2018版高中物理 第2章 楞次定律和自感現(xiàn)象 2.2 自感學(xué)案 魯科版選修3-2.docx

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第3講　自　感 [目標(biāo)定位]　1.了解自感現(xiàn)象及自感現(xiàn)象產(chǎn)生的原因.2.知道自感現(xiàn)象中的一個重要概念——自感系數(shù)，了解影響其大小的因素.3.了解自感現(xiàn)象的利弊及其利用和防止． 一、自感現(xiàn)象 1．實驗與探究 (1)斷電自感 實驗電路 實驗要求 電路穩(wěn)定時A1、A2亮度相同 A2立刻熄滅 線圈中的電流在原來電流值基礎(chǔ)上逐漸減小 IL＞IA1 A1猛然亮一下再逐漸熄滅 IL＝IA1 A1由原來亮度逐漸熄滅 IL＜IA1 A1先立即變暗一些再逐漸熄滅 (2)通電自感 實驗電路 實驗要求 電路穩(wěn)定時A1、A2亮度相同 S閉合的瞬間 A1先亮 由于A1支路為純電阻電路，不產(chǎn)生自感現(xiàn)象 A2逐漸變亮，最后與A1一樣亮 由于L的自感作用阻礙A2支路電流增大，出現(xiàn)“延遲”現(xiàn)象 2.定義：由導(dǎo)體自身的電流變化所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象叫自感現(xiàn)象． 二、自感電動勢 1．定義：由導(dǎo)體自身的電流變化所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢叫自感電動勢． 2．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，當(dāng)電流增大時，自感電動勢阻礙電流的增大；當(dāng)電流減小時，自感電動勢阻礙電流的減?。? 三、自感系數(shù) 1．物理意義：描述線圈本身特性的物理量，簡稱自感或電感． 2．影響因素：線圈的形狀、橫截面積、長短、匝數(shù)、有無鐵芯．線圈越粗、越長，匝數(shù)越多，其自感系數(shù)就越大；有鐵芯時線圈的自感系數(shù)比沒鐵芯時大得多． 3．單位：亨利，簡稱亨，符號是H.常用的較小單位有mH和μH. 1mH＝10－3H,1μH＝10－6H. 一、對通電自感現(xiàn)象的分析 1．通電瞬間通過線圈的電流增大，自感電動勢的方向與原電流方向相反，阻礙電流的增加，但不能阻止增加． 2．通電瞬間自感線圈處相當(dāng)于斷路；電流穩(wěn)定時，自感線圈相當(dāng)于導(dǎo)體． 3．與線圈串聯(lián)的燈泡在通電后會逐漸變亮，直到穩(wěn)定． 例1　如圖1所示，燈A、B完全相同，帶鐵芯的線圈L的電阻可忽略，則(　　) 圖1 A．S閉合的瞬間，A、B同時發(fā)光，接著A變暗，B更亮，最后A熄滅 B．S閉合瞬間，A不亮，B立即亮 C．S閉合瞬間，A、B都不立即亮 D．穩(wěn)定后再斷開S的瞬間，B熄滅，A閃亮一下再熄滅 答案　AD 解析　S接通的瞬間，L所在支路中電流從無到有發(fā)生變化，因此，L中產(chǎn)生的自感電動勢阻礙電流增加。由于有鐵芯，自感系數(shù)較大，對電流的阻礙作用也就很強，所以S接通的瞬間L中的電流非常小，即干路中的電流幾乎全部流過A，所以A、B會同時亮；又由于L中電流逐漸穩(wěn)定，感應(yīng)電動勢逐漸消失，A逐漸變暗，線圈的電阻可忽略，對A起到“短路”作用，因此A最后熄滅．這個過程電路的總電阻比剛接通時小，由恒定電流知識可知，B會比以前更亮．穩(wěn)定后S斷開瞬間，由于線圈的電流較大，L與A組成回路，A要閃亮一下再熄滅，B立即熄滅． 二、對斷電自感現(xiàn)象的分析 1．?dāng)嚯姇r自感線圈處相當(dāng)于電源． 2．?dāng)嚯姇r燈泡會不會閃亮一下再熄滅取決于通過燈泡前后電流大小的關(guān)系．若斷電前，自感線圈電流大小IL大于燈泡的電流ID則燈泡會閃亮一下再熄滅；若斷電前，自感線圈中的電流IL小于燈泡中的電流ID則燈泡不會出現(xiàn)閃亮，而是逐漸熄滅． 3．要注意斷電前后通過燈泡的電流方向可能變化． 例2　如圖2(a)、(b)所示的電路中，電阻R和自感線圈L的電阻值都很小，且小于燈泡A的電阻，接通S，使電路達到穩(wěn)定，燈泡A發(fā)光，則(　　) 圖2 A．在電路(a)中，斷開S，A將漸漸變暗 B．在電路(a)中，斷開S，A將先變得更亮，然后漸漸變暗 C．在電路(b)中，斷開S，A將漸漸變暗 D．在電路(b)中，斷開S，A將先變得更亮，然后漸漸變暗 答案　AD 解析　在電路(a)中，燈泡A和線圈L串聯(lián)，它們的電流相同，斷開S時，線圈上產(chǎn)生自感電動勢，阻礙原電流的減小，但流過燈泡A的電流仍逐漸減小，從而燈泡A只能漸漸變暗；在電路(b)中，電阻R和燈泡A串聯(lián)，燈泡A的電阻大于線圈L的電阻，電流則小于線圈L中的電流，斷開S時，電源不再給燈供電，而線圈產(chǎn)生自感電動勢阻礙電流的減小，通過R、A形成回路，燈泡A中電流突然變大，燈泡A先變得更亮，然后漸漸變暗．故A、D正確． 針對訓(xùn)練　如圖3所示的電路中，電源的電動勢為E，內(nèi)阻為r，電感L的電阻不計，電阻R的阻值大于燈泡D的阻值，在t＝0時刻閉合開關(guān)S，經(jīng)過一段時間后，在t＝t1時刻斷開S，下列表示A、B兩點間電壓UAB隨時間t變化的圖象中，正確的是(　　) 圖3 答案　B 解析　在t＝0時刻閉合開關(guān)S，由于電感L產(chǎn)生自感電動勢，阻礙電流通過，電源輸出電流較小，路端電壓較高，經(jīng)過一段時間電路穩(wěn)定，電源輸出電流較大，路端電壓較低．在t＝t1時刻斷開S，電感L產(chǎn)生自感電動勢，與燈泡構(gòu)成閉合回路，燈泡D中有反向電流通過，所以表示A、B兩點間電壓UAB隨時間t變化的圖象中正確的是B. 三、對自感電動勢及自感系數(shù)的理解 1．對自感電動勢的理解 (1)自感電動勢總是阻礙導(dǎo)體中原來電流的變化，可概括為“增反減同”． (2)由E＝L知自感電動勢與L和有關(guān)，與ΔI、Δt無關(guān)． 2．對自感系數(shù)的理解 (1)自感系數(shù)的大小由線圈本身的特性決定，線圈越長，單位長度的匝數(shù)越多，橫截面積越大，自感系數(shù)越大． (2)自感系數(shù)與E、ΔI、Δt等均無關(guān)系． 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)由線圈本身的因素及有無鐵芯決定 答案　D 解析　線圈的自感系數(shù)是由線圈本身的因素及有無鐵芯決定的，與有無電流、電流變化情況都沒有關(guān)系，故B、C錯誤，D正確；自感電動勢的大小除了與自感系數(shù)有關(guān)，還與電流的變化率有關(guān)，故A錯誤． 四、電磁阻尼、電磁驅(qū)動 閉合回路的部分導(dǎo)體在做切割磁感線運動產(chǎn)生感應(yīng)電流時，導(dǎo)體在磁場中要受到安培力的作用，根據(jù)楞次定律，安培力總是阻礙導(dǎo)體的運動，于是產(chǎn)生電磁阻尼． 電磁阻尼是一種十分普遍的物理現(xiàn)象，任何在磁場中運動的導(dǎo)體，只要給感應(yīng)電流提供回路，就會存在電磁阻尼作用． 例4　位于光滑水平面的小車上放置一螺線管，一個比螺線管長的條形磁鐵沿著螺線管的軸線水平穿過，如圖4所示，在此過程中(　　) 圖4 A．磁鐵做勻速直線運動 B．磁鐵做減速運動 C．小車向右做加速運動 D．小車先加速后減速 答案　BC 解析　磁鐵水平穿入螺線管時，管中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，由楞次定律知螺線管左端相當(dāng)于S極，與磁鐵S極相斥，阻礙磁鐵的運動．同理，磁鐵穿出時，由楞次定律知螺線管右端為S極，與磁鐵的N極相吸，阻礙磁鐵的運動，故整個過程中，磁鐵做減速運動，B正確；而對于小車上螺線管來說，在此過程中，螺線管會產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使螺線管受到的安培力都是水平向右，這個安培力使小車向右運動起來，且一直做加速運動，C正確． 對通、斷電自感現(xiàn)象的分析 1．如圖5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(dāng)大的線圈，其阻值與電阻R相同．在開關(guān)S接通和斷開時，燈泡A1和A2亮暗的順序是(　　) 圖5 A．接通時A1先達最亮，斷開時A1后滅 B．接通時A2先達最亮，斷開時A1后滅 C．接通時A1先達最亮，斷開時A1先滅 D．接通時A2先達最亮，斷開時A2先滅 答案　A 解析　當(dāng)開關(guān)S接通時，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兩路通過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(dāng)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(yīng)電流，所以A1后滅． 對自感電動勢的理解 2．關(guān)于線圈中自感電動勢大小的說法中正確的是(　　) A．電感一定時，電流變化越大，自感電動勢越大 B．電感一定時，電流變化越快，自感電動勢越大 C．通過線圈的電流為零的瞬間，自感電動勢為零 D．通過線圈的電流為最大值的瞬間，自感電動勢最大 答案　B 解析　電感一定時，電流變化越快，越大，由E＝L知，自感電動勢越大，A錯，B對；線圈中電流為零時，電流的變化率不一定為零，自感電動勢不一定為零，故C錯；當(dāng)通過線圈的電流最大時，電流的變化率為零，自感電動勢為零，故D錯． 3．一個線圈中的電流均勻增大，這個線圈的(　　) A．磁通量均勻增大 B．自感系數(shù)均勻增大 C．自感系數(shù)、自感電動勢均勻增大 D．自感系數(shù)、自感電動勢、磁通量都不變 答案　A 解析　電流均勻增大時，線圈中磁感應(yīng)強度均勻增大，所以磁通量均勻增大，而自感電動勢取決于磁通量的變化率，所以自感電動勢不變；自感系數(shù)取決于線圈本身的因素，也保持不變，只有選項A正確． 對電磁阻尼的理解 4．如圖6所示，使一個銅盤繞其豎直的軸OO′轉(zhuǎn)動，且假設(shè)摩擦等阻力不計，轉(zhuǎn)動是勻速的?，F(xiàn)把一個蹄形磁鐵移近銅盤，則(　　) 圖6 A．銅盤轉(zhuǎn)動將變慢 B．銅盤轉(zhuǎn)動將變快 C．銅盤仍以原來的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動 D．銅盤轉(zhuǎn)動速度是否變化，要根據(jù)磁鐵的上、下兩端的極性來決定 答案　A 解析　當(dāng)一個蹄形磁鐵移近銅盤時，銅盤轉(zhuǎn)動切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，由楞次定律可知感應(yīng)電流所受的安培力阻礙其相對運動，所以銅盤轉(zhuǎn)動將變慢．本題也可以從能量守恒的角度去分析，因為銅盤轉(zhuǎn)動切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，銅盤的機械能不斷轉(zhuǎn)化成電能，銅盤轉(zhuǎn)動會逐漸變慢．選項A正確．