點提示

自感電動勢的大小跟其他感應電動勢的大小一樣,跟穿過線圈的磁通量的變化快慢有關(guān)。而在自感現(xiàn)象中,穿過線圈的磁通量是由電流引起的,故自感電動勢的大小跟導體中電流變化的快慢有關(guān)。要點提示

不同的電感線圈阻礙電流變化的本領(lǐng)不同。

3.在斷電自感的實驗中,為什么開關(guān)斷開后,燈泡的發(fā)光會持續(xù)一段時間,甚至會比原來更亮?試從能量的角度加以討論。要點提示

開關(guān)閉合時線圈中有電流,電流產(chǎn)生磁場,能量儲存在磁場中,開關(guān)斷開時,線圈作用相當于電源,把磁場中的能量轉(zhuǎn)化成電能。知識歸納1.自感系數(shù)

2.自感現(xiàn)象中能量轉(zhuǎn)化(1)線圈中電流從無到有時:磁場從無到有,電源把能量輸送給磁場,儲存在磁場中。(2)線圈中電流減小時:磁場中的能量釋放出來轉(zhuǎn)化為電能。應用體驗【例3】

關(guān)于線圈的自感系數(shù),下面說法正確的是(

)A.線圈的自感系數(shù)越大,自感電動勢就一定越大B.線圈中電流等于零時,自感系數(shù)也等于零C.線圈中電流變化越快,自感系數(shù)越大D.線圈的自感系數(shù)由線圈本身的性質(zhì)及有無鐵芯決定D解析

自感系數(shù)是由線圈的大小、形狀、圈數(shù)、有無鐵芯等因素決定的,故B、C錯,D對;自感電動勢不僅與自感系數(shù)有關(guān),還與電流變化快慢有關(guān),故A錯。對點演練3.下列關(guān)于自感系數(shù)及自感電動勢的說法正確的是(

)A.通過線圈的電流為最大值的瞬間,自感電動勢最大B.電流變化越大,自感電動勢越大C.線圈中的電流不變,其自感系數(shù)為0D.線圈內(nèi)插入鐵芯,其自感系數(shù)增大D解析

由E=L可知,自感電動勢的大小與電流的變化率成正比,與電流的大小及電流變化的大小無關(guān),故選項A、B錯誤;線圈的自感系數(shù)僅由線圈自身的因素決定,如線圈的橫截面積、長度、單位長度上的線圈匝數(shù)、有無鐵芯等,與其他因素無關(guān),故選項C錯誤,D正確。學以致用·隨堂檢測全達標12341.(互感現(xiàn)象)在無線電儀器中,常需要在距離較近的地方安裝兩個線圈,并要求一個線圈中有電流變化時,對另一個線圈中的電流影響盡量小,則下圖中兩個線圈的相對安裝位置最符合該要求的是(

)D1234解析

一個線圈的磁場通過另一個線圈的磁通量的變化率越小,影響則越小,欲使兩線圈互感的影響盡量小,應放置成D選項的情形,這樣其中一個線圈的磁場通過另一個線圈的磁通量的變化率為零,故D選項正確。12342.(自感現(xiàn)象)如圖所示,開關(guān)S處于閉合狀態(tài),小燈泡A和B均正常發(fā)光,小燈泡A的電阻大于線圈L的電阻。現(xiàn)斷開開關(guān)S,以下說法正確的是(

)A.小燈泡A越來越暗,直到熄滅B.小燈泡B越來越暗,直到熄滅C.線圈L中的電流會立即消失D.線圈L中的電流過一會兒再消失,且方向向右D1234解析

S斷開瞬間,B立即熄滅。由于小燈泡A的電阻大于線圈L的電阻,所以S斷開前線圈的電流大于小燈泡A中的電流;S斷開瞬間,線圈中的電流減小,導致線圈中出現(xiàn)感應電動勢從而阻礙電流的減小,即線圈L中的電流過一會兒再消失,且方向向右,因L和A組成新的回路,線圈中的電流由原來的大小逐漸減小,所以A先亮一下,然后慢慢熄滅,故D正確。12343.(自感現(xiàn)象)在如圖所示的電路中,開關(guān)S閉合且穩(wěn)定后流過電感線圈的電流是2A,流過燈泡的電流是1A?，F(xiàn)將開關(guān)S突然斷開,開關(guān)S斷開前后,能正確反映流過燈泡的電流i隨時間t變化關(guān)系的圖像是(

)D123