通用版2018-2019版高中物理第1章電磁感應與現代生活1.5自感現象與日光燈學案滬科版選修3 .doc

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1.5　自感現象與日光燈 [目標定位] 1.能分析通電自感和斷電自感現象.2.能寫出自感電動勢的表達式，知道自感系數的決定因素.3.了解自感現象中的能量轉化.4.了解日光燈的組成以及起輝器和鎮(zhèn)流器的工作原理. 一、日光燈電路 按圖1所示電路連接日光燈電路，閉合開關，觀察日光燈的發(fā)光過程，簡單敘述其工作原理. 圖1 答案　(1)閉合開關，電源把電壓加在起輝器的兩極，起輝器內氖氣放電產生熱量從而使起輝器內雙金屬片接觸，電路導通. (2)電路接通后，起輝器中氖氣停止放電，溫度降低，雙金屬片分離，瞬間切斷的電流使鎮(zhèn)流器產生瞬時高壓，使燈管內氣體導電而發(fā)光. (3)日光燈正常發(fā)光時，鎮(zhèn)流器起降壓限流作用，保證日光燈正常工作. [要點總結] 1.日光燈電路包括日光燈管、鎮(zhèn)流器、起輝器、開關、導線等. 2.起輝器的作用為自動開關. 3.鎮(zhèn)流器是一個帶鐵心的多匝線圈，在啟動時提供瞬時高壓，點燃燈管之后起到降壓限流的作用. 例1　若將圖2甲中起輝器換為開關S1，并給鎮(zhèn)流器并聯一個開關S2，如圖乙所示，則下列敘述正確的是(　　) 圖2 A.只把S3接通，日光燈就能正常發(fā)光 B.把S3、S1接通后，S2不接通，日光燈就能正常發(fā)光 C.S2不接通，接通S3、S1后，再斷開S1，日光燈就能正常發(fā)光 D.當日光燈正常發(fā)光后，再接通S2，日光燈仍能正常發(fā)光 答案　C 解析　一般日光燈啟動的瞬間把電源、燈絲、鎮(zhèn)流器接通后自動斷開，靠鎮(zhèn)流器產生瞬時高壓，使燈管內氣體導電，所以啟動時既要使題圖乙中S3閉合，又要使S1瞬間閉合再斷開，A、B錯，C對.正常工作時鎮(zhèn)流器起降壓限流作用，若把題圖乙中S2閉合，則鎮(zhèn)流器失去作用，日光燈不能正常工作，D錯. 二、自感現象 1.通電自感：如圖3，先閉合S，調節(jié)R2，使A1、A2的亮度相同，再調節(jié)R1使A1、A2正常發(fā)光，再斷開S，再次閉合.根據楞次定律分析現象，觀察兩只燈泡在電路接通的瞬間發(fā)光情況有什么不同？ 圖3 答案　現象：燈泡A2立即發(fā)光，燈泡A1逐漸亮起來. 原因：電路接通時，電流由零開始增加，穿過線圈L的磁通量逐漸增加，為了阻礙磁通量的增加，感應電流產生的磁通量與原來電流產生的磁通量方向相反，則線圈中感應電動勢的方向與原來的電流方向相反，阻礙了L中電流的增加，即推遲了電流達到穩(wěn)定值的時間. 2.斷電自感：如圖4所示，先閉合開關使燈泡發(fā)光，然后斷開開關. 圖4 (1)開關斷開前后，流過燈泡的電流方向各怎樣？ (2)在斷開過程中，有時燈泡閃亮一下再熄滅，有時燈泡只會緩慢變暗直至熄滅，請分析上述兩種現象的原因是什么？ 答案　(1)S閉合時，燈泡A中電流向左，S斷開瞬間，燈泡A中電流方向向右，所以開關S斷開前后，流過燈泡的電流方向相反. (2)在電源斷開后燈泡又閃亮一下的原因是燈泡斷電后自感線圈中產生的感應電流比原線圈中的電流大.要想使燈泡閃亮一下再熄滅，就必須使自感線圈的電阻小于與之并聯的燈泡電阻.而當線圈電阻大于或等于燈泡電阻時，燈泡只會延遲一段時間再熄滅. [要點總結] 1.自感現象：由于通過導體本身的的電流發(fā)生變化時，在線圈中引起的電磁感應現象. 2.自感電動勢：自感現象中產生的感應電動勢. 3.當線圈中的電流增大時，自感電動勢的方向與原電流方向相反；當線圈中電流減小時，自感電動勢的方向與原電流方向相同. 4.自感電動勢總是阻礙線圈中電流的變化，但不能阻止線圈中電流的變化. 對通電自感和斷電自感現象的分析 (1)通電瞬間自感電動勢阻礙電流的增加，與線圈串聯的燈泡在通電后會逐漸變亮，直到穩(wěn)定.通電瞬間自感線圈處相當于斷路，電流穩(wěn)定時自感線圈相當于導體. (2)斷電時自感線圈處相當于電源，若斷電前，自感線圈電流大小IL大于燈泡的電流IA則燈會閃亮一下再熄滅；若斷電前自感線圈中的電流IL小于或等于燈泡中的電流IA則燈泡不會閃亮，而是逐漸熄滅.要注意斷電前后通過燈泡的電流方向是否變化. 例2　如圖5所示，電感線圈L的自感系數足夠大，其直流電阻忽略不計，LA、LB是兩個相同的燈泡，且在下列實驗中不會燒毀，電阻R2阻值約等于R1的兩倍，則 (　　) 圖5 A.閉合開關S時，LA、LB同時達到最亮，且LB更亮一些 B.閉合開關S時，LA、LB均慢慢亮起來，且LA更亮一些 C.斷開開關S時，LA慢慢熄滅，LB馬上熄滅 D.斷開開關S時，LA慢慢熄滅，LB閃亮后才慢慢熄滅 答案　D 解析　由于燈泡LA與線圈L串聯，燈泡LB與電阻R2串聯，當S閉合的瞬間，通過線圈的電流突然增大，線圈產生自感電動勢，阻礙電流的增加，所以LB先亮，由于LA所在的支路電阻阻值偏小，故穩(wěn)定時電流大，即LA更亮一些，A、B錯誤；當S斷開的瞬間，線圈產生自感電動勢，兩燈組成的串聯電路中，電流從線圈中電流開始減小，即從IA減小，故LA慢慢熄滅，LB閃亮后才慢慢熄滅，C錯誤，D正確. 1.分析通電自感需抓住三點：(1)通電瞬間自感線圈處相當于斷路；(2)電流增大過程中自感線圈對電流有阻礙作用，使線圈中的電流從0逐漸增大到穩(wěn)定值；(3)電流穩(wěn)定時自感線圈相當于導體. 2.斷電自感時，由于自感電動勢的作用，線圈中的電流從原值逐漸減小.若斷開開關瞬間通過燈泡的電流大于斷開開關前的電流，燈泡會閃亮一下；若斷開開關瞬間通過燈泡的電流小于或等于斷開開關前的電流，燈泡不會閃亮一下，而是逐漸變暗. 例3　如圖6所示的電路中，S閉合且穩(wěn)定后流過電感線圈的電流是2 A，流過燈泡的電流是1 A，現將S突然斷開，S斷開前后，能正確反映流過燈泡的電流i隨時間t變化關系的圖像是(　　) 圖6 答案　D 解析　開關S斷開前，通過燈泡D的電流是穩(wěn)定的，其值為1 A.開關S斷開瞬間，自感線圈的支路由于自感現象會產生與線圈中原電流方向相同的感應電動勢，使線圈中的電流從原來的2 A逐漸減小，方向不變，且同燈泡D構成回路，通過燈泡D的電流和線圈L中的電流相等，也應該是從2 A逐漸減小到零，但是方向與原來通過燈泡D的電流方向相反，D對. 三、自感電動勢的大小 1.自感電動勢的大小跟線圈內磁通量變化率和線圈本身的自感特性有關. 2.自感電動勢E的表達式：E＝L.其中L是自感系數，簡稱電感，單位：亨利，符號：H.1 mH＝10－3H；1 μH＝10－6 H. 3.決定因素：與線圈的大小、形狀、匝數，以及是否有鐵心等因素有關，與E、ΔI、Δt等無關. 例4　關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，自感電動勢越大 B.電感一定時，電流變化越快，自感電動勢越大 C.通過線圈的電流為零的瞬間，自感電動勢為零 D.通過線圈的電流為最大值的瞬間，自感電動勢最大 答案　B 解析　電感一定時，電流變化越快，越大，由E＝L知，自感電動勢越大，A錯，B對；線圈中電流為零時，電流的變化率不一定為零，自感電動勢不一定為零，故C錯；當通過線圈的電流最大時，若電流的變化率為零，自感電動勢為零，故D錯. 1.(對自感現象的理解)關于自感現象，下列說法正確的是(　　) A.感應電流一定和原來的電流方向相反 B.對于同一線圈，當電流變化越大時，線圈產生的自感電動勢也越大 C.對于同一線圈，當電流變化越快時，線圈的自感系數也越大 D.對于同一線圈，當電流變化越快時，線圈中的自感電動勢也越大 答案　D 解析　當電流增大時，感應電流的方向與原來的電流方向相反，當電流減小時，感應電流的方向與原來的電流方向相同，故選項A錯誤；自感電動勢的大小，與電流變化快慢有關，與電流變化大小無關，故選項B錯誤，D正確；自感系數只取決于線圈本身的因素，與電流變化情況無關，故選項C錯誤. 2.(自感現象的分析)(多選)如圖7所示電路中，、是兩只相同的電流表，電感線圈L的直流電阻與電阻R阻值相等.下面判斷正確的是(　　) 圖7 A.開關S接通的瞬間，電流表的讀數大于的讀數 B.開關S接通的瞬間，電流表的讀數小于的讀數 C.開關S接通，電路穩(wěn)定后再斷開的瞬間，電流表的讀數大于的讀數 D.開關S接通，電路穩(wěn)定后再斷開的瞬間，電流表的讀數等于的讀數 答案　BD 3.(對日光燈電路的分析)(多選)關于日光燈電路，下列說法正確的是(　　) A.起輝器在電路中起自動開關作用 B.正常使用時鎮(zhèn)流器不起作用 C.如果把日光燈燈管兩端的電極分別短路，日光燈仍能正常發(fā)光 D.如果日光燈在正常發(fā)光時，把起輝器取走，日光燈仍能正常發(fā)光 答案　AD 解析　起輝器起到自動開關作用，配合鎮(zhèn)流器產生瞬時高電壓啟動燈管.日光燈正常發(fā)光時，起輝器可以取走.而鎮(zhèn)流器在日光燈正常工作時起降壓限流作用，不能取出.燈管兩極短路后，日光燈將不能正常發(fā)光，故A、D項正確. 4.(自感現象的圖像問題)在如圖8所示的電路中，兩個相同的小燈泡L1和L2分別串聯一個帶鐵心的電感線圈L和一個滑動變阻器R.閉合開關S后，調節(jié)R，使L1和L2發(fā)光的亮度一樣，此時流過兩個燈泡的電流均為I.然后，斷開S.若t′時刻再閉合S，則在t′前后的一小段時間內，能正確反映流過L1的電流i1、流過L2的電流i2隨時間t變化的圖像是(　　) 圖8 答案　B 解析　與滑動變阻器R串聯的L2，不受自感影響，直接變亮，電流變化圖像如A中圖線，C、D錯誤.與帶鐵心的電感線圈串聯的L1，由于自感，電流逐漸變大，A錯誤，B正確. B兩點間電壓UAB隨時間t變化的圖像中正確的是選項B.