2018-2019版高中物理 第三章 電磁感應(yīng) 第6講 自感現(xiàn)象 渦流學(xué)案 新人教版選修1 -1.doc

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第6講　自感現(xiàn)象　渦流 [目標(biāo)定位]　1.了解什么是自感現(xiàn)象、自感系數(shù)和渦流，知道影響自感系數(shù)大小的因素.2.了解自感現(xiàn)象和渦流的利用及其危害的防止.3.初步了解日光燈、電磁爐等家用電器的工作原理. 一、自感現(xiàn)象 1.線圈A中電流的變化引起的磁通量的變化，會在它自身激發(fā)感應(yīng)電動勢，這個電動勢叫做自感電動勢，這種現(xiàn)象叫做自感現(xiàn)象. 2.電路中自感的作用是阻礙電流的變化. 想一想　如圖3－6－1所示的電路，L為自感線圈，A是一個燈泡，E是電源.當(dāng)S閉合瞬間，通過燈泡的電流方向如何？當(dāng)S切斷瞬間，通過燈泡的電流方向如何？ 圖3－6－1 答案　當(dāng)S閉合時，通過燈泡的電流方向?yàn)閍→b；當(dāng)S切斷瞬間，由于電源提供給燈泡A及線圈的電流立即消失，因此線圈要產(chǎn)生一個自感電動勢來阻礙原電流減小，所以線圈此時相當(dāng)于一個電源，產(chǎn)生的自感電流和原電流方向相同，流經(jīng)A時的方向是b→a. 二、電感器 1.線路中的線圈叫做電感器，電感器的性能用自感系數(shù)表示，簡稱自感. 2.線圈越大、匝數(shù)越多，它的自感系數(shù)越大.給線圈中加入鐵芯，自感系數(shù)比沒有鐵芯時大得多. 3.交流電通過電感器時，由于線圈中的自感電動勢總是阻礙電流的變化，所以電感器對交流電有阻礙作用. 4.在自感系數(shù)很大、電流很強(qiáng)的電路中，切斷電源的瞬間都會產(chǎn)生很大的自感電動勢，使開關(guān)兩端出現(xiàn)很高的電壓，形成電弧.電弧不僅會燒蝕開關(guān)，有時還會危及人員的安全. 想一想　自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的自感電動勢與線圈是否有關(guān)？可能與線圈的哪些因素有關(guān)？ 答案　有關(guān).與線圈的長度、大小、匝數(shù)及有無鐵芯都有關(guān). 三、渦流及其應(yīng)用 1.只要空間有變化的磁通量，其中的導(dǎo)體中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，我們把這種感應(yīng)電流叫做渦流. 2.利用渦流的熱效應(yīng)可以制成一種新型爐灶——電磁爐.金屬探測器也是利用渦流工作的. 3.渦流的熱效應(yīng)在許多場合是有害的.當(dāng)電機(jī)、變壓器繞組中通過交流時，在鐵芯中會產(chǎn)生渦流.這會使鐵芯過熱，消耗電能，破壞絕緣.為了減少渦流，鐵芯都用電阻率很大的硅鋼片疊加. 想一想　電流頻率的高低對渦流有什么影響？如何減小渦流？ 答案　電流頻率越高，渦流越強(qiáng)；減小電流的頻率或增大電阻可減小渦流. 一、自感現(xiàn)象及分析 1.通電自感的分析 (1)電路：如圖3－6－2所示. 圖3－6－2 (2)裝置要求及作用：A1、A2規(guī)格相同，R的作用是使燈泡A1、A2亮度相同，R1的作用是使燈泡A1、A2均正常發(fā)光. (3)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：S合上時，A2立即正常發(fā)光，A1逐漸亮起來，穩(wěn)定后兩燈亮度相同. (4)現(xiàn)象分析：在接通的瞬間，電路的電流增大，A2立刻亮起來；穿過線圈L的磁通量增加，線圈中產(chǎn)生自感電動勢，這個自感電動勢阻礙線圈中電流的增大，不能使電流立即達(dá)到最大值，所以A1只能逐漸亮起來. 2.斷電自感的分析 (1)電路：如圖3－6－3所示. 圖3－6－3 (2)裝置要求：線圈L的電阻較小，目的是接通電路的燈泡正常發(fā)光時，通過線圈的電流IL大于通過燈泡的電流IA，即IL>IA. (3)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：斷開S時，發(fā)現(xiàn)燈泡A先閃亮一下，過一會兒才熄滅. (4)現(xiàn)象分析：電路斷開的瞬間，通電線圈的電流突然減小，穿過線圈的磁通量也很快地減少，線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，此感應(yīng)電動勢阻礙線圈L電流的減小.由于S斷開后，L、A形成閉合回路，L中的電流從IL逐漸減小，流過A的電流突然變?yōu)镮L，然后再從IL逐漸減小到零，所以A先閃亮一下，再逐漸熄滅. 特別提醒　燈泡的亮度由其電功率決定，功率越大，亮度越高.由于P＝I2R＝，故增加燈泡兩端的電壓或通電電流，燈泡都會變亮. 例1　如圖3－6－4所示為演示自感現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)電路，下列說法正確的是(　　 ) 圖3－6－4 A.當(dāng)閉合開關(guān)S時A1先亮 B.當(dāng)閉合開關(guān)S時A2先亮 C.當(dāng)斷開開關(guān)S時A1先熄滅 D.當(dāng)斷開開關(guān)S時A2先熄滅 答案　B 解析　閉合開關(guān)時，由于自感電動勢的阻礙作用，A1電路中的電流只能逐漸增大，所以A2先亮，選項(xiàng)A錯誤，B正確；當(dāng)斷開開關(guān)S時，L相當(dāng)于電源，A1、A2、L、R組成閉合回路，電流由支路A1中的電流逐漸減小，所以A1、A2一起逐漸熄滅，選項(xiàng)C、D錯誤. 針對訓(xùn)練1　如圖3－6－5所示的電路，當(dāng)開關(guān)閉合時，小燈泡將________(選填“逐漸”或“立刻”)變亮.當(dāng)開關(guān)斷開時，小燈泡將________(選填“逐漸”或“立刻”)熄滅. 圖3－6－5 答案　逐漸　立刻 解析　閉合開關(guān)時，由于電感器的自感電動勢的阻礙作用，A中的電流只能逐漸增大，即小燈泡逐漸變亮；當(dāng)開關(guān)斷開時，由于小燈泡無法與其它用電器構(gòu)成回路，雖然電感器中有自感電動勢，但是沒有自感電流，所以小燈泡立刻熄滅. 二、渦流的利用及防止 1.渦流的利用 (1)渦流的熱效應(yīng).可以利用渦流來加熱，例如電磁爐和高頻感應(yīng)爐. (2)渦流的阻尼作用(稱為電磁阻尼)，例如在一些電學(xué)測量儀表中，利用電磁阻尼儀表的指針迅速地停在它所測出的刻度上，以及高速機(jī)車制動的渦流閘等. (3)渦流探測，如探雷器等. 2.渦流的防止 要減小渦流，可采用的方法是把整塊鐵芯改成薄片疊壓的鐵芯，增大回路電阻.例如電動機(jī)和變壓器的鐵芯都不是整塊金屬. 例2　關(guān)于電磁爐，下列說法正確的是(　　) A.電磁爐也利用了電磁感應(yīng)原理 B.電磁爐可以用陶瓷鍋?zhàn)鲲? C.電磁爐是利用渦流的典型例子 D.電磁爐工作時，鍋與爐體是相互絕緣的 答案　ACD 解析　電磁爐的工作原理是電磁感應(yīng)產(chǎn)生的渦流的熱效應(yīng)，A正確；電磁爐的鍋應(yīng)是金屬材料，最好是鐵鍋.當(dāng)鐵鍋與爐體絕緣時，鐵鍋內(nèi)的渦流產(chǎn)生大量的熱量，從而加熱食物.B錯誤，C、D正確. 針對訓(xùn)練2　變壓器的鐵芯是利用薄硅鋼片疊壓而成，而不采用一塊整硅鋼，這是為了(　　) A.增大渦流，提高變壓器的效率 B.減小渦流，提高變壓器的效率 C.增大渦流，減小鐵芯的發(fā)熱量 D.減小渦流，減小鐵芯的發(fā)熱量 答案　BD 解析　渦流的主要效應(yīng)之一就是發(fā)熱，而變壓器的鐵芯發(fā)熱，是我們不希望出現(xiàn)的.所以不采用整塊硅鋼，而采用薄硅鋼片疊壓在一起，目的是減小渦流，減小鐵芯的發(fā)熱量，進(jìn)而提高變壓器的效率.故B、D正確. 對自感現(xiàn)象的理解 1.下列說法中正確的是(　　) A.電路中電流越大，自感電動勢越大 B.電路中電流變化越大，自感電動勢越大 C.線圈中電流均勻增大，線圈的自感系數(shù)也均勻增大 D.線圈中的電流為零時，自感電動勢不一定為零 答案　D 解析　在自感一定的情況下，電流變化越快，自感電動勢越大，與電流的大小、電流變化的大小沒有必然的關(guān)系，A、B項(xiàng)錯誤；線圈的自感系數(shù)是由線圈本身的性質(zhì)決定的，與線圈的大小、形狀、匝數(shù)、有無鐵芯等有關(guān)，而與線圈的電流的變化率無關(guān)，C項(xiàng)錯誤；線圈中的電流為零時，自感電動勢不一定為零，D正確. 2.關(guān)于線圈的自感系數(shù)大小的下列說法中，正確的是(　　) A.通過線圈的電流越大，自感系數(shù)也越大 B.線圈中的電流變化越快，自感系數(shù)也越大 C.插有鐵芯時線圈的自感系數(shù)會變大 D.線圈的自感系數(shù)與電流的大小、電流變化的快慢、是否有鐵芯等都無關(guān) 答案　C 解析　自感系數(shù)是由電感器本身的因素決定的，包括線圈的大小、單位長度上的匝數(shù)，而且有鐵芯時比無鐵芯時自感系數(shù)要大. 電感在電路中的作用 3.如圖3－6－6所示，L為一純電感線圈(直流電阻不計(jì))，A為一燈泡，下列說法正確的是(　　) 圖3－6－6 A.開關(guān)S接通的瞬間，無電流通過燈泡 B.開關(guān)S接通后，電路穩(wěn)定時，無電流通過燈泡 C.開關(guān)S斷開的瞬間，無電流通過燈泡 D.開關(guān)S接通的瞬間及接通后電路穩(wěn)定時，燈泡中均有從a到b的電流，而在開關(guān)斷開瞬間，燈泡中則有從b到a的電流 答案　B 解析　開關(guān)S接通的瞬間，燈泡中的電流從a到b；S接通的瞬間，線圈由于自感作用，通過它的電流逐漸增大.開關(guān)S接通后，電路穩(wěn)定時，純電感線圈對電流無阻礙作用，將燈泡短路，燈泡中無電流通過.開關(guān)S斷開的瞬間，由于線圈的自感作用，線圈中原有向右的電流將逐漸減小，該電流通過燈泡形成回路，故燈泡中有從b到a的瞬間電流. 自感現(xiàn)象的應(yīng)用與防止 4.日光燈電路主要由鎮(zhèn)流器、啟動器和燈管組成，在日光燈正常工作的情況下(　　) A.燈管點(diǎn)燃發(fā)光后，啟動器中兩個觸片是分離的 B.燈管點(diǎn)燃發(fā)光后，鎮(zhèn)流器起降壓限流作用 C.鎮(zhèn)流器起整流作用 D.鎮(zhèn)流器給日光燈的開始點(diǎn)燃提供瞬間高壓 答案　ABD 解析　日光燈在點(diǎn)燃時需要一個瞬時高壓，在啟動器的U形觸片冷卻收縮分離，使電路突然中斷的瞬間，因鎮(zhèn)流器的自感作用產(chǎn)生很高的自感電動勢加在燈絲兩端，使燈管中水銀蒸汽導(dǎo)通，日光燈點(diǎn)燃，當(dāng)日光燈正常發(fā)光時，啟動器中觸片是斷開的，由于交流電不斷通過鎮(zhèn)流器的線圈，線圈中產(chǎn)生的自感電動勢總是阻礙其電流的變化，這時鎮(zhèn)流器的作用是降壓、限流，以保證日光燈正常工作. (時間：60分鐘) 題組一、對自感現(xiàn)象的理解 1.關(guān)于線圈中自感電動勢的大小，下列說法中正確的是(　　) A.電感一定時，電流變化越大，電動勢越大 B.電感一定時，電流變化越快，電動勢越大 C.通過線圈的電流為零的瞬間，電動勢為零 D.通過線圈的電流為最大值的瞬間，電動勢最大 答案　B 解析　在電感一定的情況下電流變化越快即變化率越大，電動勢越大，A項(xiàng)錯，B項(xiàng)正確；電流為零的瞬間電流的變化率不一定為零，電流的值最大時電流的變化率不一定最大，所以C、D項(xiàng)錯誤. 2.如圖3－6－7所示，A、B為大小、形狀均相同且內(nèi)壁光滑，但用不同材料制成的圓管，豎直固定在相同高度.兩個相同的磁性小球，同時從A、B管上端的管口無初速度釋放，穿過A管的小球比穿過B管的小球先落到地面.下面對于兩管的描述可能正確的是(　　) 圖3－6－7 A.A管是用塑料制成的，B管是用銅制成的 B.A管是用鋁制成的，B管是用膠木制成的 C.A管是用膠木制成的，B管是用塑料制成的 D.A管是用膠木制成的，B管是用鋁制成的 答案　AD 解析　磁性小球穿過金屬圓管過程中，將圓管看作由許多金屬圓環(huán)組成，小球的磁場使每個圓環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流阻礙磁性小球的下落，小球向下運(yùn)動的加速度小于重力加速度；小球在塑料、膠木等非金屬材料圓管中不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，小球仍然做自由落體運(yùn)動，穿過塑料、膠木圓管的時間比穿過金屬圓管的時間少. 3.下列說法正確的是(　　) A.當(dāng)線圈中電流不變時，線圈中沒有自感電動勢 B.當(dāng)線圈中電流不變時，線圈中自感電動勢的方向不變 C.當(dāng)線圈中電流增大時，線圈中自感電動勢的方向與線圈中電流的方向相反 D.當(dāng)線圈中電流減小時，線圈中自感電動勢的方向與線圈中電流的方向相反 答案　AC 解析　線圈中電流不變時，自身電流產(chǎn)生的磁場的磁通量不變，線圈中不可能產(chǎn)生自感電動勢，選項(xiàng)A正確，選項(xiàng)B錯誤；當(dāng)線圈中電流增大時，電流產(chǎn)生的磁場的磁通量增大，根據(jù)楞次定律可判斷自感電動勢的方向與原電流方向相反，選項(xiàng)C正確；同理可知選項(xiàng)D錯誤. 題組二、電感在電路中的作用 4.如圖3－6－8所示，L為自感系數(shù)很大的線圈，其自身的電阻忽略不計(jì)，A、B是完全相同的兩個小燈泡.在t＝0時刻閉合開關(guān)S，經(jīng)過一段時間t1斷開S.下列表示A、B兩燈泡中電流i隨時間t變化的圖象中，正確的是(　　) 圖3－6－8 答案　BD 解析　電鍵閉合時，由于電感線圈的阻礙作用，流過電感的電流慢慢增大，所以iB慢慢增大，iA慢慢減小，最后穩(wěn)定時電感相當(dāng)于一根導(dǎo)線，iA為0，iB最大；斷開電鍵，原來通過B的電流立即消失，由于電感線圈阻礙自身電流變化，產(chǎn)生與原電流同方向的感應(yīng)電流，此時電感線圈和燈泡A形成回路，流過燈泡A中的電流方向與原來流過燈泡A中的電流方向相反，且電流iA慢慢減小，最后為0，故A、C錯誤，B、D正確. 5.如圖3－6－9所示，電路甲、乙中電阻R和自感線圈L的電阻都很小.接通S，使電路達(dá)到穩(wěn)定，燈泡A發(fā)光，則(　　) 圖3－6－9 A.在電路甲中，斷開S，A將漸漸變暗 B.在電路甲中，斷開S，A將先變得更亮，然后漸漸變暗 C.在電路乙中，斷開S，A將漸漸變暗 D.在電路乙中，斷開S，A將先變得更亮，然后漸漸變暗 答案　AD 解析　甲圖中，燈A與線圈L在同一支路，通過的電流相同；斷開開關(guān)S時，A、L、R組成回路，由于自感作用，L中電流逐漸減小，燈不會閃亮一下，燈A將逐漸變暗，故A正確，B錯誤；乙圖中，電路穩(wěn)定時，通過上支路的電流IL>IA(因L的電阻很小)；斷開開關(guān)S時，由于L的自感作用，回路中電流在IL的基礎(chǔ)上減小，電流反向通過A的瞬間，A中電流變大，然后漸漸變小，所以燈A要閃亮一下，然后漸漸變暗，故C錯誤，D正確. 6.如圖3－6－10所示，開關(guān)S閉合且電路達(dá)到穩(wěn)定時，小燈泡能正常發(fā)光，則(　　) 圖3－6－10 A.當(dāng)S閉合瞬間，小燈泡將慢慢變亮 B.當(dāng)S閉合瞬間，小燈泡立即變亮 C.當(dāng)S斷開瞬間，小燈泡慢慢熄滅 D.當(dāng)S斷開瞬間，小燈泡先閃亮一下，再慢慢熄滅 答案　A 解析　當(dāng)S閉合瞬間，通過L的電流增大，自感電動勢的方向與原電流方向相反，阻礙電流的增大，故A慢慢變亮；當(dāng)S斷開瞬間，A將立即熄滅，因?yàn)镾斷開，再無電流回路. 7.如圖3－6－11所示，燈LA、LB完全相同，帶鐵芯的線圈L的電阻可忽略.則(　　) 圖3－6－11 A.S閉合瞬間、LA、LB同時發(fā)光，接著LA變暗，LB更亮，最后LA熄滅 B.S閉合瞬間，LA不亮，LB立即亮 C.S閉合瞬間，LA、LB都不立即亮 D.穩(wěn)定后再斷開S的瞬間，LB熄滅，LA比LB(斷開S前)更亮 答案　A 解析　S接通的瞬間，L支路中電流從無到有發(fā)生變化，因此，L中產(chǎn)生的自感電動勢阻礙電流增加.由于有鐵芯，自感系數(shù)較大，對電流的阻礙作用也就很強(qiáng)，所以S接通的瞬間L中的電流非常小，即干路中的電流幾乎全部流過LA.所以LA、LB會同時亮.又由于L中電流很快穩(wěn)定，感應(yīng)電動勢很快消失，L的阻值因?yàn)楹苄?，所以對LA起到“短路”作用，因此，LA便熄滅.這里電路的總電阻比剛接通時小，LB會比以前更亮，A正確，B、C錯誤；穩(wěn)定后斷開S瞬間，LB熄滅，LA與LB熄滅前一樣亮，D錯誤. 8.如圖3－6－12所示，是測定自感系數(shù)很大的線圈L直流電阻的電路，L兩端并聯(lián)一只電壓表，用來測量自感線圈的直流電壓，在測量完畢后，將電路解體時應(yīng)(　　) 圖3－6－12 A.先斷開S1 B.先斷開S2 C.先拆除電流表 D.先拆除電阻R 答案　B 解析　S1斷開瞬間，L中產(chǎn)生很大的自感電動勢，若此時S2閉合，則可能將電壓表燒壞，故應(yīng)先斷開S2. 題組三、渦流的應(yīng)用及防止 9.如圖3－6－13所示是冶煉金屬的高頻感應(yīng)爐的示意圖.冶煉爐內(nèi)裝入被冶煉的金屬，線圈通入高頻交變電流，這時被冶煉的金屬就能被熔化.這種冶煉方法速度快，溫度容易控制，并能避免有害雜質(zhì)混入被冶煉的金屬中，因此適于冶煉特種金屬，該爐的加熱原理(　　) 圖3－6－13 A.利用線圈中電流產(chǎn)生的焦耳熱 B.利用紅外線 C.利用交變電流的交變磁場在爐內(nèi)金屬中產(chǎn)生的渦流 D.利用交變電流的交變磁場所激發(fā)的電磁波 答案　C 解析　利用交變電流產(chǎn)生的交變磁場在引起爐內(nèi)金屬截面的磁通量變化時，使金屬中產(chǎn)生感應(yīng)電流，因整塊金屬的電阻相當(dāng)小，所以感應(yīng)電流很強(qiáng)，它在金屬內(nèi)自成回路流動時，形成漩渦狀的電流，即渦流，渦流產(chǎn)生大量的焦耳熱使?fàn)t內(nèi)溫度升高，金屬熔化，故選C正確；當(dāng)然線圈中也因有交變電流會產(chǎn)生一定的焦耳熱，但它是相當(dāng)少的，根本不可能使?fàn)t內(nèi)溫度高到使金屬熔化的程度，故A錯誤；依題意B、D錯誤. 10.如圖3－6－14所示，是高頻焊接原理示意圖，線圈中通以高頻交流電時，待焊接的金屬工件中就產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流通過焊縫時產(chǎn)生大量熱量，將金屬熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分發(fā)熱很少，以下說法中正確的是(　　) 圖3－6－14 A.交流電的頻率越高，焊縫處的溫度升高得越快 B.交流電的頻率越低，焊縫處的溫度升高得越快 C.工件上只有焊縫處溫度升得很高是因?yàn)楹缚p處的電阻小 D.工件上只有焊縫處溫度升得很高是因?yàn)楹缚p處的電阻大 答案　AD 解析　線圈中通以高頻變化的電流時，待焊接的金屬工件中就產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的大小與感應(yīng)電動勢有關(guān)，電流變化的頻率越高，電流變化得越快，感應(yīng)電動勢就越大，選項(xiàng)A正確，B錯誤；工件上焊縫處的電阻大，電流產(chǎn)生的熱量就多，選項(xiàng)C錯誤，D正確.