2021学年第四节 互感和自感教案配套课件ppt

第四节　互感和自感

[核心素养·明目标]

知识点一　互感现象

当线圈A中电流发生变化时，它产生的变化的磁场在线圈B中激发出了感应电动势。根据对称性思想，线圈B中感应电流的变化，同时也会在线圈A中产生相应的感应电动势。这种现象称为互感，所产生的感应电动势称为互感电动势。互感现象也可以发生在两个互相靠近的电路之间。

知识点二　自感现象

1．自感现象：当线圈中的电流发生变化时，线圈本身产生感应电动势，阻碍原来电流变化的现象。

2．通电自感和断电自感。

3．自感电动势。

在自感现象中产生的感应电动势。

知识点三　自感系数

1．定义：描述通电线圈自身特性的物理量，又称自感或电感。

2．物理意义：表示线圈产生自感电动势本领大小的物理量。

3．大小的决定因素：与线圈的大小、形状、匝数以及有无铁芯等因素有关。

4．单位：国际单位是亨利，简称亨，符号是H，常用的还有毫亨(mH)和微亨(μH)，1 H＝103 mH＝106 μH。

知识点四　生活、生产中的自感现象

1．自感现象广泛地存在于生活、生产之中。人们常常利用自感现象，比如通过断电自感来产生高压，日光灯、汽车发动机点火器、煤气灶电子点火器等都利用了这一原理。

2．自感现象也会产生危害，生产中的大型电动机一般都有自感系数很大的线圈。当电路中开关断开时，线圈会产生很大的自感电动势，使开关的闸刀和固定夹片之间的空气电离而变成导体，形成电弧。这不仅会烧坏开关，甚至还会危害到操作人员的安全，因此，切断这种电路时必须采用特制的安全开关。

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)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。 (√)

(2)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。 (×)

(3)线圈中自感电动势的大小与穿过线圈的磁通量变化的快慢有关。 (√)

(4)线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁芯决定。 (√)

(5)当电流增加时，自感电动势的方向与原来的电流反向，当电流减小时与原来的电流同向。              (√)

2．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

D　[线圈的磁通量与电流大小有关，电流增大，由法拉第电磁感应定律知，磁通量变化，故C项错误；自感系数由线圈本身决定，与电流大小无关，A项错误；自感电动势E＝L，与自感系数和电流变化率有关，对于给定的线圈，L一定，已知电流均匀增大，说明电流变化率恒定，故自感电动势不变，B项错误，D项正确。]

3．(多选)如图所示，带铁芯的自感线圈的电阻与电阻R的阻值相同，A1和A2是两个完全相同的电流表，则下列说法中正确的是(　　)

A．闭合S瞬间，电流表A1示数小于A2示数

B．闭合S瞬间，电流表A1示数等于A2示数

C．断开S瞬间，电流表A1示数大于A2示数

D．断开S瞬间，电流表A1示数等于A2示数

AD　[闭合S瞬间，由于自感线圈L的阻碍，使得I1<I2，电流表A1示数小于A2示数，A正确，B错误；断开S瞬间，自感线圈L与R形成闭合回路，因此电流表A1示数等于A2示数，C错误，D正确。]

考点1　自感现象的理解

1．对自感现象的理解：自感现象是一种电磁感应现象，遵从法拉第电磁感应定律和楞次定律。

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，自感电动势方向与原电流方向相同(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，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．对电感线圈阻碍作用的理解。

(1)两种阻碍作用产生的原因不同：线圈对稳定电流的阻碍作用是由绕制线圈的导线的电阻决定的，对稳定电流阻碍作用的产生原因是金属对定向运动电子的阻碍作用，具体可用金属导电理论理解。

线圈对变化电流的阻碍作用是由线圈的自感现象引起的，当通过线圈中的电流变化时，穿过线圈的磁通量发生变化，产生自感电动势，根据楞次定律知，当线圈中的电流增加时，线圈中的自感电动势与原电流方向相反，阻碍电流的增加(图甲)。当线圈中的电流减小时，线圈中的自感电动势与原电流方向相同，阻碍电流的减小(图乙)。

甲　　　　乙

(2)两种阻碍作用产生的效果不同：在通电线圈中，电流稳定值为，由此可知线圈的稳定态电阻决定了电流的稳定值。L越大，电流由零增大到稳定值I0的时间越长。也就是说，线圈对变化电流的阻碍作用越大，电流变化得越慢。总之，稳定态电阻决定了电流所能达到的稳定值，对变化电流的阻碍作用决定了要达到稳定值所需的时间。

【典例1】　关于线圈中自感电动势大小的说法中正确的是(　　)

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

B　[由自感电动势E＝L得L一定时，E与成正比，即电感一定时，电流变化越快，自感电动势越大，故A错误，B正确；通过线圈的电流为零的瞬间，电流变化率不一定为零，自感电动势不一定为零，通过线圈的电流为最大值的瞬间，电流变化率可能为零，自感电动势也可能为零，故C、D均错误。]

(1)电流变化时，电感线圈产生自感电动势，对电流的变化有阻碍作用。

(2)电流稳定时，电感线圈不产生自感电动势，相当于一段导体，阻值即为直流电阻。

[跟进训练]

1．如图所示的电路中，电源电动势为E，线圈L的电阻不计。以下判断正确的是(　　)

A．闭合S，稳定后，电容器两端电压为E

B．闭合S，稳定后，电容器的a极带正电

C．断开S的瞬间，电容器的a极板将带正电

D．断开S的瞬间，电容器的a极板将带负电

C　[闭合S，稳定后，线圈L相当于导线，则电容器被短路，则其电压为零，故A错误；电容器的电压为零，a极板不带电，故B错误；断开S的瞬间，线圈L中电流减小，产生自感电动势，相当于电源，给电容器充电，根据线圈的电流方向不变，则电容器的a极板将带正电，故C正确，D错误。]

考点2　通电自感与断电自感问题

在处理通断电自感灯泡亮度变化问题时，不能一味套用结论，如通电时逐渐变亮，断电时逐渐变暗，或闪亮一下逐渐变暗，要具体问题具体分析，关键要搞清楚电路连接情况。

【典例2】　(多选)图中两个电路是研究自感现象的电路，对实验结果的描述正确的是(　　)

A．接通开关时，灯A2立即就亮，A1稍晚一会儿亮

B．接通开关时，灯A1立即就亮，A2稍晚一会儿亮

C．断开开关时，灯A1立即熄灭，A2稍晚一会儿熄灭

D．断开开关时，灯A2立即熄灭，A1稍晚一会儿熄灭

[思路点拨]　①与线圈L串联的灯泡与线圈中电流一定相等。②与线圈L并联的灯泡的电流与线圈中电流可以不同。

AC　[接通开关时，A2立即就亮，A1与线圈串联，由于自感电动势的作用，电流逐渐变大，所以A1稍晚一会儿亮，A正确；断开开关时，A1立即熄灭，A2由于和线圈构成回路，回路中电流逐渐减小，所以稍晚一会儿熄灭，C正确。]

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。

[跟进训练]

2．如图所示，a、b、c为三个相同的灯泡，额定电压稍大于电源的电动势，电源内阻可以忽略。L是一个本身电阻可忽略的电感线圈。开关S闭合，现突然断开，已知在这一过程中灯泡都不会烧坏，则下列关于c灯泡的说法中正确的是(　　)

A．亮度保持不变

B．将闪亮一下，而后逐渐熄灭

C．将闪亮一下，而后逐渐恢复原来的亮度

D．将变暗一下，而后逐渐恢复原来的亮度

C　[当开关合上，稳定后，灯泡a短路，不亮，b、c两灯的电压为电源电压，通过L的电流，为E电压下灯泡工作电流的2倍。开关S断开后，a、b灯串联后与c灯并联接到电路中，由于自感电动势的作用，断电瞬间，通过L的电流成为通过c的电流，即原电流的2倍，c灯闪亮，但是稳定后c两端的电压仍是E，所以最终恢复原亮度，故A、B、D错误，C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．线圈中的电流等于零时，自感系数也等于零

C．线圈中电流变化越快，自感系数越小

D．线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁芯决定

D　[线圈的自感系数是由线圈本身的因素及有无铁芯决定的，与有无电流、电流变化情况都没有关系，故B、C错误，D正确；自感电动势的大小除了与自感系数有关，还与电流的变化率有关，故A错误。]

2．如图所示是用于观察自感现象的电路图。设线圈的自感系数较大，线圈的直流电阻RL与灯泡的电阻R满足RL≪R，则在开关S由闭合到断开的瞬间，可以观察到(　　)

A．灯泡立即熄灭

B．灯泡逐渐熄灭

C．灯泡有明显的闪亮现象

D．只有在RL≫R时，才会看到灯泡有明显的闪亮现象

C　[S闭合，电路稳定时，由于RL≪R，那么IL≫IR，S断开的瞬间，流过线圈的电流IL要减小，在L上产生的自感电动势要阻碍电流的减小。通过灯泡原来的电流IR随着开关的断开变为零，而灯泡与线圈形成闭合回路，此时灯泡的电流等于流过线圈的电流，即从IL开始逐渐变小，由于IL≫IR，因此灯泡开始时有明显的闪亮现象，C正确，A、B错误。若RL≫R时，IL≪IR，这样不会有明显的闪亮，D错误。]

3．如图是用电流传感器(电流传感器相当于电流表，其电阻可以忽略不计)研究自感现象的实验电路，电源的电动势为E，内阻为r，自感线圈L的自感系数足够大，其直流电阻值大于灯泡D的阻值，在t＝0时刻闭合开关S，经过一段时间后，在t＝t1时刻断开开关S。在选项图所示的图像中，可能正确表示电流传感器记录的电流随时间变化情况的是(　　)

A　　　　　　　B　　　　　　　C　　　　　　　　D

B　[闭合开关的瞬间，自感线圈的电阻很大，灯泡中有一定的电流通过，过一段时间，自感线圈的电阻减小，自感线圈与灯泡并联的两端电压减小，故灯泡中的电流变小，选项A、D均错误；当时间再延长，灯泡的电流稳定在某一值上，且大于直流电阻值较大的线圈的电流；当断开开关时，自感线圈产生自感电动势，自感线圈中的电流与原来的电流方向相同，它与灯泡组成的电路中，感应电流沿逆时针方向，且电路中的电流比闭合开关时灯泡中的电流稳定时要小一些，然后电流随自感电动势的减小而慢慢减小到0，故选项B正确，C错误。]

4．如图所示，L是电感足够大的线圈，其直流电阻可忽略不计，A和B是两个参数相同的灯泡，若将开关S闭合，等灯泡亮度稳定后，再断开开关S，则(　　)

A．开关S闭合时，灯泡A比B先亮

B．开关S闭合时，灯泡A、B同时亮，最后一样亮

C．开关S闭合后，灯泡A逐渐熄灭，灯泡B逐渐变亮，最后保持不变

D．开关S断开瞬间，A、B都闪亮一下逐渐熄灭

C　[当S闭合时，由于L的阻碍，电流从两灯中流过，故两灯同时亮，并且流过的电流相等，故两灯的亮度相同；但电路稳定后，灯泡A被短路而熄灭，B灯更亮，最后保持不变，故C正确，A、B错误；S断开时，B中电流消失，故立即熄灭；而A由于电感中产生感应电动势，使A闪亮一下后逐渐熄灭，故D错误。]

5．某同学在做如图所示的自感实验中，灯泡两端并联了自感系数L很大的自感线圈，其直流电阻大于灯泡电阻。关于该实验，下列说法正确的是(　　)

A．S接通瞬间，灯泡会逐渐变亮

B．S接通稳定时，灯泡会熄灭

C．S断开后的瞬间，灯泡的电流从右向左

D．S断开后，灯泡会闪亮一下再熄灭

C　[闭合开关的瞬间，电压直接加到灯泡两端，所以灯泡立即亮；由于线圈中自感电动势的阻碍，流过线圈的电流逐渐增大，闭合开关稳定后，自感作用消失，通过灯泡的电流比开始时略小，但灯泡不会熄灭，故A错误，B错误；闭合开关，待电路稳定后断开开关，线圈产生的自感电动势维持自身的电流且逐渐减小，线圈与灯泡构成自感回路，电流的方向从右向左流过灯泡，灯泡逐渐熄灭；由于线圈的直流电阻大于灯泡电阻，则电路中的电流稳定时灯泡中的电流大于线圈中的电流，线圈产生的自感电动势维持自身的电流且逐渐减小，所以灯泡逐渐熄灭，不会闪亮一下，故C正确，D错误。]