新教材適用2024-2025學(xué)年高中物理第2章電磁感應(yīng)4.互感和自感學(xué)案新人教版選擇性必修第二冊

4．互感和自感課程標(biāo)準(zhǔn)1．了解互感現(xiàn)象及互感現(xiàn)象的應(yīng)用。2．了解自感現(xiàn)象，相識自感電動勢的作用。3．知道自感系數(shù)的意義和確定因素。會分析自感現(xiàn)象中電流的變更。素養(yǎng)目標(biāo)1．物理觀念：知道互感現(xiàn)象與自感現(xiàn)象是磁場能變更的一種表現(xiàn)；知道互感現(xiàn)象與自感現(xiàn)象的防止和應(yīng)用。2．科學(xué)思維：會從法拉第電磁感應(yīng)定律的視角相識自感現(xiàn)象，了解自感系數(shù)，體會推理分析的科學(xué)思維方法。3．科學(xué)探究：通過試驗了解互感與自感現(xiàn)象，會用自感與互感說明簡潔的電磁現(xiàn)象。4．科學(xué)看法與責(zé)任：通過本節(jié)課的探究活動，培育學(xué)生參加科學(xué)探究活動的熱忱和實事求是的科學(xué)素養(yǎng)。學(xué)問點1互感現(xiàn)象1．互感互不相連的并相互靠近的兩個線圈，當(dāng)一個線圈的電流變更時，它所產(chǎn)生的變更的磁場會在另一個線圈中產(chǎn)生_感應(yīng)電動勢__，這種現(xiàn)象叫作互感。2．互感電動勢互感現(xiàn)象中的電動勢叫_互感電動勢__。3．互感的應(yīng)用和危害(1)互感現(xiàn)象可以把能量由一個線圈傳遞到另_一個線圈__。變壓器就是利用互感現(xiàn)象制成的。(2)在電力工程和電子電路中，_互感現(xiàn)象__有時會影響電路的正常工作，這時要設(shè)法減小電路間的互感?！号幸慌小?1)互感現(xiàn)象屬于電磁感應(yīng)現(xiàn)象。(√)(2)手機無線充電是互感現(xiàn)象在生活中的應(yīng)用。(√)『選一選』在無線電儀器中，常須要在距離較近的地方安裝兩個線圈，并要求當(dāng)一個線圈中有電流變更時，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(D)解析：某一個線圈的磁場通過另一個線圈的磁場的變更率越小，影響則越小，欲使兩線圈由于互感的影響盡量小，應(yīng)放置成D選項的情形，這樣線圈內(nèi)的磁場是垂直的關(guān)系，D選項正確。學(xué)問點2自感現(xiàn)象1．自感現(xiàn)象一個線圈中的電流_變更__時，它所產(chǎn)生的_變更__的磁場在它本身激發(fā)出感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象，產(chǎn)生的電動勢叫作_自感電動勢__。2．通電自感和斷電自感電路現(xiàn)象自感電動勢的作用通電自感接通電源的瞬時，燈泡A1較慢地_亮起來__阻礙電流的_增大__斷電自感斷開開關(guān)的瞬間，燈泡A漸漸_變暗__，直到熄滅阻礙電流的_減小__3.自感系數(shù)(1)自感電動勢的大?。篍＝Leq\f(ΔI,Δt)，其中L是線圈的自感系數(shù)，簡稱自感或電感。(2)單位：_亨利__，符號：_H__。常用的還有毫亨(mH)和微亨(μH)。換算關(guān)系是：1H＝_103__mH＝_106__μH。(3)確定線圈自感系數(shù)大小的因素：線圈的大小、形態(tài)、_匝數(shù)__以及是否有_鐵芯__等?！号幸慌小?3)當(dāng)線圈中電流不變時，線圈中沒有自感電動勢。(√)(4)當(dāng)線圈中電流反向時，線圈中自感電動勢的方向與線圈中原電流的方向相反。(×)(5)當(dāng)線圈中電流增大時，線圈中自感電動勢的方向與線圈中電流方向相反。(√)(7)線圈的自感系數(shù)的大小與線圈中通入電流的大小有關(guān)。(×)『想一想』無軌電車在行駛的過程中，由于車身顛簸，有可能使車頂上的電弓瞬間脫離電網(wǎng)線，這時可以看到電火花出現(xiàn)。請說說電火花產(chǎn)生的緣由是什么？解析：電弓脫離電網(wǎng)線的瞬間電流減小，所產(chǎn)生的自感電動勢很大，在電弓與電網(wǎng)線的空隙產(chǎn)生電火花。學(xué)問點3磁場的能量1．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。2．電的“慣性”自感電動勢有阻礙線圈中_電流變更__的“慣性”?！哼x一選』(多選)手機無線充電是比較新奇的充電方式。如圖所示，電磁感應(yīng)式無線充電的原理與變壓器類似，通過分別安裝在充電基座和接收能量裝置上的線圈，利用產(chǎn)生的磁場傳遞能量。當(dāng)充電基座上的送電線圈通入正弦式交變電流后，就會在鄰近的受電線圈中感應(yīng)出電流，最終實現(xiàn)為手機電池充電。在充電過程中(AC)A．送電線圈中電流產(chǎn)生的磁場呈周期性變更B．受電線圈中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場恒定不變C．送電線圈和受電線圈通過互感現(xiàn)象實現(xiàn)能量傳遞D．手機和基座無需導(dǎo)線連接，這樣傳遞能量沒有損失解析：由于送電線圈輸入的是正弦式交變電流，是周期性變更的，因此產(chǎn)生的磁場也是周期性變更的，A正確，B錯誤；依據(jù)變壓器原理，原、副線圈是通過互感現(xiàn)象實現(xiàn)能量傳遞，因此送電線圈和受電線圈也是通過互感現(xiàn)象實現(xiàn)能量傳遞，C正確；手機與機座無需導(dǎo)線連接就能實現(xiàn)充電，但磁場能有一部分以電磁波輻射的形式損失掉，因此這樣傳遞能量是有能量損失的，D錯誤。故選AC。探究互感現(xiàn)象情|境|導(dǎo)|入在法拉第的試驗中兩個線圈并沒有用導(dǎo)線連接，當(dāng)一個線圈中的電流變更時，在另一個線圈中為什么會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢呢？提示：互感現(xiàn)象。要|點|提|煉1.互感現(xiàn)象是一種常見的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，它不僅發(fā)生在繞在同一鐵芯上的兩個線圈之間，還可以發(fā)生在任何兩個相互靠近的電路之間。2．利用互感現(xiàn)象可以把能量由一個電路傳遞到另一個電路。下一章將要學(xué)習(xí)的變壓器就是利用互感現(xiàn)象制成的。3．處理方法：可利用楞次定律、安培定則及左手定則分析某個線圈中感應(yīng)電流的方向及受力方向，還可從能量角度分析。典|例|剖|析典例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的變更規(guī)律如圖乙所示，下列說法中正確的是(B)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)相互吸引思路引導(dǎo)：(1)A環(huán)中電流變更時，會在B環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電流。(2)依據(jù)兩環(huán)中電流的方向，推斷兩環(huán)的受力狀況。解析：t1時刻B中感應(yīng)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中電流為零，兩環(huán)無相互作用，D錯誤。對點訓(xùn)練?(多選)如圖所示，足夠長的兩條平行金屬導(dǎo)軌豎直放置，其間有與導(dǎo)軌平面垂直的勻強磁場，兩導(dǎo)軌通過導(dǎo)線與檢流計G1、線圈M接在一起。N是繞在“□”形鐵芯上的另一線圈，它與檢流計G2組成閉合回路?，F(xiàn)有一金屬棒ab沿導(dǎo)軌由靜止起先下滑，下滑過程中與導(dǎo)軌垂直且接觸良好，在ab下滑的過程中(BC)A．通過G1的電流是從左端進入的B．通過G2的電流是從右端進入的C．檢流計G1的示數(shù)漸漸增大，達到最大值后恒定D．檢流計G2的示數(shù)漸漸減小，最終趨于一不為零的恒值解析：金屬棒ab沿導(dǎo)軌下滑，依據(jù)右手定則可知，在ab下滑的過程中，產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向由a到b，所以通過G1的電流是從右端進入的，A錯誤；金屬棒ab起先時做加速運動，所以在線圈M中產(chǎn)生的磁場漸漸增大，變更的磁場通過另一線圈N，產(chǎn)生了感應(yīng)電流，在線圈M中是向下且漸漸變大的磁場，依據(jù)楞次定律可知，在線圈N中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場向下，所以通過G2的電流是從右端進入的，B正確；由于金屬棒ab起先時做加速運動，產(chǎn)生的感應(yīng)電流漸漸變大，同時受到的安培力也在增大，安培力與重力平衡后，G1中的電流恒定，線圈M中的磁場不再變更，那么在線圈N中就不能產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以檢流計G1的示數(shù)漸漸增大，最終達到最大值不變，檢流計G2的示數(shù)漸漸減小，最終減為零，C正確，D錯誤。探究對自感現(xiàn)象的理解情|境|導(dǎo)|入如圖所示，李輝在斷開正在工作的電動機開關(guān)時，會產(chǎn)生電火花，這是為什么？提示：電動機中的線圈匝數(shù)許多，當(dāng)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。要|點|提|煉1.對自感現(xiàn)象的理解自感現(xiàn)象是一種電磁感應(yīng)現(xiàn)象，遵遵守法律拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律。2．對自感電動勢的理解(1)產(chǎn)生緣由通過線圈的電流發(fā)生變更，導(dǎo)致穿過線圈的磁通量發(fā)生變更，因而在原線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。(2)自感電動勢的方向當(dāng)原電流增大時，自感電動勢的方向與原電流方向相反；當(dāng)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)自感電動勢的作用阻礙原電流的變更，而不是阻擋，原電流仍在變更，只是使原電流的變更時間變長，即總是起著推遲電流變更的作用。3．對電感線圈阻礙作用的理解(1)若電路中的電流正在變更，電感線圈會產(chǎn)生自感電動勢阻礙電路中電流的變更，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(dāng)于一段導(dǎo)線，其阻礙作用是由繞制線圈的導(dǎo)線的電阻引起的。4．通電自感與斷電自感比較與線圈串聯(lián)的燈泡與線圈并聯(lián)的燈泡電路圖通電時電流漸漸增大，燈泡漸漸變亮電流馬上變大，燈泡變亮，然后漸漸變暗斷電時電流漸漸減小燈泡漸漸變暗電流方向不變電路中穩(wěn)態(tài)電流為I1、I2①若I2≤I1，燈泡漸漸變暗②若I2>I1，燈泡閃亮后漸漸變暗兩種狀況燈泡中電流方向均變更典|例|剖|析典例2(多選)在如圖所示的甲、乙兩個電路中，電阻R和自感線圈L的直流電阻都很小，閉合開關(guān)S，使電路達到穩(wěn)定，則(AD)A．在電路甲中，斷開開關(guān)S，燈泡A將漸漸變暗B．在電路甲中，斷開開關(guān)S，燈泡A將先變得更亮，然后漸漸變暗C．在電路乙中，斷開開關(guān)S，燈泡A將漸漸變暗D．在電路乙中，斷開開關(guān)S，燈泡A將先變得更亮，然后漸漸變暗解析：在電路甲中，設(shè)通過線圈L的電流為IL1，通過A及R的電流為IA1和IR1，同理，設(shè)電路乙中通過L、A、R的電流分別為IL2、IA2、IR2。當(dāng)斷開開關(guān)S時，線圈L相當(dāng)于電源，產(chǎn)生了自感電動勢，在L、R、A回路中產(chǎn)生了自感電流，在電路甲中，自感電流從IL1漸漸減小，通過燈泡A的電流也從IL1漸漸減小，燈泡A將慢慢變暗；在電路乙中，自感電流從IL2漸漸減小，燈泡A的電流也從IL2漸漸減小，因為IL2＞IA2，所以燈泡A將先變得更亮，然后漸漸變暗。對點訓(xùn)練?(多選)如圖所示，A、B是兩個完全相同的燈泡，L是電阻為零的電感線圈，且自感系數(shù)很大。C是電容較大且不漏電的電容器，下列推斷正確的是(AD)A．S閉合時，A、B同時亮，A燈亮后漸漸熄滅，B燈漸漸變亮B．S閉合時，A燈、B燈同時亮，然后A燈變暗，B燈變得更亮C．S閉合，電路穩(wěn)定后，S斷開時，A燈突然亮一下，然后熄滅，B燈馬上熄滅D．S閉合，電路穩(wěn)定后，S斷開時，A燈突然亮一下，然后熄滅，B燈漸漸熄滅解析：當(dāng)S閉合時，通過自感線圈的電流漸漸增大而產(chǎn)生自感電動勢，L相當(dāng)于斷路，C電容較大，電容器相當(dāng)于短路，當(dāng)電流穩(wěn)定時，L短路，電容器C斷路，故A燈先亮后滅，B燈漸漸變亮；當(dāng)S斷開時，燈泡A與自感線圈L組成了閉合回路，燈泡A中的電流先增大后減小至零，故閃亮一下熄滅，電容器C與燈泡B組成閉合回路，電容器放電，故燈泡B漸漸熄滅。自感現(xiàn)象的分析思路對點訓(xùn)練?(2024·福建省永春一中高二上學(xué)期月考)如圖所示電路中，開關(guān)S原先閉合，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)時，通過兩電阻的電流大小分別為I1、I2，已知R1＞R2，不計線圈L的直流電阻，為志向電流表。在某一時刻突然斷開開關(guān)S，則通過電流表的電流I隨時間t變更的圖線可能是下圖中的(D)解析：S斷開后的瞬間L與R1構(gòu)成閉合回路，流過電流表的電流反向且從I2起先減小，故D項正確。探究自感電動勢的大小和自感系數(shù)情|境|導(dǎo)|入如圖所示，讓幾位同學(xué)“串聯(lián)”在電路中，L是自感系數(shù)較大的多匝線圈，電源只需1節(jié)干電池即可。閉合開關(guān)S前，學(xué)生的體驗——“無感覺”；閉合開關(guān)S后，學(xué)生的體驗——“無感覺”；斷開開關(guān)S瞬間，同學(xué)突然受到電擊——“快速收回雙手”。這是為什么呢？提示：斷開開關(guān)S，線圈中電流快速變小，線圈中產(chǎn)生很大的自感電動勢以阻礙電路中原電流的減小，所以人會受到電擊。要|點|提|煉1.自感系數(shù)(1)自感電動勢的大?。篍＝Leq\f(ΔI,Δt)，其中L是自感系數(shù)，簡稱自感或電感，單位：亨利，符號：H。1mH＝10－3H,1μH＝10－6H。(2)自感系數(shù)的確定因素：與線圈的大小、形態(tài)、匝數(shù)以及是否有鐵芯等因素有關(guān)。2．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。典|例|剖|析典例3關(guān)于自感現(xiàn)象、自感系數(shù)、自感電動勢，下列說法正確的是(D)A．當(dāng)線圈中通恒定電流時，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．自感電動勢與原電流方向相反D．對于確定的線圈，其產(chǎn)生的自感電動勢與其電流變更率成正比解析：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，線圈中沒有自感現(xiàn)象，不產(chǎn)生自感電動勢，但是線圈自感系數(shù)不為零，選項A錯誤；線圈中電流變更越快，產(chǎn)生的自感電動勢越大，線圈中的自感系數(shù)與電流變更快慢無關(guān)，選項B錯誤；依據(jù)楞次定律，自感電動勢方向與電流變更的方向相反。當(dāng)線圈中電流增大時，自感電動勢阻礙電流增大，自感電動勢方向與原電流方向相反；當(dāng)線圈中電流減小時，自感電動勢阻礙電流減小，自感電動勢方向與原電流方向相同，選項C錯誤；對于確定的線圈，自感系數(shù)L肯定，其產(chǎn)生的自感電動勢與其電流變更率eq\f(ΔI,Δt)成正比，選項D正確。對點訓(xùn)練?(多選)下列說法中正確的是(CD)A．對于同一線圈，當(dāng)電流變更較快時，線圈中的自感系數(shù)也較大B．線圈中產(chǎn)生的自感電動勢較大的其自感系數(shù)肯定較大C．感應(yīng)電流不肯定和原電流方向相反D．對于同一線圈，電流變更越快，線圈中的自感電動勢越大解析：自感系數(shù)是由線圈本身的特性確定的，與自感電動勢的大小、電流變更快慢無關(guān)，故A、B錯誤；依據(jù)楞次定律，當(dāng)原電流增大時，感應(yīng)電流與原電流方向相反；當(dāng)原電流減小時，感應(yīng)電流與原電流方向相同，故C正確；依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可，當(dāng)電流變更越快時，磁通量變更越快，自感系數(shù)不變，自感電動勢越大，故D正確。故選CD。1．電感和電阻對電流的阻礙作用比較物理量比較內(nèi)容電感L電阻R阻礙作用阻礙電流的變更阻礙電流通過表現(xiàn)產(chǎn)生自感現(xiàn)象導(dǎo)體發(fā)熱大小因素電感越大，電流變更越快，對電流變更的阻礙作用越大，產(chǎn)生的自感電動勢越大電阻越大，對電流的阻礙作用越大確定因素線圈的大小、形態(tài)、匝數(shù)、有無鐵芯導(dǎo)體長度、橫截面積、電阻率、溫度聯(lián)系電感和電阻都是反映導(dǎo)體本身性質(zhì)的物理量2.自感現(xiàn)象的“三種狀態(tài)”“一個特點”(1)三種狀態(tài)①線圈通電瞬間可把自感線圈看成斷路。②斷電時自感線圈相當(dāng)于電源。③電流穩(wěn)定后，自感線圈相當(dāng)于導(dǎo)體電阻，志向線圈的電阻為0，相當(dāng)于短路。(2)一個特點在發(fā)生自感現(xiàn)象時，線圈中電流不發(fā)生“突變”。案例如圖所示的電路，可用來測定自感系數(shù)較大的線圈的直流電阻，線圈兩端并聯(lián)一個電壓表，用來測量自感線圈兩端的直流電壓，在測量完畢后，將電路拆開時應(yīng)(B)A．先斷開開關(guān)S1 B．先斷開開關(guān)S2C．先拆去電流表 D．先拆去電阻R解析：該電路事實上就是伏安法測電感線圈的直流電阻電路，在試驗完畢后，由于線圈的自感現(xiàn)象，若電路拆去的先后依次不對，可能會燒壞電表。當(dāng)S1、S2閉合，電路穩(wěn)定時，線圈中的電流由a→b，表右端為“＋”，左端為“－”，指針正向偏轉(zhuǎn)，若先斷開S1，或先拆表，或先拆去電阻R，則在此瞬間，線圈中產(chǎn)生的自感電動勢相當(dāng)于瞬間電源，其a端相當(dāng)于電源的負極，b端相當(dāng)于電源的正極，相當(dāng)于給表加了一個反向電壓，使指針反偏。由“自感系數(shù)較大的線圈”知其反偏電壓較大，可能會損壞表。而先斷開S2，由于電壓表內(nèi)阻很大，電路中總電阻變更很小，電流幾乎不變，不會損壞其他器件，故應(yīng)先斷開S2。一、互感現(xiàn)象1．繞在同一鐵芯上的線圈Ⅰ、Ⅱ按如圖所示方法連接，G為電流表，下列說法正確的是(A)A．開關(guān)S閉合瞬間，G中的電流從左向右B．保持開關(guān)S閉合，G中的電流從左向右C．保持開關(guān)S閉合，向右移動變阻器R0的滑動觸頭，G中的電流從左向右D．?dāng)嚅_開關(guān)S的瞬間，G的示數(shù)也為零解析：閉合開關(guān)S瞬間，Ⅰ線圈中有電流通過，產(chǎn)生磁場，線圈內(nèi)部磁場方向從左向右，穿過Ⅱ線圈的磁通量從無到有，產(chǎn)生感應(yīng)電流，依據(jù)楞次定律可知電流表中的電流從左向右，A正確；保持開關(guān)S閉合，Ⅰ線圈中電流不變，穿過Ⅱ線圈的磁通量不變，沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生，G的示數(shù)為零，B錯誤；保持開關(guān)S閉合，向右移動變阻器R0的滑動觸頭，Ⅰ線圈中電流減小，線圈內(nèi)部產(chǎn)生向右減弱的磁場，穿過Ⅱ線圈的磁通量變更，產(chǎn)生感應(yīng)電流，依據(jù)楞次定律可知電流表中的電流從右向左，C錯誤；斷開開關(guān)S的瞬間，Ⅰ線圈中電流減小(從有到無)，穿過Ⅱ線圈的磁通量變更，產(chǎn)生感應(yīng)電流，則電流表中有電流通過，示數(shù)不為零，D錯誤。2．(2024·貴州高二期中)如圖所示，我國某品牌手機一經(jīng)面世，就受到世人追捧，除了領(lǐng)先世界的5G通信、信息平安以外，人們還可以體驗它無線充電的科技感。題圖為無線充電原理圖，由與充電底座相連的送電線圈和與手機電池相連的受電線圈構(gòu)成。當(dāng)送電線圈通入周期性變更的電流時，就會在受電線圈中感應(yīng)出電流，從而實現(xiàn)為手機充電。在充電過程中(C)A．送電線圈中產(chǎn)生勻稱變更的磁場B．送電線圈中產(chǎn)生穩(wěn)定不變的磁場C．無線充電的原理是互感現(xiàn)象D．手機電池是直流電源，所以受電線圈輸出的是恒定電流解析：由于送電線圈中通入周期性變更的電流時，依據(jù)麥克斯韋理論可知送電線圈中電流產(chǎn)生的磁場呈周期性變更，A、B錯誤；無線充電利用的是電磁感應(yīng)原理，所以送電線圈和受電線圈通過互感現(xiàn)象實現(xiàn)能量傳遞，C正確；周期性變更的磁場會產(chǎn)生周期性變更的電場，輸出的不是