自感现象、日光灯;涡流、电磁灶.doc

【本讲教育信息】一、教学内容选修32 第一章 第5、6节 自感现象、日光灯；涡流、电磁灶二、考点点拨自感现象、日光灯、涡流、电磁灶是电磁感应的应用，在高考当中时有考查，主要以选择题形式出现。三、跨越障碍（一）自感现象由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象叫做自感现象。1. 自感电动势：在自感现象中产生的感应电动势，叫做自感电动势。2. 自感电动势的作用：总是阻碍导体中原来电流的变化，即总是起着推迟电流变化的作用。3. 自感电动势的方向：自感电动势总是阻碍导体中原来电流的变化，当原来电流增大时，自感电动势与原来电流方向相反；当原来电流减小时，自感电动势与原来电流方向相同。4. 自感现象中磁场的能量：在断电自感现象中，线圈在通有电流时，线圈中储存有能量。在断开电路时，与线圈并联的灯泡不会马上熄灭，这就是线圈中储存的能量释放了出来，有电流时就有磁场，就有能量储存，无电流时无磁场，就没有能量储存，因此可以认为该能量储存于磁场中。在自感现象中，自感电动势的大小由哪些因素决定？线圈自感系数由什么决定？自感电动势的大小与电流变化的快慢和线圈构造有关。自感系数只与其本身因素有关，与其他外界因素无关。知识与规律：1. 自感电动势，由于磁通量的变化是电流的变化引起的，故此自感电动势的大小与电流变化的快慢有关，也可表示为，式中L称为自感系数。2. 自感系数：是表示线圈产生自感电动势本领大小的物理量，简称为自感或电感，用L表示。（1）大小：线圈越长、越粗，匝数越多，自感系数越大，线圈有铁芯时比无铁芯时自感系数要大得多。（2）单位：亨利，简称亨（H），如果通电线圈的电流在l s内改变1 A时产生的自感电动势是l V，这个线圈的自感系数就是1亨. 1 H=103mH=106 。说明：1. 不同线圈在电流变化一致的情况下，自感电动势不同，说明自感电动势与线圈构造有关。2. 自感系数是表示线圈产生自感电动势本领大小的物理量，只与其本身因素有关，与其他外界因素无关。（二）日光灯日光灯主要由灯管、镇流器、起辉器三部分组成。起辉器与灯管并联，镇流器与灯管串联。各部件的作用：（1）灯管：灯管两端有灯丝，管内充有微量的氩和稀薄汞蒸气，管壁上涂有荧光粉，两灯丝间的气体导电时发出紫外线，紫外线使涂在管壁上的荧光粉发出柔和的可见光。（2）镇流器：镇流器是一个带铁芯的线圈，其圈数很多且为闭合线圈，自感系数很大，作用：日光灯启动时，利用自感现象产生瞬时的高电压；日光灯正常发光时，利用自感现象，对灯管起到降压限流的作用。（3）起辉器：其构造如图所示，它是一个充有氖气的小玻璃泡，里面装有两个电极，一个固定不动的静触片和一个用双金属片制成的U形动触片，它的作用是：当开关闭合时，电源把电压加在起辉器两极上，使氖气放电发出辉光，辉光产生热量使U形动触片膨胀伸长，跟静触片接触而把电路导通，于是镇流器中的线圈和灯管内的灯丝中就有电流通过，电路接通后，起辉器中的氖气停止放电，U形动触片冷却收缩，两个触片分离，电路自动断开，在电路突然中断的瞬间，镇流器线圈因自感现象产生一个瞬时高压，这个高压与电源电压共同加在灯管两端，使灯管中的水银蒸气开始导通，使日光灯发光。日光灯的工作原理（1）启动：开关闭合后，电源电压加在起辉器两极间，使氖气放电，发辉光，产生热量，使U形动触片膨胀，跟静触片接触把电路接通，电路接通后，氖气停止放电，U形动触片冷却收缩，两触片分开，电路断开，电路断开瞬间，镇流器产生很高的自感电动势。（2）正常发光：日光灯正常发光时，镇流器与两灯丝及灯管内的汞蒸气组成闭合电路，由于镇流器的线圈产生自感现象，阻碍通过灯管的电流变化，起降压限流作用，确保日光灯正常工作。说明：1. 日常灯启动时，需要一个瞬时高电压，这个高电压是由镇流器产生的自感电动势与电源电压叠加后产生的。当灯管启动后，它的电阻变得很小，只允许通过较小的电流，需要使加在它两端的电压变小。由于灯管通过的是交变电流，通过镇流器线圈的电流在不断变化，镇流器的线圈会产生自感电动势，阻碍电流的变化，这时镇流器起给灯管降压限流的作用，保证日光灯正常发光。2. 起辉器是为镇流器产生瞬时自感高压而服务的。在动、静触片间并联有一个电容器，它的作用是在动、静触片分离时避免产生火花而烧坏触片，没有电容器，启动器也能工作。【典型例题】例l：多匝线圈L的电阻和电池内阻不计，两个电阻的阻值都是R，开关S原来是断开的，电流，今合上开关S将一电阻短路，于是线圈中有自感电动势产生，此电动势A. 有阻碍电流的作用，最后电流由减小到零B. 有阻碍电流的作用，最后电流总小于C. 有阻碍电流增大的作用，因而电流将保持不变D. 有阻碍电流增大的作用，但电流最后还是增大到2解析：开关S由断开到闭合瞬间，回路中的电流要增大，因而在L上要产生自感电动势，阻碍引起它的电流的变化，但阻碍不是阻止，电流仍要增大，而达到稳定后其电流为2，选项D正确。答案：D注意：“阻碍”不是“阻止”例2：在图中所示的四个日光灯的接线图中，为起辉器，为开关，L为镇流器，能使日光灯正常发光的是解析：日光灯工作时，电流通过镇流器、灯丝和启动器构成回路，使起辉器发出辉光，相当于起辉器短路接通，同时电流加热灯丝，灯丝发射大量电子，之后起辉器断开瞬间，镇流器产生很大的自感电动势，这个很大的自感电动势与电源电压一起加在灯管两端，灯管中的气体放电、发光，此时起辉器已无作用，所以起辉器可用手动的开关来代替（实际操作时，因起辉器丢失或损坏时，可手持带绝缘皮的导线短接起辉器然后再断开）。答案：AC例3：在制作精密电阻时，为了消除使用过程中由于电流的变化而引起的自感现象，常采用如图所示的双绕线法，其理由是A. 电路中电流变化时，两股导线中产生的自感电动势互相抵消B. 电路中电流变化时，两股导线中产生的感应电流互相抵消C. 电路中电流变化时，两股导线中产生的磁通量互相抵消D. 以上说法都不正确解析：产生感应电动势的最根本原因是因为有磁通量的变化，有了，才能产生感应电动势E，有了E才有感应电流I，从这个因果关系不难发现C是正确的。答案：C例4：如图所示电路中，P和Q是完全相同的两个灯泡，自感线圈L是直流电阻为零的纯电感，且自感系数L很大，电容器C的电容较大且不漏电，下列判断正确的是A. 开关S闭合后，P灯亮后逐渐熄灭，Q灯逐渐变亮B. 开关S闭合后，P灯、Q灯同时亮，然后P灯暗，Q灯更亮C. 开关S闭合，电路稳定后，S断开时，P灯突然亮一下，然后熄灭，Q灯立即熄灭D. 开关S闭合，电路稳定后，S断开时，P灯突然亮一下，然后熄灭，Q灯逐渐熄灭解析：在图中所示的电路中，P灯与电感L并联，Q灯与电容器C并联，然后这两部分电路串联接在电源上，当开关S闭合时，电感对电流的增大起阻碍作用，电感L上的电流逐渐增大，达到稳定后，P灯无电流，Q灯达到最亮，所以A选项正确。开关S闭合，电路稳定后，S断开时，电感L与P灯组成闭合回路，电感中的电流经P灯，使P灯突然亮一下再熄灭，电容器C所带的电荷量经Q灯放电，Q灯不立即熄灭，而是逐渐熄灭，所以D选项也是正确的。答案：AD 例5：如图甲、乙所示，电阻R和自感线圈L的电阻值相等，接通S，使电路达到稳定状态，灯泡D发光，则在电路甲中，断开S，D将渐渐变暗在电路甲中，断开S，D将先变得更亮，然后渐渐变暗在电路乙中，断开S，D将渐渐变暗在电路乙中，断开S，D将先变得更亮，然后渐渐变暗A. B. C. D. 解析：在电路甲中自感线圈L与灯泡D串联，D与L电流相等，断开S时产生自感电动势将使D与L中的电流值从稳定状态逐渐减小，D将渐渐变暗，而不是立即熄灭。在电路乙中，L与D并联，稳定时L中电流比D中电流大，断开S的瞬间，L中电流从稳定值逐渐减小，故S断开瞬间，通过灯泡D的电流变大，D将先变得更亮，然后渐渐变暗，故选项D正确。答案：D例6：在如图所示电路中，L为电阻很小的线圈，和为零点在表盘中央的相同的电流表，当开关S闭合时，电流表指针偏向右方，那么当开关S断开时，将出现的现象是A. 和指针都立即回到零点B. 指针立即回到零点，而指针缓慢地回到零点C. 指针缓慢回到零点，而指针先立即偏向左方，然后缓慢地回到零点D. 指针先立即偏向左方，然后缓慢地回到零点，而指针缓慢地回到零点解析：电流表指针的偏转方向与电流方向有关。根据题意，电流自右向左时，指针向右偏。那么，电流自左向右时，指针应向左偏，当开关S断开瞬间，中电流立即消失，而L由于自感作用，电流不能立即消失，电流沿L、的方向在由它们组成的闭合回路中继续维持一个很短的时间，即中的电流按原方向自右向左逐渐减为零，而中的电流方向和原方向相反，变为自左向右，和中的电流同时减为零，也就是指针先立即偏向左方，然后缓慢地回到零点，而指针缓慢地回到零点，故选项D正确。答案：D例7：如图所示的电路中，三个相同的灯泡a、b、c和电感、与直流电源连接，电感的电阻忽略不计。开关S从闭合状态突然断开时，下列判断正确的有A. a先变亮，然后逐渐变暗B. b先变亮，然后逐渐变暗C. c先变亮，然后逐渐变暗D. b、c都逐渐变暗解析：由题意知，开关S处于闭合状态时有：，。开关S从闭合状态突然断开时，由于自感现象，流经灯泡a的电流由突然变为，而=，所以灯泡a先变亮，然后逐渐变暗；而灯泡b、c都逐渐变暗。故选项A、D正确。答案：AD点拨：本题主要考查的是自感现象，解决本题的关键在于认真分析电路，此题应注意灯泡电流的突变原因。（三）涡流块状金属放在变化磁场中，金属块内产生的像水的漩涡状的感应电流。涡流是一种特殊的电磁感应现象，遵循电磁感应定律。1. 涡流的利用（1）利用涡流的热效应：涡流是一种特殊的电磁感应现象，当把块状金属放在变化磁场中，金属块中均可产生涡流，由于金属块的电阻很小，所以产生的热量较多。电磁灶是采用磁场感应涡流原理，利用高频的电流（一种交变电流，家用电磁炉使用的是2050 kHz的高频电流）通过环形线圈，从而产生无数封闭磁感线，当磁场的磁感线通过导磁体（如：铁质锅）的底部时，就会产生无数小涡流，使锅体本身自行高速发热，然后再加热锅内食物。涡流冶金：用来冶炼合金的真空冶炼炉，炉外有线圈，线圈中通入反复变化的电流，炉内的金属中产生涡流，涡流产生热量并使金属熔化且达到很高的温度，利用涡流冶炼金属的优点是整个过程能在真空中进行，这就能防止空气中的杂质进入金属，可以冶炼出高质量的合金。（2）涡流制动与电磁驱动涡流制动：当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力的作用，安培力的方向总是阻碍导体运动，这种现象称为涡流（电磁）制动。这种制动因不是利用摩擦阻力的作用而产生的，从而有效地避免了因摩擦造成的机件损坏。电磁驱动：如果磁场相对于导体运动，在导体中产生感应电流，感应电流受到安培力的作用，安培力使导体运动起来，这种作用称为电磁驱动。（3）涡流探测涡流金属探测器利用线圈中的交变电流产生一定频率的交变磁场，交变磁场在金属中激起涡流，涡流的磁场又会反过来影响线圈中的电流，使仪器报警，从而探知金属物。金属探测器广泛应用于探测地雷、找矿、反恐等领域。2. 涡流的防止电动机、变压器的线圈都绕在铁芯上，线圈中流过变化的电流，在铁芯中产生涡流使铁芯发热，浪费了电能，还可能损坏电器。减小涡流的途径之一是增大铁芯材料的电阻率，常用的铁芯材料是硅钢，它的电阻率较大；另一个途径就是用互相绝缘的硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢心。例8：变压器的铁芯是利用硅钢片叠压而成的，而不是采用一整块硅钢，这是因为A. 增大涡流，提高变压器的效率 B. 减小涡流，提高变压器的效率C. 增大铁芯中的电阻，以增大发热量 D. 增大铁芯中的电阻，以减小发热量解析：变压器是应用电磁感应原理制成的。不使用整块硅钢而是采用很薄的硅钢片，这样做的目的是增大铁芯的电阻，阻断涡流回路，从而减少电能转化成铁芯的内能，提高效率，是防止涡流的热效应而采取的措施，故选B、D。答案：BD例9：如图所示，金属球（铜球）下端有通电的线圈，今把小球拉离平衡位置后释放，此后小球的运动情况是 （不计空气阻力） A. 做等幅振动 B. 做阻尼振动C. 振幅不断增大 D. 无法判定解析：小球在通电线圈磁场中运动，小球中产生涡流，故小球要受到阻碍它的相对运动的安培力的作用，而使它做阻尼振动答案：B四、小结自感现象、日光灯、电磁灶、涡流的本质都是电磁感应现象，都应该遵循电磁感应定律，抓住现象的本质解决问题的关键。五、预习导学（选修32 第二章 第1、2、3节 交变电流的产生、描述，电阻、电感、电容）1、交变电流 2、正弦式交变电流的产生 3、描述交变电流的物理量 4、交流电的有效值 5、电感、电容对电路的影响 【模拟试题】（答题时间：50分钟）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2. 如图所示，L是一个带有铁芯的线圈，小灯泡正常发光，当断开开关S时，出现的情况是A. 灯立即熄灭B. 灯逐渐熄灭C. 灯比原来更亮一些，再逐渐熄灭D. 灯比原来更亮一些，再突然熄灭*3. 如图所示的电路中，L为自感系数较大的线圈。闭合开关后，当变阻器滑片P不动时，两定值电阻上的电流，则A. 当滑片向右滑动时 B. 当滑片向右滑动时C. 当滑片向左滑动时 D. 当滑片向左滑动时*4. 如图所示的电路中，和是完全相同的灯泡，线圈L的电阻可以忽略，下列说法中正确的是A. 合上开关S接通电路时，先亮，后亮，最后一样亮B. 合上开关S接通电路时，和始终一样亮C. 断开开关S切断电路时，立刻熄灭，过一会儿才熄灭D. 断开开关S切断电路时，和都要过一会儿才熄灭*5. 如图所示，灯泡A、B规格完全相同，带铁芯的线圈L的直流电阻和电阻R的阻值与灯泡的电阻相比均很小，下列说法正确的是A. 开关S闭合电路稳定时，两灯亮度一样B. 开关S闭合电路稳定时，由于线圈L的自感作用，A灯比B灯暗C. 开关S由闭合状态断开时，灯泡A中的电流方向与原来相反D. 开关S由闭合状态断开时，灯泡A和B均更亮一下再熄灭*6. 如图所示电路，和是两个相同的小灯泡，L是一个自感系数很大的线圈，其直流电阻与R相同，由于存在自感现象，在开关S接通和断开时，灯泡和亮暗的先后顺序是A. 接通时先达最亮，断开时后暗B. 接通时先达最亮，断开时后暗C. 接通时先达最亮，断开时先暗D. 接通时先达最亮，断开时先暗*7. 如图所示，L是自感系数很大，电阻很小的线圈，电表的零刻线都在表盘的中央，且量程均较大，闭合开关S，各表的指针都偏向零刻线的右边，则在断开开关的瞬间，哪几个表的指针偏向零刻线的左边A. B. C. D. *8. 如图所示，是测定自感系数很大的线圈L的直流电阻的电路，L两端并联一只电压表，用来测定自感线圈的直流电压，在测定完毕后，将电路拆卸时应A. 先断开B. 先断开C. 先拆除电流表D. 先拆除电阻R*9. 如图所示，闭合电路中一定长度的螺线管可自由伸缩，通电时灯泡有一定亮度，若将一软铁棒从螺线管的一端迅速插入螺线管内，则在插入过程中A. 灯泡变亮，螺线管缩短B. 灯光变暗，螺线管缩短C. 灯泡变亮，螺线管伸长D. 灯泡变暗，螺线管伸长*10. 如图所示，电源的电动势E=15 V，内阻忽略不计，电感线圈的电阻不计，求当S接通的瞬间、S接通达到稳定时及S切断的瞬间流过的电流。11. 桌上放一铜片，一条形磁铁的N极自上而下接近铜片的过程中，如图所示，铜片对桌面的压力A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 无法判断12. 下列对变压器和电机中的涡流认识正确的是A. 涡流会使铁芯温度升高，危及线圈绝缘材料的寿命B. 涡流发热要损耗额外的能量C. 可以将变压器和电机的铁芯用相互绝缘的很薄的硅钢片叠压而成，这样可以减小铁芯中的感应电动势D. 涡流产生于变压器和电机的线圈中，对电流起阻碍作用13. 如图所示，在光滑水平面上固定一条形磁铁，有一小球以一定的初速度向磁铁方向运动，如果发现小球做减速运动，则小球的材料可能是A. 铁 B. 木 C. 铜 D. 铝14. 一块铜片置于如图所示的磁场中，如果用力把铜片从磁场拉出或把它进一步推入，在这两个过程中有关磁场对铜片的作用力，下列说法正确的是A. 拉出时受到阻力 B. 推入时受到阻力C. 拉出时不受磁场力 D. 推入时不受磁场力【试题答案】1、答案：D解析：线圈的自感系数与线圈的粗细、长短、匝数及有无铁芯有关，与线圈中的电流无关；自感电动势，可见自感系数越大，感应电动势不一定越大。2、答案：A解析：当S断开时，虽有自感电动势，但不存在闭合电路，故灯立即熄灭。3、答案：AD解析：滑片右移时，电阻变大，电流减小，均减小，由于L作用，A对B错；滑片左移时，电阻变小，电流增大，均增大，由于L作用，C错D对。4、答案：AD解析：通电瞬间，L中有自感电动势产生，与L在同一支路的灯要逐渐变亮，而立即变亮；稳定后，线圈相当于导线，、并联，一样亮，断开瞬间，L中有自感电动势产生，相当于电源，与、构成回路，所以两灯都过一会儿才熄灭。5、答案：A解析：当电路稳定时，线圈无阻碍作用，两灯直接并联在电源两端，A对B错；开关断开，L和两灯构成闭合回路，灯都不会立即熄灭，但因稳定时流过L的电流与灯A中的电流相等，开关断开时，线圈中的电流由稳定逐渐减小为零，灯泡不会出现更亮的现象。当开关断开时，A中电流方向不变，B中电流与原方向相反。6、答案：A解析：开关接通时，线圈中产生感应电流，使流过线圈的电流从零开始慢慢增加，使比亮，同时电流又将分路通过和R，所以和同时亮；断开时，中电流立即变为零，立即熄灭，中电流逐渐减小为零，所以后灭。7、答案：CD解析：断开开关瞬间，立即指零；由于L影响，在闭合回路L、中产生感应电流；又因为L中产生电流与原电流方向一致，所以流过L、中电流是顺时针方向的，所以中电流与原方向相同，中电流与原方向相反，指针偏左；V测与两端电压，电流反了，电势高低也就反了，故V指针左偏。8、答案：B解析：无论哪种情况，线圈L上电流都变为零，线圈自感系数很大，所以有可能产生很高的电动势，从而烧毁电表。9、答案：D解析：加上软铁棒，磁场磁性更强，螺线管产生自感电动势来阻碍磁场变强，使原电流减小，灯泡变暗，螺线管变长。10、答案：0 3A 3A解析：通过线圈的电流不能突变，接通前线圈电流为零，接通瞬间线圈电流也为零，中电流，电路稳定后，线圈相当于导线，、并联S断开瞬间，线圈中电流不能突变，所以，但方向相反11、答案：A解析：磁铁向下时，由于电磁感应，产生逆时针方向电流，阻碍磁铁接近，磁铁对铜片有同样大小的相互作用力，使铜片对桌面的压力增加。12、答案：AB解析：产生涡流后，使铁芯发热浪费能量，热量过高，还会损害电器，铁芯用硅钢片，目的是增大铁芯的电阻，阻断涡流，减小电能转化为内能。13、答案：CD解析：感应电流要阻碍相对运动，铁球加速，木球匀速。14、答案：AB解析：无论是拉出还是推入，铜片内均产生涡流，都要克服安培力做功。