1.5自感现象与日光灯 学案（2020年沪科版高中物理选修3-2）

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1、1.5 自感现象与日光灯自感现象与日光灯 学科素养与目标要求 物理观念：1.了解自感现象.2.了解自感电动势的表达式 ELI t，知道自感系数的决定因素. 3.了解自感现象中的能量转化.4.了解日光灯的组成以及起辉器和镇流器的工作原理. 科学探究：通过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. 科学思维：体会互感和自感现象产生的机理，能运用电磁感应规律分析解释，并能解释日光 灯工作原理. 一、日光灯电路 按图 1 所示电路连接日光灯电路，闭合开关，观察日光灯的发光过程，简单叙述其工作原理. 图 1 答案 (1)闭合开关，电源把电压加在起辉器的两极，起辉器内氖气放电产生热量从而使起辉

2、 器内双金属片接触，电路导通. (2)电路接通后，起辉器中氖气停止放电，温度降低，双金属片分离，瞬间切断的电流使镇流 器产生瞬时高压，使灯管内气体导电而发光. (3)日光灯正常发光时，镇流器起降压限流作用，保证日光灯正常工作. 要点总结 1.日光灯电路包括日光灯管、镇流器、起辉器、开关、导线等. 2.起辉器的作用为自动开关. 3.镇流器是一个带铁心的多匝线圈，在启动时提供瞬时高压，点燃灯管之后起到降压限流的 作用. 例 1 若将图 2 甲中起辉器换为开关 S1，并给镇流器并联一个开关 S2，如图乙所示，则下列 叙述正确的是( ) 图 2 A.只把 S3接通，日光灯就能正常发光 B.把 S3、S

3、1接通后，S2不接通，日光灯就能正常发光 C.S2不接通，接通 S3、S1后，再断开 S1，日光灯就能正常发光 D.当日光灯正常发光后，再接通 S2，日光灯仍能正常发光 答案 C 解析 一般日光灯启动的瞬间把电源、灯丝、镇流器接通后，起辉器自动断开，靠镇流器产 生瞬时高压，使灯管内气体导电，所以启动时既要使题图乙中 S3闭合，又要使 S1瞬间闭合 再断开，A、B 错，C 对.正常工作时镇流器起降压限流作用，若把题图乙中 S2闭合，则镇流 器失去作用，日光灯不能正常工作，D 错. 二、自感现象 1.通电自感：如图 3，先闭合 S，调节 R1使 A1、A2正常发光，再调节 R2，使 A1、A2的亮

4、度 相同，再断开 S，再次闭合.根据楞次定律分析现象，观察两只灯泡在电路接通的瞬间发光情 况有什么不同？ 图 3 答案 现象：灯泡 A2立即发光，灯泡 A1逐渐亮起来. 原因：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，为了阻碍磁通量的 增加，感应电流产生的磁通量与原来电流产生的磁通量方向相反，则线圈中感应电动势的方 向与原来的电流方向相反，阻碍了 L 中电流的增加，即推迟了电流达到稳定值的时间. 2.断电自感：如图 4 所示，先闭合开关使灯泡发光，然后断开开关. 图 4 (1)开关断开前后，流过灯泡的电流方向各怎样？ (2)在断开过程中，有时灯泡闪亮一下再熄灭，有时灯泡只会

5、缓慢变暗直至熄灭，请分析上述 两种现象的原因是什么？ 答案 (1)S 闭合时，灯泡 A 中电流方向向左，S 断开瞬间，灯泡 A 中电流方向向右，所以开 关 S 断开前后，流过灯泡的电流方向相反. (2)在电源断开后灯泡又闪亮一下的原因是灯泡断电后自感线圈中产生的感应电流比原线圈 中的电流大.当自感线圈的电阻小于与之并联的灯泡电阻时，灯泡会闪亮一下再熄灭，而当线 圈电阻大于或等于灯泡电阻时，灯泡只会延迟一段时间再熄灭. 要点总结 1.自感现象：由于导体本身的电流发生变化，在线圈中产生的电磁感应现象. 2.自感电动势：自感现象中产生的感应电动势. 3.当线圈中的电流增大时，自感电动势的方向与原电流

6、方向相反；当线圈中电流减小时，自 感电动势的方向与原电流方向相同. 4.自感电动势总是阻碍线圈中电流的变化，但不能阻止线圈中电流的变化. 对通电自感和断电自感现象的分析 (1)通电瞬间自感电动势阻碍电流的增加， 与线圈串联的灯泡在通电后会逐渐变亮， 直到稳定. 通电瞬间自感线圈处相当于断路，电流稳定时自感线圈相当于导体. (2)断电时自感线圈处相当于电源， 若断电前， 自感线圈电流大小 IL大于灯泡的电流 IA则灯会 闪亮一下再熄灭； 若断电前自感线圈中的电流IL小于或等于灯泡中的电流IA则灯泡不会闪亮， 而是逐渐熄灭.要注意断电前后通过灯泡的电流方向是否变化. 例 2 如图 5 所示，电感线

7、圈 L 的自感系数足够大，其直流电阻忽略不计，LA、LB是两个 相同的灯泡，且在下列实验中不会烧毁，电阻 R2阻值约等于 R1的两倍，则 ( ) 图 5 A.闭合开关 S 时，LA、LB同时达到最亮，且 LB更亮一些 B.闭合开关 S 时，LA、LB均慢慢亮起来，且 LA更亮一些 C.断开开关 S 时，LA慢慢熄灭，LB马上熄灭 D.断开开关 S 时，LA慢慢熄灭，LB闪亮后才慢慢熄灭 答案 D 解析 由于灯泡 LA与线圈 L 串联，灯泡 LB与电阻 R2串联，当 S 闭合的瞬间，通过线圈的电 流突然增大，线圈产生自感电动势，阻碍电流的增加，所以 LB先亮，由于 LA所在的支路电 阻阻值偏小，

8、故稳定时电流大，即 LA更亮一些，A、B 错误；当 S 断开的瞬间，线圈产生自 感电动势，两灯组成的串联电路中，电流从线圈中电流开始减小，即从 IA减小，故 LA慢慢 熄灭，LB闪亮后才慢慢熄灭，C 错误，D 正确. 学科素养 通过例 2，进一步加深对自感现象的理解，知道通电、断电瞬间，自感线圈中 的电动势阻碍原电流的变化，但阻止不了原电流的变化，且原电流不能发生突变.运用电磁感 应知识解释自感现象，这很好地体现了“科学思维”的学科素养. 例 3 如图 6 所示的电路中，开关 S 闭合且稳定后，流过自感线圈的电流是 2 A，流过灯泡 的电流是 1 A，现将开关 S 断开，开关 S 断开前后，能

9、正确反映流过灯泡的电流 i 随时间 t 变化关系的图像是( ) 图 6 答案 D 解析 开关 S 断开前，通过灯泡 D 的电流是稳定的，其值为 1 A.开关 S 断开瞬间，自感线圈 的支路由于自感现象会产生与线圈中原电流方向相同的自感电动势，使线圈中的电流从原来 的 2 A 逐渐减小，方向不变，且与灯泡 D 构成回路，通过灯泡 D 的电流和线圈 L 中的电流相 同，也应该是从 2 A 逐渐减小到零，但是方向与原来通过灯泡 D 的电流方向相反，D 对. 提示 要注意断电前后，无线圈的支路电流方向是否变化. 三、自感电动势的大小 1.自感电动势的大小跟线圈内磁通量变化率和线圈本身的自感特性有关.

10、2.自感电动势 E 的表达式： ELI t.其中 L 是自感系数， 简称电感， 单位： 亨利， 符号： H.1 mH 10 3H；1 H106 H. 3.电感 L 的决定因素：与线圈的大小、形状、匝数，以及是否有铁心等因素有关，与 E、I、 t 等无关. 例 4 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 答案 B 解析 电感一定时，电流变化越快，即I t越大，由 EL I t知，自感电动势越大，A

11、 错，B 对； 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；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. 1.(对自感现象的理解)关于自感现象，下列说法正确的是( ) A.感应电流一定和原来的电流方向相反 B.对于同一线圈，当电流变化越大时，线圈产生的自感电动势也越大 C.对于同一线圈，当电流变化越快时，线圈的自感系数也越大 D.对于同一线圈，当电流变化越快时，线圈中的自感电动势也越大 答案 D 解析 当电流增大时，感应电流的方向与原来的电流方向相反，当电流减小时，感应电流的 方向与原来的电流方向相同，故选项 A 错误；自感电动势的

12、大小，与电流变化快慢有关，与 电流变化大小无关，故选项 B 错误，D 正确；自感系数只取决于线圈本身的因素，与电流变 化情况无关，故选项 C 错误. 2.(对自感现象的分析)(多选)如图 7 所示电路，自感线圈 L 的自感系数足够大，其直流电阻忽 略不计，LA、LB是两个相同的灯泡，则( ) 图 7 A.S 闭合瞬间，LA不亮，LB很亮 B.S 闭合瞬间，LA、LB同时亮，然后 LA逐渐变暗到熄灭，LB变得更亮 C.S 断开瞬间，LA闪亮一下才熄灭，LB立即熄灭 D.S 断开瞬间，LA、LB立即熄灭 答案 BC 3.(对日光灯电路的分析)关于日光灯的工作原理，下列说法正确的是( ) A.起辉器

13、触片接通时，产生瞬时高压 B.日光灯正常工作时，镇流器降压限流以保证日光灯正常工作 C.日光灯正常工作时，日光灯管的电压稳定在 220 V D.镇流器的作用是将交流电变为直流电 答案 B 解析 在日光灯电路中，镇流器的作用是在日光灯起动时，产生一个瞬时高压，与电源电压 叠加在一起，加在灯管两端，激发水银蒸气导电，而不是把交流电变成直流电；日光灯正常 工作后，镇流器起降压、限流的作用，日光灯起动时，起辉器的两个触片先接触后断开，镇 流器产生瞬时高压，所以 B 正确. 4.(自感现象的图像问题)在如图 8 所示的电路中，L 是一个自感系数很大、直流电阻不计的线 圈，D1、D2和 D3是三个完全相同

14、的灯泡，E 是内阻不计的电源.在 t0 时刻，闭合开关 S， 电路稳定后在 t1时刻断开开关 S.规定以电路稳定时流过 D1、D2的电流方向为正方向，分别 用I1、 I2表示流过D1和D2的电流， 则下列图像中能定性描述电流I随时间t变化关系的是( ) 图 8 答案 C 解析 当闭合开关时，因为线圈与 D1串联，所以流过 D1的电流 I1会慢慢增大，流过 D2的电 流 I2为稳定值，且电路稳定时 I2I1.当开关断开时，因为线圈阻碍电流 I1的减小，所以通过 D1的电流不会立即消失，会从原来的大小慢慢减小，由于 L、D1、D2和 D3构成回路，通过 D1的电流也流过 D2，所以 I2变成反向立即增大，之后逐渐减小，故 C 正确，A、B、D 错误.