第二章4　互感和自感1.了解自感現(xiàn)象和互感現(xiàn)象的概念,會用其解釋自然現(xiàn)象,解決實際問題。(物理觀念)2.能在問題情境中應(yīng)用楞次定律判斷自感電動勢的方向,知道自感電動勢的大小符合法拉第電磁感應(yīng)定律。(科學(xué)思維)3.通過實驗觀察通電自感和斷電自感現(xiàn)象,并能解釋其工作原理。(科學(xué)探究)基礎(chǔ)落實·必備知識全過關(guān)重難探究·能力素養(yǎng)全提升目錄索引 學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)基礎(chǔ)落實·必備知識全過關(guān)一、互感現(xiàn)象1.定義:兩個相互靠近的線圈之間沒有導(dǎo)線相連,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　　　　　　　的現(xiàn)象。這種感應(yīng)電動勢叫作互感電動勢。?2.應(yīng)用:利用互感現(xiàn)象可以把能量由一個線圈傳遞到另一個線圈,變壓器、收音機(jī)的“磁性天線”就是利用　　　 　制成的。?3.危害:互感現(xiàn)象能發(fā)生在任何兩個　　　　　的電路之間。在電力工程和電子電路中,互感現(xiàn)象有時會影響電路正常工作。?感應(yīng)電動勢 互感現(xiàn)象相互靠近二、自感現(xiàn)象、自感系數(shù)、磁場的能量1.自感現(xiàn)象:當(dāng)一個線圈中的電流變化時,它所產(chǎn)生的變化的磁場在　　　　　　激發(fā)出感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象。?2.自感電動勢:由于　　　　而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢。?3.自感電動勢的大小:E=L ,其中L是自感系數(shù),簡稱__________　　　　或　　　　,單位:　　　,符號為H。?4.自感系數(shù)大小的決定因素:自感系數(shù)與線圈的　　　　、　　　　、　　　　,以及是否有　　　　等因素有關(guān)。?由線圈自身決定 線圈本身自感自感電感亨利大小形狀匝數(shù)鐵芯5.自感現(xiàn)象中的磁場能量(1)線圈中電流從無到有時:磁場從無到有,電源的能量輸送給　　　,儲存在　　　中。?(2)線圈中電流減小時:　　　　中的能量釋放出來轉(zhuǎn)化為　　　　。?6.自感電動勢有阻礙線圈中電流　　　　的性質(zhì)。?符合楞次定律 磁場　磁場　磁場　電能變化情境鏈接把手機(jī)耳機(jī)與原線圈連在一起,手機(jī)內(nèi)的揚(yáng)聲器與副線圈連在一起,用手機(jī)播放音樂,當(dāng)把原線圈插入副線圈時,耳機(jī)中會播放音樂,試說明原理。提示 手機(jī)播放音樂時,在與揚(yáng)聲器相連的副線圈中有變化的電流,使副線圈周圍產(chǎn)生變化的磁場,當(dāng)把原線圈插入副線圈時,在原線圈中產(chǎn)生變化的感應(yīng)電流,聲音通過耳機(jī)播放出來。教材拓展手機(jī)可以無線充電,如圖所示,試說明其原理。提示 交流電源對充電底座供電,充電底座內(nèi)的送電線圈產(chǎn)生交變磁場,從而使手機(jī)內(nèi)的受電線圈產(chǎn)生交變電流,再經(jīng)整流電路轉(zhuǎn)變成直流電后對手機(jī)電池充電。易錯辨析(1)兩個線圈之間必須有導(dǎo)線相連,才能產(chǎn)生互感現(xiàn)象。(　　)(2)兩個線圈相距較近時,可以產(chǎn)生互感現(xiàn)象,相距較遠(yuǎn)時,不產(chǎn)生互感現(xiàn)象。(　　)(3)互感現(xiàn)象可以把能量從一個線圈傳到另一個線圈。(　　)(4)自感現(xiàn)象中,感應(yīng)電動勢一定和原電流方向相反。(　　)× 提示 兩個線圈之間產(chǎn)生互感現(xiàn)象不需要導(dǎo)線相連。 × 提示 線圈相距較近時互感現(xiàn)象很顯著,相距較遠(yuǎn)時仍有微弱的互感現(xiàn)象。 √ × 提示 自感現(xiàn)象中感應(yīng)電動勢的方向遵從楞次定律。當(dāng)原電流減小時,自感電動勢與原電流方向相同;當(dāng)原電流增大時,自感電動勢與原電流方向相反。(5)線圈中產(chǎn)生的自感電動勢較大時,其自感系數(shù)一定較大。(　　)× (6)對于同一線圈,當(dāng)電流變化較快時,線圈中的自感電動勢也較大。(　　) 提示 自感電動勢的大小E=L ,所以自感電動勢大不一定是自感系數(shù)大,也有可能是電流的變化率大?！?提示 由E=L 知,對于同一線圈,自感系數(shù)一定,電流變化越快,線圈中產(chǎn)生的自感電動勢也越大。重難探究·能力素養(yǎng)全提升探究點一　互感現(xiàn)象在法拉第的實驗中兩個線圈并沒有用導(dǎo)線連接,當(dāng)一個線圈中的電流變化時,在另一個線圈中為什么會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢呢?要點提示 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。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)生于任何兩個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?！纠?】 如圖甲所示,A、B兩絕緣金屬環(huán)套在同一鐵芯上,A環(huán)中電流iA隨時間t的變化規(guī)律如圖乙所示,下列說法正確的是(　　)A.t1時刻,兩環(huán)作用力最大B.t2和t3時刻,兩環(huán)相互吸引C.t2時刻兩環(huán)相互吸引,t3時刻兩環(huán)相互排斥D.t3和t4時刻,兩環(huán)相互吸引B解析 t1時刻B環(huán)中感應(yīng)電流為零,故兩環(huán)作用力為零,A錯誤;t2和t3時刻A環(huán)中電流在減小,則B環(huán)中產(chǎn)生與A環(huán)中同向的電流,故相互吸引,B正確,C錯誤;t4時刻A環(huán)中電流為零,兩環(huán)無相互作用,D錯誤。1.在同一鐵芯上繞著兩個線圈,單刀雙擲開關(guān)原來接在1處,現(xiàn)把它從1扳到2,如圖所示,試判斷在此過程中,在電阻R上的電流方向是(　　)A.先由P→Q,再由Q→PB.先由Q→P,再由P→QC.始終由Q→PD.始終由P→QC解析 開關(guān)由1扳到2,線圈A中電流產(chǎn)生的磁場開始由左向右,先減小后反向增加,由楞次定律可得R中電流由Q→P,C正確。探究點二　自感現(xiàn)象(1)無軌電車在行駛過程中,車頂上的車弓處為什么會產(chǎn)生電火花? 要點提示 由于車身顛簸,會使車弓瞬間離開電網(wǎng);由于自感現(xiàn)象,電車內(nèi)部的電動機(jī)的線圈會產(chǎn)生一個較大的瞬時自感電動勢;由于這個電動勢較大,使車弓與電網(wǎng)之間的空氣電離,產(chǎn)生放電現(xiàn)象。(2)斷開正在工作的電動機(jī)的開關(guān)時,會產(chǎn)生電火花,這是為什么? 要點提示 電動機(jī)中的線圈匝數(shù)很多,當(dāng)電路開關(guān)斷開時會產(chǎn)生很大的自感電動勢,使得開關(guān)中的金屬片之間產(chǎn)生電火花。1.自感現(xiàn)象自感現(xiàn)象是一種電磁感應(yīng)現(xiàn)象,遵守法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律。2.自感電動勢(1)產(chǎn)生原因通過線圈的電流發(fā)生變化,導(dǎo)致穿過線圈的磁通量發(fā)生變化,因而在原線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。(2)方向當(dāng)原電流增大時,自感電動勢的方向與原電流方向相反;當(dāng)原電流減小時,自感電動勢的方向與原電流方向相同(即增反減同)。(3)作用阻礙原電流的變化,而不是阻止,原電流仍在變化,只是使原電流的變化時間變長,即總是起著推遲電流變化的作用。3.電感線圈的阻礙作用(1)若電路中的電流正在改變,電感線圈會產(chǎn)生自感電動勢阻礙電路中電流的變化,使得通過電感線圈的電流不能突變。(2)若電路中的電流是穩(wěn)定的,電感線圈相當(dāng)于一段導(dǎo)線,其阻礙作用是由繞制線圈的導(dǎo)線的電阻引起的。(3)線圈通電和斷電時線圈中電流的變化規(guī)律如圖。特別提示　閉合開關(guān)瞬間時,線圈相當(dāng)于斷路;斷開開關(guān)瞬間,線圈相當(dāng)于電源?！纠?】 如圖所示的電路中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,其直流電阻阻值與R相同。在開關(guān)S閉合和斷開時,燈泡A1和A2亮暗的順序是(　　)A.S閉合時A1先達(dá)最亮,S斷開時A1后滅B.S閉合時A2先達(dá)最亮,S斷開時A1后滅C.S閉合時A1先達(dá)最亮,S斷開時A1先滅D.S閉合時A2先達(dá)最亮,S斷開時A1先滅A解析 當(dāng)開關(guān)S閉合時,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路通過A2和R,所以A1先達(dá)最亮,經(jīng)過一段時間電路穩(wěn)定后,A1和A2達(dá)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。方法技巧　自感現(xiàn)象的分析思路明確通過自感線圈的電流的變化情況(增大還是減小)↓根據(jù)“增反減同”,判斷自感電動勢的方向↓分析阻礙的結(jié)果:電流增強(qiáng)時,由于自感電動勢的作用,線圈中電流逐漸增大,與線圈串聯(lián)的元件中的電流也逐漸增大;電流減小時,由于自感電動勢的作用,線圈中電流逐漸減小,與線圈串聯(lián)的元件中的電流也逐漸減小2.在如圖所示的電路中,a、b、c為三個完全相同的燈泡,L是一個自感系數(shù)很大、直流電阻為零的自感線圈,E為電源,S為開關(guān)。關(guān)于三個燈泡,下列說法正確的是(　　)A.閉合開關(guān),c、b先亮,a后亮B.閉合開關(guān)一會兒后,a、b、c一樣亮C.斷開開關(guān),b、c同時熄滅,a緩慢熄滅D.斷開開關(guān),c馬上熄滅,b閃一下后和a一起緩慢熄滅A解析 開關(guān)S閉合瞬間,流過線圈L的電流增大,線圈中產(chǎn)生自感電動勢,阻礙電流的增大,則b、c先亮,a后亮,故A正確;閉合開關(guān)一會兒后,因線圈中電流恒定,線圈L相當(dāng)于導(dǎo)線,所以a、b一樣亮,c的電流是a、b的電流之和,故c比a、b更亮,B錯誤;斷開開關(guān)S的瞬間,由自感的特性可知L和a、b組成的回路中有電流,導(dǎo)致a、b一起緩慢熄滅,而c沒有電流通過,所以馬上熄滅,因a與b的電流是相等的,b不會閃一下再熄滅,故C、D錯誤。探究點三　自感系數(shù)、磁場的能量1.自感電動勢的大小跟什么因素有關(guān)? 2.如圖所示,為什么電路板上電感線圈尺寸大小和匝數(shù)不一樣? 要點提示 自感電動勢的大小跟其他感應(yīng)電動勢的大小一樣,跟穿過線圈的磁通量的變化快慢有關(guān)。而在自感現(xiàn)象中,穿過線圈的磁通量是由電流引起的,故自感電動勢的大小跟導(dǎo)體中電流變化的快慢有關(guān)。要點提示 不同的電感線圈阻礙電流變化的本領(lǐng)不同。 3.在斷電自感的實驗中,為什么開關(guān)斷開后,燈泡的發(fā)光會持續(xù)一段時間,甚至?xí)仍瓉砀?試從能量的角度加以討論。要點提示 開關(guān)閉合時線圈中有電流,電流產(chǎn)生磁場,能量儲存在磁場中,開關(guān)斷開時,線圈作用相當(dāng)于電源,把磁場中的能量轉(zhuǎn)化成電能。1.自感系數(shù) 2.自感現(xiàn)象中能量轉(zhuǎn)化(1)線圈中電流從無到有時:磁場從無到有,電源把能量輸送給磁場,儲存在磁場中。(2)線圈中電流減小時:磁場中的能量釋放出來轉(zhuǎn)化為電能。【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)由線圈本身的性質(zhì)及有無鐵芯決定D 解析 自感系數(shù)是由線圈的大小、形狀、圈數(shù)、有無鐵芯等因素決定的,故B、C錯,D對;自感電動勢不僅與自感系數(shù)有關(guān),還與電流變化快慢有關(guān),故A錯。3.下列關(guān)于自感系數(shù)及自感電動勢的說法正確的是(　　)A.通過線圈的電流為最大值的瞬間,自感電動勢最大B.電流變化越大,自感電動勢越大C.線圈中的電流不變,其自感系數(shù)為0D.線圈內(nèi)插入鐵芯,其自感系數(shù)增大D 解析 由E=L 可知,自感電動勢的大小與電流的變化率成正比,與電流的大小及電流變化的大小無關(guān),故選項A、B錯誤;線圈的自感系數(shù)僅由線圈自身的因素決定,如線圈的橫截面積、長度、單位長度上的線圈匝數(shù)、有無鐵芯等,與其他因素?zé)o關(guān),故選項C錯誤,D正確。學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)12341.(互感現(xiàn)象)在無線電儀器中,常需要在距離較近的地方安裝兩個線圈,并要求一個線圈中有電流變化時,對另一個線圈中的電流影響盡量小,則下圖中兩個線圈的相對安裝位置最符合該要求的是(　　)D 1234解析 一個線圈的磁場通過另一個線圈的磁通量的變化率越小,影響則越小,欲使兩線圈互感的影響盡量小,應(yīng)放置成D選項的情形,這樣其中一個線圈的磁場通過另一個線圈的磁通量的變化率為零,故D選項正確。12342.(自感現(xiàn)象)如圖所示,開關(guān)S處于閉合狀態(tài),小燈泡A和B均正常發(fā)光,小燈泡A的電阻大于線圈L的電阻?，F(xiàn)斷開開關(guān)S,以下說法正確的是(　　)A.小燈泡A越來越暗,直到熄滅B.小燈泡B越來越暗,直到熄滅C.線圈L中的電流會立即消失D.線圈L中的電流過一會兒再消失,且方向向右D 1234解析 S斷開瞬間,B立即熄滅。由于小燈泡A的電阻大于線圈L的電阻,所以S斷開前線圈的電流大于小燈泡A中的電流;S斷開瞬間,線圈中的電流減小,導(dǎo)致線圈中出現(xiàn)感應(yīng)電動勢從而阻礙電流的減小,即線圈L中的電流過一會兒再消失,且方向向右,因L和A組成新的回路,線圈中的電流由原來的大小逐漸減小,所以A先亮一下,然后慢慢熄滅,故D正確。12343.(自感現(xiàn)象)在如圖所示的電路中,開關(guān)S閉合且穩(wěn)定后流過電感線圈的電流是2 A,流過燈泡的電流是1 A?，F(xiàn)將開關(guān)S突然斷開,開關(guān)S斷開前后,能正確反映流過燈泡的電流i隨時間t變化關(guān)系的圖像是(　　)D 1234解析 開關(guān)S斷開前,通過燈泡D的電流是穩(wěn)定的,其值為1 A。開關(guān)S斷開瞬間,自感線圈的支路由于自感現(xiàn)象會產(chǎn)生與線圈中原電流方向相同的自感電動勢,使線圈中的電流從原來的2 A逐漸減小,方向不變,且與燈泡D構(gòu)成回路,通過燈泡D的電流和線圈L中的電流相同,也應(yīng)該是從2 A逐漸減小到零,但是方向與原來通過燈泡D的電流方向相反,D正確。12344.(自感現(xiàn)象)如圖所示,A、B是兩個完全相同的燈泡,L是自感系數(shù)較大的線圈,其直流電阻為RL。當(dāng)開關(guān)S閉合,電路穩(wěn)定后,斷開開關(guān)S,發(fā)現(xiàn)B燈閃亮一下,則從斷開開關(guān)S瞬間開始,下列說法正確的是(　　)A.A燈與B燈同時閃亮一下后逐漸熄滅B.流過B燈的電流方向發(fā)生改變C.流過A燈的電流方向發(fā)生改變D.無法判斷線圈的直流電阻RL和電阻R的大小關(guān)系B1234解析 由于斷開開關(guān)S,發(fā)現(xiàn)B燈閃亮一下,說明在穩(wěn)定時,線圈所在支路的電流大于R所在支路的電流,故可以判斷線圈的直流電阻阻值RL小于電阻R的阻值,D錯誤;從斷開開關(guān)S瞬間開始,由于線圈的自感作用,阻礙電流的變化,因此流過線圈的電流逐漸減小,也就是流過A燈的電流逐漸減小,方向不變,A、B、L和R形成一個新的回路,使流過B燈的電流反向,B燈閃亮一下后,兩個燈再逐漸熄滅,B正確,A、C錯誤。

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4 互感和自感

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