高中物理 第4章第6節(jié)《互感和自感》新人教版選修32.pptVIP

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 啟動器等組成 接通電源瞬間 啟動器的動 靜觸片先接通 后分離 分離的瞬間 鎮(zhèn)流器兩端產(chǎn)生很高的自感電動勢 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瞬時高壓 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 5萬赫茲的高頻高壓電 徹底摒棄了原來的自身耗電的帶鐵芯鎮(zhèn)流器 不僅省電 而且使整個燈具的重量減輕了80 其使用壽命長達(dá)5000小時 1 在法拉第的實驗中 兩個線圈之間并沒有導(dǎo)線相連 但當(dāng)一個線圈中的電流變化時 它所產(chǎn)生的 會在另一個線圈中產(chǎn)生 這種現(xiàn)象叫做 2 當(dāng)一個線圈中的電流變化時 它產(chǎn)生的變化的磁場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 自感電動勢正比于 公式為 其中l(wèi)叫做 它的單位是 符號是 1 變化的磁場感應(yīng)電動勢互感2 感應(yīng)電動勢感應(yīng)電動勢自感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 兩個線圈之間并沒有導(dǎo)線相連 但當(dāng)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(yīng)電動勢 這種現(xiàn)象叫做互感現(xiàn)象 2 互感電動勢 在互感現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢叫做互感電動勢 3 對互感的三點理解 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 3 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的金屬棒pq mn 當(dāng)pq在外力作用下運動時 mn在磁場力作用下向右運動 則pq所做的運動可能是 a 向右勻加速運動b 向左勻加速運動c 向右勻減速運動d 向左勻減速運動 解析 這是一道涉及互感現(xiàn)象的問題 當(dāng)mn棒中有感應(yīng)電流 受安培力作用而向右運動 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)生磁場的方向是向上的 若pq棒向右運動 由右手定則及安培定則可知l2產(chǎn)生的磁場的方向也是向上的 由于l1產(chǎn)生的磁場方向與l2產(chǎn)生的磁場的方向相同 可知l2產(chǎn)生的磁場的磁通量是減少的 故pq棒做的是向右的勻減速運動 c選項是可能的 若pq棒向左運動 則它產(chǎn)生的感應(yīng)電流在l2中產(chǎn)生的磁場是向下的 與l1產(chǎn)生的磁場方向是相反的 由楞次定律可知l2中的磁場是增強(qiáng)的 故pq棒做的是向左的勻加速運動 b選項是可能的 答案 bc 二 自感1 實驗探究自感現(xiàn)象 1 通電自感實驗 實驗條件 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 實驗現(xiàn)象在通電瞬間 與滑動變阻器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滯后一段時間 最后兩燈泡都正常發(fā)光 亮度相同 原因當(dāng)開關(guān)閉合的瞬間 流過線圈l的電流急劇增大 穿過線圈的磁通量也急劇增加 這就會在線圈中產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動勢 根據(jù)楞次定律 這個感應(yīng)電動勢將阻礙 而非阻止 線圈中電流的增大 即對燈泡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 流過兩燈泡的電流相同 亮度相同 2 斷電自感實驗 實驗條件燈泡在斷開開關(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 人眼是無法觀察清楚的 要想在右圖所示的電路中觀察到斷電時的自感現(xiàn)象 除非是在開關(guān)斷開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 實際上后者約為前者的幾十倍 實驗現(xiàn)象在斷開開關(guān)的瞬間 燈泡a不但沒有熄滅 反而更亮一下后才熄滅 解釋開關(guān)未斷開前 流過線圈l的電流il 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流過燈泡a的電流ia 在開關(guān)斷開的瞬間 流過線圈l的電流急劇減小 穿過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)電動勢 在線圈l和燈泡a組成的回路中產(chǎn)生了感應(yīng)電流 這個急劇減小的感應(yīng)電流遠(yuǎn)比原來流過燈泡a中的電流大 約為燈泡原來電流的幾十倍 導(dǎo)致燈泡a不但沒有立即熄滅 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 穿過線路的磁通量發(fā)生變化時 線路中就產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 在自感現(xiàn)象中 由于流過線圈的電流發(fā)生變化 導(dǎo)致穿過線圈的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生自感電動勢 3 從能量角度分析 在斷電自感實驗中 s斷開前 線圈l中有電流 則線圈中有磁場能 s斷開后 線圈所儲存的磁場能通過燈泡釋放出來 流過線圈的電流在原來大小的基礎(chǔ)上逐漸減小 由于il ia 故燈泡會閃亮一下 4 自感電動勢 自感電動勢的作用 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 自感電動勢的方向 自感電動勢總是阻礙導(dǎo)體中原來電流的變化 當(dāng)原來電流增大時 自感電動勢的方向與原來電流方向相反 當(dāng)原來電流在減小時 自感電動勢的方向與原來電流方向相同 也遵循 增反減同 的規(guī)律 3 自感系數(shù) 1 自感電動勢e感與哪些因素有關(guān)自感電動勢e感可以寫成e感 n 由于磁通量的變化是電流的變化引起的 故自感電動勢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 自感電動勢不同 可見自感電動勢與線圈構(gòu)造有關(guān) 2 自感系數(shù)自感系數(shù)是表示線圈產(chǎn)生自感電動勢本領(lǐng)大小的物理量 簡稱為自感或電感 用l表示 大小 線圈的長度越長 線圈的截面積越大 單位長度上匝數(shù)越多 線圈的自感系數(shù)越大 線圈有鐵芯比無鐵芯時自感系數(shù)大得多 單位 亨利 符號h 1亨 103毫亨 106微亨1h 103mh 106 h 物理意義 表征線圈產(chǎn)生自感電動勢本領(lǐng)大小的物理量 數(shù)值上等于通過線圈的電流在1s內(nèi)改變1a時產(chǎn)生的自感電動勢的大小 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s a將漸漸變暗b 在電路甲中 斷開s a將先變得更亮 然后漸漸變暗c 在電路乙中 斷開s a將漸漸變暗d 在電路乙中 斷開s a將先變得更亮 然后漸漸變暗 分析 本題考查同學(xué)們對斷電時產(chǎn)生的自感電動勢的阻礙作用的理解 解析 在電路斷開時 電感線圈的自感電動勢阻礙原電流的減小 此時電感線圈在電路中相當(dāng)于一個電源 表現(xiàn)為兩個方面 一是自感電動勢所對應(yīng)的電流方向與原電流方向一致 二是在斷電瞬間 自感電動勢所對應(yīng)的電流大小與原電流的大小相等 以后以此電流開始緩慢減小到零 甲圖中 電燈a與電感線圈l在同一個支路中 流過的電流相同 斷開開關(guān)s時 線圈l中的自感電動勢要維持原電流不變 所以 開關(guān)斷開的瞬間 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 因為電感線圈的電阻很小 斷開開關(guān)s時 電感線圈的自感電動勢要阻礙電流的變小 此瞬間電感線圈中的電流不變 電感線圈相當(dāng)于一個電源給燈a供電 因此 反向流過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為兩個完全相同的燈泡 l為自感線圈 e為電源 s為開關(guān) 關(guān)于兩燈泡點亮和熄滅的先后次序 下列說法正確的是 a 合上開關(guān) a先亮 b后亮 斷開開關(guān) a b同時熄滅b 合上開關(guān) b先亮 a后亮 斷開開關(guān) a先熄滅 b后熄滅c 合上開關(guān) b先亮 a后亮 斷開開關(guān) a b同時熄滅d 合上開關(guān) a b同時亮 斷開開關(guān) b先熄滅 a后熄滅 解析 由于l是自感線圈 當(dāng)合上開關(guān)s時 自感線圈l將產(chǎn)生自感電動勢 阻礙電流的流過 故有b燈先亮 而a燈后亮 當(dāng)s斷開時 a b組成回路 l產(chǎn)生自感電動勢阻礙電流的減弱 由此可知 a b同時熄滅 故選項c正確 答案 c 2 如下圖所示的電路 d1與d2是兩個相同的小電燈 l是一個自感系數(shù)相當(dāng)大的線圈 其電阻與r相等 由于自感現(xiàn)象 在開關(guān)s接通和斷開時 燈泡d1和d2先后亮暗的次序是 a 接通時 d1先達(dá)最亮 斷開時 d1后熄滅b 接通時 d2先達(dá)最亮 斷開時 d2后熄滅c 接通時 d2先達(dá)最亮 斷開時 d2先熄滅d 接通時 d1先達(dá)最亮 斷開時 d1先熄滅 解析 當(dāng)開關(guān)s接通時 流過l的電流增強(qiáng) 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的效果為 增反 所以瞬時電流幾乎全部從燈d1通過 而后分別通過燈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)開關(guān)s斷開時 流過l的電流減弱 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的效果為 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 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 電路中的電流由于自感電動勢的作用不能發(fā)生突變而只能逐漸增加 這個過程中電源的電動勢要克服自感電動勢做功 把電源的一部分電能轉(zhuǎn)化為線圈的磁場能 電流穩(wěn)定后線圈中就儲存有一定量的磁場能 在斷電自感現(xiàn)象中 線圈l和燈a組成閉合回路 線圈的自感電動勢把原儲存在線圈內(nèi)的磁場能轉(zhuǎn)化為電能用以維持這個閉合回路中保持一定時間的電流 電流逐漸減小 線圈中的磁場減弱 磁場能減少 當(dāng)電流為零時 線圈中原儲存的磁場能全部轉(zhuǎn)化為電能并通過燈泡 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)的磁場能或線圈內(nèi)的磁場能轉(zhuǎn)化為電能的過程 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產(chǎn)生的自感電動勢越大 電源克服自感電動勢所做的功越多 電能轉(zhuǎn)化的磁場能越多 因而當(dāng)線圈中電流穩(wěn)定時 線圈儲存的磁場能也越多 且這個過程持續(xù)時間越長 當(dāng)斷開電路使線圈中電流減小時 磁場能轉(zhuǎn)化的電能越多 且持續(xù)的時間也越長 1 2011年山東濟(jì)南 如圖所示 a b c為三個完全相同的燈泡 l為自感線圈 自感系數(shù)較大 電阻不計 e為電源 s為開關(guān) 閉合開關(guān)s 電路穩(wěn)定后 三個燈泡均能發(fā)光 則 a 斷開開關(guān)瞬間 c燈熄滅 稍后a b燈同時熄滅b 斷開開關(guān)瞬間 流過a燈的電流方向改變c 閉合開關(guān) a b c燈同時亮d 閉合開關(guān) a b燈同時先亮 c燈后亮 基礎(chǔ)鞏固 解析 閉合開關(guān)s時 由于l的自感作用 流過a燈的電流逐漸增大 所以b c燈先亮 a燈后亮 選項cd錯誤 斷開開關(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a正確 b錯誤 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 日光燈就能正常發(fā)光b s1 s2接通 s3斷開 日光燈就能正常發(fā)光c s3斷開 接通s1 s2后 再斷開s2 日光燈就能正常發(fā)光d 當(dāng)日光燈正常發(fā)光后