2020版高中物理 第1章 电磁感应与现代生活 1

2020版高中物理 第1章 电磁感应与现代生活 1

‎1.5　自感现象与日光灯 ‎[目标定位] 1.能分析通电自感和断电自感现象.2.能写出自感电动势的表达式，知道自感系数的决定因素.3.了解自感现象中的能量转化.4.了解日光灯的组成以及起辉器和镇流器的工作原理.‎ 一、日光灯电路 按图1所示电路连接日光灯电路，闭合开关，观察日光灯的发光过程，简单叙述其工作原理.‎ 图1‎ 答案　(1)闭合开关，电源把电压加在起辉器的两极，起辉器内氖气放电产生热量从而使起辉器内双金属片接触，电路导通.‎ ‎(2)电路接通后，起辉器中氖气停止放电，温度降低，双金属片分离，瞬间切断的电流使镇流器产生瞬时高压，使灯管内气体导电而发光.‎ ‎(3)日光灯正常发光时，镇流器起降压限流作用，保证日光灯正常工作.‎ ‎[要点总结]‎ ‎1.日光灯电路包括日光灯管、镇流器、起辉器、开关、导线等.‎ ‎2.起辉器的作用为自动开关.‎ 7‎ ‎3.镇流器是一个带铁心的多匝线圈，在启动时提供瞬时高压，点燃灯管之后起到降压限流的作用.‎ 例1　若将图2甲中起辉器换为开关S1，并给镇流器并联一个开关S2，如图乙所示，则下列叙述正确的是(　　)‎ 图2‎ A.只把S3接通，日光灯就能正常发光 B.把S3、S1接通后，S2不接通，日光灯就能正常发光 C.S2不接通，接通S3、S1后，再断开S1，日光灯就能正常发光 D.当日光灯正常发光后，再接通S2，日光灯仍能正常发光 答案　C 解析　一般日光灯启动的瞬间把电源、灯丝、镇流器接通后自动断开，靠镇流器产生瞬时高压，使灯管内气体导电，所以启动时既要使题图乙中S3闭合，又要使S1瞬间闭合再断开，A、B错，C对.正常工作时镇流器起降压限流作用，若把题图乙中S2闭合，则镇流器失去作用，日光灯不能正常工作，D错.‎ 二、自感现象 ‎1.通电自感：如图3，先闭合S，调节R2，使A1、A2的亮度相同，再调节R1使A1、A2正常发光，再断开S，再次闭合.根据楞次定律分析现象，观察两只灯泡在电路接通的瞬间发光情况有什么不同？‎ 图3‎ 答案　现象：灯泡A2立即发光，灯泡A1逐渐亮起来.‎ 原因：电路接通时，电流由零开始增加，穿过线圈L的磁通量逐渐增加，为了阻碍磁通量的增加，感应电流产生的磁通量与原来电流产生的磁通量方向相反，则线圈中感应电动势的方向与原来的电流方向相反，阻碍了L中电流的增加，即推迟了电流达到稳定值的时间.‎ ‎2.断电自感：如图4所示，先闭合开关使灯泡发光，然后断开开关.‎ 7‎ 图4‎ ‎(1)开关断开前后，流过灯泡的电流方向各怎样？‎ ‎(2)在断开过程中，有时灯泡闪亮一下再熄灭，有时灯泡只会缓慢变暗直至熄灭，请分析上述两种现象的原因是什么？‎ 答案　(1)S闭合时，灯泡A中电流向左，S断开瞬间，灯泡A中电流方向向右，所以开关S断开前后，流过灯泡的电流方向相反.‎ ‎(2)在电源断开后灯泡又闪亮一下的原因是灯泡断电后自感线圈中产生的感应电流比原线圈中的电流大.要想使灯泡闪亮一下再熄灭，就必须使自感线圈的电阻小于与之并联的灯泡电阻.而当线圈电阻大于或等于灯泡电阻时，灯泡只会延迟一段时间再熄灭.‎ ‎[要点总结]‎ ‎1.自感现象：由于通过导体本身的的电流发生变化时，在线圈中引起的电磁感应现象.‎ ‎2.自感电动势：自感现象中产生的感应电动势.‎ ‎3.当线圈中的电流增大时，自感电动势的方向与原电流方向相反；当线圈中电流减小时，自感电动势的方向与原电流方向相同.‎ ‎4.自感电动势总是阻碍线圈中电流的变化，但不能阻止线圈中电流的变化.‎ 对通电自感和断电自感现象的分析 ‎(1)通电瞬间自感电动势阻碍电流的增加，与线圈串联的灯泡在通电后会逐渐变亮，直到稳定.通电瞬间自感线圈处相当于断路，电流稳定时自感线圈相当于导体.‎ ‎(2)断电时自感线圈处相当于电源，若断电前，自感线圈电流大小IL大于灯泡的电流IA则灯会闪亮一下再熄灭；若断电前自感线圈中的电流IL小于或等于灯泡中的电流IA则灯泡不会闪亮，而是逐渐熄灭.要注意断电前后通过灯泡的电流方向是否变化.‎ 例2　如图5所示，电感线圈L的自感系数足够大，其直流电阻忽略不计，LA、LB是两个相同的灯泡，且在下列实验中不会烧毁，电阻R2阻值约等于R1的两倍，则 (　　)‎ 图5‎ A.闭合开关S时，LA、LB同时达到最亮，且LB更亮一些 7‎ B.闭合开关S时，LA、LB均慢慢亮起来，且LA更亮一些 C.断开开关S时，LA慢慢熄灭，LB马上熄灭 D.断开开关S时，LA慢慢熄灭，LB闪亮后才慢慢熄灭 答案　D 解析　由于灯泡LA与线圈L串联，灯泡LB与电阻R2串联，当S闭合的瞬间，通过线圈的电流突然增大，线圈产生自感电动势，阻碍电流的增加，所以LB先亮，由于LA所在的支路电阻阻值偏小，故稳定时电流大，即LA更亮一些，A、B错误；当S断开的瞬间，线圈产生自感电动势，两灯组成的串联电路中，电流从线圈中电流开始减小，即从IA减小，故LA慢慢熄灭，LB闪亮后才慢慢熄灭，C错误，D正确.‎ ‎1.分析通电自感需抓住三点：(1)通电瞬间自感线圈处相当于断路；(2)电流增大过程中自感线圈对电流有阻碍作用，使线圈中的电流从0逐渐增大到稳定值；(3)电流稳定时自感线圈相当于导体.‎ ‎2.断电自感时，由于自感电动势的作用，线圈中的电流从原值逐渐减小.若断开开关瞬间通过灯泡的电流大于断开开关前的电流，灯泡会闪亮一下；若断开开关瞬间通过灯泡的电流小于或等于断开开关前的电流，灯泡不会闪亮一下，而是逐渐变暗.‎ 例3　如图6所示的电路中，S闭合且稳定后流过电感线圈的电流是‎2 A，流过灯泡的电流是‎1 A，现将S突然断开，S断开前后，能正确反映流过灯泡的电流i随时间t变化关系的图像是(　　)‎ 图6‎ 答案　D 解析　开关S断开前，通过灯泡D的电流是稳定的，其值为‎1 A.开关S 7‎ 断开瞬间，自感线圈的支路由于自感现象会产生与线圈中原电流方向相同的感应电动势，使线圈中的电流从原来的‎2 A逐渐减小，方向不变，且同灯泡D构成回路，通过灯泡D的电流和线圈L中的电流相等，也应该是从‎2 A逐渐减小到零，但是方向与原来通过灯泡D的电流方向相反，D对.‎ 三、自感电动势的大小 ‎1.自感电动势的大小跟线圈内磁通量变化率和线圈本身的自感特性有关.‎ ‎2.自感电动势E的表达式：E＝L.其中L是自感系数，简称电感，单位：亨利，符号：H.1 mH＝10－3H；1 μH＝10－6 H.‎ ‎3.决定因素：与线圈的大小、形状、匝数，以及是否有铁心等因素有关，与E、ΔI、Δt等无关.‎ 例4　关于线圈中自感电动势的大小，下列说法中正确的是(　　)‎ A.电感一定时，电流变化越大，自感电动势越大 B.电感一定时，电流变化越快，自感电动势越大 C.通过线圈的电流为零的瞬间，自感电动势为零 D.通过线圈的电流为最大值的瞬间，自感电动势最大 答案　B 解析　电感一定时，电流变化越快，越大，由E＝L知，自感电动势越大，A错，B对；线圈中电流为零时，电流的变化率不一定为零，自感电动势不一定为零，故C错；当通过线圈的电流最大时，若电流的变化率为零，自感电动势为零，故D错.‎ ‎1.(对自感现象的理解)关于自感现象，下列说法正确的是(　　)‎ A.感应电流一定和原来的电流方向相反 B.对于同一线圈，当电流变化越大时，线圈产生的自感电动势也越大 C.对于同一线圈，当电流变化越快时，线圈的自感系数也越大 D.对于同一线圈，当电流变化越快时，线圈中的自感电动势也越大 答案　D 解析　当电流增大时，感应电流的方向与原来的电流方向相反，当电流减小时，感应电流的方向与原来的电流方向相同，故选项A错误；自感电动势的大小，与电流变化快慢有关，与电流变化大小无关，故选项B错误，D正确；自感系数只取决于线圈本身的因素，与电流变化情况无关，故选项C错误.‎ ‎2.(自感现象的分析)(多选)如图7所示电路中，、是两只相同的电流表，电感线圈L的直流电阻与电阻R阻值相等.下面判断正确的是(　　)‎ 7‎ 图7‎ A.开关S接通的瞬间，电流表的读数大于的读数 B.开关S接通的瞬间，电流表的读数小于的读数 C.开关S接通，电路稳定后再断开的瞬间，电流表的读数大于的读数 D.开关S接通，电路稳定后再断开的瞬间，电流表的读数等于的读数 答案　BD ‎3.(对日光灯电路的分析)(多选)关于日光灯电路，下列说法正确的是(　　)‎ A.起辉器在电路中起自动开关作用 B.正常使用时镇流器不起作用 C.如果把日光灯灯管两端的电极分别短路，日光灯仍能正常发光 D.如果日光灯在正常发光时，把起辉器取走，日光灯仍能正常发光 答案　AD 解析　起辉器起到自动开关作用，配合镇流器产生瞬时高电压启动灯管.日光灯正常发光时，起辉器可以取走.而镇流器在日光灯正常工作时起降压限流作用，不能取出.灯管两极短路后，日光灯将不能正常发光，故A、D项正确.‎ ‎4.(自感现象的图像问题)在如图8所示的电路中，两个相同的小灯泡L1和L2分别串联一个带铁心的电感线圈L和一个滑动变阻器R.闭合开关S后，调节R，使L1和L2发光的亮度一样，此时流过两个灯泡的电流均为I.然后，断开S.若t′时刻再闭合S，则在t′前后的一小段时间内，能正确反映流过L1的电流i1、流过L2的电流i2随时间t变化的图像是(　　)‎ 图8‎ 7‎ 答案　B 解析　与滑动变阻器R串联的L2，不受自感影响，直接变亮，电流变化图像如A中图线，C、D错误.与带铁心的电感线圈串联的L1，由于自感，电流逐渐变大，A错误，B正确.‎ B两点间电压UAB随时间t变化的图像中正确的是选项B.‎ 7‎