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

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第二章　电磁感应第四节　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正常两线圈相距较近时，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．微思考 (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．微思考 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．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．微思考 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】D1．自感现象在各种电器设备和无线电技术中有广泛的应用．日光灯的镇流器就是利用了线圈的________现象．2．自感现象也有不利的一面，在自感系数很大而电流又很强的电路中(如大型电动机的定子绕组)，在切断电路的瞬间，由于电流强度在很短的时间内发生很大的变化，会产生很高的________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________．这会烧坏开关，甚至危害到人员安全．因此，切断这段电路时必须采用特制的安全________．自感生活、生产中的自感现象自感电弧开关一个线圈的电流在均匀增大，则这个线圈自感电动势也将均匀增大吗？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？试从能量的角度加以解释．【答案】自感电动势的大小，取决于磁通量的变化速度，既然线圈中的电流在均匀增大，磁通量也是在均匀增大，则自感电动势不变．开关断开后，线圈中储存的能量释放出来转化为电能，故灯泡发光会持续一段时间．微思考 如图是漏电保护器的部分电路图，由金属环、线圈、控制器组成，其工作原理是控制器探测到线圈中有电流时会把入户线断开，即称电路跳闸．下列有关漏电保护器的说法正确的是 (　　)A．当接负载的电线中电流均匀变化时，绕在铁芯上的线圈中有稳定的电流B．当接负载的电线短路或电流超过额定值时，漏电保护器会发出信号使电路跳闸C．只有当接负载的电线漏电时，绕在铁芯上的线圈中才会有电流通过D．当接负载的电线中电流不稳定时，漏电保护器会发出信号使电路跳闸【答案】C【解析】因为通过金属环的两根导线电流方向相反，不管两根导线中的电流如何变化，两根导线一起引起的磁通量为零，所以漏电保护器工作原理是当零线和火线中的电流大小不同时就会自动断开电路，起到安全保护的作用，所以只有当负载的电线漏电时，绕在铁芯上的线圈中才会有电流通过，故C正确，A、B、D错误．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　如图是电动汽车无线充电原理图，由地面供电装置将电能传送至电动车底部的感应装置，该装置用接收到的电能对车载电池进行充电，供电装置与车身接收装置通过磁场传送能量，由于电磁辐射等因素，其能量传送效率只能达到90%左右，无线充电桩一般采用平铺式放置，用户无须下车即可对电动车充电．目前无线充电桩允许的充电有效距离一般为15～20 cm，错位误差一般为15 cm左右．关于汽车无线充电，下列说法正确的是 (　　)A．无线充电桩的优越性之一是在数米开外也可以对车快速充电B．若线圈均采用超导材料，能量的传输效率可达100%C．在充电有效距离范围内充电时间都相同D．车上线圈中感应电流磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化【答案】D【解析】无线充电桩允许的充电有效距离一般为15～20 cm，所以在数米开外不能对车快速充电，A错误；即使线圈均采用超导材料，由于电磁辐射等因素，能量的传输效率也不可达到100%，B错误；充电有效距离越小，电磁辐射损耗的能量越少，充电时间越短，C错误；根据楞次定律，车上线圈中感应电流磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，D正确．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；在增大滑动变阻器R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． 利用互感现象可以把能量从一个线圈传递到另一个线圈．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．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．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．自感现象中灯泡亮度变化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． 线圈的自感系数跟线圈的形状、长短、匝数以及是否有铁芯等因素有关．线圈越长，单位长度上匝数越多，横截面积越大，他的自感系数就越大．另外，有铁心的线圈的自感系数，比没有铁心时要大得多，对于一个现成的线圈来说，自感系数是一定的．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．生活、生产中的自感现象例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，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，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，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】当开关S闭合时，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，电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断开后，由于自感，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断开后，由于自感，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． 当线圈中通有电流时，线圈中就要储存磁场能量，通过线圈的电流越大，储存的能量就越多；在通有相同电流的线圈中，电感越大的线圈，储存的能量越多，因此线圈的电感也反映了它储存磁场能量的能力．核心素养应用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)．通电自感现象和断电自感现象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．例6　某同学为了验证断电自感现象，自己找来带铁芯的线圈L、小灯泡A、开关S和电池组E，用导线将它们连接成如图所示的电路．检查电路后，闭合开关S，小灯泡发光；再断开开关S，小灯泡仅有不明显的延时熄灭现象．虽经多次重复，仍未见老师演示时出现的小灯泡闪亮现象，他冥思苦想找不出原因．你认为最有可能造成小灯泡未闪亮的原因是 (　　)A．电源的内阻较大B．小灯泡电阻偏大C．线圈的直流电阻偏大D．线圈的自感系数较大【答案】C【解析】断开开关时，灯泡能否发生闪亮，取决于灯泡的电流有没有增大，与电源的内阻无关，A错误；若小灯泡电阻偏大，稳定时流过灯泡的电流小于线圈的电流，断开开关时，根据楞次定律，流过灯泡的电流从线圈原来的电流逐渐减小，灯泡将发生闪亮现象，B错误；线圈电阻偏大，稳定时流过灯泡的电流大于线圈的电流，断开开关时，根据楞次定律，流过灯泡的电流从线圈原来的电流逐渐减小，灯泡不发生闪亮现象，C正确；线圈的自感系数较大，产生的自感电动势较大，但不能改变稳定时灯泡和线圈中电流的大小，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】ACD3．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．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．5．如图所示电路，开关S闭合稳定后，流过线圈L的电流为I1＝0.4 A，流过灯泡的电流为I2＝0.2 A．现将S突然断开，S断开前后，下列图中能正确表示流过灯泡的电流i随时间t变化关系的是 (　　)【答案】A【解析】S闭合且稳定后流过电感线圈的电流是0.4 A，流过灯泡的电流是0.2 A，当S断开后，灯泡原来的电流立即消失，线圈中电流要开始减小，将产生自感电动势，阻碍电流的减小，所以通过灯泡的电流不会立即消失，会从0.4 A开始逐渐减小，根据楞次定律知，灯泡中电流方向与原来的电流方向相反，故选A．6．在如图所示的电路中，电流表的内阻不计，电阻R1＝2.5 Ω，R2＝7.5 Ω，线圈的直流电阻可以忽略．闭合开关S的瞬间．电流表读数I1＝0.2 A，当线圈中的电流稳定后，电流表的读数I2＝0.4 A．试求电池的电动势和内阻．