《山东省专用2019_2020学年高中物理第四章电磁感应第6节互感和自感讲义含解析新人教版选修3_2.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《山东省专用2019_2020学年高中物理第四章电磁感应第6节互感和自感讲义含解析新人教版选修3_2.pdf（12页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第 6 节互感和自感第 6 节互感和自感 1当一个线圈中的电流变化时，会在另一个线圈中 产生感应电动势，这种现象叫互感，互感的过程 是一个能量传递的过程。 2当一个线圈中的电流变化时，会在它本身激发出 感应电动势，叫自感电动势，自感电动势的作用 是阻碍线圈自身电流的变化。 3 自感电动势的大小为EL， 其中L为自感系数， I t 它与线圈大小、形状、圈数，以及是否有铁芯等 因素有关。 4当电源断开时，线圈中的电流不会立即消失，说 明线圈中储存了磁场能。 一、互感现象 1定义 两个相互靠近的线圈，当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场会在另一个 线圈中产生感应电动势的现象。产生的电动势叫
2、做互感电动势。 2应用 互感现象可以把能量由一个线圈传递到另一个线圈，变压器、收音机的“磁性天线”就 是利用互感现象制成的。 3危害 互感现象能发生在任何两个相互靠近的电路之间。在电力工程和电子电路中，互感现象 有时会影响电路正常工作。 二、自感现象和自感系数 1自感现象 当一个线圈中的电流变化时，它产生的变化的磁场在它本身激发出感应电动势的现象。 2自感电动势 由于自感而产生的感应电动势。 3自感电动势的大小 EL，其中L是自感系数，简称自感或电感，单位：亨利，符号为 H。 I t 4自感系数大小的决定因素 自感系数与线圈的大小、形状、圈数，以及是否有铁芯等因素有关。 三、磁场的能量 1自感
3、现象中的磁场能量 (1)线圈中电流从无到有时：磁场从无到有，电源的能量输送给磁场，储存在磁场中。 (2)线圈中电流减小时：磁场中的能量释放出来转化为电能。 2电的“惯性” 自感电动势有阻碍线圈中电流变化的“惯性” 。 1自主思考判一判 (1)两线圈相距较近时，可以产生互感现象，相距较远时，不产生互感现象。() (2)在实际生活中，有的互感现象是有害的，有的互感现象可以利用。() (3)只有闭合的回路才能产生互感。() (4)线圈的自感系数与电流大小无关，与电流的变化率有关。() (5)线圈自感电动势的大小与自感系数L有关，反过来，L与自感电动势也有关。() (6)线圈中电流最大的瞬间可能没有自
4、感电动势。() 2合作探究议一议 (1)如何理解互感现象？ 提示：互感现象是一种常见的电磁感应现象，它不仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈 之间，而且可以发生于任何相互靠近的电路之间。 (2)断电自感现象中，为什么有的灯泡逐渐熄灭，有的灯泡闪亮后再逐渐熄灭？ 提示：断电前，流过灯泡的电流I1取决于灯泡两端的电压和灯泡自身的电阻，断电后， 流过灯泡的电流取决于线圈中的电流，设线圈中电流断电前为I2，断电后逐渐减小，则灯泡 中电流也由I2逐渐减小。 所以， 若I2I1， 灯泡中电流由I2逐渐减小， 灯泡逐渐变暗 ； 若I2I1， 灯泡中电流先增大后减小，灯泡闪亮后逐渐熄灭。 (3)断电自感现象中，在
5、断开开关后，灯泡仍然亮一会，是否违背能量守恒定律？ 提示：不违背。断电时，储存在线圈内的磁场能转化为电能，用以维持回路保持一定时 间的电流，直到电流为零时，磁场能全部转化为电能并通过灯泡(或电阻)转化为内能，可见 自感现象遵循能量守恒定律。 对通电自感的理解 如图所示的电路，两灯泡规格相同，接通开关后调节电阻R，使两个灯泡亮度相同，然后 断开电路，再次接通的瞬间： 条件现象原因 S 闭合A2先亮由于 A2支路为纯电阻，不产生自感现象 的瞬间A1逐渐亮起由于L的自感作用阻碍 A1支路电流增大 典例 如图所示，灯 L1、 L2完全相同，带铁芯的线圈L的电阻可 忽略，则( ) A S 闭合的瞬间，L
6、1、 L2同时发光，接着 L1变暗，L2更亮，最后 L1熄灭 BS 闭合瞬间，L1不亮，L2立即亮 CS 闭合瞬间，L1、L2都不立即亮 D稳定后再断开 S 的瞬间，L2熄灭，L1比 L2(原先亮度)更亮 思路点拨 解答本题应把握以下两点： (1)闭合 S 瞬间，线圈L由于自感，对电流有阻碍作用，等稳定后，由于线圈L的电阻可 忽略，所以相当于短路。 (2)断开 S 的瞬间，线圈L由于自感，且线圈L与灯泡 L1组成了回路，所以电流不会立即 消失。 解析 S 接通的瞬间，线圈L支路中电流从无到有发生变化，因此，线圈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较
7、强，所以 S 接通的瞬间线圈L中的电流非常小，即干路中的电流几乎全部流过 L1、L2，所以 L1、L2会同 时亮。 又由于线圈L中电流很快稳定， 感应电动势很快消失，L的阻值可忽略， 对 L1起到 “短路” 作用，因此，L1熄灭。这时电路的总电阻比刚接通时小，由恒定电流知识可知，L2会比以前 更亮。 稳定后再断开 S 的瞬间，L2立即熄灭，L1由于线圈产生感应电动势而亮一下再熄灭，断 开 S 前流过线圈L的电流和流过灯 L2的电流相同， 所以断开 S 时， L1与 L2断开前的亮度一样， 故 B、C、D 错误，A 正确。 答案 A (1)当流过线圈的电流从零开始增大，也可理解为线圈的电阻由无穷
8、大逐渐减小到零。 (2)当流过线圈中的电流稳定后，线圈相当于导线；如果线圈对电流有阻碍作用，则相当 于纯电阻。 1.如图所示，多匝线圈和电池的内阻均为零，两个电阻的阻值均为R，开关 S 断开时，电 路中的电流为I。现将 S 闭合，于是电路中产生自感电动势，此自感 电动势的作用是( ) A使电路中的电流减小，最后由I减小到零 B有阻碍电流的作用，最后电流小于I C有阻碍电流增大的作用，故电流总保持不变 D有阻碍电流增大的作用，但电流还是增大，最后变为 2I 解析：选 D 当 S 闭合后，电路总电阻减小，电流增大，线圈产生自感电动势阻碍电流增 大，但“阻碍”并不是“阻止” ，电流最终仍增大到 2I
9、，故只有选项 D 正确。 2.多选如图所示的电路中， 电源电动势为E， 内阻r不能忽略。R1和R2是两个定值电阻，L是 一个自感系数较大，电阻可忽略的线圈。开关 S 原来是断开的，从闭合开关 S 到电路中电流 达到稳定为止的时间内，通过R1的电流I1和通过R2的电流I2的变化情况是( ) AI1开始较大而后逐渐变小 BI1开始很小而后逐渐变大 CI2开始很小而后逐渐变大 DI2开始较大而后逐渐变小 解析：选 AC 闭合开关 S 时，由于L是一个自感系数较大的线圈，产生反向的自感电动 势阻碍电流的变化，所以开始I2很小，随着电流达到稳定，自感作用减小，I2开始逐渐变大。 闭合开关 S 时，由于线
10、圈阻碍作用很大，路端电压较大，随着自感作用减小，路端电压减小， 所以R1上的电压逐渐减小，电流逐渐减小，故 A、C 正确。 3.如图所示，电路中电源内阻不能忽略，R阻值和L的自感系数都很 大，A、B 为两个完全相同的灯泡，当 S 闭合时，下列说法正确的是 ( ) AA 比 B 先亮，然后 A 熄灭 BB 比 A 先亮，然后 A 逐渐变亮 CA、B 一起亮，然后 A 熄灭 DA、B 一起亮，然后 B 熄灭 解析：选 B 闭合开关的一瞬间，由于线圈中自感电动势的阻碍，B 灯先亮，A 灯后亮， 然后 A 中电流逐渐增大，A 灯逐渐变亮。B 正确。 对断电自感的理解 1对断电自感的理解 (1)如图所示
11、， 当电流处于稳定状态时， 流过L的电流为I1 (电 E r 源 内 阻不计)，方向由ab；流过灯泡 A 的电流I2 ， 断开 S 的瞬间，I2立即消 E R 失 ， 而由于线圈的自感，I1不会马上消失， 线圈力图维持I1的存在，所以线 圈上产生一个b端为正、a端为负的自感电动势，与灯泡组成abcd回路，此时流过 A 的电流 则由I2变成I1，方向由dc变成cd。可见通过 A 的电流大小与方向都发生了变化。 (2)灯泡中的电流是否增大一下再减小(也就是灯泡是否闪亮一下再熄灭)， 取决于I2与I1 谁大谁小，也就是取决于R和r谁大谁小。 如果Rr，就有I1I2，灯泡会先更亮一下再渐渐熄灭。 如果
12、Rr，灯泡会由原来亮度渐渐熄灭。 如果RIA， 则 A 灯熄灭前要闪亮一下， 若RL2RA， 原来的电流IL2IA， 则 A 灯逐渐熄灭 等效 理解 电感线圈的作用相当于一个阻值无穷 大的电阻短时间内减小为电感线圈的 直流电阻 电感线圈的作用相当于一个瞬时电源 (电源电动势在短时间内减小为零) 3电阻和电感在电路中的区别 类型项目电阻R电感L 阻碍作用对电流有阻碍作用对变化的电流有阻碍作用 表示导线发热产生自感现象 大小因素 电阻越大，对电流的阻碍作用越 大， 电流一定时产生的电势差越大 电感越大， 电流变化越快， 对电流 的阻碍作用越大， 产生的自感电动 势越大 决定因素长度、横截面积、电阻
13、率、温度 线圈的大小、 形状、 有无铁(或磁) 芯以及匝数等 典例 (2017北京高考)图 1 和图 2 是教材中演示自感现象的两个电路图，L1和L2为 电感线圈。实验时，断开开关 S1瞬间，灯 A1突然闪亮，随后逐渐变暗；闭合开关 S2，灯 A2逐 渐变亮，而另一个相同的灯 A3立即变亮，最终 A2与 A3的亮度相同。下列说法正确的是( ) A图 1 中，A1与L1的电阻值相同 B图 1 中，闭合 S1，电路稳定后，A1中电流大于L1中电流 C图 2 中，变阻器R与L2的电阻值相同 D图 2 中，闭合 S2瞬间，L2中电流与变阻器R中电流相等 思路点拨 (1)断开 S1时 A1闪亮，说明断开
14、 S1前，L1中的电流大于 A1中的电流。 (2)闭合 S2稳定后 A2与 A3亮度相同，说明稳定时两支路总电阻大小相等。 解析 题图 1 中， 稳定时通过 A1的电流记为I1， 通过L1的电流记为IL。 S1断开瞬间， A1 突然变亮，可知ILI1，因此 A1和L1电阻不相等，所以 A、B 错误；题图 2 中，闭合 S2时，由 于自感作用，通过L2与 A2的电流I2会逐渐增大，而通过R与 A3的电流I3立即变大，因此电 流不相等，所以 D 错误；由于最终 A2与 A3亮度相同，所以两支路电流I相同，根据部分电路 欧姆定律，两支路电压U与电流I均相同，所以两支路电阻相同。由于 A2、A3完全相
15、同，故 变阻器R与L2的电阻值相同，所以 C 正确。 答案 C 通、断电自感现象的判断技巧 (1)通电时线圈产生的自感电动势阻碍电流的增加且与电流方向相反，使电流相对缓慢地 增加。 (2)断电时线圈产生的自感电动势与原电流方向相同，在与线圈串联的回路中，线圈相当 于电源，它提供的电流逐渐变小。 (3)电流稳定时，若线圈有电阻时就相当于一个定值电阻，若不计线圈的电阻时就相当于 一根导线。 1.多选如图所示， 两个标有 “6 V 1.2 W” 的相同灯泡 L1、 L2， 分 别与电阻R和电感线圈L相连后接在内阻r1 的电源两端，闭合 开关 S，稳定后，两灯泡均正常发光，已知电感线圈的自感系数很 大
16、，电阻R的阻值为 5 ， 则( ) A电感线圈的直流电阻为 5 B电源的电动势为 7.4 V C断开开关 S 的瞬间，灯泡 L2先熄灭 D断开开关 S 的瞬间，线圈的自感电动势为 14 V 解析：选 ABD 当闭合开关 S 电路稳定后，灯泡 L1、L2两端的电压均为 6 V，流过的电流 均为 0.2 A，电感线圈L的直流电阻也为 5 ，故选项 A 正确；根据部分电路欧姆定律UIR 可知，电阻R两端的电压为 1 V，根据闭合电路欧姆定律可知，电源的电动势为 7.4 V，故选 项 B 正确；断开开关 S 的瞬间，由于电感线圈的自感电动势，两灯泡上的电流均从 0.2 A 逐渐 减小，最后一起熄灭，C
17、 错误；断开 S 的瞬间，线圈作为电源与 L1、L2、R形成闭合电路，电 流此时为 0.2 A，由闭合电路欧姆定律可得：EUL1UL2IRIRL14 V，D 正确。 2.如图所示的电路，可用来测定自感系数较大的线圈的直流电 阻，线圈两端并联一个电压表，用来测量自感线圈两端的直流电压， 在实验完毕后，将电路拆开时应( ) A先断开开关 S1 B先断开开关 S2 C先拆去电流表 D先拆去电阻R 解析：选 B 该电路实际上就是伏安法测电感线圈的直流电阻的电路，在实验完毕后，由 于线圈的自感问题，若电路拆去的先后顺序不对，可能会烧坏电表。当 S1、S2闭合，电路稳 定时，线圈中的电流方向是ab，电压表
18、右端为“” ，左端为“” ，指针正向偏转，若先 断开 S1或先拆电流表或先拆去电阻R瞬间，线圈中产生的自感电动势相当于瞬间电源，其a 端相当于电源的负极，b端相当于电源的正极，此时电压表两端被加了一个反向电压，指针反 偏。由“自感系数较大的线圈”知其反偏电压很大，会烧坏电压表。先断开 S2，由于电压表 内阻很大，电路中总电阻变化很小，电流几乎不变，不会损坏其他器件，故应先断开 S2。 3.如图所示的电路中，电源的电动势为E，内阻为r，电感L的电阻不计，电阻R的阻值 大于灯泡 D 的阻值，在t0 时刻闭合开关 S，经过一段时间后，在tt1时刻断开 S，下列表 示A、B两点间电压UAB随时间t变化
19、的图像中，正确的是( ) 解析：选 B 开关闭合时，线圈由于自感对电流的阻碍作用，可看做电阻，线圈电阻逐渐 减小，并联电路电阻逐渐减小，电压UAB逐渐减小；开关闭合后再断开时，线圈的感应电流与 原电流方向相同， 形成回路， 灯泡的电流与原电流方向相反， 并逐渐减小到 0。 综上所述可知 B 图正确。 1关于线圈的自感系数，下面说法正确的是( ) A线圈的自感系数越大，自感电动势一定越大 B线圈中电流等于零时，自感系数也等于零 C线圈中电流变化越快，自感系数越大 D线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁芯决定 解析：选 D 自感系数是线圈本身的固有属性，只决定于线圈长短、粗细、匝数、有无铁 芯等
20、因素，而与电流变化快慢等外部因素无关。自感电动势的大小与线圈自感系数及电流变 化率有关，A、B、C 错，D 对。 2.在同一铁芯上绕着两个线圈，单刀双掷开关原来接在点“1” ， 现把它从“1”扳向“2” ， 如图所示。试判断在此过程中，在电阻R上 的电流方向是( ) A先由PQ，再由QP B先由QP，再由PQ C始终由QPD始终由PQ 解析 ： 选 C S 从 “1” 扳开瞬间，B中磁通量减小， 由楞次定律及安培定则得R上电流由QP； 接触“2”的瞬间，B中磁通量反向增加，R上电流由QP。故正确选项为 C。 3.图中L是绕在铁芯上的线圈，它与电阻R、电阻R0、开关 S1和电 池E可构成闭合回路
21、。 线圈上的箭头表示线圈中电流的正方向。当电流 的流向与箭头所示的方向相同时，该电流为正， 否则为负。 开关 S1和 S2都处于断开状态。设 在t0 时刻，接通开关 S1，经过一段时间， 在tt1时刻，再接通开关 S2，则能正确表示L中 的电流I随时间t的变化图线是( ) 解析 ： 选 A 在t0 时刻， 接通开关 S1， 通过线圈的电流从无到有， 因自感电动势的产生， 电流逐渐增大直到稳定，在tt1时刻，再接通 S2时，线圈中的电流将减小，因自感电动势 的存在，电流逐渐减小为零，由楞次定律可知，线圈中电流的方向不变，故只有选项 A 正确。 4.如图所示，闭合电路中的螺线管可自由伸缩，螺线管有
22、一定的长 度，灯泡具有一定的亮度。若将一软铁棒从螺线管左边迅速插入螺线管 内，则将看到( ) A灯泡变暗 B灯泡变亮 C螺线管缩短 D螺线管长度不变 解析：选 A 当软铁棒插入螺线管中时，穿过螺线管的磁通量增加，故产生反向的自感电 动势，使总电流减小，灯泡变暗，每匝线圈间同向电流吸引力减小，螺线管变长。 5如图甲所示，A、B两绝缘金属环套在同一铁芯上，A环中电流iA随时间t的变化规律 如图乙所示，下列说法中正确的是( ) At1时刻，两环间作用力最大 Bt2和t3时刻，两环相互吸引 Ct2时刻两环相互吸引，t3时刻两环相互排斥 Dt3和t4时刻，两环相互吸引 解析：选 B t1时刻B环中感应电
23、流为零，故两环间无相互作用，A 错误；t2时刻A环中 电流在减小，则B环中产生与A环中同向的电流，故两环相互吸引，同理t3时刻两环也相互 吸引，故 B 正确，C 错误；t4时刻A环中电流为零，两环无相互作用，D 错误。 6.在如图所示的电路中，a、b 为两个完全相同的灯泡，L为自感 系数较大而电阻不能忽略的线圈，E为电源，S为开关。关于两灯泡点 亮和熄灭的情况，下列说法正确的是( ) A闭合开关，a 先亮，b 后亮，稳定后 a、b 一样亮 B闭合开关，b 先亮，a 后亮，稳定后 b 比 a 更亮一些 C断开开关，a 逐渐熄灭，b 先变得更亮后再与 a 同时熄灭 D断开开关，b 逐渐熄灭，a 先
24、变得更亮后再与 b 同时熄灭 解析 ： 选 B 由于线圈的自感作用，闭合开关，b 先亮，a 后亮，由于线圈的电阻不能忽略， 稳定后，b 比 a 亮，选项 A 错误，B 正确；断开开关，a 逐渐变暗，b 先变得更暗再逐渐变暗， 同时熄灭，选项 C、D 错误。 7.某同学为了验证断电自感现象， 自己找来带铁芯的线圈L、 小灯 泡 A、 开关 S 和电池组E， 用导线将它们连接成如图所示的电路。检查 电路后，闭合开关 S，小 灯泡发光 ； 再断开开关 S，小灯泡仅有不显著的 延时熄灭现象。虽经 多次重复，仍未见老师演示时出现的小灯泡闪亮现象，他冥思苦想找不出 原因。你认为最有可能造成小灯泡未闪亮的原
25、因是( ) A电源的内阻较大 B小灯泡电阻偏大 C线圈电阻偏大 D线圈的自感系数较大 解析：选 C 在断电自感现象中，断电时线圈与小灯泡构成回路，线圈中储存的磁场能转 化为电能，线圈相当于电源，自感电动势E自L，与原电源无关，选项 A 错误；如果小灯 I t 泡电阻偏大，则通过线圈的电流较大，断电时可能看到显著的延时熄灭现象和小灯泡闪亮现 象，选项 B 错误；如果线圈电阻偏大，则通过线圈的电流较小，断电时只能看到不显著的延 时熄灭现象，且小灯泡不会出现闪亮现象，选项 C 正确；如果线圈的自感系数较大，则自感 电动势较大，可能看到显著的延时熄灭现象和小灯泡闪亮现象，选项 D 错误。 8.如图所示
26、，电路中 A、B 是两个完全相同的灯泡，L是一个自感系数很 大、电阻可忽略的自感线圈，C是电容很大的电容器。 当S刚闭合与闭合之后， A、 B 灯泡的发光情况是( ) AS 刚闭合后，A 亮一下又逐渐熄灭，B 逐渐变亮 BS 刚闭合后，B 亮一下又逐渐变暗，A 逐渐变亮 CS 闭合足够长时间后，A 和 B 一样亮 DS 闭合足够长时间后，A、B 都熄灭 解析：选 A S 刚闭合后，A、B 都变亮，之后 A 逐渐熄灭，B 逐渐变亮，选项 A 正确，B 错误；S 闭合足够长时间后，A 熄灭，B 一直亮，选项 C、D 错误。 9.在制作精密电阻时，为了消除使用过程中由于电流变化而引起的自感 现象，采
27、取了双线绕法，如图所示，其道理是( ) A当电路中的电流变化时，两股导线中产生的自感电动势互相抵消 B当电路中的电流变化时，两股导线中产生的感应电流互相抵消 C当电路中的电流变化时，两股导线中产生的磁通量互相抵消 D以上说法均不对 解析：选 C 由于采用了双线绕法，两根平行导线中的电流反向，它们产生的磁通量相互 抵消。不论导线中的电流如何变化，线圈中的磁通量始终为零，所以消除了自感现象的影响。 10多选在如图所示电路中，A、B 是两个完全相同的灯泡，L是一个理想电感线圈， 下列说法正确的是( ) AS 闭合时，A 立即亮，然后逐渐熄灭 BS 闭合时，B 立即亮，然后逐渐熄灭 CS 闭合足够长时
28、间后，B 发光，而 A 不发光 DS 闭合足够长时间后，B 不发光，而 A 逐渐熄灭 解析：选 AC S 闭合时，灯泡 A 与线圈并联，然后再与灯泡 B 串联，由于L是一个理想 电感线圈，所以在闭合瞬间L中会产生一个很大的阻抗，导致线圈类似断开，电流从电阻流 向 A 再流向 B 最后回到电源负极，故 A、B 立即亮，当电路稳定后，线圈中的阻抗消失，电阻 恢复到零，灯泡 A 被短路，故 A 熄灭，B 变得更亮，A、C 正确。 11.如图所示，电源的电动势E15 V，内阻忽略不计，R15 ，R215 ，电感线圈的电阻不计，求当开关 S 接通的瞬间、S 接通达到稳定时及 S 断开的瞬间流过R1的电流
29、。 解析：开关接通瞬间，L所在的支路处于断路状态，流过R1的电流 为 0。 稳定时，L相当于无阻导线 I13 A E R1 S 断开瞬间，R1中的电流仍为I13 A。 答案：见解析 12如图所示是一种触电保护器，变压器A处用双股相线(火线)和零线平行绕制成线圈， 然后接到用电器上，B处有一个输出线圈，一旦有电流，经放大后便能立即推动继电器 J 切断 电源，下列情况下能起保护作用的是哪一种？说明理由。 (1)增加开灯的盏数，能否切断电源？ (2)双手分别接触相线和零线，能否切断电源？ (3)单手接触相线，脚与地相接触而触电，能否切断电源？ 解析：(1)不能。 因A处线圈是采用的双绕法，增加开灯的盏数只会使电路中电流增大，但A中两线中电 流始终大小相等方向相反， 磁通量相互抵消，B中磁通量不发生改变， 故不能推动 J 切断电源。 (2)不能。理由同(1)。 (3)能。因为有电流通过人体而流入地下，使A中两股电流大小不相等，B中磁通量发生 改变，B中产生感应电流，从而推动 J 切断电源。 答案：见解析