2019-2020学年高中物理 第4章 电磁感应 6 互感和自感课件 新人教版选修3-2

第6节互感和自感第四章电磁感应1．知道什么是互感现象和自感现象。2．观察通电自感和断电自感实验现象，了解自感现象中自感电动势的作用。3．知道自感电动势的大小与什么有关，理解自感系数和自感系数的决定因素。4．通过对自感现象的研究，了解磁场的能量。1．当一个线圈中的电流变化时，会在另一个线圈中产生感应电动势，这种现象叫互感，互感的过程是一个能量传递的过程。2．一个线圈中的电流变化时，会在它本身激发出感应电动势，叫自感电动势，自感电动势的作用是阻碍线圈自身电流的变化。3．自感电动势的大小为E＝LΔIΔt，其中L为自感系数，它与线圈大小、形状、圈数，以及是否有铁芯等因素有关。4．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。01课前自主学习一、互感现象1．互感：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，这种现象叫互感。2．互感的应用：利用互感现象可以把由一个线圈传递到另一个线圈，如变压器就是利用制成的。3．互感的危害：互感现象能发生在任何两个相互靠近的电路之间，互感现象有时会影响电路的工作。□1感应电动势□2能量□3互感现象想一想互感现象是否属于电磁感应现象，是否遵守楞次定律和法拉第电磁感应定律？提示：互感现象属于电磁感应现象，所以遵守楞次定律和法拉第电磁感应定律。二、自感现象1．自感：一个线圈中的电流时，它所产生的变化的磁场在它本身激发出的现象。□1变化□2感应电动势2．通电自感和断电自感3．自感系数(1)自感电动势的大小：E＝，其中L是线圈的自感系数，简称自感或电感，单位：，符号：。常用的单位还有毫亨(mH)、微亨(μH)。(2)决定线圈自感系数大小的因素：线圈的、、以及是否有等。□7LΔIΔt□8亨利□9H□10大小□11形状□12圈数□13铁芯判一判(1)自感现象中，感应电流一定和原电流方向相反。()×提示：自感现象中感应电动势的方向遵从楞次定律。当原电流减小时，自感电流与原电流方向相同；当原电流增大时，自感电流与原电流方向相反。(2)线圈中产生的自感电动势较大时，其自感系数一定较大。()×提示：自感电动势的大小E＝LΔIΔt，所以自感电动势大不一定是由自感系数大引起的，有可能是电流的变化率很大引起的。(3)对于同一线圈，当电流变化较快时，线圈中的自感电动势也较大。()√提示：由E＝LΔIΔt知，对于同一线圈，自感系数确定，当电流变化越快时，线圈中产生的自感电动势也越大。三、磁场的能量1．自感现象中的磁场能量(1)线圈中电流从无到有时：磁场从无到有，电源把能量输送给，储存在中。(2)线圈中电流减小时：中的能量释放出来转化为电能。2．电的“惯性”自感电动势有阻碍线圈中的“惯性”。□1磁场□2磁场□3磁场□4电流变化想一想无轨电车在行驶的过程中，为什么车顶上的车弓处会产生电火花？提示：由于车身颠簸，可使车弓瞬间离开电网，由于自感现象，电车内部的电动机的线圈会产生一个较大的瞬时自感电动势，由于这个电动势较大，使车弓与电网之间的空气电离，产生放电现象。02课堂合作探究考点互感现象、自感现象1．对互感、自感现象的理解：互感、自感现象的实质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。互感可以发生在任何相互靠近的电路之间。2．自感电动势(1)大小：根据法拉第电磁感应定律：E＝nΔΦΔt，由于磁通量的变化是电流的变化引起的，故自感电动势的大小与电流的变化快慢有关，可表示成：E自＝LΔIΔt，式中L称为自感系数。(2)对线圈内自感电动势方向的理解：楞次定律在这里可表达成“自感电动势具有这样的方向，它总是阻碍．．引起自感电动势的电流．．的变化”。所以研究自感电动势的方向要从研究导体中电流．．的变化着手。如图甲所示，当S闭合后，L内的电流方向是由左向右，在S闭合瞬间L内电流增大，L内产生的自感电动势阻碍其电流增大，所以自感电动势的方向向左。如图乙所示的电路原是闭合的，当开关S断开瞬间，流经L内向右的电流减小，L内产生的自感电动势阻碍电流减小，自感电流方向向右，与灯泡A构成回路，流经灯A的电流是感应电流，方向D→A→C。可见当导体中的电流增大．．时，自感电动势就阻碍．．电流的增大，其方向与原电流的方向相反．．。当导体中的电流减小．．时，自感电动势就阻碍．．电流的减小，其方向与原电流方向相同．．，对电流的减小起到补偿作用。自感系数是表示线圈产生自感电动势本领大小的物理量，自感系数只与其本身．．因素有关，与其他．．因素无关。(3)从本质上分析由法拉第电磁感应定律知道，穿过线路的磁通量发生变化时，线路中就产生感应电动势。在自感现象中，由于流过线圈的电流发生变化，导致穿过线圈的磁通量发生变化而产生自感电动势。(4)自感电动势的作用：总是阻碍．．导体中原电流的变化．．，即总是起着推迟．．电流变化的作用。3．自感系数(1)大小：线圈的长度越长，线圈的横截面积越大，单位长度上的匝数越多，线圈的自感系数就越大，线圈有铁芯时比无铁芯时自感系数大得多。(2)单位：亨利(符号H)，1H＝103mH＝106μH。(3)物理意义：表征线圈产生自感电动势本领大小的物理量，数值上等于通过线圈的电流在1s内改变1A时产生的自感电动势的大小。例1(多选)下列关于自感现象的说法中，正确的是()A．自感现象是由线圈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．线圈中自感电动势的大小与穿过线圈的磁通量变化的快慢有关D．加铁芯后线圈的自感系数比没有铁芯时要大1.什么是自感现象？2．自感电动势的大小和方向如何求解？提示：自感现象是指线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场在它本身激发出感应电动势的现象。提示：自感电动势的大小E＝LΔIΔt，方向由楞次定律求解。[解析]根据自感现象的概念判断，选项A正确。由楞次定律知，线圈中自感电动势总是阻碍原电流的变化，但不是总与原电流的方向相反，故选项B错误。根据法拉第电磁感应定律知，选项C正确。自感系数大小由线圈的自身因素和有无铁芯决定，加铁芯后线圈的自感系数增大，选项D正确。对电感线圈阻碍作用的理解(1)若电路中的电流改变，电感线圈会产生自感电动势阻碍电路中电流的变化，使得通过电感线圈的电流不能突变。(2)若电路中的电流是稳定的，电感线圈相当于一段导线，其阻碍作用是由绕制线圈的导线的电阻引起的。[变式训练1]一个闭合线圈中的电流均匀增大，这个线圈的()A．磁通量均匀增大B．自感系数均匀增大C．自感系数、自感电动势均匀增大D．自感系数、自感电动势、磁通量都不变解析电流均匀增大时，线圈中磁感应强度均匀增大，所以磁通量均匀增大，而自感电动势取决于磁通量的变化率，所以自感电动势不变；自感系数取决于线圈本身的因素以及有无铁芯，也保持不变，只有选项A正确。考点自感现象分析自感现象的分析思路(1)明确通过自感线圈的电流的变化情况(增大还是减小)。(2)根据楞次定律，判断自感电动势的方向。(3)分析线圈中电流的变化情况，电流增强时(如通电时)，由于自感电动势方向与原电流方向相反，阻碍电流增加，因此电流逐渐增大；电流减小时(如断电时)由于自感电动势方向与原电流方向相同，阻碍电流减小，线圈中电流逐渐减小。(4)明确电路中元件与自感线圈的连接方式，若元件与自感线圈串联，元件中的电流与线圈中电流有相同的变化规律；若元件与自感线圈并联，元件上的电压与线圈上的电压有相同的变化规律；若元件与自感线圈构成临时回路，元件成为自感线圈的临时外电路，元件中的电流大小与线圈中电流大小有相同的变化规律。自感电动势的两个特点(1)自感电动势阻碍．．自身电流的变化，但不能阻止．．，且自感电动势阻碍自身电流变化的结果，会对其他电路元件的电流产生影响。(2)自感电动势的大小跟自身电流变化的快慢．．有关，电流变化越快，自感电动势越大。例2(多选)如图所示的电路中，电源电动势为E，内阻r不能忽略。R1和R2是两个定值电阻，L是一个自感系数较大的线圈。开关S原来是断开的，从闭合开关S到电路中电流达到稳定的时间内，通过R1的电流I1和通过R2的电流I2的变化情况是()A．I1开始较大而后逐渐变小B．I1开始很小而后逐渐变大C．I2开始很小而后逐渐变大D．I2开始较大而后逐渐变小1.自感系数的大小与线圈的大小、形状、匝数及是否有铁芯等有关，线圈确定，自感系数确定，与电流的有无、变化快慢无关。2．“自感系数较大”的线圈的含义是什么？提示：因为自感电动势E＝LΔIΔt，所以自感系数较大的含义是电流变化时自感电动势较大，不能忽略不计。[解析]闭合开关S时，由于L是一个自感系数较大的线圈，产生反向的自感电动势阻碍电流的变化，所以I2开始很小，随着电流达到稳定，自感作用减小，I2开始逐渐变大。闭合开关S时，由于线圈阻碍作用很大，路端电压较大，随着自感作用减小，路端电压减小，所以R1上的电压开始较大而后逐渐减小，电流开始较大而后逐渐减小，故A、C正确。自感现象的“三种状态”“一个特点”(1)三种状态①线圈通电瞬间可把线圈看成断路；②断电瞬间自感线圈相当于电源；③电流稳定时，自感线圈相当于导体电阻，理想线圈电阻为零，相当于导线。(2)一个特点在发生自感现象时，电流不发生“突变”。[变式训练2](多选)如图所示，带铁芯的电感线圈的电阻与电阻器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的示数小于A2的示数B．闭合S瞬间，电流表A1的示数等于A2的示数C．断开S瞬间，电流表A1的示数大于A2的示数D．断开S瞬间，电流表A1的示数等于A2的示数解析闭合开关时，线圈中产生与电流反向的自感电动势，阻碍电流增大，所以闭合S瞬间，电流表A1的示数小于电流表A2的示数，A正确、B错误；断开开关时，线圈中产生与原电流同向的自感电动势，并与R组成临时回路，电流表A1与电流表A2示数相等，C错误、D正确。考点对通电自感和断电自感的理解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。断电前，灯泡电流I1取决于灯泡上的电压和灯泡自身电阻，断电后，灯泡电流取决于线圈中的电流，若线圈中电流断电前为I2，断电后，若I2≤I1，灯泡中电流由I2逐渐减小，灯泡逐渐变暗；若I2I1，灯泡中电流先增大后减小，灯泡先亮一下后逐渐变暗。通电自感断电自感电路图器材要求L1、L2同规格，R＝RL，L较大L很大(有铁芯)，RL≪RLA现象在S闭合瞬间，L2灯立即亮起来，L1灯逐渐变亮，最终一样亮在开关S断开瞬间，LA灯突然闪亮一下后再渐渐熄灭原因由于开关闭合时，流过电感线圈的电流迅速增大，使线圈产生自感电动势，阻碍电流的增大，使流过L1灯的电流比流过L2灯的电流增加得慢断开开关S前，由于RL≪RLA，流过线圈的电流IL大于流过灯泡的电流IA，断开S的瞬间，由于IL迅速减小，产生自感电动势，阻碍电流减小，线圈和灯泡组成临时回路，从而使灯泡中的电流先增大后减小，所以灯泡先闪亮一下后逐渐熄灭能量转化情况电能转化为磁场能磁场能转化为电能电流减小时，自感线圈中电流大小一定小于原先所通电流大小，自感电动势可能大于原电源电动势。例3如图所示的电路中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，其阻值与R相同。在开关S接通和断开时，灯泡A1和A2亮暗的顺序是()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A1先灭D．接通时A2先达最亮，断开时A2先灭开关S接通瞬间电路是怎样连接的？开关S断开时，又是构成怎样的回路？提示：开关S接通瞬间，可认为R与A2并联后与A1串联；开关S断开时可认为L与A1形成闭合回路。[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，而该电流又同时分路通