1、第第 3 3 节节 自感现象与涡流自感现象与涡流 核 心 素 养 物理观念 科学探究 科学思维 1.了解自感现象， 认识自感电动势对电路 中电流的影响。 2.了解自感系数的意义和决定因素。 3.了解涡流的产生原因，知道涡流的本 质。 4.了解涡流的应用和减小涡流危害的方 法。 通过实验观 察通电自感 和断电自感 时灯泡亮度 的变化， 认识 自感现象。 理解自感电 动势产生的 原因， 解释通 电自感和断 电自感现象。 知识点一 自感现象、自感电动势 观图助学 如图，在电键 S 闭合的情况下，线圈 M 中有电流，所以就有通过线圈 M 的磁通 量，此时若左右移动滑动变阻器的触头，线圈 M 中磁通量大
2、小是否发生变化？ 依据法拉第电磁感应定律，线圈 M 中是否会产生感应电动势？ 1自感现象 (1)通电自感 实验现象：连接电路，调节变阻器 R0，使两灯泡的亮度相同。断开开关，再 次闭合开关接通电路时，与变阻器 R0串联的小灯泡 1 立刻亮了，与线圈 L 串联 的小灯泡 2 逐渐亮起来。 现象解释：在闭合开关接通电路的瞬间，电流由零开始迅速增大，小灯泡 2 所在支路穿过线圈的磁通量也随之增大，线圈中会产生感应电动势。根据楞次定 律， 这个感应电动势要阻碍线圈中的电流增大，使小灯泡 2 迟一会儿才与小灯泡 1 同样亮。 (2)断电自感 实验现象：连接电路，调节变阻器 R0，使两灯泡的亮度相同。开关
3、断开时， 小灯泡 2 立刻熄灭，但与线圈 L 并联的小灯泡 1 没有立刻熄灭，而是过一会儿 后才熄灭。 这说明在开关断开的瞬间， 线圈 L 与小灯泡 1 所构成的回路中仍然有 电动势和电流存在。 现象解释：在开关断开的瞬间，通过线圈的电流突然减小，穿过线圈的磁通量 也随之减小， 从而发生电磁感应现象， 线圈中产生的感应电动势阻碍电流的减小。 这样线圈 L 和小灯泡 1 所构成的回路中仍然有电流通过， 因此小灯泡并不立即熄 灭。 (3)由线圈自身的电流变化所产生的电磁感应现象称为自感现象。 2自感电动势 (1)由线圈自身电流变化所产生的感应电动势称为自感电动势。 (2)自感电动势的作用：自感电动
4、势总是阻碍导体自身的电流的变化。 (3)自感电动势的大小：ELI t，其中 L 是自感系数，简称自感或电感，单位： 亨利，符号为 H。 (4)自感系数大小的决定因素：线圈的横截面积越大，单位长度匝数越多，线圈 越长，它的自感就越大，此外，将铁芯插入线圈，会使线圈的自感大大增加。 3自感现象的应用：日光灯镇流器，与电容器组成振荡电路、电焊机。 思考判断 (1)自感现象中，感应电流一定与原电流方向相反。() (2)线圈的自感系数与电流大小无关，与电流的变化率有关。() (3)线圈中电流最大的瞬间可能没有自感电动势。() 知识点二 涡流及其应用 观图助学 上图为家庭中常见的电磁炉与手机充电器， 你是
5、否知道电磁炉工作时实际发热体 并不是电磁炉，而是锅，你知道充电器工作时为什么会发热吗？ 1涡流：将一金属块放在变化的磁场中，穿过金属块的磁通量发生变化，金属 块内部就会产生感应电流， 这种电流在金属块内部形成闭合回路， 就像旋涡一样， 我们把这种感应电流称为涡电流，简称涡流。 2涡流的特点：若金属的电阻率很小，穿过金属的磁通量变化时产生的涡流较 大，使金属很快发热。 3涡流的应用与防止 (1)涡流的应用：电磁炉、安检门。 (2)涡流防止： 电动机、 变压器等设备中应防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量， 损坏电器，减小涡流的方法为，用电阻率较大且涂有绝缘材料的硅钢板材叠加做 成铁芯。 思考判断 (
6、1)涡流是由整块导体发生的电磁感应现象，不遵从电磁感应定律。() (2)通过增大铁芯材料的电阻率可以减小涡流。() (3)变压器的铁芯用硅钢片叠成是为了减小涡流。(), 只要线圈的磁通量发生变化，线圈就一定会产生感应电动势。 等效电路图 线圈电流增加时，感应电动势的方向与电流的方向相反，以阻碍电流的增加。 等效电路图 线圈电流减小时，感应电动势的方向与电流的方向相同，以阻碍电流的减小。 阻碍不是阻止，自感电动势对最终的电流大小没有影响，只是让电流变化的过程 变长。 自感系数由线圈自身的结构特点决定，与有无电流、有无自感电动势无关。 涡流的产生示意图 变压器内部铁芯的硅钢片 核心要点 自感现象的
7、理解与应用 问题探究 图为某实验的电路图，线圈两端并联一个电压表。 (1)电压表是否允许反向的电流通过？ (2)在实验完毕后，将电路拆去时，能否先断开电键 S1? 答案 (1)电压表不允许反向的电流通过。 (2)若先断开开关S1， 则断开S1的瞬间， 线圈中产生的自感电动势相当于瞬间电源，其 a 端相当于电源的负极，b 端相当 于电源的正极， 此时电压表上加了一个反向电压， 使指针反偏， 若反偏电压过大， 会烧坏电压表，所以不能先断开电键 S1。 探究归纳 1对自感现象的分析思路 (1)明确通过自感线圈的电流大小的变化情况(是增大还是减小)。 (2)根据“增反减同”，判断自感电动势的方向。 (
8、3)分析阻碍的结果：当电流增大时，由于自感电动势的作用，线圈中的电流逐 渐增大，与线圈串联的元件中的电流也逐渐增大；当电流减小时，由于自感电动 势的作用，线圈中的电流逐渐减小，与线圈串联的元件中的电流也逐渐减小。 2自感现象中，灯泡亮度变化的问题 与线圈串联的灯泡 与线圈并联的灯泡 电路图 通电时 电流逐渐增大， 灯泡逐渐 变亮 电流 I1突然变大，然后逐渐减小达到稳定。 灯泡突然变亮然后逐渐变暗，最后亮度不变 断电时 电流逐渐减小， 灯泡逐渐 变暗，电流方向不变 电路中稳态电流为 I1、I2，若 I2I1，灯泡 逐渐变暗；若 I2I1，灯泡闪亮一下后逐渐 变暗，两种情况灯泡电流方向均改变 经
9、典示例 例1 (多选)如图所示， 灯A、 B完全相同， 带铁芯的线圈L的电阻可忽略， 则( ) AS 闭合的瞬间，灯 A、B 同时发光，接着灯 A 变暗，灯 B 更亮，最后灯 A 熄 灭 BS 闭合瞬间，灯 A 不亮，灯 B 立即亮 CS 闭合瞬间，灯 A、B 都不立即亮 D稳定后再断开 S 的瞬间，灯 B 立即熄灭，灯 A 闪亮一下再熄灭 解析 S 闭合的瞬间，L 所在支路中电流从无到有发生变化，因此，L 中产生的 自感电动势阻碍电流增加。由于有铁芯，自感系数较大，对电流的阻碍作用也就 很强， 所以S闭合的瞬间L中的电流非常小， 即干路中的电流几乎全部流过灯A， 所以灯 A、B 会同时亮；又
10、由于 L 中电流逐渐稳定，感应电动势逐渐消失，灯 A 逐渐变暗，线圈的电阻可忽略，对灯 A 起到“短路”作用，因此灯 A 最后熄灭。 这个过程电路的总电阻比刚接通时小，由恒定电流知识可知，灯 B 会更亮。稳 定后 S 断开瞬间，由于线圈的电流较大，L 与灯 A 组成回路，灯 A 要闪亮一下 再熄灭，灯 B 立即熄灭。选项 A、D 正确。 答案 AD 规律总结 (1)断开开关后，灯泡是否瞬间变得更亮，取决于电路稳定时两支路中电流的大 小关系，即由两支路中电阻的大小关系决定。 (2)若断开开关后，线圈与灯泡不能组成闭合回路，则灯泡会立即熄灭。 (3)自感线圈直流电阻小与直流电阻不计含义不同，稳定时
11、，前者相当于定值电 阻，后者出现短路。 针对训练 1 如图所示，电路中电源的内阻不能忽略，电阻 R 的阻值和线圈 L 的自感系数都很大，A、B 为两个完全相同的灯泡，当 S 闭合时，下列说法正确 的是(线圈 L 的直流电阻较小)( ) AA 灯比 B 灯先亮，然后 A 灯熄灭 BB 灯比 A 灯先亮，然后 B 灯逐渐变暗 CA、B 灯一起亮，然后 A 灯熄灭 DA、B 灯一起亮，然后 B 灯熄灭 解析 S 闭合时， 由于与 A 灯串联的线圈 L 的自感系数很大， 故在线圈上产生很 大的自感电动势，阻碍电流的增大，所以 B 灯比 A 灯先亮，稳定后，流过 B 灯 支路的电流变小，所以 B 灯逐渐
12、变暗，故 B 正确。 答案 B 核心要点 对涡流的理解及应用 要点归纳 1涡流的特点 当电流在金属块内自成闭合回路(产生涡流)时，由于整块金属的电阻很小，涡流 往往很强，根据公式 PI2R 知，热功率的大小与电流的平方成正比，故金属块 的发热功率很大。 2涡流中的能量转化 涡流现象中，其他形式的能转化成电能，并最终在金属块中转化为内能。如果金 属块放在变化的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能；如果金属块进 出磁场或在非匀强磁场中运动，则由于克服安培力做功，金属块的机械能转化为 电能，最终转化为内能。 3注意 (1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵循法拉第电磁感应定律。 (2)磁
13、场变化越快(B t 越大)，导体的横截面积 S 越大，导体材料的电阻率越小，形 成的涡流就越大。 经典示例 例 2 下列关于涡流的说法中正确的是( ) A涡流跟平时常见的感应电流一样，都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的 B涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流 C涡流有热效应，但没有磁效应 D在硅钢片中不能产生涡流 解析 涡流是一种特殊的电磁感应现象，它是感应电流，既有热效应，又有磁效 应。硅钢片中能产生涡流，但电流较小，故选项 A 正确，B、C、D 错误。 答案 A 针对训练 2 (多选)对变压器和电动机中的涡流的认识， 以下说法正确的是( ) A涡流会使铁芯温度升高，减少线圈
14、绝缘材料的寿命 B涡流发热，要损耗额外的能量 C为了不产生涡流，变压器和电动机的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来 代替整块硅钢铁芯 D涡流产生于线圈中，对原电流起阻碍作用 解析 变压器和电动机中产生的涡流会使铁芯温度升高消耗额外的能量， 同时会 减少线圈绝缘材料的寿命，选项 A、B 正确；变压器和电动机的铁芯用相互绝缘 的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯是为了增加电阻，减小涡流，减少产生 的热量，选项 C 错误；涡流产生于铁芯中，对原电流无阻碍作用，选项 D 错误。 答案 AB 1(对自感电动势的理解)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，自感
15、电动势越大 B电感一定时，电流变化越快，自感电动势越大 C通过线圈的电流为零的瞬间，自感电动势为零 D通过线圈的电流为最大值的瞬间，自感电动势最大 解析 电感一定时，电流变化越快，I t越大，由 EL I t知，自感电动势越大，A 错误，B 正确；线圈中电流为零时，电流的变化率不一定为零，自感电动势不一 定为零，故 C 错误；当通过线圈的电流最大时，若电流的变化率为零，自感电 动势为零，故 D 错误。 答案 B 2(对自感现象的理解)如图所示，灯泡的灯丝电阻为 2 ，电池电动势为 2 V， 内阻不计，线圈匝数足够多，其直流电阻为 3 。先合上开关 S，过一段时间突 然断开，则下列说法中正确的有
16、( ) A灯泡立即熄灭 B灯泡立即变暗然后再逐渐熄灭 C灯泡会突然比原来亮一下再熄灭，且灯泡中电流方向与 S 断开前方向相同 D灯泡会突然比原来亮一下再熄灭，且灯泡中电流方向与 S 断开前方向相反 解析 当突然断开 S，线圈将产生自感现象，且与灯泡构成一闭合回路，此时通 过灯泡的电流由 ba，与断开前的电流方向相反；因线圈直流电阻比灯泡电阻 大， 断开前通过线圈的电流小于通过灯泡的电流，即灯泡会立即变暗然后再逐渐 熄灭，B 正确，A、C、D 错误。 答案 B 3(对自感现象的理解)如图所示的电路中，和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
17、和断开时， 灯泡和 亮暗的顺序是( ) A接通时先达最亮，断开时后灭 B接通时先达最亮，断开时后灭 C接通时先达最亮，断开时后灭 D接通时先达最亮，断开时后灭 解析 当开关 S 接通时，和同时亮，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通过， 而该电流又将同时分路通 过和 R，所以先达最亮，经过一段时间电路稳定后，和达到一样亮；当 开关 S 断开时，立即熄灭，而对，由于通过线圈的电流突然减小，线圈中 产生自感电动势阻碍电流的减小， 使线圈 L 和组成的闭合电路中有感应电流， 所以后灭。
18、答案 A 4(涡流的理解和应用)电磁炉热效率高达 90%，炉面无明火，无烟，无废气， “火力”强劲，安全可靠。如图所示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法 正确的是( ) A当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场，恒定磁场越强，电磁炉加热效果 越好 B电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作 C在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用 D电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因是这些材料的导热性能较 差 解析 锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，所加的电流是交流，不是直流，故 A 错误；根据电磁炉的工作原理可知，电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生 涡流，进而发热工作，故 B 正确；在锅和电磁炉中间放一纸板，不会影响电磁 炉的加热作用，故 C 错误；金属锅自身产生无数小涡流而直接加热于锅底，陶 瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，里面不会产生涡流，故 D 错误。 答案 B
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