高中物理 第1章 電磁感應與現(xiàn)代生活 1_5 自感現(xiàn)象與日光燈教師用書 滬科版選修3-2
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1.5自感現(xiàn)象與日光燈學 習 目 標知 識 脈 絡1.了解日光燈中起輝器的構造和工作原理.2.知道自感現(xiàn)象及其產生的原因,會分析自感現(xiàn)象.(重點)3.掌握日光燈工作原理及通電自感、斷電自感現(xiàn)象的分析.(重點)4.掌握自感電動勢和自感系數(shù),知道互感現(xiàn)象.(難點)探 究 日 光 燈 電 路日光燈與鎮(zhèn)流器元件名稱構造原理、作用起輝器電容器、動觸片、靜觸片啟動時將電路瞬時接通后斷開燈管燈管、燈絲、氬和汞蒸氣高壓將管內氣體擊穿,釋放電子與汞原子碰撞發(fā)出紫外線使熒光物質發(fā)光鎮(zhèn)流器自感系數(shù)大的線圈啟動時形成瞬時高壓,工作時降壓限流1.日光燈正常工作后,起輝器不再起作用.()2.日光燈正常工作時,管內氣體變?yōu)閷щ姞顟B(tài),電阻很小.()3.日光燈正常發(fā)光后,使鎮(zhèn)流器短路,日光燈仍能正常發(fā)光,并能降低電能的消耗.()1.起輝器在日光燈啟動時起什么作用?【提示】起輝器起開關作用,接通電路后再斷開.2.鎮(zhèn)流器有什么作用?【提示】鎮(zhèn)流器是帶鐵心的多匝線圈,當線圈中的電流突然被切斷時,可以產生近千伏的電壓(起輝電壓),使燈管產生輝光放電;燈管導通后,由于鎮(zhèn)流器的存在,鎮(zhèn)流器產生的電動勢總是阻礙電流的變化,使燈管兩端的電壓比電源的電壓低(約108 V),鎮(zhèn)流器啟動時產生高電壓,啟動后又起限流作用.起輝器和鎮(zhèn)流器是日光燈的重要元件,在日光燈啟動和發(fā)光過程中起著重要的作用.探討1:若沒有鎮(zhèn)流器,日光燈能正常工作嗎?【提示】不能.在點亮時,日光燈燈管內的氣體電離需高電壓,是通過鎮(zhèn)流器發(fā)生自感現(xiàn)象實現(xiàn)的;正常工作時需低電壓,此時鎮(zhèn)流器起到降壓限流的作用.探討2:起輝器在日光燈正常工作后還有用嗎?【提示】起輝器在日光燈點燃時,起到一個自動開關的作用.日光燈正常工作后,它不再起作用.1.日光燈的構造圖151如圖151所示,日光燈主要是由燈管、鎮(zhèn)流器、啟動器三部分構成.啟動器與燈管并聯(lián),鎮(zhèn)流器與燈管串聯(lián).2.各部分的作用(1)燈管:燈管兩端有燈絲,管內充有微量的氬和稀薄的汞蒸氣,管壁上涂有熒光粉.當兩燈絲間的氣體導電時發(fā)出紫外線,紫外線使涂在管壁上的熒光粉發(fā)出柔和的可見光.(2)鎮(zhèn)流器:鎮(zhèn)流器是一個帶鐵心的線圈,其匝數(shù)很多且為閉合鐵心,自感系數(shù)很大.鎮(zhèn)流器的作用:日光燈點燃時,利用自感現(xiàn)象產生瞬時高壓;日光燈正常發(fā)光時,利用自感現(xiàn)象,對燈管起著降壓限流的作用.(3)起輝器:其構造如圖152所示,它是一個充有氖氣的小玻璃泡,里面裝有兩個電極,一個固定不動的靜觸片和一個用雙金屬片制成的U形動觸片.起輝器的作用:通斷電路(開關).圖1523.日光燈的工作原理(1)啟動:開關閉合后,電源電壓加在起輝器兩極,使氖氣放電發(fā)出輝光,輝光產生的熱量使U形動觸片膨脹,跟靜觸片接觸把電路接通.電路接通后,氖氣停止放電,U形動觸片冷卻收縮,兩觸片分開,電路斷開.電路斷開的瞬間,鎮(zhèn)流器產生很高的自感電動勢,其方向與原電壓方向相同,共同加在燈管兩端,使燈管中的汞蒸氣放電,日光燈開始工作.(2)正常發(fā)光:日光燈正常發(fā)光時,鎮(zhèn)流器與兩燈絲及燈管內的汞蒸氣組成串聯(lián)電路.由于鎮(zhèn)流器中的線圈的自感現(xiàn)象,阻礙通過燈管的電流變化,起降壓限流作用,確保日光燈正常工作.1.人類生活中對能源的可持續(xù)利用可以通過節(jié)能方式體現(xiàn),日光燈是最常用的節(jié)能照明工具,它的主要構成有燈管、鎮(zhèn)流器、起輝器.起輝器的構造如圖153所示,為了便于日光燈工作,常在起輝器兩端并上一個紙質電容器C.現(xiàn)有一盞日光燈總是出現(xiàn)燈管兩端亮而中間不亮,經(jīng)檢查,燈管是好的,電源電壓正常,鎮(zhèn)流器無故障,其原因可能是()圖153A.起輝器兩腳A、B與起輝器座接觸不良B.電容器C斷路C.電容器C被擊穿而短路D.鎮(zhèn)流器自感系數(shù)L太大【解析】由題意知鎮(zhèn)流器無故障,故D項錯誤;日光燈管兩端亮而中間不亮,說明燈管兩端的燈絲處于通電狀態(tài),即起輝器接通, 但不能自動斷開,說明電容器C短路了,選C.【答案】C2.對于日光燈的下列說法中正確的是()A.起輝器是在日光燈啟動過程中起接通電路并提供瞬時高壓的作用B.鎮(zhèn)流器在日光燈啟動及工作過程中起降壓限流作用C.日光燈發(fā)光原理同白熾燈一樣,不是由燈絲產生足夠熱量時發(fā)光的D.起輝器只在日光燈啟動時起暫時接通電路的作用,而鎮(zhèn)流器在啟動時提供高壓,在正常工作時又起降壓限流作用【解析】啟動時,起輝器起接通電路作用,然后斷開,鎮(zhèn)流器由于自感產生瞬時高壓,將氣體擊穿后,熾熱的燈絲釋放電子與汞原子碰撞產生紫外線,再引起熒光物質發(fā)光,正常工作時鎮(zhèn)流器又阻礙電流變化起降壓限流作用,可見A、B、C錯,D對.【答案】D3.如圖154所示是日光燈的結構示意圖,若按圖示的電路連接,關于日光燈發(fā)光的情況,下列敘述中正確的是()【導學號:72000039】圖154A.S1接通,S2、S3斷開,日光燈就能正常發(fā)光B.S1、S2接通,S3斷開,日光燈就能正常發(fā)光C.S3斷開,接通S1、S2后,再斷開S2,日光燈就能正常發(fā)光D.當日光燈正常發(fā)光后,再接通S3,日光燈仍能正常發(fā)光【解析】當S1接通,S2、S3斷開時,電源電壓220 V直接加在燈管兩端,日光燈不能發(fā)光,選項A錯誤;當S1、S2接通,S3斷開時,燈絲兩端被短路,電壓為零,日光燈不能發(fā)光,選項B錯誤;當日光燈正常發(fā)光后,再接通S3,則鎮(zhèn)流器被短路,燈管兩端電壓過高,會損壞燈管,選項D錯誤;只有當S1、S2接通,燈絲被預熱,發(fā)出電子,再斷開S2,鎮(zhèn)流器中產生很大的自感電動勢,和原電壓一起加在燈管兩端,使氣體電離,日光燈正常發(fā)光,故選項C正確.【答案】C日光燈電路的分析方法(1)電路連接:日光燈電路中,鎮(zhèn)流器與燈管串聯(lián),起輝器與燈管并聯(lián).(2)各部分作用:起輝器起開關作用;鎮(zhèn)流器點燃燈管時提供高壓,燈管正常發(fā)光時降壓限流;燈管能夠發(fā)光.探 究 自 感 現(xiàn) 象1.自感由于導體本身的電流發(fā)生變化而產生的電磁感應現(xiàn)象叫做自感現(xiàn)象,自感現(xiàn)象中產生的感應電動勢叫做自感電動勢.2.自感電動勢的大小(1)規(guī)律:自感電動勢與電流的變化率成正比(2)公式:EL.式中的L稱為自感系數(shù),只跟線圈自身的因素有關.線圈的橫截面積越大、長度越長、匝數(shù)越多,它的自感系數(shù)就越大.有鐵心的比無鐵心的自感系數(shù)大.1.只要線圈本身電流發(fā)生變化就有自感電動勢產生.()2.當線圈中電流增大時,線圈中自感電動勢的方向與線圈中電流的方向相反.()3.線圈中電流變化得越快,線圈的自感系數(shù)就越大.()1.自感現(xiàn)象是否屬于電磁感應現(xiàn)象,是否遵守楞次定律和法拉第電磁感應定律?【提示】自感現(xiàn)象屬于電磁感應現(xiàn)象,同樣遵守楞次定律和法拉第電磁感應定律.2.在自感現(xiàn)象中,自感電動勢的方向與原電流方向之間的關系怎樣?【提示】在自感現(xiàn)象中,當原電流增大時,自感電動勢的方向與原電流方向相反;當原電流減小時,自感電動勢的方向與原電流方向相同,即遵循“增反減同”的原則.如圖155所示,為演示自感現(xiàn)象的電路,閉合開關S時,發(fā)現(xiàn)LA2直接亮起來,而LA1逐漸亮起來.圖155探討1:LA1在閉合開關S時,為什么逐漸亮起來?【提示】電路接通時,電流由零開始增加,穿過L的磁通量隨之增加,線圈L中產生自感電動勢阻礙電流增加,從而推遲了LA1中電流增加到正常值的時間,使LA1燈比LA2燈晚亮.探討2:自感電動勢的方向是否總與原電流方向相反?【提示】不是.由楞次定律知阻礙作用,當原電流增大時自感電動勢的方向與原電流方向相反;當電流減小時自感電動勢的方向與原電流方向相同.探討3:自感電動勢有什么作用?【提示】阻礙原電流的變化,但不是阻止,是阻而不止,只是使原電流變化變慢.1.對自感現(xiàn)象的理解(1)自感現(xiàn)象是一種特殊的電磁感應現(xiàn)象,其特殊性在于產生原磁場和產生感應電動勢的是同一導體.(2)產生自感現(xiàn)象的原因是導體本身的電流發(fā)生變化而引起穿過自身的磁通量的變化,從而產生感應電動勢.(3)自感現(xiàn)象的規(guī)律符合電磁感應現(xiàn)象的一般規(guī)律,仍然遵守法拉第電磁感應定律和楞次定律.2.對自感電動勢的理解(1)產生原因:通過線圈的電流發(fā)生變化,導致穿過線圈的磁通量發(fā)生變化,因而在線圈上產生感應電動勢.(2)自感電動勢的方向:當原電流增大時,自感電動勢的方向與原電流方向相反;當原電流減小時,自感電動勢的方向與原電流方向相同.(3)自感電動勢的作用:阻礙原電流的變化.阻礙不是阻止,原電流仍在變化,只是使原電流的變化時間變長,即總是起著推遲電流變化的作用.3.對電感線圈阻礙作用的理解(1)若電路中的電流正在改變,電感線圈會產生自感電動勢阻礙電路中電流的變化,使得通過電感線圈的電流不能突變.(2)若電路中的電流是穩(wěn)定的,電感線圈相當于一段導線,其阻礙作用是由繞制線圈的導線的電阻引起的.(3)阻礙作用過程中能量轉化的特點:線圈對變化電流的阻礙作用結果是實現(xiàn)電能和磁能的相互轉化.線圈中電流從無到有時,磁場從無到有,電源的能量輸送給磁場,儲存在磁場中.相反,線圈中電流減小時,磁場中的能量釋放出來轉化為電能.4.(多選)下列關于自感現(xiàn)象的論述中,正確的是()A.線圈的自感系數(shù)跟線圈內電流的變化率成正比B.當導體中電流減弱時,自感電流的方向與原電流方向相反C.當導體中電流增大時,自感電流的方向與原電流方向相反D.穿過線圈的磁通量的變化和線圈中電流的變化成正比【解析】線圈的自感系數(shù)是由線圈本身性質決定的,與線圈的長度、匝數(shù)、線圈的橫截面積、鐵芯有關,而與線圈內電流的變化率無關,A錯.自感電流的方向總是阻礙原來線圈中電流的變化,即原來線圈中電流增大,自感電流的方向與原電流方向相反;線圈中電流減弱,自感電流的方向與原電流方向相同,C對B錯.根據(jù)ELI/t和En/t比較可知I,則D正確.【答案】CD5. (多選)如圖156所示的電路中,A1和A2是完全相同的燈泡,線圈L的電阻可以忽略.下列說法中正確的是() 【導學號:72000040】圖156A.合上開關S接通電路時,A2先亮,A1后亮,最后一樣亮B.合上開關S接通電路時,A1和A2始終一樣亮C.斷開開關S切斷電路時,A2立刻熄滅,A1過一會兒才熄滅D.斷開開關S切斷電路時,A1和A2都要過一會兒才熄滅【解析】由于自感現(xiàn)象,合上開關時,A1中的電流緩慢增大到某一個值,故過一會兒才亮;斷開開關時,A1中的電流緩慢減小到0,A1、A2串聯(lián),電流始終相等,都是過一會兒才熄滅.故選A、D.【答案】AD6.如圖157所示電路中,L為自感系數(shù)很大、電阻為RL的線圈,A為一阻值為RA的小燈泡,已知RLRA,電源的電動勢為E,內阻不計,某物理實驗小組的同學們把S閉合一段時間后開始計時,記錄各支路的電流,測得流過L的電流為i1,流過燈A的電流為i2,并在t1時刻將S斷開,畫出了通過燈泡A的電流隨時間變化的圖像,你認為正確的是() 【導學號:72000041】圖157ABCD【解析】當S閉合時,由于RLRA,故開始一段時間內,各支路電流之間的關系為i2i1,流過燈A的電流方向從左向右,S斷開時,由于L的自感作用,流經(jīng)L的電流方向從左向右不變,大小由原來的i1逐漸減小,它與燈A構成閉合回路,由此可知燈A的電流方向與原來相反,大小與L中電流相同,即由i1逐漸減小,故A、B、C錯,D對.【答案】D自感電動勢的兩個特點1.自感電動勢阻礙自身電流的變化,但不能阻止,且自感電動勢阻礙自身電流變化的結果,會對其他電路元件的電流產生影響.2.自感電動勢的大小跟自身電流變化的快慢有關,電流變化越快,自感電動勢越大.學業(yè)分層測評(五)(建議用時:45分鐘)學業(yè)達標1.下列說法中正確的是 ()A.電路中電流越大,自感電動勢越大B.電路中電流變化越大,自感電動勢越大C.線圈中電流均勻增大,線圈的自感系數(shù)也均勻增大D.線圈中電流為零時,自感電動勢不一定為零【解析】自感系數(shù)L跟線圈中的電流無關,是由線圈本身的性質決定的,而自感電動勢的大小跟電流變化的快慢有關,故D正確.【答案】D2.(多選)無線電力傳輸目前已取得重大突破,日本展出了一種非接觸式電源供應系統(tǒng).這種系統(tǒng)基于電磁感應原理可無線傳輸電力.兩個感應線圈可以放置在左右相鄰或上下相對的位置,原理示意圖如圖158所示.下列說法正確的是 ()AB圖158A.若A線圈中輸入電流,B線圈中就會產生感應電動勢 B.只有A線圈中輸入變化的電流,B線圈中才會產生感應電動勢 C.A中電流越大,B中感應電動勢越大D.A中電流變化越快,B中感應電動勢越大【解析】根據(jù)產生感應電動勢的條件,只有處于變化的磁場中,B線圈才能產生感應電動勢,A錯,B對;根據(jù)法拉第電磁感應定律,感應電動勢的大小取決于磁通量變化率,所以C錯,D對.【答案】BD3.如圖159所示,閉合電路中的螺線管可自由伸縮,螺線管有一定的長度,燈泡具有一定的亮度.若將一軟鐵棒從螺線管左邊迅速插入螺線管內,則將看到()圖159A.燈泡變暗B.燈泡變亮C.螺線管縮短D.螺線管長度不變【解析】當軟鐵棒插入螺線管中時,穿過螺線管的磁通量增加,故產生反向的自感電動勢,使總電流減小,燈泡變暗,每匝線圈間同向電流吸引力減小,螺線管變長.【答案】A4.如圖所示,S為起輝器,L為鎮(zhèn)流器.其中日光燈的接線圖正確的是()【解析】根據(jù)日光燈的工作原理,要想使日光燈發(fā)光,燈絲必須預熱發(fā)出電子,燈管的兩端應有瞬時高壓,這兩個條件缺一不可.當動、靜觸片分離后,選項B中燈管和電源斷開,選項B錯誤;選項C中鎮(zhèn)流器與燈管斷開,無法將瞬時高壓加在燈管兩端,選項C錯誤;選項D中燈絲左、右端分別被短接,無法預熱放出電子,不能使燈管中的氣體導電,選項D錯誤.【答案】A5.在制精密電阻時,為了消除制作過程中由于電流變化而引起的自感現(xiàn)象,采取了雙線并繞的方式,如圖1510所示,其道理是()【導學號:72000042】圖1510A.當電路中的電流變化時,兩股導線中產生的自感電動勢相互抵消B.當電路中的電流變化時,兩股導線中產生的感應電流相互抵消C.當電路中的電流變化時,兩股導線中原電流的磁通量相互抵消D.以上說法都不對【解析】采用雙線并繞的方式,當電流通過時,兩股導線中的電流方向是相反的,不管電流怎樣變化,任何時刻兩股電流總是等大反向的,所產生的磁場也是等大反向的,故總磁通量等于零,在該線圈中不會產生電磁感應現(xiàn)象,因此消除了自感,選項A、B錯誤,只有C正確.【答案】C6.在如圖1511所示的電路中,兩個相同的小燈泡L1和L2分別串聯(lián)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,調整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,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() 【導學號:72000043】圖1511【解析】由題中給出的電路可知,電路由L與L1和L2與R兩個支路并聯(lián),在t時刻,L1支路的電流因為有L的自感作用,所以i1由零逐漸增大,L2支路為純電阻電路,i2不存在逐漸增大的過程,所以選項B正確.【答案】B7.在生產實際中,有些高壓直流電路中含有自感系數(shù)很大的線圈,當電路中的開關S由閉合到斷開時,線圈會產生很大的自感電動勢,使開關S處產生電弧,危及操作人員的人身安全.為了避免電弧的產生,可在線圈處并聯(lián)一個元件,在下列設計的方案中(如圖所示)可行的是 ()ABCD【解析】斷開開關S,A圖中由于電容器被充電,開關S處仍將產生電?。籅、C圖中閉合開關時,電路發(fā)生短路;而D圖是利用二極管的單向導電性使線圈短路可避免開關處電弧的產生,故D正確.【答案】D8.如圖1512所示的電路中,兩個相同的電流表G1和G2的零點均在刻度盤中央,當電流從“十”接線柱流入時,指針向左擺;當電流從“一”接線柱流入時,指針向右擺.在電路接通后再斷開開關S的瞬間,下列說法中正確的是 ()【導學號:72000044】圖1512A.G1指針向右擺,G2指針向左擺B.G1指針向左擺,G2指針向右擺C.兩表指針都向右擺D.兩表指針都向左擺【解析】當開關S閉合時,流經(jīng)電感線圈L的電流方向自左向右.當斷開開關S的瞬間,通過線圈L的電流將變小,根據(jù)楞次定律可知,感應電流方向與原電流方向相同,也將是自左向右流,以阻礙原電流減小的變化.這樣在由L、G2、R及G1組成的閉合電路中,感應電流將從G2的負接線柱流入,因而G2的指針向右偏;感應電流將從G1的正接線柱流入,因而G1的指針向左偏.【答案】B能力提升9.如圖1513所示,電感線圈L的自感系數(shù)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的阻值約等于R1的兩倍大,則()圖1513A.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【解析】由于線圈L的自感系數(shù)足夠大,閉合開關S時產生很強的阻礙,純電阻R2無自感,因此LA慢慢亮起來,LB隨即達到穩(wěn)定亮度,A、B錯;當電路穩(wěn)定時,將線圈L等效為導線,則有ILIAIB.斷開開關S時,則由于自感線圈L與LB、R2形成閉合回路,因此有IBIB,因此斷開開關S時,LA慢慢熄滅,LB閃亮后才慢慢熄滅,C錯D對.【答案】D10.(多選)如圖1514所示為一個日光燈電路,主要由燈管、鎮(zhèn)流器和起輝器等元件組成.在日光燈正常工作的情況下,則()圖1514A.燈管兩端的燈絲跟鎮(zhèn)流器、起輝器、開關都是串聯(lián)的B.燈管在開始點燃時,需要一個很高的瞬時電壓,可通過使用鎮(zhèn)流器來達到這個要求C.燈管點燃發(fā)光后,鎮(zhèn)流器不再起作用D.燈管在點燃發(fā)光后,起輝器的兩個觸片是分離的,起輝器不再起作用【解析】閉合開關,電壓加在起輝器兩極間,氖氣放電發(fā)出輝光,產生的熱量使U形動觸片膨脹,跟靜觸片接觸使電路接通,燈絲和鎮(zhèn)流器中有電流通過.電路接通后,起輝器中的氖氣停止放電,U形動觸片冷卻收縮,兩個觸片分離,電路自動斷開.在電路突然斷開的瞬間,由于鎮(zhèn)流器電流急劇減小,會產生很高的自感電動勢,方向與電源電動勢方向相同,這個自感電動勢與電源電壓加在一起,形成一個瞬時高壓,加在燈管中的氣體開始放電,于是日光燈成為電流的通路開始發(fā)光.日光燈開始發(fā)光后,由于交變電流通過鎮(zhèn)流器線圈,線圈中會產生自感電動勢,它總是阻礙電流的變化,這時的鎮(zhèn)流器起著降壓、限流的作用,保證日光燈正常發(fā)光.所以選項B、D正確.【答案】BD11.如圖1515甲所示為研究自感實驗電路圖,并用電流傳感器顯示出在t1103s時,斷開開關前后一段時間內各時刻通過線圈L的電流(如圖1515乙).已知電源電動勢E6 V,內阻不計,燈泡R1的阻值為6 ,電阻R的阻值為2 .甲乙圖1515(1)線圈的直流電阻RL .(2)開關斷開時,該同學觀察到的現(xiàn)象是 ,并計算開關斷開瞬間線圈產生的自感電動勢是 V.【解析】由圖像可知S閉合穩(wěn)定時IL1.5 ARLR 2 2 此時小燈泡的電流I1 A1 AS斷開后,L、R、R1組成臨時回路電流由1.5 A逐漸減小,所以燈泡會閃亮一下再熄滅,自感電動勢EIL(RRLR1)15 V【答案】(1)2(2)燈泡閃亮一下后逐漸變暗,最后熄滅1512.如圖1516所示,燈泡電阻大小為8 .線圈的直流電阻為2 ,電源電動勢為4 V,電阻忽略不計.試計算在S斷開時刻線圈L的自感電動勢大小. 【導學號:72000045】圖1516【解析】根據(jù)直流電路知識,計算出穩(wěn)定時通過燈泡A的電流為0.5 A,通過線圈L的電流為2 A.斷開S瞬間,通過燈泡A的0.5 A電流立即消失,由于“自感要阻礙通過線圈的原電流變化”.流經(jīng)L的2 A電流將由2 A逐漸減小,所以斷開S時刻的自感電動勢大小EI2(RLRA)20 V.【答案】20 V- 配套講稿:
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