資源簡介

2.4 互感和自感
人教版（2019）物理（選擇性必修第二冊）
第二章 電磁感應
目錄
素養目標
01
課程導入
02
新課講解
03
總結歸納
04
課堂練習
05
正確教育
素養目標
1.知道互感現象和自感現象的定義
2.知道自感系數是表示線圈本身特征的物理量，知道它的單位及其大小的決定因素
3.知道自感現象的利弊及其利用和防止理解
4.能夠通過電磁感應的相關知識分析通、斷電自感現象的原因及磁場的能量轉化問題
兩個線圈A、B之間并沒有導線相連，線圈A與手機（或MP3等）的音頻輸出端連接，線圈B與擴音器的輸入端連接。線圈A與線圈B靠近時能否在擴音器上聽見由手機輸出的聲音？你猜想的依據是什么？
新課講解
①音頻信號：頻率變化的電流信號
②A線圈中變化的電流（音頻信號）→變化的磁場 → B線圈磁通量變化 → 產生感應電流。
和無線充電之間有聯系么，試著思考一下
當線圈靠近電磁爐時，手機為什么會進入充電模式？
劃時代的發現
A
1831年，法拉第把兩個線圈繞在同一個鐵環上
左側線圈接電源及開關
右側線圈接電流表
當開關閉合和斷開的瞬間，右側線圈連接的電流表的指針發生了偏轉
小結：當一個線圈中的電流發生變化時，它所產生的變化的磁場會在另一個線圈中產生感應電動勢。
兩個不相連的電路，
當一個線圈中的電流變化時，
它所產生的變化的磁場會在另一個線圈中產生感應電動勢。
觀察下列現象，試著總結什么是互感
定義
兩個相互靠近的線圈，當一個線圈中的電流變化時，它所產生的變化的磁場會在另一個線圈中產生感應電動勢的現象。產生的電動勢叫作互感電動勢。
變化的電流
變化的磁場
變化的磁通量
感應電動勢
互感現象
互感的應用
無線充電
收音機里的磁性天線
利用互感現象可以把能量從一個線圈傳遞到另一個線圈，亦可以把信息從一個線圈傳遞到另一個線圈
變壓器
將線圈A 和 B 分別繞在圓形磁鐵的兩側，兩線圈無接觸，小磁針置于線圈B 的閉合回路附近，在線圈A 外接電源斷開和連接的瞬間，觀察小磁針的變化。
實驗探究：互感
實驗裝置：一個電源、線圈A 和 B 、小磁針、圓形磁鐵及若干導線。
如圖所示
發現：線圈A 通電和斷電的瞬間，小磁針發生了偏轉。
互感：互不相連并相互靠近的兩個線圈，當一個線圈中的電流變化時，它所產生的變化磁場會在另一個線圈中產生感應電動勢，這一現象叫作互感
線圈A
變化的磁場
線圈B中產生感應電動勢
通電或斷電
影響因素：匝數、有無鐵芯、形狀、大小、相對位置等
實際上互感現象不僅發生于繞在同一鐵芯上的兩個線圈之間，也可以發生在任何兩個相互靠近的電路之間，影響電路的正常工作
通過雙線繞法減少互感帶來的影響
互感的危害
互感防止電路板
禁打手機
自感現象
當一個線圈中的電流變化時，它產生的變化的磁場激發出本身感應電動勢。這種現象稱為自感，由于自感而產生的感應電動勢叫做自感電動勢。
自感線圈，我們用 表示，根據楞次定律，當電流從無到有或從有到無，或者電路中電流發生變化時，自感線圈就會產生阻礙這種變化的感應電流，從而延緩結果的發生。
按上圖連接電路；
①閉合開關，觀察到什么現象？
②斷開開關，觀察到什么現象？
實驗探究：自感
實驗裝置：電源、自感線圈、電阻（變阻器）、開關、燈泡A1和A2
及若干線圈。
如圖所示
發現：在開關閉合瞬間，燈A2立刻正常發光，燈A1緩慢發光且在一段時間后正常發光。
B↑
B↓
分析
↑
楞次定律
穿過線圈的磁通量????
?
開關閉合，電源提供電動勢，回路中出現電流
線圈中產生感應電動勢
感應電動勢與電流方向相反阻礙燈A中電流的增加
當線圈中的電流變化時，它所發生的變化的磁場在線圈本身激發出感應電動勢。這種現象稱為自感。
由于自感而產生的感應電動勢叫作自感電動勢
試著思考一下開關斷開的瞬間，
是否也會發生自感現象呢？
思考
B↑
B↓
當開關斷開時：
發現：
小燈泡緩慢熄滅
分析
線圈中電流方向向左
原電流磁場向左
感應電流磁場向左
感應電流的方向向左
電鍵斷開時
B感
B原
有電流就有磁場，線圈仍具有磁場
開關斷開，線圈中的電流并未立即消失
能量儲存在磁場中
開關閉合，線圈中的電流
從無到有
線圈中的磁場也是從無到有
可以看作電源把能量輸送給磁場
探究：自感電動勢的大小與哪些因素有關？
回憶
法拉第電磁感應定律
自感電動勢的大小為????=??????????????。
決定線圈自感系數大小的因素有線圈的大小、形狀、匝數以及是否有鐵芯等。
?
由法拉第電磁感應定律可知????∝??????????，
∵?????∝?????，?????∝?????，
∴?????∝?????，
∴????∝??????????，即自感電動勢正比于電流的變化率。
寫成等式為????=??????????????，其中????即為自感系數，單位為亨利（H）。
?
電感和電阻對電流的阻礙作用的區別
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}
物理量
比較內容
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}阻礙電流的變化
阻礙電流
產生自感現象
導體發熱
電感越大，電流變化越快，對電流變化的阻礙作用越大，產生自感電動勢越大
電阻越大，對電流的阻礙作用越大
線圈的大小、形狀、匝數，有無鐵芯
導體長度、橫截面積、電阻率
電感和電阻都是反映導體本身性質的物理量
小結
自感現象的四大特點
①自感電動勢總是阻礙導體中原電流的變化；
②通過線圈的電流不能發生突變，只能緩慢變化；
③電流穩定時，自感線圈就相當于普通導體；
④線圈的自感系數越大，自感現象越明顯，自感電動勢只是延緩了過程的進行，但它不能使過程停止，更不能使過程反向。
電路變化瞬間，自感線圈保持原有的電流方向
表征線圈產生自感電動勢本領的大小
小結
1.自感
（1）線圈中的電流從無到有時，磁場從無到有，電源把能量輸送給磁場，儲存在磁場中。
（2）線圈中的電流減小時，磁場中的能量釋放出來，轉化為電能。
2.斷電自感中，燈泡是否會閃亮問題
①通過燈泡的自感電流大于原電流時，燈泡閃亮
②通過燈泡的自感電流小于或等于原電流時，燈泡不會閃亮
自感的應用
鎮流器
扼流圈
自感式開關
經典例題
在如圖所示的電路中，L是自感系數足夠大的線圈（直流電阻不計），A、B為兩只相同的燈泡，下列說法中正確的是( )
A.在S剛閉合時，A燈逐漸變亮，B燈立即變亮
B.在S剛閉合時，兩燈同時亮，然后A燈熄滅，B燈亮度不變
C.S閉合一段時間后，再將S斷開，A、B兩燈同時熄滅
D.S閉合一段時間后，再將S斷開，A燈閃亮一下熄滅，B燈立即熄滅
D
答案：D
解析：AB.閉合S時，電源的電壓同時加到兩燈上，A、B同時亮，隨著L中電流增大，由于線圈L直流電阻可忽略不計，分流作用增大，A逐漸被短路直到熄滅，外電路總電阻減小，總電流增大，B變亮，故AB錯誤；
CD.斷開S，B立即熄滅，線圈中電流減小，產生自感電動勢，感應電流流過A燈，A閃亮一下后熄滅，故C錯誤、D正確。
經典例題
如圖所示電路中，A、B、C為完全相同的三個燈泡，L是一直流電阻不可忽略的電感線圈。a、b為線圈L的左右兩端點，原來開關S是閉合的，三個燈泡亮度相同。將開關S斷開后，下列說法正確的是( )
A.a點電勢高于b點，A燈閃亮后緩慢熄滅
B.a點電勢低于b點，B、C燈閃亮后緩慢熄滅
C.a點電勢高于b點，B、C燈閃亮后緩慢熄滅
D.a點電勢低于b點，B、C燈不會閃亮只是緩慢熄滅
D
答案：D
解析：開關閉合時電路穩定后，三個燈泡亮度相同，說明流過三個燈泡的電流相等；開關斷開時，電感線圈與三個燈泡組成閉合電路，電感線圈相當于電源，產生和原電流方向相同的感應電流，所以a點的電勢低于b點電勢，三個燈泡都不會閃亮，只是緩慢熄滅。故選D。
無線充電是近年發展起來的新技術，如圖所示，該技術通過交變磁場在發射線圈和接收線圈間傳輸能量。內置接收線圈的手機可以直接放在無線充電基座上進行充電，關于無線充電的說法正確的是( )
A.無線充電效率高，線圈不發熱
B.無線充電基座可以用穩恒直流電源供電
C.無線充電過程主要利用了電磁感應原理
D.無線充電基座可以對所有手機進行無線充電
C
經典例題
答案：C
解析：A.接收線圈的磁通量只是發射線圈產生的一部分，則無線充電效率低； 充電時線圈中有電流，根據電流的熱效應，可知線圈會發熱，故A錯誤；
B.如果無線充電基座用穩恒直流電源供電，則接收線圈的磁通量不變，不能產生感應電流，無法對手機充電，故B錯誤；
C.無線充電過程主要利用互感現象來實現能量傳遞的，故C正確；
D.如果手機內沒有接收線圈， 則無線充電基座不可以對手機進行充電，故D錯誤。
互感和自感
互感現象
互感電動勢
互感
應用：通過互感能傳遞能量或信號
自感
自感現象
自感電動勢：
自感系數L：大小與線圈的大小、形狀、圈數，以及是否有鐵芯等因素有關。
磁場的能量
1.如圖所示，A1、A2是兩個相同的小燈泡，線圈L的電阻可以忽略，下列說法正確的是( )
A.接通S時，A1先亮、A2后亮，最后A1、A2一樣亮
B.接通S時，A2先亮、A1后亮，最后A1、A2一樣亮
C.斷開S瞬間，A1、A2逐漸變暗，最后熄滅
D.斷開S瞬間，流過R的電流方向與接通S瞬間相反
D
答案：D
解析：AB.開關S閉合的瞬間，L相當于斷路，兩燈同時獲得電壓，所以同時發光。由于穩定時線圈的電阻可以忽略，電阻R逐漸被短路，流過兩燈的電流逐漸增大，燈逐漸變亮且一樣亮，故AB錯誤；CD.斷開開關S的瞬間，兩燈的電流突然消失，立即熄滅；流過線圈的電流將要減小，產生自感電動勢，相當電源，自感電流流過電阻R，所以此時流過R的電流方向與接通S瞬間相反，故C錯誤，D正確。故選D。
2.在斷電自感的演示實驗中，用小燈泡、帶鐵芯的電感線圈L和定值電阻R等元件組成如圖甲所示電路。閉合開關待電路穩定后，兩支路電流分別為I1和I2。斷開開關前后的一小段時間內，電路中電流隨時間變化的關系如圖乙所示，則( )
A.斷開開關前R中電流為I2
B.斷開開關前燈泡電阻小于R和L的總電阻
C.斷開開關后小燈泡先突然變亮再逐漸熄滅
D.斷開開關后小燈泡所在支路電流如曲線a所示
C
答案：C
解析：AD.斷開開關S前、后的一小段時間內，通過電感線圈L的電流方向是不變的，則電感線圈L所在支路的電流如曲線a所示，小燈泡所在支路的電流如曲線b所示，則斷開開關S前，定值電阻R中的電流為I1，燈泡中的電流為I2，故AD錯誤；
B.由題圖可知，斷開開關S前通過電感線圈L的電流大于通過小燈泡的電流，結合歐姆定律可知斷開開關S前，小燈泡的電阻大于定值電阻R和電感線圈L的總電阻，故B錯誤；
C.斷開開關S后，電感線圈L產生的自感電動勢阻礙電流的減小，電感線圈L相當于電源，由于線圈L、電阻R和燈泡重新組成自感回路，且斷開開關S前電感線圈所在支路的總電阻小于小燈泡的總電阻，則小燈泡先突然變亮再逐漸熄滅，故C正確。
3.下列兩個靠近的線圖之間最不容易產生互感現象的是( )
A. B.
C. D.
C
答案：C
解析：ABD.如圖所示兩個靠近的線圈在另一個線圈中的磁通量均不為零，容易產生互感現象。故ABD正確，與題意不符；C.如圖所示垂直放置的兩個線圈在另一個線圈中的磁通量為零，當第一個線圈中的電流變化時，第二個線圈的磁通量始終為0.故C錯誤，與題意相符。本題選錯誤的故選C。
4.圖甲和圖乙是演示自感現象的兩個電路圖，L1和L2為電感線圈，A1、A2、A3是三個完全相同的燈泡.實驗時，斷開開關S1瞬間，A1燈突然閃亮，隨后逐漸變暗；閉合開關S2，燈A2逐漸變亮，而另一個相同的燈A3立即變亮，最終A2與A3的亮度相同下列說法正確的是( )
A.圖甲中，A1與L1的電阻值相同
B.圖甲中，閉合S1，電路穩定后，A1中電流小于L1中電流
C.圖乙中，變阻器R的電阻值小于L2的電阻值
D.圖乙中，閉合S2瞬間，L2中電流與變阻器R中電流相等
B
答案：B
解析：A、圖甲中，斷開S1的瞬間，A1燈突然閃亮，是因為電路穩定時，L1的電流大于A1的電流，可知L1的電阻小于A1的電阻，故A錯誤；B、圖甲中，閉合S1，電路穩定后，斷開開關S1瞬間，燈A1突然閃亮，說明燈泡中的電流小于線圈中的電流，故B正確；C、圖乙中，因為要觀察兩只燈泡發光的亮度變化，兩個支路的總電阻相同，因兩個燈泡電阻相同，所以變阻器R與L2的電阻值相同，故C錯誤；D、圖乙中，閉合S2瞬間，L2對電流由阻礙作用，所以L2中電流與變阻器R中電流不相等，故D錯誤。
5.在如圖所示的電路中，a、b、c為三盞完全相同的燈泡，L是自感線圈，直流電阻為RL，則下列說法正確的是( )
A.合上開關后，c先亮，a、b后亮
B.斷開開關時，N點電勢高于M點
C.斷開開關后，b、c同時熄滅，a緩慢熄滅
D.斷開開關后，c馬上熄滅，b閃亮一下后緩慢熄滅
B
答案：B
解析：A.合上開關后，b、c與電源形成通路一起先亮，因為線圈產生自感電動勢，a后亮，故A錯誤；
B.斷開開關時，線圈的電流減小，磁通量減小，根據楞次定律，N點是電動勢的正極，N點電勢高于M點，故B正確；
CD.斷開開關后，c立即熄滅，因為線圈相當于電源，a、b緩慢熄滅，b正常發光時的電流大于a燈的電流，當a燈的電流流進b燈，由線圈供電時的電流突然變小，沒有閃光，故CD錯誤。

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