人教版高考物理一轮总复习第13章第3讲自感和涡流课时学案

这是一份人教版高考物理一轮总复习第13章第3讲自感和涡流课时学案，共8页。学案主要包含了自主解答，技法总结，核心归纳等内容，欢迎下载使用。

自感、涡流、电磁阻尼和电磁驱动
1.自感现象
(1)概念：由于导体本身的电流变化而产生的电磁感应现象称为自感，由于自感而产生的感应电动势叫作自感电动势。
(2)表达式：E＝L eq \f(ΔI,Δt)。
(3)自感系数L的影响因素：与线圈的大小、形状、匝数以及是否有铁芯等因素有关。
2.涡流
(1)涡流：块状金属放在变化磁场中，或者让它在磁场中运动时，金属块内产生的漩涡状感应电流。
(2)产生原因：金属块内的磁通量变化→感应电动势→感应电流。
3.电磁阻尼
当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力的方向总是阻碍导体的运动。
4.电磁驱动
如果磁场相对于导体转动，在导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力使导体运动起来。
思考辨析
1.线圈中的电流越大，自感系数也越大。(×)
2.对同一线圈，电流变化越快，线圈中的自感电动势越大。(√)
3．在如图所示的电路中，LA为灯泡，S为开关，L为有铁芯的线圈。对该电路分析S闭合、断开瞬间灯泡LA的亮度变化情况。
提示：S闭合瞬间，由于L的作用，灯泡LA逐渐变亮。S断开瞬间，由于电路断开，LA立即熄灭。
4.变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成的，而不是采用一整块硅钢，这样做的目的是什么？
提示：这样做的目的是增大铁芯中的电阻，阻断涡流回路，减少电能转化成铁芯的内能，提高效率。
考点1 涡流、电磁阻尼和电磁驱动(基础考点)
1.扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌。为了有效隔离外界振动对STM的扰动，在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板，并施加磁场来快速衰减其微小振动，如图所示。无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加恒定磁场；出现扰动后，对于紫铜薄板上下及其左右振动的衰减最有效的方案是( )
A B C D
A 解析：感应电流产生的条件是闭合回路中的磁通量发生变化。在题图A中，系统振动时，紫铜薄板随之上下左右振动，在磁场中的部分有时多有时少，磁通量发生变化，产生感应电流，受到安培力，阻碍系统的振动；在题图B中，只有紫铜薄板向左振动时才产生感应电流，而上下振动和向右振动时无感应电流产生；在题图C中，无论紫铜薄板上下振动还是左右振动，都不会产生感应电流；在题图D中，只有紫铜薄板左右振动时才产生感应电流，而上下振动时无感应电流产生，故选项A正确，B、C、D错误。
2.如图所示，关于涡流，下列说法错误的是( )
A. 真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置
B. 家用电磁炉锅体中的涡流是由恒定磁场产生的
C. 阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动
D. 变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠放而成，能减小涡流
B 解析：B项中家用电磁炉锅体中的涡流是由交变电流在锅体的底部产生的涡旋感应电流，B项错误，A、C、D项正确，本题选错误的，故选B。
3.(多选)如图甲所示是工业上探测物件表面层内部是否存在缺陷的涡流探伤技术的原理图。其原理是用通电线圈使物件内产生涡电流，借助探测线圈测定涡电流的改变，从而获得物件内部是否断裂及其位置的信息。如图乙所示是一个由带铁芯的线圈L、开关S和电源连接起来的跳环实验装置，将一个套环置于线圈L上且使铁芯穿过其中，闭合开关S的瞬间，套环将立刻跳起。对以上两个实例的理解正确的是( )
A. 涡流探伤技术运用了电流的热效应，跳环实验演示了自感现象
B. 能被探测的物件和实验所用的套环必须是导电材料
C. 金属探伤时接的是交流电，跳环实验装置中接的是直流电
D. 以上两个实例中的线圈所连接的电源可以都是恒压直流电源
BC 解析：涡流探伤技术的原理是用通电线圈使物件内产生涡电流，借助探测线圈测定涡电流的改变；跳环实验中的线圈接在直流电源上，闭合开关S的瞬间，穿过套环的磁通量发生改变，套环中产生感应电流，套环会跳起，属于演示楞次定律，故A错误。无论是涡流探伤技术，还是演示楞次定律，都需要产生感应电流，而感应电流的产生需在导电材料内，故B正确。金属探伤时，是探测器中通过交变电流，产生变化的磁场，当金属处于该变化的磁场中时，该金属中会感应出涡电流；演示楞次定律的实验中，线圈接在直流电源上，故C正确，D错误。
考点2 互感和自感(能力考点)
eq \a\vs4\al(典例)(多选)如图所示，L是自感系数较大的线圈，其直流电阻可忽略不计，a、b、c是三个相同的小灯泡，下列说法正确的是( )
A. 开关S闭合时，b、c灯立即亮，a灯逐渐亮
B. 开关S闭合，电路稳定后，b、c灯亮，a灯不亮
C. 开关S断开时，b、c灯立即熄灭，a灯逐渐熄灭
D. 开关S断开时，c灯立即熄灭，a、b灯逐渐熄灭
对于自感现象，是特殊的电磁感应现象，应用楞次定律和法拉第电磁感应定律进行理解。
【自主解答】
AD 解析：开关S闭合时，b、c灯立即亮，由于线圈中产生自感电动势阻碍电流的增加，使得a灯逐渐亮，选项A正确；开关S闭合，电路稳定后，三灯都亮，选项B错误；开关S断开时，c灯立即熄灭，由于L中产生自感电动势阻碍电流的减小，则电流在L与a、b灯之间形成新的回路，使得a、b灯逐渐熄灭，选项D正确，C错误。
【技法总结】
处理自感现象问题的技巧
(1)通电自感：线圈相当于一个变化的电阻，阻值由无穷大逐渐减小，通电瞬间自感线圈处相当于断路。
(2)断电自感：断电时自感线圈处相当于电源，自感电动势由某值逐渐减小到0，回路中的电流在原电流基础上逐渐减为0。
(3)电流稳定时，理想的自感线圈相当于导线，非理想的自感线圈相当于定值电阻。
1．如图所示，某小组利用电流传感器(接入电脑，图中未画出)记录灯泡A和自感元件L构成的并联电路在断电瞬间各支路电流随时间的变化情况，i1表示小灯泡中的电流，i2表示自感元件中的电流(已知开关S闭合，电路稳定时，i2>i1)，则下列图像正确的是( )
A B C D
C 解析：当开关S断开后，自感元件L与灯泡A形成新的回路，自感元件阻碍自身电流变化，自感元件产生的感应电流仍沿着原来方向，大小从i2开始不断减小，通过小灯泡的电流反向，大小与自感元件电流相等，故C正确，A、B、D错误。
2．(2020·青岛模拟)(多选)如图所示的电路中，A1和A2是完全相同的两个灯泡，线圈L的电阻可以忽略不计，下列说法正确的是( )
A. 闭合开关S，接通电路时，A2始终比A1亮
B. 闭合开关S，接通电路时，A2先亮，A1后亮，最后一样亮
C. 断开开关S，切断电路时，A2先熄灭，A1过一会儿才熄灭
D. 断开开关S，切断电路时，A1和A2都要过一会儿才熄灭
BD 解析：闭合开关S，接通电路时，A2立即亮，线圈L对电流的增大有阻碍作用，所以通过A1的电流慢慢变大，最后两灯泡的电压一样大，所以一样亮，故A错误，B正确；断开开关S，切断电路时，线圈L对电流的减小有阻碍作用，相当于电源，与A1和A2串联，所以两灯泡都要过一会儿才熄灭，故C错误，D正确。
eq \a\vs4\al(典例)(多选)电吉他中电拾音器的基本结构如图所示，磁体附近的金属弦被磁化，因此弦振动时，在线圈中产生感应电流，电流经电路放大后传送到音箱发出声音。下列说法正确的有( )
A. 选用铜质弦，电吉他仍能正常工作
B. 取走磁体，电吉他将不能正常工作
C. 增加线圈匝数可以增大线圈中的感应电动势
D. 弦振动过程中，线圈中的电流方向不断变化
【自主解答】
BCD 解析：铜质弦为非磁性材料，不能被磁化，选用铜质弦，电吉他将不能正常工作，A项错误；若取走磁体，金属弦不能被磁化，其振动时，不能在线圈中产生感应电动势，电吉他不能正常工作，B项正确；由E＝n eq \f(ΔΦ,Δt) 可知，C项正确；弦振动过程中，穿过线圈的磁通量大小不断变化，由楞次定律可知，线圈中感应电流的方向不断变化，D项正确。
【核心归纳】
新课程关注高新科技，注重理论联系实际，高中物理中的“电磁感应”与科研、交通、航天、生活生产密切相关，如：电磁测量、磁悬浮列车、振动发电等，这些试题以最新科技成果立意命题，体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的新课程理念。分析这类新情境试题时，要通过分析、类比、联想，将新情境与学过的知识联系起来，建立物理模型，考查学生运用所学知识解决实际问题的能力。
eq \a\vs4\al(变式1)随着科技的不断发展，无线充电已经进入人们的视线。小到手表、手机，大到电脑、电动汽车，都已经实现了无线充电从理论研发到实际应用的转化。如图所示为某品牌的无线充电手机利用电磁感应方式充电的原理图。关于无线充电，下列说法正确的是( )
A. 无线充电时，手机接收线圈部分的工作原理是“电流的磁效应”
B. 只有将充电底座接到直流电源上才能对手机进行充电
C. 接收线圈中交变电流的频率与发射线圈中交变电流的频率相同
D. 只要有无线充电底座，所有手机都可以进行无线充电
C 解析：无线充电时，手机接收线圈部分的工作原理是电磁感应，故A错误；当给充电设备通以恒定直流电时，充电设备不会产生交变磁场，即不能正常充电，故B错误；接收线圈中交变电流的频率应与发射线圈中交变电流的频率相同，故C正确；被充电手机内部，应该有一类似金属线圈的部件与手机电池相连，当有交变磁场时，则产生感应电动势，普通手机由于没有金属线圈，所以不能利用无线充电设备进行充电，故D错误。
eq \a\vs4\al(变式2)(2020·天津高考)(多选)手机无线充电是比较新颖的充电方式。如图所示，电磁感应式无线充电的原理与变压器类似，通过分别安装在充电基座和接收能量装置上的线圈，利用产生的磁场传递能量。当充电基座上的送电线圈通入正弦式交变电流后，就会在邻近的受电线圈中感应出电流，最终实现为手机电池充电。在充电过程中( )
A. 送电线圈中电流产生的磁场呈周期性变化
B. 受电线圈中感应电流产生的磁场恒定不变
C. 送电线圈和受电线圈通过互感现象实现能量传递
D. 手机和基座无需导线连接，这样传递能量没有损失
AC 解析：由于送电线圈输入的是正弦式交变电流，是周期性变化的，因此产生的磁场也是周期性变化的，A正确，B错误；根据变压器的工作原理，原、副线圈是通过互感现象实现能量传递的，因此送电线圈和受电线圈也是通过互感现象实现能量传递的，C正确；手机与充电基座无需导线连接就能实现充电，但磁场能会有一部分以电磁波的形式辐射损失掉，因此这样传递能量是有能量损失的，D错误。
eq \a\vs4\al(变式3)磁卡的磁条中有用于存储信息的磁极方向不同的磁化区，刷卡器中有检测线圈。当以速度v0刷卡时，在线圈中产生感应电动势，其E­t关系如图所示。如果只将刷卡速度改为 eq \f(v0,2)，线圈中的E­t关系图像可能是( )
A B
C D
D 解析：若将刷卡速度改为 eq \f(v0,2)， 线圈切割磁感线运动时产生的感应电动势大小将会减半，周期将会加倍，故D选项正确，A、B、C选项错误。
电磁阻尼
电磁驱动
不同点
成因
由于导体在磁场中运动而产生感应电流，从而使导体受到安培力
由于磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流，从而使导体受到安培力
效果
安培力的方向与导体运动的方向相反，阻碍导体运动
导体受到的安培力的方向与导体的运动方向相同，推动导体运动
能量转化
导体克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能
由于电磁感应，磁场能转化为电能，通过安培力做功，电能转化为导体的机械能，从而对外做功
相同点
两者都是电磁感应现象，都遵循楞次定律，都是安培力阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动