2020版高中物理第三章电磁感应第6讲自感现象涡流学案新人教版选修1-1

2020版高中物理第三章电磁感应第6讲自感现象涡流学案新人教版选修1-1

第6讲　自感现象　涡流 ‎[目标定位]　1.了解什么是自感现象、自感系数和涡流，知道影响自感系数大小的因素.2.了解自感现象和涡流的利用及其危害的防止.3.初步了解日光灯、电磁炉等家用电器的工作原理.‎ 一、自感现象 ‎1.线圈A中电流的变化引起的磁通量的变化，会在它自身激发感应电动势，这个电动势叫做自感电动势，这种现象叫做自感现象.‎ ‎2.电路中自感的作用是阻碍电流的变化.‎ 想一想　如图3－6－1所示的电路，L为自感线圈，A是一个灯泡，E是电源.当S闭合瞬间，通过灯泡的电流方向如何？当S切断瞬间，通过灯泡的电流方向如何？‎ 图3－6－1‎ 答案　当S闭合时，通过灯泡的电流方向为a→b；当S切断瞬间，由于电源提供给灯泡A及线圈的电流立即消失，因此线圈要产生一个自感电动势来阻碍原电流减小，所以线圈此时相当于一个电源，产生的自感电流和原电流方向相同，流经A时的方向是b→a.‎ 二、电感器 ‎1.线路中的线圈叫做电感器，电感器的性能用自感系数表示，简称自感.‎ ‎2.线圈越大、匝数越多，它的自感系数越大.给线圈中加入铁芯，自感系数比没有铁芯时大得多.‎ ‎3.交流电通过电感器时，由于线圈中的自感电动势总是阻碍电流的变化，所以电感器对交流电有阻碍作用.‎ ‎4.在自感系数很大、电流很强的电路中，切断电源的瞬间都会产生很大的自感电动势，使开关两端出现很高的电压，形成电弧.电弧不仅会烧蚀开关，有时还会危及人员的安全.‎ 想一想　自感现象中产生的自感电动势与线圈是否有关？可能与线圈的哪些因素有关？‎ 12‎ 答案　有关.与线圈的长度、大小、匝数及有无铁芯都有关.‎ 三、涡流及其应用 ‎1.只要空间有变化的磁通量，其中的导体中就会产生感应电流，我们把这种感应电流叫做涡流.‎ ‎2.利用涡流的热效应可以制成一种新型炉灶——电磁炉.金属探测器也是利用涡流工作的.‎ ‎3.涡流的热效应在许多场合是有害的.当电机、变压器绕组中通过交流时，在铁芯中会产生涡流.这会使铁芯过热，消耗电能，破坏绝缘.为了减少涡流，铁芯都用电阻率很大的硅钢片叠加.‎ 想一想　电流频率的高低对涡流有什么影响？如何减小涡流？‎ 答案　电流频率越高，涡流越强；减小电流的频率或增大电阻可减小涡流.‎ 一、自感现象及分析 ‎1.通电自感的分析 ‎(1)电路：如图3－6－2所示.‎ 图3－6－2‎ ‎(2)装置要求及作用：A1、A2规格相同，R的作用是使灯泡A1、A2亮度相同，R1的作用是使灯泡A1、A2均正常发光.‎ ‎(3)实验现象：S合上时，A2立即正常发光，A1逐渐亮起来，稳定后两灯亮度相同.‎ ‎(4)现象分析：在接通的瞬间，电路的电流增大，A2立刻亮起来；穿过线圈L的磁通量增加，线圈中产生自感电动势，这个自感电动势阻碍线圈中电流的增大，不能使电流立即达到最大值，所以A1只能逐渐亮起来.‎ ‎2.断电自感的分析 ‎(1)电路：如图3－6－3所示.‎ 12‎ 图3－6－3‎ ‎(2)装置要求：线圈L的电阻较小，目的是接通电路的灯泡正常发光时，通过线圈的电流IL大于通过灯泡的电流IA，即IL>IA.‎ ‎(3)实验现象：断开S时，发现灯泡A先闪亮一下，过一会儿才熄灭.‎ ‎(4)现象分析：电路断开的瞬间，通电线圈的电流突然减小，穿过线圈的磁通量也很快地减少，线圈中产生了感应电动势，此感应电动势阻碍线圈L电流的减小.由于S断开后，L、A形成闭合回路，L中的电流从IL逐渐减小，流过A的电流突然变为IL，然后再从IL逐渐减小到零，所以A先闪亮一下，再逐渐熄灭.‎ 特别提醒　灯泡的亮度由其电功率决定，功率越大，亮度越高.由于P＝I2R＝，故增加灯泡两端的电压或通电电流，灯泡都会变亮.‎ 例1　如图3－6－4所示为演示自感现象的实验电路，下列说法正确的是(　　 )‎ 图3－6－4‎ A.当闭合开关S时A1先亮 B.当闭合开关S时A2先亮 C.当断开开关S时A1先熄灭 D.当断开开关S时A2先熄灭 答案　B 解析　闭合开关时，由于自感电动势的阻碍作用，A1电路中的电流只能逐渐增大，所以A2先亮，选项A错误，B正确；当断开开关S时，L相当于电源，A1、A2、L、R组成闭合回路，电流由支路A1中的电流逐渐减小，所以A1、A2一起逐渐熄灭，选项C、D错误.‎ 针对训练1　如图3－6－5所示的电路，当开关闭合时，小灯泡将________(选填“逐渐”或“立刻”)变亮.当开关断开时，小灯泡将________(选填“逐渐”或“立刻”)熄灭.‎ 12‎ 图3－6－5‎ 答案　逐渐　立刻 解析　闭合开关时，由于电感器的自感电动势的阻碍作用，A中的电流只能逐渐增大，即小灯泡逐渐变亮；当开关断开时，由于小灯泡无法与其它用电器构成回路，虽然电感器中有自感电动势，但是没有自感电流，所以小灯泡立刻熄灭.‎ 二、涡流的利用及防止 ‎1.涡流的利用 ‎(1)涡流的热效应.可以利用涡流来加热，例如电磁炉和高频感应炉.‎ ‎(2)涡流的阻尼作用(称为电磁阻尼)，例如在一些电学测量仪表中，利用电磁阻尼仪表的指针迅速地停在它所测出的刻度上，以及高速机车制动的涡流闸等.‎ ‎(3)涡流探测，如探雷器等.‎ ‎2.涡流的防止 要减小涡流，可采用的方法是把整块铁芯改成薄片叠压的铁芯，增大回路电阻.例如电动机和变压器的铁芯都不是整块金属.‎ 例2　关于电磁炉，下列说法正确的是(　　)‎ A.电磁炉也利用了电磁感应原理 B.电磁炉可以用陶瓷锅做饭 C.电磁炉是利用涡流的典型例子 D.电磁炉工作时，锅与炉体是相互绝缘的 答案　ACD 解析　电磁炉的工作原理是电磁感应产生的涡流的热效应，A正确；电磁炉的锅应是金属材料，最好是铁锅.当铁锅与炉体绝缘时，铁锅内的涡流产生大量的热量，从而加热食物.B错误，C、D正确.‎ 针对训练2　变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成，而不采用一块整硅钢，这是为了(　　)‎ A.增大涡流，提高变压器的效率 B.减小涡流，提高变压器的效率 12‎ C.增大涡流，减小铁芯的发热量 D.减小涡流，减小铁芯的发热量 答案　BD 解析　涡流的主要效应之一就是发热，而变压器的铁芯发热，是我们不希望出现的.所以不采用整块硅钢，而采用薄硅钢片叠压在一起，目的是减小涡流，减小铁芯的发热量，进而提高变压器的效率.故B、D正确.‎ 对自感现象的理解 ‎1.下列说法中正确的是(　　)‎ A.电路中电流越大，自感电动势越大 B.电路中电流变化越大，自感电动势越大 C.线圈中电流均匀增大，线圈的自感系数也均匀增大 D.线圈中的电流为零时，自感电动势不一定为零 答案　D 解析　在自感一定的情况下，电流变化越快，自感电动势越大，与电流的大小、电流变化的大小没有必然的关系，A、B项错误；线圈的自感系数是由线圈本身的性质决定的，与线圈的大小、形状、匝数、有无铁芯等有关，而与线圈的电流的变化率无关，C项错误；线圈中的电流为零时，自感电动势不一定为零，D正确.‎ ‎2.关于线圈的自感系数大小的下列说法中，正确的是(　　)‎ A.通过线圈的电流越大，自感系数也越大 B.线圈中的电流变化越快，自感系数也越大 C.插有铁芯时线圈的自感系数会变大 D.线圈的自感系数与电流的大小、电流变化的快慢、是否有铁芯等都无关 答案　C 解析　自感系数是由电感器本身的因素决定的，包括线圈的大小、单位长度上的匝数，而且有铁芯时比无铁芯时自感系数要大.‎ 电感在电路中的作用 ‎3.如图3－6－6所示，L为一纯电感线圈(直流电阻不计)，A为一灯泡，下列说法正确的是(　　)‎ 12‎ 图3－6－6‎ A.开关S接通的瞬间，无电流通过灯泡 B.开关S接通后，电路稳定时，无电流通过灯泡 C.开关S断开的瞬间，无电流通过灯泡 D.开关S接通的瞬间及接通后电路稳定时，灯泡中均有从a到b的电流，而在开关断开瞬间，灯泡中则有从b到a的电流 答案　B 解析　开关S接通的瞬间，灯泡中的电流从a到b；S接通的瞬间，线圈由于自感作用，通过它的电流逐渐增大.开关S接通后，电路稳定时，纯电感线圈对电流无阻碍作用，将灯泡短路，灯泡中无电流通过.开关S断开的瞬间，由于线圈的自感作用，线圈中原有向右的电流将逐渐减小，该电流通过灯泡形成回路，故灯泡中有从b到a的瞬间电流.‎ 自感现象的应用与防止 ‎4.日光灯电路主要由镇流器、启动器和灯管组成，在日光灯正常工作的情况下(　　)‎ A.灯管点燃发光后，启动器中两个触片是分离的 B.灯管点燃发光后，镇流器起降压限流作用 C.镇流器起整流作用 D.镇流器给日光灯的开始点燃提供瞬间高压 答案　ABD 解析　日光灯在点燃时需要一个瞬时高压，在启动器的U形触片冷却收缩分离，使电路突然中断的瞬间，因镇流器的自感作用产生很高的自感电动势加在灯丝两端，使灯管中水银蒸汽导通，日光灯点燃，当日光灯正常发光时，启动器中触片是断开的，由于交流电不断通过镇流器的线圈，线圈中产生的自感电动势总是阻碍其电流的变化，这时镇流器的作用是降压、限流，以保证日光灯正常工作.‎ ‎(时间：60分钟)‎ 题组一、对自感现象的理解 ‎1.关于线圈中自感电动势的大小，下列说法中正确的是(　　)‎ 12‎ A.电感一定时，电流变化越大，电动势越大 B.电感一定时，电流变化越快，电动势越大 C.通过线圈的电流为零的瞬间，电动势为零 D.通过线圈的电流为最大值的瞬间，电动势最大 答案　B 解析　在电感一定的情况下电流变化越快即变化率越大，电动势越大，A项错，B项正确；电流为零的瞬间电流的变化率不一定为零，电流的值最大时电流的变化率不一定最大，所以C、D项错误.‎ ‎2.如图3－6－7所示，A、B为大小、形状均相同且内壁光滑，但用不同材料制成的圆管，竖直固定在相同高度.两个相同的磁性小球，同时从A、B管上端的管口无初速度释放，穿过A管的小球比穿过B管的小球先落到地面.下面对于两管的描述可能正确的是(　　)‎ 图3－6－7‎ A.A管是用塑料制成的，B管是用铜制成的 B.A管是用铝制成的，B管是用胶木制成的 C.A管是用胶木制成的，B管是用塑料制成的 D.A管是用胶木制成的，B管是用铝制成的 答案　AD 解析　磁性小球穿过金属圆管过程中，将圆管看作由许多金属圆环组成，小球的磁场使每个圆环中产生感应电流，电流阻碍磁性小球的下落，小球向下运动的加速度小于重力加速度；小球在塑料、胶木等非金属材料圆管中不会产生感应电流，小球仍然做自由落体运动，穿过塑料、胶木圆管的时间比穿过金属圆管的时间少.‎ ‎3.下列说法正确的是(　　)‎ A.当线圈中电流不变时，线圈中没有自感电动势 B.当线圈中电流不变时，线圈中自感电动势的方向不变 C.当线圈中电流增大时，线圈中自感电动势的方向与线圈中电流的方向相反 D.当线圈中电流减小时，线圈中自感电动势的方向与线圈中电流的方向相反 答案　AC 12‎ 解析　线圈中电流不变时，自身电流产生的磁场的磁通量不变，线圈中不可能产生自感电动势，选项A正确，选项B错误；当线圈中电流增大时，电流产生的磁场的磁通量增大，根据楞次定律可判断自感电动势的方向与原电流方向相反，选项C正确；同理可知选项D错误.‎ 题组二、电感在电路中的作用 ‎4.如图3－6－8所示，L为自感系数很大的线圈，其自身的电阻忽略不计，A、B是完全相同的两个小灯泡.在t＝0时刻闭合开关S，经过一段时间t1断开S.下列表示A、B两灯泡中电流i随时间t变化的图象中，正确的是(　　)‎ 图3－6－8‎ 答案　BD 解析　电键闭合时，由于电感线圈的阻碍作用，流过电感的电流慢慢增大，所以iB慢慢增大，iA慢慢减小，最后稳定时电感相当于一根导线，iA为0，iB最大；断开电键，原来通过B的电流立即消失，由于电感线圈阻碍自身电流变化，产生与原电流同方向的感应电流，此时电感线圈和灯泡A形成回路，流过灯泡A中的电流方向与原来流过灯泡A中的电流方向相反，且电流iA慢慢减小，最后为0，故A、C错误，B、D正确.‎ ‎5.如图3－6－9所示，电路甲、乙中电阻R和自感线圈L的电阻都很小.接通S，使电路达到稳定，灯泡A发光，则(　　)‎ 12‎ 图3－6－9‎ A.在电路甲中，断开S，A将渐渐变暗 B.在电路甲中，断开S，A将先变得更亮，然后渐渐变暗 C.在电路乙中，断开S，A将渐渐变暗 D.在电路乙中，断开S，A将先变得更亮，然后渐渐变暗 答案　AD 解析　甲图中，灯A与线圈L在同一支路，通过的电流相同；断开开关S时，A、L、R组成回路，由于自感作用，L中电流逐渐减小，灯不会闪亮一下，灯A将逐渐变暗，故A正确，B错误；乙图中，电路稳定时，通过上支路的电流IL>IA(因L的电阻很小)；断开开关S时，由于L的自感作用，回路中电流在IL的基础上减小，电流反向通过A的瞬间，A中电流变大，然后渐渐变小，所以灯A要闪亮一下，然后渐渐变暗，故C错误，D正确.‎ ‎6.如图3－6－10所示，开关S闭合且电路达到稳定时，小灯泡能正常发光，则(　　)‎ 图3－6－10‎ A.当S闭合瞬间，小灯泡将慢慢变亮 B.当S闭合瞬间，小灯泡立即变亮 C.当S断开瞬间，小灯泡慢慢熄灭 D.当S断开瞬间，小灯泡先闪亮一下，再慢慢熄灭 答案　A 解析　当S闭合瞬间，通过L的电流增大，自感电动势的方向与原电流方向相反，阻碍电流的增大，故A慢慢变亮；当S断开瞬间，A将立即熄灭，因为S断开，再无电流回路.‎ ‎7.如图3－6－11所示，灯LA、LB完全相同，带铁芯的线圈L的电阻可忽略.则(　　)‎ 12‎ 图3－6－11‎ A.S闭合瞬间、LA、LB同时发光，接着LA变暗，LB更亮，最后LA熄灭 B.S闭合瞬间，LA不亮，LB立即亮 C.S闭合瞬间，LA、LB都不立即亮 D.稳定后再断开S的瞬间，LB熄灭，LA比LB(断开S前)更亮 答案　A 解析　S接通的瞬间，L支路中电流从无到有发生变化，因此，L中产生的自感电动势阻碍电流增加.由于有铁芯，自感系数较大，对电流的阻碍作用也就很强，所以S接通的瞬间L中的电流非常小，即干路中的电流几乎全部流过LA.所以LA、LB会同时亮.又由于L中电流很快稳定，感应电动势很快消失，L的阻值因为很小，所以对LA起到“短路”作用，因此，LA便熄灭.这里电路的总电阻比刚接通时小，LB会比以前更亮，A正确，B、C错误；稳定后断开S瞬间，LB熄灭，LA与LB熄灭前一样亮，D错误.‎ ‎8.如图3－6－12所示，是测定自感系数很大的线圈L直流电阻的电路，L两端并联一只电压表，用来测量自感线圈的直流电压，在测量完毕后，将电路解体时应(　　)‎ 图3－6－12‎ A.先断开S1 B.先断开S2‎ C.先拆除电流表 D.先拆除电阻R 答案　B 解析　S1断开瞬间，L中产生很大的自感电动势，若此时S2闭合，则可能将电压表烧坏，故应先断开S2.‎ 题组三、涡流的应用及防止 ‎9.如图3－6－13所示是冶炼金属的高频感应炉的示意图.‎ 12‎ 冶炼炉内装入被冶炼的金属，线圈通入高频交变电流，这时被冶炼的金属就能被熔化.这种冶炼方法速度快，温度容易控制，并能避免有害杂质混入被冶炼的金属中，因此适于冶炼特种金属，该炉的加热原理(　　)‎ 图3－6－13‎ A.利用线圈中电流产生的焦耳热 B.利用红外线 C.利用交变电流的交变磁场在炉内金属中产生的涡流 D.利用交变电流的交变磁场所激发的电磁波 答案　C 解析　利用交变电流产生的交变磁场在引起炉内金属截面的磁通量变化时，使金属中产生感应电流，因整块金属的电阻相当小，所以感应电流很强，它在金属内自成回路流动时，形成漩涡状的电流，即涡流，涡流产生大量的焦耳热使炉内温度升高，金属熔化，故选C正确；当然线圈中也因有交变电流会产生一定的焦耳热，但它是相当少的，根本不可能使炉内温度高到使金属熔化的程度，故A错误；依题意B、D错误.‎ ‎10.如图3－6－14所示，是高频焊接原理示意图，线圈中通以高频交流电时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流通过焊缝时产生大量热量，将金属熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热很少，以下说法中正确的是(　　)‎ 图3－6－14‎ A.交流电的频率越高，焊缝处的温度升高得越快 B.交流电的频率越低，焊缝处的温度升高得越快 C.工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小 D.工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大 答案　AD 解析　线圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流的大小与感应电动势有关，电流变化的频率越高，电流变化得越快，感应电动势就越大，选项 12‎ A正确，B错误；工件上焊缝处的电阻大，电流产生的热量就多，选项C错误，D正确.‎ 12‎