新教材2023_2024学年高中物理第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

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第二章4　互感和自感1.了解自感现象和互感现象的概念,会用其解释自然现象,解决实际问题。(物理观念)2.能在问题情境中应用楞次定律判断自感电动势的方向,知道自感电动势的大小符合法拉第电磁感应定律。(科学思维)3.通过实验观察通电自感和断电自感现象,并能解释其工作原理。(科学探究)基础落实·必备知识全过关重难探究·能力素养全提升目录索引 学以致用·随堂检测全达标基础落实·必备知识全过关一、互感现象1.定义:两个相互靠近的线圈之间没有导线相连,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。这种感应电动势叫作互感电动势。 2.应用:利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　　　 　制成的。 3.危害:互感现象能发生在任何两个　　　　　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。 感应电动势 互感现象相互靠近二、自感现象、自感系数、磁场的能量1.自感现象:当一个线圈中的电流变化时,它所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。 3.自感电动势的大小:E=L ,其中L是自感系数,简称__________　　　　或　　　　,单位:　　　,符号为H。 4.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。 由线圈自身决定 线圈本身自感自感电感亨利大小形状匝数铁芯5.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　　　　。 6.自感电动势有阻碍线圈中电流　　　　的性质。 符合楞次定律 磁场　磁场　磁场　电能变化情境链接把手机耳机与原线圈连在一起,手机内的扬声器与副线圈连在一起,用手机播放音乐,当把原线圈插入副线圈时,耳机中会播放音乐,试说明原理。提示 手机播放音乐时,在与扬声器相连的副线圈中有变化的电流,使副线圈周围产生变化的磁场,当把原线圈插入副线圈时,在原线圈中产生变化的感应电流,声音通过耳机播放出来。教材拓展手机可以无线充电,如图所示,试说明其原理。提示 交流电源对充电底座供电,充电底座内的送电线圈产生交变磁场,从而使手机内的受电线圈产生交变电流,再经整流电路转变成直流电后对手机电池充电。易错辨析(1)两个线圈之间必须有导线相连,才能产生互感现象。(　　)(2)两个线圈相距较近时,可以产生互感现象,相距较远时,不产生互感现象。(　　)(3)互感现象可以把能量从一个线圈传到另一个线圈。(　　)(4)自感现象中,感应电动势一定和原电流方向相反。(　　)× 提示 两个线圈之间产生互感现象不需要导线相连。 × 提示 线圈相距较近时互感现象很显著,相距较远时仍有微弱的互感现象。 √ × 提示 自感现象中感应电动势的方向遵从楞次定律。当原电流减小时,自感电动势与原电流方向相同;当原电流增大时,自感电动势与原电流方向相反。(5)线圈中产生的自感电动势较大时,其自感系数一定较大。(　　)× (6)对于同一线圈,当电流变化较快时,线圈中的自感电动势也较大。(　　) 提示 自感电动势的大小E=L ,所以自感电动势大不一定是自感系数大,也有可能是电流的变化率大。√ 提示 由E=L 知,对于同一线圈,自感系数一定,电流变化越快,线圈中产生的自感电动势也越大。重难探究·能力素养全提升探究点一　互感现象在法拉第的实验中两个线圈并没有用导线连接,当一个线圈中的电流变化时,在另一个线圈中为什么会产生感应电动势呢?要点提示 两个线圈之间并没有导线相连,但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。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两个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。【例1】 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,下列说法正确的是(　　)A.t1时刻,两环作用力最大B.t2和t3时刻,两环相互吸引C.t2时刻两环相互吸引,t3时刻两环相互排斥D.t3和t4时刻,两环相互吸引B解析 t1时刻B环中感应电流为零,故两环作用力为零,A错误;t2和t3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,故相互吸引,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。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→QC解析 开关由1扳到2,线圈A中电流产生的磁场开始由左向右,先减小后反向增加,由楞次定律可得R中电流由Q→P,C正确。探究点二　自感现象(1)无轨电车在行驶过程中,车顶上的车弓处为什么会产生电火花? 要点提示 由于车身颠簸,会使车弓瞬间离开电网;由于自感现象,电车内部的电动机的线圈会产生一个较大的瞬时自感电动势;由于这个电动势较大,使车弓与电网之间的空气电离,产生放电现象。(2)断开正在工作的电动机的开关时,会产生电火花,这是为什么? 要点提示 电动机中的线圈匝数很多,当电路开关断开时会产生很大的自感电动势,使得开关中的金属片之间产生电火花。1.自感现象自感现象是一种电磁感应现象,遵守法拉第电磁感应定律和楞次定律。2.自感电动势(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)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)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,即总是起着推迟电流变化的作用。3.电感线圈的阻碍作用(1)若电路中的电流正在改变,电感线圈会产生自感电动势阻碍电路中电流的变化,使得通过电感线圈的电流不能突变。(2)若电路中的电流是稳定的,电感线圈相当于一段导线,其阻碍作用是由绕制线圈的导线的电阻引起的。(3)线圈通电和断电时线圈中电流的变化规律如图。特别提示　闭合开关瞬间时,线圈相当于断路;断开开关瞬间,线圈相当于电源。【例2】 如图所示的电路中A1和A2是两个相同的小灯泡,L是一个自感系数相当大的线圈,其直流电阻阻值与R相同。在开关S闭合和断开时,灯泡A1和A2亮暗的顺序是(　　)A.S闭合时A1先达最亮,S断开时A1后灭B.S闭合时A2先达最亮,S断开时A1后灭C.S闭合时A1先达最亮,S断开时A1先灭D.S闭合时A2先达最亮,S断开时A1先灭A解析 当开关S闭合时,A1和A2同时亮,但由于自感现象的存在,流过线圈的电流由零变大时,线圈上产生自感电动势阻碍电流的增大,使通过线圈的电流从零开始慢慢增加,所以开始时电流几乎全部从A1通过,而该电流又将同时分路通过A2和R,所以A1先达最亮,经过一段时间电路稳定后,A1和A2达到一样亮;当开关S断开时,电源电流立即为零,因此A2立即熄灭,而对A1,由于通过线圈的电流突然减小,线圈中产生自感电动势阻碍电流的减小,使线圈L和A1组成的闭合电路中有感应电流,所以A1后灭。方法技巧　自感现象的分析思路明确通过自感线圈的电流的变化情况(增大还是减小)↓根据“增反减同”,判断自感电动势的方向↓分析阻碍的结果:电流增强时,由于自感电动势的作用,线圈中电流逐渐增大,与线圈串联的元件中的电流也逐渐增大;电流减小时,由于自感电动势的作用,线圈中电流逐渐减小,与线圈串联的元件中的电流也逐渐减小2.在如图所示的电路中,a、b、c为三个完全相同的灯泡,L是一个自感系数很大、直流电阻为零的自感线圈,E为电源,S为开关。关于三个灯泡,下列说法正确的是(　　)A.闭合开关,c、b先亮,a后亮B.闭合开关一会儿后,a、b、c一样亮C.断开开关,b、c同时熄灭,a缓慢熄灭D.断开开关,c马上熄灭,b闪一下后和a一起缓慢熄灭A解析 开关S闭合瞬间,流过线圈L的电流增大,线圈中产生自感电动势,阻碍电流的增大,则b、c先亮,a后亮,故A正确;闭合开关一会儿后,因线圈中电流恒定,线圈L相当于导线,所以a、b一样亮,c的电流是a、b的电流之和,故c比a、b更亮,B错误;断开开关S的瞬间,由自感的特性可知L和a、b组成的回路中有电流,导致a、b一起缓慢熄灭,而c没有电流通过,所以马上熄灭,因a与b的电流是相等的,b不会闪一下再熄灭,故C、D错误。探究点三　自感系数、磁场的能量1.自感电动势的大小跟什么因素有关? 2.如图所示,为什么电路板上电感线圈尺寸大小和匝数不一样? 要点提示 自感电动势的大小跟其他感应电动势的大小一样,跟穿过线圈的磁通量的变化快慢有关。而在自感现象中,穿过线圈的磁通量是由电流引起的,故自感电动势的大小跟导体中电流变化的快慢有关。要点提示 不同的电感线圈阻碍电流变化的本领不同。 3.在断电自感的实验中,为什么开关断开后,灯泡的发光会持续一段时间,甚至会比原来更亮?试从能量的角度加以讨论。要点提示 开关闭合时线圈中有电流,电流产生磁场,能量储存在磁场中,开关断开时,线圈作用相当于电源,把磁场中的能量转化成电能。1.自感系数 2.自感现象中能量转化(1)线圈中电流从无到有时:磁场从无到有,电源把能量输送给磁场,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。【例3】 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,自感电动势就一定越大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性质及有无铁芯决定D 解析 自感系数是由线圈的大小、形状、圈数、有无铁芯等因素决定的,故B、C错,D对;自感电动势不仅与自感系数有关,还与电流变化快慢有关,故A错。3.下列关于自感系数及自感电动势的说法正确的是(　　)A.通过线圈的电流为最大值的瞬间,自感电动势最大B.电流变化越大,自感电动势越大C.线圈中的电流不变,其自感系数为0D.线圈内插入铁芯,其自感系数增大D 解析 由E=L 可知,自感电动势的大小与电流的变化率成正比,与电流的大小及电流变化的大小无关,故选项A、B错误;线圈的自感系数仅由线圈自身的因素决定,如线圈的横截面积、长度、单位长度上的线圈匝数、有无铁芯等,与其他因素无关,故选项C错误,D正确。学以致用·随堂检测全达标12341.(互感现象)在无线电仪器中,常需要在距离较近的地方安装两个线圈,并要求一个线圈中有电流变化时,对另一个线圈中的电流影响尽量小,则下图中两个线圈的相对安装位置最符合该要求的是(　　)D 1234解析 一个线圈的磁场通过另一个线圈的磁通量的变化率越小,影响则越小,欲使两线圈互感的影响尽量小,应放置成D选项的情形,这样其中一个线圈的磁场通过另一个线圈的磁通量的变化率为零,故D选项正确。12342.(自感现象)如图所示,开关S处于闭合状态,小灯泡A和B均正常发光,小灯泡A的电阻大于线圈L的电阻。现断开开关S,以下说法正确的是(　　)A.小灯泡A越来越暗,直到熄灭B.小灯泡B越来越暗,直到熄灭C.线圈L中的电流会立即消失D.线圈L中的电流过一会儿再消失,且方向向右D 1234解析 S断开瞬间,B立即熄灭。由于小灯泡A的电阻大于线圈L的电阻,所以S断开前线圈的电流大于小灯泡A中的电流;S断开瞬间,线圈中的电流减小,导致线圈中出现感应电动势从而阻碍电流的减小,即线圈L中的电流过一会儿再消失,且方向向右,因L和A组成新的回路,线圈中的电流由原来的大小逐渐减小,所以A先亮一下,然后慢慢熄灭,故D正确。12343.(自感现象)在如图所示的电路中,开关S闭合且稳定后流过电感线圈的电流是2 A,流过灯泡的电流是1 A。现将开关S突然断开,开关S断开前后,能正确反映流过灯泡的电流i随时间t变化关系的图像是(　　)D 1234解析 开关S断开前,通过灯泡D的电流是稳定的,其值为1 A。开关S断开瞬间,自感线圈的支路由于自感现象会产生与线圈中原电流方向相同的自感电动势,使线圈中的电流从原来的2 A逐渐减小,方向不变,且与灯泡D构成回路,通过灯泡D的电流和线圈L中的电流相同,也应该是从2 A逐渐减小到零,但是方向与原来通过灯泡D的电流方向相反,D正确。12344.(自感现象)如图所示,A、B是两个完全相同的灯泡,L是自感系数较大的线圈,其直流电阻为RL。当开关S闭合,电路稳定后,断开开关S,发现B灯闪亮一下,则从断开开关S瞬间开始,下列说法正确的是(　　)A.A灯与B灯同时闪亮一下后逐渐熄灭B.流过B灯的电流方向发生改变C.流过A灯的电流方向发生改变D.无法判断线圈的直流电阻RL和电阻R的大小关系B1234解析 由于断开开关S,发现B灯闪亮一下,说明在稳定时,线圈所在支路的电流大于R所在支路的电流,故可以判断线圈的直流电阻阻值RL小于电阻R的阻值,D错误;从断开开关S瞬间开始,由于线圈的自感作用,阻碍电流的变化,因此流过线圈的电流逐渐减小,也就是流过A灯的电流逐渐减小,方向不变,A、B、L和R形成一个新的回路,使流过B灯的电流反向,B灯闪亮一下后,两个灯再逐渐熄灭,B正确,A、C错误。