2.3自感现象与涡流 学案(含答案)

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1、第第 3 3 节节 自感现象与涡流自感现象与涡流 核 心 素 养 物理观念 科学探究 科学思维 1.了解自感现象, 认识自感电动势对电路 中电流的影响。 2.了解自感系数的意义和决定因素。 3.了解涡流的产生原因,知道涡流的本 质。 4.了解涡流的应用和减小涡流危害的方 法。 通过实验观 察通电自感 和断电自感 时灯泡亮度 的变化, 认识 自感现象。 理解自感电 动势产生的 原因, 解释通 电自感和断 电自感现象。 知识点一 自感现象、自感电动势 观图助学 如图,在电键 S 闭合的情况下,线圈 M 中有电流,所以就有通过线圈 M 的磁通 量,此时若左右移动滑动变阻器的触头,线圈 M 中磁通量大

2、小是否发生变化? 依据法拉第电磁感应定律,线圈 M 中是否会产生感应电动势? 1自感现象 (1)通电自感 实验现象:连接电路,调节变阻器 R0,使两灯泡的亮度相同。断开开关,再 次闭合开关接通电路时,与变阻器 R0串联的小灯泡 1 立刻亮了,与线圈 L 串联 的小灯泡 2 逐渐亮起来。 现象解释:在闭合开关接通电路的瞬间,电流由零开始迅速增大,小灯泡 2 所在支路穿过线圈的磁通量也随之增大,线圈中会产生感应电动势。根据楞次定 律, 这个感应电动势要阻碍线圈中的电流增大,使小灯泡 2 迟一会儿才与小灯泡 1 同样亮。 (2)断电自感 实验现象:连接电路,调节变阻器 R0,使两灯泡的亮度相同。开关

3、断开时, 小灯泡 2 立刻熄灭,但与线圈 L 并联的小灯泡 1 没有立刻熄灭,而是过一会儿 后才熄灭。 这说明在开关断开的瞬间, 线圈 L 与小灯泡 1 所构成的回路中仍然有 电动势和电流存在。 现象解释:在开关断开的瞬间,通过线圈的电流突然减小,穿过线圈的磁通量 也随之减小, 从而发生电磁感应现象, 线圈中产生的感应电动势阻碍电流的减小。 这样线圈 L 和小灯泡 1 所构成的回路中仍然有电流通过, 因此小灯泡并不立即熄 灭。 (3)由线圈自身的电流变化所产生的电磁感应现象称为自感现象。 2自感电动势 (1)由线圈自身电流变化所产生的感应电动势称为自感电动势。 (2)自感电动势的作用:自感电动

4、势总是阻碍导体自身的电流的变化。 (3)自感电动势的大小:ELI t,其中 L 是自感系数,简称自感或电感,单位: 亨利,符号为 H。 (4)自感系数大小的决定因素:线圈的横截面积越大,单位长度匝数越多,线圈 越长,它的自感就越大,此外,将铁芯插入线圈,会使线圈的自感大大增加。 3自感现象的应用:日光灯镇流器,与电容器组成振荡电路、电焊机。 思考判断 (1)自感现象中,感应电流一定与原电流方向相反。() (2)线圈的自感系数与电流大小无关,与电流的变化率有关。() (3)线圈中电流最大的瞬间可能没有自感电动势。() 知识点二 涡流及其应用 观图助学 上图为家庭中常见的电磁炉与手机充电器, 你是

5、否知道电磁炉工作时实际发热体 并不是电磁炉,而是锅,你知道充电器工作时为什么会发热吗? 1涡流:将一金属块放在变化的磁场中,穿过金属块的磁通量发生变化,金属 块内部就会产生感应电流, 这种电流在金属块内部形成闭合回路, 就像旋涡一样, 我们把这种感应电流称为涡电流,简称涡流。 2涡流的特点:若金属的电阻率很小,穿过金属的磁通量变化时产生的涡流较 大,使金属很快发热。 3涡流的应用与防止 (1)涡流的应用:电磁炉、安检门。 (2)涡流防止: 电动机、 变压器等设备中应防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量, 损坏电器,减小涡流的方法为,用电阻率较大且涂有绝缘材料的硅钢板材叠加做 成铁芯。 思考判断 (

6、1)涡流是由整块导体发生的电磁感应现象,不遵从电磁感应定律。() (2)通过增大铁芯材料的电阻率可以减小涡流。() (3)变压器的铁芯用硅钢片叠成是为了减小涡流。(), 只要线圈的磁通量发生变化,线圈就一定会产生感应电动势。 等效电路图 线圈电流增加时,感应电动势的方向与电流的方向相反,以阻碍电流的增加。 等效电路图 线圈电流减小时,感应电动势的方向与电流的方向相同,以阻碍电流的减小。 阻碍不是阻止,自感电动势对最终的电流大小没有影响,只是让电流变化的过程 变长。 自感系数由线圈自身的结构特点决定,与有无电流、有无自感电动势无关。 涡流的产生示意图 变压器内部铁芯的硅钢片 核心要点 自感现象的

7、理解与应用 问题探究 图为某实验的电路图,线圈两端并联一个电压表。 (1)电压表是否允许反向的电流通过? (2)在实验完毕后,将电路拆去时,能否先断开电键 S1? 答案 (1)电压表不允许反向的电流通过。 (2)若先断开开关S1, 则断开S1的瞬间, 线圈中产生的自感电动势相当于瞬间电源,其 a 端相当于电源的负极,b 端相当 于电源的正极, 此时电压表上加了一个反向电压, 使指针反偏, 若反偏电压过大, 会烧坏电压表,所以不能先断开电键 S1。 探究归纳 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。 (

8、3)分析阻碍的结果:当电流增大时,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。 2自感现象中,灯泡亮度变化的问题 与线圈串联的灯泡 与线圈并联的灯泡 电路图 通电时 电流逐渐增大, 灯泡逐渐 变亮 电流 I1突然变大,然后逐渐减小达到稳定。 灯泡突然变亮然后逐渐变暗,最后亮度不变 断电时 电流逐渐减小, 灯泡逐渐 变暗,电流方向不变 电路中稳态电流为 I1、I2,若 I2I1,灯泡 逐渐变暗;若 I2I1,灯泡闪亮一下后逐渐 变暗,两种情况灯泡电流方向均改变 经

9、典示例 例1 (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( ) AS 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 BS 闭合瞬间,灯 A 不亮,灯 B 立即亮 CS 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 解析 S 闭合的瞬间,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闭合的瞬间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

10、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。选项 A、D 正确。 答案 AD 规律总结 (1)断开开关后,灯泡是否瞬间变得更亮,取决于电路稳定时两支路中电流的大 小关系,即由两支路中电阻的大小关系决定。 (2)若断开开关后,线圈与灯泡不能组成闭合回路,则灯泡会立即熄灭。 (3)自感线圈直流电阻小与直流电阻不计含义不同,稳定时

11、,前者相当于定值电 阻,后者出现短路。 针对训练 1 如图所示,电路中电源的内阻不能忽略,电阻 R 的阻值和线圈 L 的自感系数都很大,A、B 为两个完全相同的灯泡,当 S 闭合时,下列说法正确 的是(线圈 L 的直流电阻较小)( ) AA 灯比 B 灯先亮,然后 A 灯熄灭 BB 灯比 A 灯先亮,然后 B 灯逐渐变暗 CA、B 灯一起亮,然后 A 灯熄灭 DA、B 灯一起亮,然后 B 灯熄灭 解析 S 闭合时, 由于与 A 灯串联的线圈 L 的自感系数很大, 故在线圈上产生很 大的自感电动势,阻碍电流的增大,所以 B 灯比 A 灯先亮,稳定后,流过 B 灯 支路的电流变小,所以 B 灯逐渐

12、变暗,故 B 正确。 答案 B 核心要点 对涡流的理解及应用 要点归纳 1涡流的特点 当电流在金属块内自成闭合回路(产生涡流)时,由于整块金属的电阻很小,涡流 往往很强,根据公式 PI2R 知,热功率的大小与电流的平方成正比,故金属块 的发热功率很大。 2涡流中的能量转化 涡流现象中,其他形式的能转化成电能,并最终在金属块中转化为内能。如果金 属块放在变化的磁场中,则磁场能转化为电能,最终转化为内能;如果金属块进 出磁场或在非匀强磁场中运动,则由于克服安培力做功,金属块的机械能转化为 电能,最终转化为内能。 3注意 (1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象,同样遵循法拉第电磁感应定律。 (2)磁

13、场变化越快(B t 越大),导体的横截面积 S 越大,导体材料的电阻率越小,形 成的涡流就越大。 经典示例 例 2 下列关于涡流的说法中正确的是( ) A涡流跟平时常见的感应电流一样,都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的 B涡流不是感应电流,而是一种有别于感应电流的特殊电流 C涡流有热效应,但没有磁效应 D在硅钢片中不能产生涡流 解析 涡流是一种特殊的电磁感应现象,它是感应电流,既有热效应,又有磁效 应。硅钢片中能产生涡流,但电流较小,故选项 A 正确,B、C、D 错误。 答案 A 针对训练 2 (多选)对变压器和电动机中的涡流的认识, 以下说法正确的是( ) A涡流会使铁芯温度升高,减少线圈

14、绝缘材料的寿命 B涡流发热,要损耗额外的能量 C为了不产生涡流,变压器和电动机的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来 代替整块硅钢铁芯 D涡流产生于线圈中,对原电流起阻碍作用 解析 变压器和电动机中产生的涡流会使铁芯温度升高消耗额外的能量, 同时会 减少线圈绝缘材料的寿命,选项 A、B 正确;变压器和电动机的铁芯用相互绝缘 的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯是为了增加电阻,减小涡流,减少产生 的热量,选项 C 错误;涡流产生于铁芯中,对原电流无阻碍作用,选项 D 错误。 答案 AB 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

15、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 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 错误,B 正确;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 错误;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 错误。 答案 B 2(对自感现象的理解)如图所示,灯泡的灯丝电阻为 2 ,电池电动势为 2 V, 内阻不计,线圈匝数足够多,其直流电阻为 3 。先合上开关 S,过一段时间突 然断开,则下列说法中正确的有

16、( ) A灯泡立即熄灭 B灯泡立即变暗然后再逐渐熄灭 C灯泡会突然比原来亮一下再熄灭,且灯泡中电流方向与 S 断开前方向相同 D灯泡会突然比原来亮一下再熄灭,且灯泡中电流方向与 S 断开前方向相反 解析 当突然断开 S,线圈将产生自感现象,且与灯泡构成一闭合回路,此时通 过灯泡的电流由 ba,与断开前的电流方向相反;因线圈直流电阻比灯泡电阻 大, 断开前通过线圈的电流小于通过灯泡的电流,即灯泡会立即变暗然后再逐渐 熄灭,B 正确,A、C、D 错误。 答案 B 3(对自感现象的理解)如图所示的电路中,和是两个相同的小灯泡,L 是一 个自感系数相当大的线圈, 其阻值与 R 相同。 在开关 S 接通

17、和断开时, 灯泡和 亮暗的顺序是( ) A接通时先达最亮,断开时后灭 B接通时先达最亮,断开时后灭 C接通时先达最亮,断开时后灭 D接通时先达最亮,断开时后灭 解析 当开关 S 接通时,和同时亮,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通过, 而该电流又将同时分路通 过和 R,所以先达最亮,经过一段时间电路稳定后,和达到一样亮;当 开关 S 断开时,立即熄灭,而对,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 和组成的闭合电路中有感应电流, 所以后灭。

18、答案 A 4(涡流的理解和应用)电磁炉热效率高达 90%,炉面无明火,无烟,无废气, “火力”强劲,安全可靠。如图所示是描述电磁炉工作原理的示意图,下列说法 正确的是( ) A当恒定电流通过线圈时,会产生恒定磁场,恒定磁场越强,电磁炉加热效果 越好 B电磁炉通电线圈加交流电后,在锅底产生涡流,进而发热工作 C在锅和电磁炉中间放一纸板,则电磁炉不能起到加热作用 D电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅,主要原因是这些材料的导热性能较 差 解析 锅体中的涡流是由变化的磁场产生的,所加的电流是交流,不是直流,故 A 错误;根据电磁炉的工作原理可知,电磁炉通电线圈加交流电后,在锅底产生 涡流,进而发热工作,故 B 正确;在锅和电磁炉中间放一纸板,不会影响电磁 炉的加热作用,故 C 错误;金属锅自身产生无数小涡流而直接加热于锅底,陶 瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料,里面不会产生涡流,故 D 错误。 答案 B

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