2023年新教材高中物理第2章电磁感应4互感和自感课件新人教版选择性必修第二册

这是一份2023年新教材高中物理第2章电磁感应4互感和自感课件新人教版选择性必修第二册，共60页。

第二章　电磁感应4　互感和自感课前·自主预习1．两个相互靠近的线圈，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____________的现象．产生的电动势叫作互感电动势．2．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____________制成的．3．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______________工作．互感现象感应电动势　互感现象　电路的正常　两线圈相距较近时，可以产生互感现象，相距较远时，会产生互感现象吗？【答案】当一个线圈中的电流变化时，即使相距较远也会有微弱的互感现象． (多选)下列关于互感现象的说法，正确的是 (　　)A．一个线圈中的电流变化时，与之靠近的线圈中产生感应电动势的现象称为互感现象B．互感现象的实质是电磁感应现象，同样遵循楞次定律和法拉第电磁感应定律C．利用互感现象能够将能量由一个线圈传递到另一个线圈，制造了收音机的“磁性天线”D．互感现象在电力工程以及电子电路中不会影响电路的正常工作【答案】ABC　【解析】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在另一个线圈中产生感应电动势的现象称为互感现象，之所以会在另一个线圈中产生感应电动势，是因为变化的电流产生变化的磁场，引起另一个线圈中的磁通量发生变化，发生电磁感应现象，A、B正确；收音机的“磁性天线”是利用互感的原理，也就是利用互感现象能够将能量由一个线圈传递到另一个线圈制成的，C正确；互感现象能发生在任何两个相互靠近的电路之间，会影响电路的正常工作，D错误．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__________激发出感应电动势的现象．2．自感电动势：由于__________而产生的感应电动势．自感现象其本身　自感现象　自感现象中，感应电流一定与原电流方向相反吗？【答案】根据楞次定律，当原电流增大时，感应电流与原电流方向相反；当原电流减小时，感应电流与原电流方向相同． 如图所示，L为自感系数较大的线圈，电路稳定后小灯泡正常发光，当断开开关S的瞬间会有 (　　)A．灯A立即熄灭B．灯A慢慢熄灭C．灯A突然闪亮一下再慢慢熄灭D．灯A突然闪亮一下再突然熄灭【答案】A　【解析】本题中，当开关S断开时，由于通过自感线圈的电流逐渐减少到零，线圈将产生自感电动势，但由于线圈L与灯A在S断开后不能形成闭合回路，故在开关断开后通过灯A的电流为零，灯立即熄灭，A正确．2．自感系数大小的决定因素：自感系数与线圈的________、________、________，以及是否有________等因素有关．自感系数自感　电感　亨利　大小　形状　圈数　铁芯　自感电动势较大的线圈其自感系数一定较大吗？【答案】自感系数是由线圈本身的特性决定的，与自感电动势的大小无关． 通过一个线圈的电流在均匀增大时，则这个线圈的 (　　)A．自感系数也将均匀增大B．自感电动势也将均匀增大C．磁通量保持不变D．自感系数和自感电动势不变【答案】D　1．自感现象中的磁场能量．(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_______，储存在______中．(2)线圈中电流减小时：________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________的“惯性”．磁场的能量磁场　磁场　磁场　变化　 (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 (　　)A．I1开始较大而后逐渐变小B．I1开始很小而后逐渐变大C．I2开始很小而后逐渐变大D．I2开始较大而后逐渐变小【答案】AC　【解析】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．课堂·重难探究1．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．互感现象可以把能量由一个电路传到另一个电路．变压器就是利用互感现象制成的．3．在电力工程和电子电路中，互感现象有时会影响电路的正常工作，这时需要设法减小电路间的互感．互感现象例1　(多选)随着电磁技术的发展，无线充电应用越来越广泛，如图所示为手机无线充电原理图，由与充电底座相连的送电线圈和与手机电池相连的受电线圈构成．当送电线圈通入周期性变化的电流时，就会在受电线圈中感应出电流，从而实现为手机充电．在充电过程中 (　　)A．送电线圈中产生均匀变化的磁场B．送电线圈中产生周期性变化的磁场C．无线充电的原理是互感现象D．手机电池是直流电源，所以受电线圈输出的是恒定电流【答案】BC　【解析】周期性变化的磁场产生周期性变化的电场，所以受电线圈中感应电流仍是正弦式交变电流，产生的磁场也是周期性变化的，A错误；由于送电线圈中通入正弦式交变电流，根据麦克斯韦理论可知送电线圈中电流产生的磁场也成周期性变化，B正确；无线充电利用的是电磁感应原理，所以无线充电的原理是互感现象，C正确；周期性变化的磁场产生周期性变化的电场，所以输出的不是恒定电流，D错误．变式1　1831年法拉第把两个线圈绕在同一个铁环上，A线圈与电源、滑动变阻器R组成一个回路，B线圈与开关S、电流表G组成另一个回路，如图所示．通过多次实验，法拉第终于总结出产生感应电流的条件．关于该实验，下列说法正确的是 (　　)A．闭合开关S的瞬间，电流表G中有a→b的感应电流B．闭合开关S的瞬间，电流表G中有b→a的感应电流C．闭合开关S后，在增大滑动变阻器R阻值的过程中，电流表G中有a→b的感应电流D．闭合开关S后，在增大滑动变阻器R阻值的过程中，电流表G中有b→a的感应电流【答案】D　【解析】闭合开关S的瞬间，通过B线圈的磁通量不发生变化，B线圈中不产生感应电流，A、B错误；闭合开关S后，在增大滑动变阻器R阻值的过程中，A线圈中通过的是逐渐减弱的电流，即线圈B处于逐渐减弱的磁场中，由安培定则和楞次定律可判断，电流表G中的感应电流方向为b→a，故C错误，D正确． 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．1．对自感现象的分析思路．(1)明确通过自感线圈的电流大小的变化情况(是增大还是减小)．(2)根据“增反减同”，判断自感电动势的方向．(3)分析阻碍的结果：当电流增强时，由于自感电动势的作用，线圈中的电流逐渐增大，与线圈串联的元件中的电流也逐渐增大；当电流减小时，由于自感电动势的作用，线圈中的电流逐渐减小，与线圈串联的元件中的电流也逐渐减小．自感现象2．对自感电动势的理解．(1)产生原因：通过线圈的电流发生变化，导致穿过线圈的磁通量发生变化，因而在原线圈上产生感应电动势．(2)自感电动势的方向：当原电流增大时，自感电动势的方向与原电流方向相反；当原电流减小时，自感电动势的方向与原电流方向相同(即增反减同)．(3)自感电动势的作用：阻碍原电流的变化，而不是阻止，原电流仍在变化，只是使原电流的变化时间变长，即总是起着延迟电流变化的作用．例2　(多选)如图所示，灯A、B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，灯A、B同时发光，接着灯A变暗，灯B更亮，最后灯A熄灭B．S闭合瞬间，灯A不亮，灯B立即亮C．S闭合瞬间，灯A、B都不立即亮D．稳定后再断开S的瞬间，灯B立即熄灭，灯A闪亮一下再熄灭【答案】AD　【解析】S接通的瞬间，L所在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灯A，所以灯A、B会同时亮；又由于L中电流逐渐稳定，感应电动势逐渐消失，灯A逐渐变暗，线圈的电阻可忽略，对灯A起到“短路”作用，因此灯A最后熄灭，这个过程电路的总电阻比刚接通时小，由恒定电流知识可知，灯B会更亮，A正确，B、C错误；稳定后S断开瞬间，由于线圈的电流较大，L与灯A组成回路，灯A要闪亮一下再熄灭，灯B立即熄灭，D正确．变式2　(多选)下列关于自感现象的说法中，正确的是 (　　)A．自感现象是由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象B．线圈中自感电动势的方向总与引起自感的原电流的方向相反C．线圈中的自感电动势的大小与线圈中电流变化的快慢有关D．加铁芯后线圈的自感系数比没有铁芯时要大【答案】ACD　【解析】导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象称为自感现象，A正确；线圈中自感电动势的方向与引起自感的原电流的方向可能相同，也可能相反，符合“增反减同”，B错误；线圈中的自感电动势的大小与线圈中电流变化的快慢有关，C、D正确． 导体本身电流发生变化而产生的电磁感应现象是自感现象，电流变化越快，穿过线圈的磁通量变化越快，自感电动势越大；同一线圈加铁芯后线圈自感系数增大．1．自感现象与自感系数．(1)自感电动势总是阻碍导体中原电流的变化．(2)通过线圈中的电流不能发生突变，只能缓慢变化．(3)电流稳定时，自感线圈就相当于普通导体．(4)线圈的自感系数越大，自感现象越明显，自感电动势只是延缓了过程的进行，但它不能使过程停止，更不能使过程反向．自感系数2．自感电动势与自感系数．(1)定义：在自感现象中产生的感应电动势．(3)自感系数L：与线圈的大小、形状、圈数以及是否有铁芯等因素有关，单位为亨利(H)．例3　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　变式3　关于线圈的自感系数，下列说法正确的是 (　　)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【答案】D　【解析】自感系数是线圈本身的固有属性，只取决于线圈长短、粗细、匝数、有无铁芯等因素，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错误，D正确． 自感电流总是阻碍原电流的变化，方向不一定与原电流方向相反，当原电流减小时，自感电流方向与原电流方向相同；线圈的自感系数由匝数、铁芯等决定，与产生的自感电动势大小无关．1．当开关闭合时，线圈中的电流从无到有，其中的磁场也是从无到有，这可以看作电源把能量输送给磁场，储存在磁场中．2．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．磁场的能量例4　(多选)下列说法中正确的是 (　　)A．磁场只有在磁极与磁极、磁极和电流发生作用时才产生B．自感现象和互感现象说明了磁场具有能量C．金属中的涡流会产生热量，生活中的电磁炉是利用这一原理而工作的D．交流感应电动机是利用电磁驱动原理工作的【答案】BCD　【解析】磁极与磁极、磁极和电流之间是通过磁场发生作用的，但不只是磁极与电流发生作用时才存在磁场，磁铁和电流的周围都存在磁场，A错误；自感现象和互感现象产生时，电能与磁场能发生了转化，说明磁场具有能量，故B正确；高频交变的磁场在金属中产生涡流，金属有电阻，电流流过金属时会产生热量，这是电磁炉的工作原理，故C正确；由定子绕组形成的旋转磁场在转子绕组中产生感应电流，转子受到磁场作用力而产生电磁转矩，驱动转子旋转，这是交流感应电动机，即利用电磁驱动原理工作，故D正确．变式4　在如图所示的电路中，A1和A2是两个完全相同的灯泡，线圈L的自感系数足够大，电阻可以忽略不计．下列说法中正确的是 (　　)A．合上开关S，A1先亮，A2后亮，最后一样亮B．断开开关S，A1和A2都要过一会儿才熄灭C．断开开关S，A2闪亮一下再熄灭D．断开开关S，流过A2的电流方向向右【答案】B　【解析】开关S闭合，灯A2立即发光，通过线圈L的电流增大，穿过线圈的磁通量增大，根据自感现象可知，线圈产生的感应电动势与原来电流方向相反，阻碍电流的增大，所在支路的电流只能逐渐增大，A1逐渐亮起来，线圈直流电阻忽略不计，当电流逐渐稳定时，线圈不产生感应电动势，两灯电流相等，亮度相同，故A错误；稳定后当开关S断开，由于自感现象，线圈中的电流只能慢慢减小，其相当于电源，与灯泡A1、A2构成闭合回路放电，两灯都过一会儿熄灭，由于当电流逐渐稳定时，两灯电流相等，所以断开开关S时，A2不会再闪亮一下再熄灭，故B正确，C错误；稳定后当开关S断开，由于自感现象，线圈中的电流只能慢慢减小，其相当于电源，流过A2的电流方向向左，故D错误． 磁场能量和电场能量在电路中的转化都是可逆的．例如，随着电流的增大，线圈的磁场增强，储存的磁场能量增多；随着电流的减小，磁场减弱，磁场能量通过电磁感应的作用，又转化为电能．因此，线圈和电容器一样是储能元件，而不是电阻类的耗能元件．核心素养应用通电自感现象和断电自感现象1．对通电自感的理解．(1)通电瞬间自感线圈处相当于断路．(2)当线圈中的电流增大时，自感电动势的方向与原电流的方向相反，阻碍电流的增大，但不能阻止电流的增大，电流仍然会从零逐渐增大到稳定值．(3)电流稳定时自感线圈相当于导体(若直流电阻为零，相当于导线)．2．对断电自感的理解．(1)当线圈中的电流减小时，自感电动势的方向与原电流方向相同．(2)断电自感中，由于自感电动势的作用，线圈中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，而是逐渐变暗直至熄灭．(3)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．例5　如图所示，L为一纯自感线圈(即电阻为零)．LA是一个灯泡，下列说法中正确的是 (　　)A．开关S闭合瞬间，无电流通过灯泡B．开关S闭合后，电路稳定时，无电流通过灯泡C．开关S断开瞬间，无电流通过灯泡D．开关S闭合瞬间及稳定时，灯泡中均有从a到b的电流，而在开关S断开瞬间，灯泡中有从b到a的电流【答案】B　【解析】开关S闭合瞬间，灯泡中的电流从a到b，线圈由于自感作用，通过它的电流将逐渐增大；开关S闭合后，电路稳定时，纯自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断开瞬间，由于线圈的自感作用，线圈中原有的向右的电流将逐渐减小，线圈和灯泡形成回路，故灯泡中有从b到a的电流，B正确，A、C、D错误．小练·随堂巩固1．在同一铁芯上绕着两个线圈，单刀双掷开关原来接在1处，现把它从1扳到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P→Q，再由Q→PB．先由Q→P，再由P→QC．始终由Q→PD．始终由P→Q【答案】C　【解析】开关由1扳到2，线圈A中电流产生的磁场由向右变为向左，先减小后反向增加，由楞次定律可得R中电流始终由Q→P，C正确．2．(多选)下列单位关系正确的是 (　　)A．1亨＝1欧·秒 B．1亨＝1伏·安/秒C．1伏＝1韦/秒 D．1伏＝1亨·安/秒【答案】ACD　3．如图所示，闭合电路中的螺线管可自由伸缩，螺线管有一定的长度，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【答案】A　【解析】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，A正确．4．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【答案】C　【解析】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，C正确．5．在如图所示的电路中，两个相同的小灯泡A1和A2分别串联一个带铁芯的电感线圈L和一个滑动变阻器R.闭合开关S后，调整R，使A1和A2发光的亮度一样，此时流过两个灯泡的电流均为I.然后断开开关S.若t′时刻再闭合开关S，则在t′前后的一小段时间内， 图中正确反映流过A1的电流i1、流过A2的电流i2随时间t变化的图像是 (　　)【答案】B　【解析】由题中给出的电路可知，电路由L与A1和A2与R两个支路并联，在t′时刻，A1支路的电流因为有L的自感作用，所以i1由0逐渐增大，A2支路为纯电阻电路，i2不存在逐渐增大或减小的过程，B正确．ABCD