2014-2015学年高中物理 3.6 自感现象 涡流学案 新人教版选修1-1.doc

‎3.6 自感现象 涡流 ‎[学习目标定位]　1.了解什么是自感现象、自感系数和涡流，知道影响自感系数大小的因素.2.了解自感现象的利用及其危害的防止.3.初步了解日光灯、电磁炉等家用电器工作的自感原理．‎ 一、自感现象 ‎1．定义：由于线圈本身的电流发生变化引起的磁通量变化，也会在它自身激发感应电动势，这个电动势叫自感电动势．这种现象叫自感现象．‎ ‎2．作用：电路中自感的作用总是阻碍电流的变化．‎ 二、电感器 ‎1．自感：电路中的线圈叫做电感器，电感器的性能用自感系数表示，简称自感．‎ ‎2．影响自感的因素：线圈越大、匝数越多，它的自感系数越大；有铁芯比没有铁芯时自感系数大得多．‎ ‎3．电感器的作用：电感器对交流有阻碍作用．‎ 三、涡流及其应用 ‎1．涡流：穿过导体的磁通量变化时，会在导体内部形成涡旋状的感应电流，叫做涡流．‎ ‎2．应用：电磁炉是利用涡流的热效应给物体加热的新型炉灶．金属探测器也是利用涡流工作的．‎ ‎3．防止：很多涡流是有害的，主要是产生热量，浪费电能．变压器的铁芯采用电阻率很大的硅钢片，且硅钢片彼此绝缘，就是为了减小变压器工作时铁芯中的涡流.‎ 一、自感现象 ‎[问题设计]‎ ‎1．利用已有的器材(直流电源、开关、滑动变阻器、两个相同的灯泡、自感线圈)按图1和图2分别连接好电路．‎ ‎　　‎ 图1　　　　　　　　　图2‎ ‎(1)在图1中，先闭合开关，调整变阻器，使两个灯泡亮度相同，然后断开开关．重新闭合开关，在开关闭合瞬间，灯泡A1的亮度变化情况是 ，灯泡A2的亮度变化情况是 ．‎ ‎(2)在图2中，先闭合开关，再断开开关时，观察灯泡A的亮度变化情况．‎ 6‎ 答案　(1)逐渐亮起来　立刻正常发光　(2)灯泡A逐渐熄灭或者闪亮一下再逐渐熄灭．‎ ‎2．理论探究：为什么灯泡会出现逐渐变亮或逐渐变暗的现象？‎ 答案　图1中，电路接通时，电流由零开始增加，穿过线圈L的磁通量逐渐增加，L中产生的感应电动势的方向与原来的电流方向相反，阻碍L中电流增加，即推迟了电流达到正常值的时间．‎ 图2中，当S断开时，L中的电流突然减弱，穿过L的磁通量逐渐减少，L中产生感应电动势，方向与原电流方向相同，阻碍原电流减小，L相当于一个电源，此时L与A构成闭合回路，故A中还有一段持续电流．若流过A的电流比原电流大，则灯A将闪亮一下再慢慢熄灭．‎ ‎[要点提炼]‎ ‎1．自感：通俗地说，就是“自我感应”．即由于通过导体自身的电流发生变化而引起磁通量变化时，导体自身产生感应电动势的现象．‎ ‎2．通电自感 ‎(1)实验现象：S闭合时，A2立即正常发光，A1逐渐亮起来．‎ ‎(2)现象分析：在接通的瞬间，电路中的电流增大，A2立刻亮起来；穿过线圈L的磁通量增加，线圈中产生感应电动势，这个感应电动势阻碍线圈中电流的增大，不能使电流立即达到最大值，所以A1只能逐渐亮起来．‎ ‎3．断电自感 ‎(1)实验现象：断开S时，发现灯泡A逐渐熄灭或者闪亮一下再逐渐熄灭．‎ ‎(2)现象分析：电路断开的瞬间，通电线圈的电流突然减小，穿过线圈的磁通量也很快地减少，线圈中产生了感应电动势，此感应电动势阻碍线圈L电流的减小．由于S断开后，L、A形成闭合回路，L中的电流从IL逐渐减小，流过A的电流突然变为IL，然后再从IL逐渐减小到零，所以若IL小于等于原先流过A的电流，则A逐渐熄灭；若IL大于原先流过A的电流，则A闪亮一下再逐渐熄灭．‎ ‎[延伸思考]‎ 如图3所示的电路，L为自感线圈，A是一个灯泡，E是电源，S闭合瞬间与S断开瞬间，通过灯泡的电流方向相同吗？你能解释其中的原因吗？‎ 图3‎ 答案　当S闭合瞬间通过灯泡的电流方向为a→b，当S断开瞬间通过灯泡的电流方向为b→a.‎ 当S断开瞬间，由于电源提供给灯泡A及线圈的电流立即消失，因此线圈要产生一个和原电流方向相同的自感电动势来阻碍原电流减小，所以线圈此时相当于一个电源，产生的自感电流流经A时的方向是b→a.‎ 二、电感器 ‎[问题设计]‎ 自感现象中产生的自感电动势与线圈是否有关？可能与线圈的哪些因素有关？‎ 答案　有关，与线圈的长度、大小、匝数及有无铁芯都有关．‎ ‎[要点提炼]‎ ‎1．电感器 6‎ 线路中的线圈叫做电感器，电感器的性能用自感系数来描述，简称自感．‎ ‎2．自感系数 线圈的自感系数是由线圈自身的性质决定的，线圈越长、截面越粗、匝数越多、绕制越密，其自感系数就越大；带铁芯的线圈比没有铁芯的线圈自感系数要大得多．‎ ‎3．电感特点：通直流，阻交流．(填“交流”或“直流”)‎ ‎4．应用：日光灯镇流器．‎ ‎5．危害：由于自感现象，在电流很强或高压电路中，切断电源时开关两端会产生电弧，造成对人员、设备的损伤．应采用安全开关，防止产生电弧．‎ 三、涡流及其应用 ‎[问题设计]‎ ‎1．涡流是如何产生的？涡流的主要作用有哪些？‎ ‎2．电流频率的高低对涡流有什么影响？如何减小涡流？‎ 答案　1.涡流是由于导体中的磁通量发生变化而产生的感应电流，主要作用是热效应．‎ ‎2．电流频率越高，涡流越强；减小电流的频率或增大电阻可以减小涡流．‎ ‎[要点提炼]‎ ‎1．涡流：把块状金属放在变化的磁场中，或者让它在磁场中运动，金属块内将产生感应电流，这种电流在金属块内自成闭合回路，很像水的漩涡，故叫涡电流，简称涡流．‎ ‎2．涡流的利用：金属探测器、电磁炉、冶炼金属的高频感应炉．‎ ‎3．涡流的防止：在各种电机和变压器中，为了减少涡流，在电机和变压器上通常用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压制成的铁芯．‎ 一、通电自感和断电自感现象 例1　如图4所示，线圈L的自感系数很大，且其电阻可以忽略不计，L1、L2是两个完全相同的小灯泡，随着开关S的闭合和断开，L1、L2的亮度变化情况是(灯丝不会断)(　　)‎ 图4‎ A．S闭合，L1亮度不变，L2亮度逐渐变亮，最后两灯一样亮；S断开，L2立即不亮，L1逐渐变亮 B．S闭合，L1不亮，L2很亮；S断开，L1、L2立即不亮 C．S闭合，L1、L2同时亮，而后L1逐渐熄灭，L2亮度不变；S断开，L2立即不亮，L1亮一下才灭 D．S闭合，L1、L2同时亮，而后L1逐渐熄灭，L2则逐渐变得更亮；S断开，L2立即不亮，L1亮一下才灭 解析　当S接通，L的自感系数很大，对电流的阻碍作用较大，L1和L2串联后与电源相连，L1和L2同时亮，随着L中电流的增大，L的直流电阻不计，L的分流作用增大，L1的电流逐渐减小为零，由于总电阻变小，总电流变大，L2的电流增大，L2灯变得更亮．当S断开，L2中无电流，立即熄灭，而线圈L要维持本身的电流不变，L与L1组成闭合电路，L1灯要亮一下后再熄灭，综上所述，选项D正确．‎ 答案　D 6‎ 针对训练　如图5所示，A1和A2是完全相同的灯泡，线圈L的电阻可以忽略，下列说法正确的是(　　)‎ 图5‎ A．合上开关S接通电路时，A2先亮，A1后亮，最后一样亮 B．合上开关S接通电路时，A1、A2始终一样亮 C．断开开关S切断电路时，A2立即熄灭，A1过一会才熄灭 D．断开开关S切断电路时，A1、A2都过一会才熄灭 答案　AD 解析　闭合开关时，由于自感电动势的作用，A1电路中的电流只能逐渐增大到与A2中的电流相同，故选项A正确，选项B错误；开关由闭合到断开，L相当于电源，A1、A2、L组成闭合回路，电流由支路A1中的电流逐渐减小，故选项C错误，选项D正确．‎ 二、自感现象的理解和应用 例2　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，电动势越大 B．电感一定时，电流变化越快，电动势越大 C．通过线圈的电流为零的瞬间，电动势为零 D．通过线圈的电流为最大值的瞬间，电动势最大 解析　对自感电动势的理解，考查理解能力．在电感一定的情况下电流变化越快即变化率越大电动势越大，A项错，B项对；电流为零的瞬间，电流的变化率不一定为零，电流的值最大时，电流的变化率不一定最大，所以C、D项错．‎ 答案　B 例3　如图6所示是高频焊接原理示意图．线圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流通过焊缝产生大量热量，将金属熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热很少，以下说法正确的是(　　)‎ 图6‎ A．电流变化的频率越高，焊缝处的温度升高得越快 B．电流变化的频率越低，焊缝处的温度升高得越快 C．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小 D．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大 解析　线圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流的大小与感应电动势有关，电流变化的频率越高，电流变化得越快，感应电动势就越大．A选项正确．工件上焊缝处的电阻大，电流产生的热量就多，D选项也正确．‎ 答案　AD 6‎ ‎1．(影响自感系数的因素)下列关于线圈的自感系数大小的说法中，正确的是(　　)‎ A．通过线圈的电流越大，自感系数也越大 B．线圈中的电流变化越快，自感系数也越大 C．插有铁芯时线圈的自感系数会变大 D．线圈的自感系数与电流的大小、电流变化的快慢、是否有铁芯等都无关 答案　C 解析　自感系数是由电感器本身的因素决定的，包括线圈的大小、单位长度上的匝数等，而且有铁芯时比无铁芯时自感系数要大．‎ ‎2．(自感现象的理解)当线圈中电流改变时，线圈中会产生自感电动势，自感电动势方向与原电流方向(　　)‎ A．总是相反 B．总是相同 C．电流增大时，两者方向相同 D．电流减小时，两者方向相同 答案　D ‎3．(自感现象对电路的影响)如图7所示，电路甲、乙中电阻R和自感线圈L的电阻都很小．接通S，使电路达到稳定，灯泡A发光，则(　　)‎ 图7‎ A．在电路甲中，断开S，A将渐渐变暗 B．在电路甲中，断开S，A将先变得更亮，然后渐渐变暗 C．在电路乙中，断开S，A将渐渐变暗 D．在电路乙中，断开S，A将先变得更亮，然后渐渐变暗 答案　AD 解析　甲图中，灯A与线圈L在同一支路，通过的电流相同；断开开关S时，A、L、R组成回路，由于自感作用，L中电流逐渐减小，灯不会闪亮一下，灯A将逐渐变暗，故A正确．‎ 乙图中，电路稳定时，通过上支路的电流IL>IA(因L的电阻很小)；断开开关S时，由于L的自感作用，回路中电流在IL的基础上减小，电流反向通过A的瞬间，A中电流变大，然后渐渐变小，所以灯A要闪亮一下，然后渐渐变暗，故D正确．‎ ‎4．(自感现象的应用)电磁炉是利用涡流加热的，它利用交变电流通过线圈产生变化磁场，当磁场内的磁感线通过锅底时，即会产生无数小涡流，使锅体本身高速发热，从而达到烹饪食物的目的．因此，下列的锅类或容器中，不适用于电磁炉的是(　　)‎ A．煮中药的瓦罐 B．不锈钢锅 C．平底铸铁炒锅 D．塑料盆 6‎ 答案　AD 6‎