2024-2025學(xué)年新教材高中物理第2章電磁感應(yīng)及其應(yīng)用第3節(jié)自感現(xiàn)象與渦流學(xué)案魯科版選擇性必修2

PAGE9-第3節(jié)自感現(xiàn)象與渦流學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.[物理觀念]了解自感現(xiàn)象，相識(shí)自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電路中電流的影響。2.[科學(xué)思維]了解自感系數(shù)的意義和確定因素。3.[科學(xué)思維]駕馭分析通電自感和斷電自感現(xiàn)象的方法。4.[科學(xué)看法與責(zé)任]了解渦流產(chǎn)生的原理，渦流的防止和應(yīng)用。閱讀本節(jié)教材，回答第41頁(yè)“問題”并梳理必要學(xué)問點(diǎn)。教材P41問題提示：線圈中的電流變更，會(huì)引起線圈內(nèi)磁通量的變更發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象。一、自感現(xiàn)象1．試驗(yàn)探究：通電自感和斷電自感操作電路現(xiàn)象自感電動(dòng)勢(shì)的作用通電自感接通電源的瞬間，燈泡1馬上亮起來(lái)，燈泡2漸漸亮起來(lái)阻礙燈泡2電流的增加斷電自感斷開開關(guān)的瞬間，燈泡2馬上熄滅，燈泡1過一會(huì)兒后才熄滅。有時(shí)燈泡1會(huì)閃亮一下，然后漸漸變暗阻礙燈泡1電流的減小2.自感現(xiàn)象：由于線圈自身的電流發(fā)生變更所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。二、自感電動(dòng)勢(shì)1．自感電動(dòng)勢(shì)：由于線圈自身的電流發(fā)生變更所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。2．自感電動(dòng)勢(shì)的方向：原電流增大時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)的方向與原電流方向相反，原電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)的方向與原電流方向相同。3．自感電動(dòng)勢(shì)的作用：自感電動(dòng)勢(shì)總是要阻礙導(dǎo)體自身的電流發(fā)生變更。4．自感系數(shù)(1)物理意義：能表征線圈產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)本事的大??；(2)大小確定因素：線圈的形態(tài)、橫截面積、長(zhǎng)短、匝數(shù)等；(3)單位：國(guó)際單位是亨利，簡(jiǎn)稱亨，符號(hào)是H。5．自感電動(dòng)勢(shì)大?。篍＝Leq\f(ΔI,Δt)，其中L為線圈的自感系數(shù)，簡(jiǎn)稱自感或電感。三、渦流及其應(yīng)用1．概念：由于磁通量變更，在大塊金屬中形成的像旋渦一樣的感應(yīng)電流。2．特點(diǎn)：金屬塊的電阻較小，渦流往往較大。3．應(yīng)用與防止(1)渦流熱效應(yīng)的應(yīng)用：如電磁爐。(2)渦流的防止：電動(dòng)機(jī)、變壓器等設(shè)備中為防止鐵芯中因渦流損失能量，常用增大鐵芯材料的電阻率和用相互絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯。1．思索推斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)自感現(xiàn)象屬于電磁感應(yīng)現(xiàn)象。 (√)(2)自感電動(dòng)勢(shì)總是阻礙導(dǎo)體中原電流的變更。 (√)(3)自感電動(dòng)勢(shì)的方向肯定與原電流的方向相反。 (×)(4)通過線圈的電流增大的越來(lái)越快，則自感系數(shù)變大。 (×)(5)渦電流不是感應(yīng)電流，而是一種有別于感應(yīng)電流的特別電流。 (×)2．通過一個(gè)線圈的電流在勻稱增大時(shí)，則這個(gè)線圈的()A．自感系數(shù)也將勻稱增大B．自感電動(dòng)勢(shì)也將勻稱增大C．磁通量保持不變D．自感系數(shù)和自感電動(dòng)勢(shì)不變D[線圈的磁通量與電流大小有關(guān)，電流增大，由法拉第電磁感應(yīng)定律知，磁通量變更，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；自感系數(shù)由線圈本身確定，與電流大小無(wú)關(guān)，A項(xiàng)錯(cuò)誤；自感電動(dòng)勢(shì)E＝Leq\f(ΔI,Δt)，與自感系數(shù)和電流變更率有關(guān)，對(duì)于給定的線圈，L肯定，已知電流勻稱增大，說(shuō)明電流變更率恒定，故自感電動(dòng)勢(shì)不變，B項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確。]3．下列關(guān)于渦流的說(shuō)法中正確的是()A．渦流跟平常常見的感應(yīng)電流一樣，都是因?yàn)榇┻^導(dǎo)體的磁通量變更而產(chǎn)生的B．渦流不是感應(yīng)電流，而是一種有別于感應(yīng)電流的特別電流C．渦流有熱效應(yīng)，但沒有磁效應(yīng)D．在硅鋼中不能產(chǎn)生渦流A[渦流本質(zhì)上是感應(yīng)電流，是自身構(gòu)成的回路，在穿過導(dǎo)體的磁通量變更時(shí)產(chǎn)生的，故A正確，B錯(cuò)誤；渦流既有熱效應(yīng)，又有磁效應(yīng)，故C錯(cuò)誤；硅鋼電阻率大，產(chǎn)生的渦流較小，但仍能產(chǎn)生渦流，故D錯(cuò)誤。]自感現(xiàn)象的分析如圖所示，在演示斷電自感試驗(yàn)時(shí)，有時(shí)燈泡D會(huì)閃亮一下，然后漸漸熄滅，你能說(shuō)出是什么緣由導(dǎo)致的嗎？提示：若線圈L的阻值RL小于燈泡阻值R0時(shí)，斷電前穩(wěn)定狀態(tài)下電流IL＞ID。斷電后L與D構(gòu)成回路，斷電瞬間由于自感現(xiàn)象，IL將延遲減弱，則流過燈泡D的電流為IL大于原電流，所以會(huì)使燈泡閃亮一下后再漸漸熄滅。1．對(duì)自感線圈阻礙作用的理解(1)當(dāng)電路剛閉合瞬間，自感線圈相當(dāng)于一個(gè)阻值無(wú)窮大的電阻，其所在的支路相當(dāng)于斷路。(2)當(dāng)電路中的電流穩(wěn)定后，自感線圈相當(dāng)于一段志向?qū)Ь€或純電阻。(3)當(dāng)電路剛斷開瞬間，自感線圈相當(dāng)于一個(gè)電源，對(duì)能夠與它組成閉合回路的用電器供電，并且剛斷開電路的瞬間通過自感線圈的電流大小和方向與電路穩(wěn)定時(shí)通過自感線圈的電流大小和方向相同。2．對(duì)通電自感和斷電自感的比較通電自感斷電自感電路圖器材要求L1、L2同規(guī)格，R＝RL，L較大L很大(有鐵芯)，RL?RLA現(xiàn)象在S閉合瞬間，L2燈馬上亮起來(lái)，L1燈漸漸變亮，最終一樣亮在開關(guān)S斷開瞬間，LA燈突然閃亮一下后再漸漸熄滅(當(dāng)抽掉鐵芯后，重做試驗(yàn)，斷開開關(guān)S時(shí)，會(huì)看到LA燈立刻熄滅)緣由開關(guān)閉合時(shí)，流過電感線圈的電流增大，使線圈產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，阻礙電流的增大，使流過L1燈的電流比流過L2燈的電流增加得慢斷開開關(guān)S時(shí)，流過線圈L的電流減小，產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，阻礙電流的減小，使電流接著存在一段時(shí)間；在S斷開后，通過L的電流反向通過燈LA，且由于RL?RLA，使得流過LA燈的電流在開關(guān)斷開瞬間突然增大，從而使LA燈的發(fā)光功率突然變大能量轉(zhuǎn)化狀況電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能【例1】如圖所示，電感線圈L的自感系數(shù)足夠大，其直流電阻忽視不計(jì)，LA、LB是兩個(gè)相同的燈泡，且在下列試驗(yàn)中不會(huì)燒毀，電阻R2的阻值約等于R1的兩倍，則()A．閉合開關(guān)S時(shí)，LA、LB同時(shí)達(dá)到最亮，且LB更亮一些B．閉合開關(guān)S時(shí)，LA、LB均漸漸亮起來(lái)，且LA更亮一些C．?dāng)嚅_開關(guān)S時(shí)，LA漸漸熄滅，LB立刻熄滅D．?dāng)嚅_開關(guān)S時(shí)，LA漸漸熄滅，LB閃亮后才漸漸熄滅思路點(diǎn)撥：解此題留意以下三點(diǎn)(1)分析自感電流的大小時(shí)，應(yīng)留意“L的自感系數(shù)足夠大，其直流電阻忽視不計(jì)”這一關(guān)鍵語(yǔ)句。(2)電路接通瞬間，自感線圈相當(dāng)于斷路。(3)電路斷開瞬間，回路中電流從L中原來(lái)的電流起先減小。D[由于燈泡LA與線圈L串聯(lián)，燈泡LB與電阻R2串聯(lián)，當(dāng)S閉合的瞬間，通過線圈的電流突然增大，線圈產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，阻礙電流的增加，所以LB比LA先亮，A、B項(xiàng)錯(cuò)誤；由于LA所在的支路電阻阻值偏小，故穩(wěn)定時(shí)電流大，即LA更亮一些；當(dāng)S斷開的瞬間，線圈產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，兩燈組成串聯(lián)電路，線圈中的感應(yīng)電流起先減小，即從IA減小，故LA漸漸熄滅，LB閃亮后才漸漸熄滅，C項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確。]自感問題的求解策略自感現(xiàn)象是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的一種特例，它仍遵循電磁感應(yīng)定律。分析自感現(xiàn)象除弄清這一點(diǎn)之外，還必需抓住以下三點(diǎn)：(1)自感電動(dòng)勢(shì)總是阻礙電路中原電流的變更。當(dāng)電流增大時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)的方向與原電流方向相反；當(dāng)電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)的方向與原電流方向相同。(2)“阻礙”不是“阻擋”。“阻礙”電流變更的實(shí)質(zhì)是使電流不發(fā)生“突變”，使其變更過程有所延緩。(3)當(dāng)電路接通瞬間，自感線圈相當(dāng)于斷路；當(dāng)電路穩(wěn)定時(shí)，自感線圈相當(dāng)于電阻，假如線圈沒有電阻，相當(dāng)于導(dǎo)線(短路)；當(dāng)電路斷開瞬間，自感線圈相當(dāng)于電源。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])1.如圖所示，電阻R的阻值和線圈自感系數(shù)L的值都較大，電感線圈的電阻不計(jì)，A、B是兩只完全相同的燈泡，則下列說(shuō)法正確的是()A．當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，B比A先亮，然后A熄滅B．當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，B比A先亮，然后B熄滅C．當(dāng)電路穩(wěn)定后開關(guān)S斷開時(shí)，A馬上熄滅，B漸漸熄滅D．當(dāng)電路穩(wěn)定后開關(guān)S斷開時(shí)，B馬上熄滅，A閃一下后再漸漸熄滅D[當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，由于電阻R的阻值和線圈自感系數(shù)L的值都較大，通過L和R的電流很小，相當(dāng)于斷路，A、B兩燈一起亮，穩(wěn)定后A燈被線圈L短路后熄滅，選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；當(dāng)電路穩(wěn)定后開關(guān)S斷開時(shí)，B馬上熄滅，因?yàn)榫€圈L中會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，阻礙本身電流的減小，此電流會(huì)通過A燈形成回路，所以A閃一下后再漸漸熄滅，選項(xiàng)D正確，C錯(cuò)誤。]渦流的理解及應(yīng)用(老師用書獨(dú)具)教材P44“迷你試驗(yàn)室”答案提示：鐵鍋內(nèi)水溫變更，玻璃杯內(nèi)水溫不變，因?yàn)殍F鍋內(nèi)產(chǎn)生渦流。渦流的產(chǎn)生條件是什么？電磁爐的鍋具為什么用平底的鐵鍋？提示：渦流是發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，故渦流的產(chǎn)生條件：①金屬塊本身能夠形成閉合回路。②穿過金屬塊的磁通量發(fā)生變更。在平底的鐵鍋底部產(chǎn)生渦流，從而使得鍋底溫度上升，起到加熱做飯或炒菜的作用。1．對(duì)渦流的理解(1)本質(zhì)：電磁感應(yīng)現(xiàn)象。(2)條件：穿過金屬塊的磁通量發(fā)生變更，并且金屬塊本身構(gòu)成閉合回路。(3)特點(diǎn)：整個(gè)導(dǎo)體回路的電阻一般很小，感應(yīng)電流很大，故金屬塊的發(fā)熱功率很大。2．產(chǎn)生渦流的兩種狀況(1)塊狀金屬放在變更的磁場(chǎng)中。(2)塊狀金屬進(jìn)出磁場(chǎng)或在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。3．產(chǎn)生渦流時(shí)的能量轉(zhuǎn)化伴隨著渦流現(xiàn)象，其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能，最終在金屬塊中轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。例如，金屬塊放在了變更的磁場(chǎng)中，則磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；假如是金屬塊進(jìn)出磁場(chǎng)或在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，則由于克服安培力做功，金屬塊的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能?！纠?】在水平放置的光滑導(dǎo)軌上，沿導(dǎo)軌固定一個(gè)條形磁鐵，如圖所示，現(xiàn)有銅、鋁和有機(jī)玻璃制成的滑塊甲、乙、丙，使它們從導(dǎo)軌上的A點(diǎn)以同樣的速度向磁鐵滑去。各滑塊在未接觸磁鐵前的運(yùn)動(dòng)狀況是()A．都做勻速運(yùn)動(dòng) B．甲、乙做加速運(yùn)動(dòng)C．甲、乙做減速運(yùn)動(dòng) D．乙、丙做勻速運(yùn)動(dòng)思路點(diǎn)撥：eq\x(相對(duì)運(yùn)動(dòng))→eq\x(磁通量變更)→eq\x(渦流)→eq\x(阻礙作用)C[銅塊、鋁塊向磁鐵靠近時(shí)，穿過它們的磁通量發(fā)生變更，因此在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)原磁場(chǎng)的變更起阻礙作用，所以銅塊和鋁塊向磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受阻礙而減速，有機(jī)玻璃為非金屬，不產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，故C正確。]對(duì)渦流的兩點(diǎn)說(shuō)明(1)渦流是整塊導(dǎo)體發(fā)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，同樣遵循法拉第電磁感應(yīng)定律。(2)磁場(chǎng)變更越快，導(dǎo)體的橫截面積S越大，導(dǎo)體材料的電阻率越小，形成的渦流就越大。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])2.高頻感應(yīng)爐是用來(lái)熔化金屬對(duì)其進(jìn)行冶煉的，如圖所示為冶煉金屬的高頻感應(yīng)爐的示意圖，爐內(nèi)放入被冶煉的金屬，線圈通入高頻交變電流(電流的大小方向發(fā)生周期性變更)，這時(shí)被冶煉的金屬就能被熔化，這種冶煉方法速度快，溫度易限制，并能避開有害雜質(zhì)混入被煉金屬中，因此適于冶煉特種金屬。該爐的加熱原理是()A．利用線圈中電流產(chǎn)生的焦耳熱B．利用線圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)C．利用交變電流的交變磁場(chǎng)在爐內(nèi)金屬中產(chǎn)生的渦流D．給線圈通電的同時(shí)，給爐內(nèi)金屬也通了電C[高頻感應(yīng)爐的原理是：線圈通以高頻交變電流后，線圈產(chǎn)生高頻變更的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)穿過金屬，在金屬內(nèi)產(chǎn)生渦流，由于電流的熱效應(yīng)，可使金屬熔化，故只有C正確。]1．物理觀念：自感現(xiàn)象、自感電動(dòng)勢(shì)、渦流等概念。2．科學(xué)思維：自感電動(dòng)勢(shì)的作用、通電和斷電自感的分析方法。3．科學(xué)看法與責(zé)任：渦流在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。1．關(guān)于自感現(xiàn)象、自感系數(shù)、自感電動(dòng)勢(shì)，下列說(shuō)法正確的是()A．當(dāng)線圈中通恒定電流時(shí)，線圈中沒有自感現(xiàn)象，線圈自感系數(shù)為零B．線圈中電流變更越快，線圈中的自感系數(shù)越大C．自感電動(dòng)勢(shì)與原電流方向相反D．對(duì)于確定的線圈，其產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)與其電流變更率成正比D[自感系數(shù)是描述線圈特性的物理量，只與線圈本身有關(guān)。當(dāng)線圈中通恒定電流時(shí)，線圈中沒有自感現(xiàn)象，不產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，但是線圈自感系數(shù)不為零，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；線圈中電流變更越快，產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)越大，線圈中的自感系數(shù)與電流變更快慢無(wú)關(guān)，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；依據(jù)楞次定律，自感電動(dòng)勢(shì)方向與電流變更的方向相反。當(dāng)線圈中電流增大時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)阻礙電流增大，自感電動(dòng)勢(shì)方向與原電流方向相反；當(dāng)線圈中電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)阻礙電流減小，自感電動(dòng)勢(shì)方向與原電流方向相同，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；對(duì)于確定的線圈，自感系數(shù)L肯定，其產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)與其電流變更率eq\f(ΔI,Δt)成正比，選項(xiàng)D正確。]2．(多選)如圖所示，在線圈上端放置一盛有冷水的金屬杯，現(xiàn)接通溝通電流，過了幾分鐘，杯內(nèi)的水沸騰起來(lái)。若要縮短上述加熱時(shí)間，下列措施可行的有()A．增加線圈的匝數(shù)B．提高溝通電源的頻率C．將金屬杯換為瓷杯D．取走線圈中的鐵芯AB[當(dāng)電磁鐵接通溝通電源時(shí)，金屬杯處在變更的磁場(chǎng)中產(chǎn)生渦電流發(fā)熱，使水溫上升。要縮短加熱時(shí)間，需增大渦電流，即增大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或減小電阻。增加線圈匝數(shù)、提高交變電流的頻率都能增大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，瓷杯不能產(chǎn)生渦電流，取走鐵芯會(huì)導(dǎo)致磁性減弱。所以選項(xiàng)A、B正確，選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤。]3．(多選)用電流傳感器可以清晰地演示通電自感對(duì)電路中電流的影響，不肯定要用兩個(gè)燈泡作對(duì)比。電流傳感器的作用相當(dāng)于一個(gè)電流表，試驗(yàn)就用電流表的符號(hào)表示。它與電流表的一個(gè)重要區(qū)分在于，傳感器與計(jì)算機(jī)相結(jié)合能夠即時(shí)反映電流的快速變更，并能在屏幕上顯示電流隨時(shí)間變更的圖像。先按圖甲連接電路，測(cè)一次后，拆掉線圈，然后按圖乙連接電路再測(cè)一次，得到(a)、(b)圖像。則下列說(shuō)法正確的是()A．(a)圖像是對(duì)應(yīng)甲測(cè)得的B．(a)圖像是對(duì)應(yīng)乙測(cè)得的C．(b)圖像是對(duì)應(yīng)甲測(cè)得的D．(b)圖像是對(duì)應(yīng)乙測(cè)得的AD[電路甲中電流在開關(guān)閉合后，由于自感電動(dòng)勢(shì)作用，漸漸增加至最大；電路乙中電流在開關(guān)閉合后，馬上增至最大，所以A、D項(xiàng)正確。]4.如圖所示的電路中，a、b、c為三個(gè)完全相同的燈泡，L是一個(gè)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(gè)燈泡，下列說(shuō)法正確的是()A．合上開關(guān)，c、b先亮，a后亮B．合上開關(guān)一會(huì)后，a、b、c一樣亮C．?dāng)嚅_開關(guān)，b、c同時(shí)熄滅，a緩慢熄滅D．?dāng)嚅_開關(guān)，c立刻熄滅，b閃一下后和a一起緩慢熄滅A[開關(guān)S閉合瞬間，因線圈L的電流增大，導(dǎo)致出現(xiàn)自感電動(dòng)勢(shì)，阻礙電流的增大，則b、c先亮