1、第六节第六节 自感现象及其应用自感现象及其应用 学科素养与目标要求 物理观念：1.了解自感现象和自感电动势.2.了解并知道自感系数的决定因素 科学探究：1.通过观察通电自感和断电自感时灯泡亮度的变化，认识自感现象.2.通过实验对 比观察，认识自感系数的决定因素 科学思维：了解日光灯的工作原理利用自感知识分析镇流器的工作机制 一、自感现象 1定义：由于线圈本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象 2自感电动势：在自感现象中产生的感应电动势 3通电自感和断电自感 电路 现象 自感电动势的作用 通电 自感 接通电源的瞬间， 灯泡 L2 立刻正常发光，灯泡 L1 较慢地亮起来 阻碍电流的增加 断电 自感
2、 断开开关的瞬间， 灯泡 L1 逐渐变暗， 灯泡 L2立刻熄 灭 有时灯泡 L1会先闪亮 一下，然后逐渐熄灭 阻碍电流的减小 4.自感系数 (1)自感电动势的大小：自感电动势的大小跟穿过线圈的磁通量变化的快慢有关，还跟线圈本 身的特性有关 (2)自感系数 定义：描述通电线圈自身特性的物理量线圈的自感系数简称自感或电感，单位：亨利， 符号：H. 决定线圈自感系数大小的因素：线圈的长短、形状、匝数以及是否有铁芯等 二、日光灯 1主要组成：灯管、镇流器和启动器 2灯管 (1)工作原理：管中气体导电时发出紫外线，荧光粉受其照射时发出可见光可见光的颜色由 荧光粉的种类决定 (2)气体导电的特点：灯管两端
3、的电压达到一定值时，气体才能导电；而要在灯管中维持一定 大小的电流，所需的电压却低得多 3镇流器的作用：日光灯启动时，提供瞬时高压；日光灯启动后，降压限流 4启动器 (1)启动器的作用：自动开关 (2)启动器内电容器的作用：减小动、静触片断开时产生的火花，避免烧坏触点 1判断下列说法的正误 (1)自感现象中，感应电流方向一定和原电流方向相反( ) (2)线圈中的自感系数越大，产生的自感电动势越大( ) (3)对于同一线圈，当电流变化较快时，线圈中的自感电动势较大( ) (4)日光灯使用的是稳恒电流( ) (5)日光灯正常发光后，启动器就不起什么作用了( ) (6)镇流器只起升压作用( ) 2如
4、图 1 所示，电路中电源内阻不能忽略，L 的自感系数很大，其直流电阻忽略不计，A、 B 为两个完全相同的灯泡，当 S 闭合时，A 灯_变亮，B 灯_变亮当 S 断开 时，A 灯_熄灭，B 灯_熄灭(选填“立即”或“缓慢”) 图 1 答案 缓慢 立即 缓慢 缓慢 一、对自感现象的理解 1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 (3)自感电动势的作用：阻碍原电流的变化，起到延迟电流变化的作用 2
5、对电感线圈阻碍作用的理解 (1)当线圈中电流增大时，自感电动势方向与原电流方向相反，阻碍原电流的增大 (2)当线圈中电流减小时，自感电动势的方向与原电流方向相同，阻碍原电流的减小 (3)自感电动势总是阻碍电流的变化，但不能阻止电流的变化 例 1 如图 2 所示，电感线圈 L 的自感系数足够大，其直流电阻忽略不计，LA、LB是两个 相同的灯泡，且在下列实验中不会烧毁，电阻 R2阻值约等于 R1的两倍，则 ( ) 图 2 A闭合开关 S 时，LA、LB同时达到最亮，且 LB更亮一些 B闭合开关 S 时，LA、LB均慢慢亮起来，且 LA更亮一些 C断开开关 S 时，LA慢慢熄灭，LB马上熄灭 D断开
6、开关 S 时，LA慢慢熄灭，LB闪亮后才慢慢熄灭 答案 D 解析由于灯泡 LA、R1与线圈 L 串联，灯泡 LB与电阻 R2串联，在 S 闭合的瞬间，通过线圈 的电流突然增大，线圈产生自感电动势，阻碍电流的增加，所以 LB立刻变亮，LA慢慢变亮， A、B 错误由于 LA所在的支路电阻阻值偏小，故稳定时电流大，即 LA更亮一些，在 S 断 开的瞬间，线圈产生自感电动势，两灯组成的串联电路中，电流从 IA开始减小，故 LA慢慢 熄灭，LB闪亮后才慢慢熄灭，C 错误，D 正确 电感线圈对电流的变化有阻碍作用，具体表现： (1)通电瞬间电感线圈处相当于断路 (2)在电流增大过程中，电感线圈中的电流从
7、0 逐渐增大到稳定值 (3)电流稳定时电感线圈相当于导体，若其直流电阻忽略不计，则相当于导线 (4)断电时， 电感线圈相当于电源， 其电流由原值逐渐减小， 不会发生突变(必须有闭合回路) 例 2 (多选)如图 3 所示，L 为一纯电感线圈(即电阻为零)，LA是一灯泡，下列说法正确的 是 ( ) 图 3 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，灯泡中有从 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 BD 解析开关 S 闭合瞬间，灯泡中的电流从 a 到 b
8、，A 错误；线圈由于自感作用，通过它的电 流逐渐增加，开关 S 接通后，电路稳定时，纯电感线圈对电流无阻碍作用，将灯泡短路，灯 泡中无电流通过，B 正确；在开关 S 断开的瞬间，由于线圈的自感作用，线圈中原有向右的 电流将逐渐减小， 线圈与灯泡形成回路， 故灯泡中有从 b 到 a 的瞬时电流， C 错误， D 正确 断电自感中灯泡会不会闪亮的判断：断开开关瞬间通过灯泡的电流大于断开前通过灯泡的电 流，灯泡会闪亮一下；若断开开关瞬间通过灯泡电流小于等于断开前的电流，灯泡不会闪亮 一下，而是直接变暗 二、自感现象中的图象问题 例 3 如图 4 所示的电路中，开关 S 闭合且稳定后流过电感线圈的电流
9、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 变化关系的图象是( ) 图 4 答案 D 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，电感线 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 对 提示 要注意断电前后，无线圈的支路电流方向是否变化 三、日光灯
10、的工作原理 1.合开关后， 启动器动触片与静触片接触， 使灯丝和镇流器线圈中有电流流过， 使灯丝预热 2 电路接通后， 启动器中的氖气停止放电， U 形片冷却收缩， 两个触片分离， 电路自动断开 3在电路突然断开的瞬间，由于镇流器电流急剧减小，会产生很高的自感电动势，方向与原 来的电压方向相同，自感电动势与电源电压加在一起，形成一个瞬时高压，加在灯管两端， 使灯管中的气体开始放电，于是日光灯成为电流的通路开始发光 4日光灯开始发光后，由于交变电流通过镇流器的线圈，线圈中就会产生自感电动势，它总 是阻碍电流的变化，这时镇流器起着降压限流的作用，保证日光灯正常工作 例 4 如图 5 所示为日光灯的
11、结构示意图，若按图示的电路连接，关于日光灯发光的情况， 下列说法正确的是( ) 图 5 AS1接通，S2、S3断开，日光灯就能正常发光 BS1、S2接通，S3断开，日光灯就能正常发光 CS1、S2、S3接通，日光灯就能正常发光 DS3断开，接通 S1、S2后，再断开 S2，日光灯就能正常发光 答案 D 解析 S1接通，S2、S3断开时，电源电压 220 V 直接加在灯管两端，达不到灯管启动的高压 值，日光灯不能发光，A 错误；S1、S2接通，S3断开时，灯管发生短路，灯管两端电压为零， 日光灯不能发光，B 错误；只有当 S1、S2接通，灯丝被预热，再断开 S2，镇流器产生很大的 自感电动势，和
12、原电压一起加在灯管两端，使管内气体电离，日光灯正常发光，C 错误，D 正确. 1(对自感电动势的理解)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 解析 电感一定时，电流变化越快，I t越大，由 EL I t知，自感电动势越大，A 错，B 对； 线圈中电流为零时，电流的变化率不一定为零，自感电动势不一定为零，故 C 错；当通过线 圈的电流最大时，若电流的变化率为零，自感电动势为零，故 D 错 2 (
13、对自感系数的理解)(2019 汕头市高二检测)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 线圈的自感系数跟线圈的形状、长短、匝数和有无铁芯等自身特性有关，与线圈中有 无电流、电流的变化快慢等无关，B、C 错误，D 正确；自感电动势除与线圈的自感系数有 关外，还与穿过线圈的磁通量变化的快慢有关，A 错误 3(对自感现象的理解)(多选)如图 6 所示电路，电感线圈 L 的自感系数足够大，其直流电阻 忽略不计，LA、
14、LB是两个相同的灯泡，则( ) 图 6 AS 闭合瞬间，LA不亮，LB很亮 BS 闭合瞬间，LA、LB同时亮，然后 LA逐渐变暗到熄灭，LB变得更亮 CS 断开瞬间，LA闪亮一下才熄灭，LB立即熄灭 DS 断开瞬间，LA、LB立即熄灭 答案 BC 4(自感现象的图象问题)在如图 7 所示的电路中，L 是一个自感系数很大、直流电阻不计的 线圈，D1、D2和 D3是三个完全相同的灯泡，E 是内阻不计的电源在 t0 时刻，闭合开关 S，电路稳定后在 t1时刻断开开关 S.规定以电路稳定时流过 D1、D2的电流方向为正方向，分 别用 I1、I2表示流过 D1和 D2的电流，则下列图象中能定性描述电流
15、I 随时间 t 变化关系的是 ( ) 图 7 答案 C 解析 当闭合开关时，因为线圈与 D1串联，所以流过 D1的电流 I1会慢慢增大，流过 D2的电 流 I2为稳定值，且电路稳定时 I2I1.当开关断开时，因为线圈阻碍电流 I1的减小，所以通过 D1的电流不会立即消失，会从原来的大小慢慢减小，由于 L、D1、D2和 D3构成回路，通过 D1的电流也流过 D2，所以 I2变成反向立即增大， 之后逐渐减小， 故 C 正确，A、 B、 D 错误 5(对日光灯的原理的理解)家用日光灯电路如图 8 所示，S 为启动器，A 为灯管，C 为镇流 器，关于日光灯的工作原理，下列说法正确的是( ) 图 8 A
16、镇流器的作用是交流电变为直流电 B在日光灯正常发光时，启动器中的两个触片是分开的 C日光灯发出的光是电流加热灯丝发出的 D日光灯发出的光是汞原子受到激发后直接辐射的 答案 B 解析 镇流器在启动时产生瞬时高压，在正常工作时起降压限流作用，故 A 错误；电路接通 时，启动器中的氖气停止放电(启动器分压少，辉光放电无法进行，不工作)，U 形动触片冷 却收缩，两个触片分离，B 正确 U 形动触片两极断开瞬间，流过镇流器的电流突然切断，产生很大的感应电动势，此瞬时高 压加在灯管两端，灯管内惰性气体和汞蒸气电离，使灯管导电而发光，故 C、D 错误 一、选择题 考点一 自感现象的分析 1.如图 1 是用于
17、观察自感现象的电路图，设线圈的自感系数很大，线圈的直流电阻 RL与灯泡 的电阻 R 满足 RLR，则在开关 S 由闭合到断开的瞬间，可以观察到( ) 图 1 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 RLR 时，才会看到灯泡有明显的闪亮现象 答案 C 解析 S 闭合，电路稳定时，由于 RLR，那么 ILIR，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，而灯泡与线圈形成闭合回路，流过线 圈的电流 IL通过灯泡， 由于 ILIR， 因此灯泡开始有明显的闪亮现象， C 正确， A、 B 错误 若 RLR，则 ILIR，这样灯泡不会
18、有明显的闪亮现象，D 错误 2.如图 2 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 直流电阻与 R 相同在开关 S 接通和断开时，灯泡 A1和 A2亮暗的顺序是( ) 图 2 A接通时 A1先达最亮，断开时 A1后灭 B接通时 A2先达最亮，断开时 A1后灭 C接通时 A1先达最亮，断开时 A2后灭 D接通时 A2先达最亮，断开时 A2后灭 答案 A 解析 当开关 S 接通时，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
19、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，A2立即熄灭，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 3(多选)(2018 宿迁市高二上学期期末)如图 3 所示，A、B 是两个完全相同的小灯泡，L 是 电阻不计、自感系数很大的线圈下列说法正确的有( ) 图 3 A闭合 S1，再闭合 S2，A 灯将变暗 B闭合 S1，再闭合 S2，B 灯将变暗直至熄灭 C闭合 S1、S2稳定后，再断开 S1，A 灯将立即熄灭 D闭合 S1、S2
20、稳定后，再断开 S1，B 灯先亮一下然后变暗直至熄灭 答案 BCD 4(2018 如东中学高二阶段性测试)如图 4 所示，电源电动势为 E，其内阻不可忽略，L1、L2 是完全相同的灯泡， 线圈L的直流电阻不计， 电容器的电容为C， 合上开关S， 电路稳定后( ) 图 4 A电容器的带电荷量为 CE B灯泡 L1、L2的亮度相同 C在断开 S 的瞬间，通过灯泡 L1的电流方向向右 D在断开 S 的瞬间，灯泡 L2立即熄灭 答案 C 解析 合上开关 S，电路稳定后，L1短路，L1灯不亮，L2灯发光，B 错；由于电源有内阻， 电容器两端电压 UE，则电容器所带电荷量 QIA，则能观察到小灯泡闪亮一下
21、再熄灭，线 圈的自感系数越大，小灯泡延时闪亮的时间就越长可见灯泡未闪亮的根本原因是不满足 ILIA的条件，这是线圈电阻偏大造成的故 C 正确 考点二 自感现象中的图象问题 9(多选)如图 9 所示，用电流传感器研究自感现象电源内阻不可忽略，线圈的自感系数较 大，其直流电阻小于电阻 R 的阻值t0 时刻闭合开关 S，电路稳定后，t1时刻断开 S，电 流传感器连接计算机分别描绘了整个过程线圈中的电流 IL和电阻中的电流 IR随时间 t 变化的 图象下列图象中可能正确的是( ) 图 9 答案 AD 10 (多选)(2018 峨山一中月考)图 10(a)是用电流传感器(相当于电流表， 其内阻可以忽略不
22、计) 研究自感现象的实验电路，图中两个电阻的阻值均为 R，L 是一个自感系数足够大的自感线 圈，其直流电阻值也为 R.图(b)是某同学画出的在 t0时刻开关 S 切换前后，通过传感器的电流 随时间变化的图象关于这些图象，下列说法正确的是( ) 图 10 A图(b)中甲是开关 S 由断开变为闭合，通过传感器 1 的电流随时间变化的情况 B图(b)中乙是开关 S 由断开变为闭合，通过传感器 1 的电流随时间变化的情况 C图(b)中丙是开关 S 由闭合变为断开，通过传感器 2 的电流随时间变化的情况 D图(b)中丁是开关 S 由闭合变为断开，通过传感器 2 的电流随时间变化的情况 答案 BC 11.
23、如图 11 所示的电路中，电源的电动势为 E，内阻为 r，自感线圈 L 的直流电阻不计，电阻 R 的阻值大于灯泡 D 的阻值，在 t0 时刻闭合开关 S，经过一段时间后，在 tt1时刻断开开 关 S，下列表示 A、B 两点间电压 UAB随时间 t 变化关系的图象中，正确的是( ) 图 11 答案 B 解析 在 t0 时刻闭合开关 S，由于自感线圈 L 产生自感电动势，阻碍电流通过，电源输出 电流较小， 路端电压较高， 经过一段时间电路稳定后， 电源输出电流较大， 路端电压较低 在 tt1时刻断开开关 S，自感线圈 L 产生自感电动势，与灯泡构成闭合回路，灯泡 D 中有反向 电流通过，所以表示
24、A、B 两点间电压 UAB随时间 t 变化的图象中正确的是选项 B. 考点三 日光灯的工作原理 12如图所示，S 为启动器，L 为镇流器，其中日光灯的接线图正确的是( ) 答案 A 解析 根据日光灯的工作原理，要想使日光灯发光，灯丝需要预热发出电子，灯管两端应有 瞬时高压，这两个条件缺一不可当动、静触片分离后，选项 B 中灯管和电源断开，选项 B 错误；选项 C 中镇流器与灯管断开，无法将瞬时高压加在灯管两端，选项 C 错误；选项 D 中灯丝左、右两端分别被短接，无法预热放出电子，不能使灯管气体电离，选项 D 错误只 有选项 A 满足发光条件 13(多选)关于日光灯的下列说法正确的是( ) A
25、启动器触片接通时，镇流器产生瞬时高压 B工作时，镇流器降压、限流，保证日光灯管正常发光 C工作时，镇流器使日光灯管的电压稳定在 220 V D正常工作和不工作时，双金属片的状态相同 答案 BD 解析 启动器接通后再断开时，镇流器产生瞬时高压，而不是接通时产生瞬时高压，故 A 错 误；日光灯正常工作时，因交变电流通过镇流器产生自感电动势，起降压限流作用，故 B 正 确； 保证日光灯管正常工作， 此时有电流通过镇流器， 灯管两端电压小于 220 V， 故 C 错误； 启动器在启动时，相当于自动开关的作用，启动后双金属片恢复原状，故 D 正确 二、非选择题 14 如图 12 甲所示为某同学研究自感现
26、象的实验电路图， 用电流传感器显示各时刻通过线圈 L 的电流电路中电灯的电阻 R16.0 ，定值电阻 R2.0 ，A、B 间的电压 U6.0 V开 关 S 原来闭合，电路处于稳定状态，在 t11.010 3 s 时刻断开开关 S，该时刻前后电流传 感器显示的电流 I 随时间 t 变化的图线如图乙所示 图 12 (1)求出线圈 L 的电阻 RL. (2)在图甲中，断开开关后通过电灯的电流方向如何？ (3)在 t21.610 3 s 时刻线圈 L 中的感应电动势的大小是多少？ 答案 (1)2.0 (2)电灯中的电流方向自右向左 (3)3.0 V 解析 (1)由题图可知，开关 S 闭合电路稳定时流过线圈 L 的电流 I01.5 A， 由欧姆定律得 I0 U RLR， 解得 RLU I0R2.0 . (2)断开开关后，线圈 L、电阻 R 和电灯构成一闭合回路，由自感规律可知，电灯中的电流方 向自右向左 (3)由题图可知，t21.610 3 s 时刻线圈 L 中的电流 I0.3 A，此时线圈 L 相当于电源，由 闭合电路欧姆定律得 EI(RLRR1)0.3(2.02.06.0) V3.0 V.