1、6.自感 必备知识自主学习一、自感现象(1)甲图中,闭合电键,为什么A灯立即亮,B灯过会儿亮呢?提示:B灯与线圈串联,闭合电键时,电流增大,线圈阻碍电流的增大,故B灯过会儿亮。(2)乙图中,断开开关,为什么灯不是立即熄灭?提示:灯与线圈并联,断开开关时,电流减小,线圈阻碍电流的减小,与灯构成回路,故不是立即熄灭。1.自感现象:由于导体线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应现象。2.自感电动势:(1)定义:在自感现象中产生的电动势。(2)特点:总是阻碍导体中原电流的变化。3.通电自感和断电自感:电路现象自感电动势的作用通电自感接通电源的瞬间,灯泡D2较慢地亮起来阻碍电流的增加断电自感断开开关的瞬
2、间,灯泡D会闪亮一下,然后逐渐变暗阻碍电流的减小二、自感系数1.自感电动势的大小:EL=L,其中L是线圈的自感系数,简称自感或电感,单位:亨利,符号:H。2.决定线圈自感系数大小的因素:线圈的形状、体积、匝数以及是否有铁芯等。三、自感的典型应用日光灯1.结构:普通的日光灯是由灯管、镇流器、启动器组成。2.启动器:也称启辉器,是一个充有氖气的小玻璃泡,里面有两个电极,一个是固定不动的静触片,另一个是用双金属片制成的U形动触片。3.镇流器:是一个有铁芯的自感系数很大的线圈,其作用是在日光灯启动时在灯管两端形成一个瞬时高压,正常工作时又起到一个降压限流的作用。 关键能力合作学习知识点一两种自感现象的
3、分析1.断电自感:实验电路实验要求电路稳定时L1、L2亮度相同ILL1猛然亮一下再逐渐熄灭L2立刻熄灭R0为纯电阻,不产生自感现象,L2立即熄灭。L为自感系数较大的线圈,断开S后,L中产生自感电动势,与L1组成闭合回路,线圈中的电流在原来电流值基础上逐渐减小IL=L1由原来亮度逐渐熄灭ILL1先立即变暗一些再逐渐熄灭2.通电自感:实验电路实验要求电路稳定时L1、L2亮度相同S闭合的瞬间L1先亮由于L1支路为纯电阻电路,不产生自感现象L2逐渐变亮,最后与L1一样亮由于L的自感作用阻碍L2支路电流增大,出现“延迟”现象(1)自感电动势的方向有什么特点?提示:总是阻碍引起自感电动势的原电流的变化,有
4、“增反减同”的特点。当原电流增大时,自感电动势的方向与原电流方向相反。当原电流减小时,自感电动势的方向与原电流方向相同。(2)讨论通电瞬间,通电稳定和断电瞬间三个状态的不同。提示:通电瞬间状态:通电瞬间自感线圈相当于一个阻值无穷大的电阻,其所在的支路相当于断路。通电稳定状态:电路中电流稳定后,自感线圈相当于一段理想导线或纯电阻。断电瞬间状态:电路刚断开瞬间,自感线圈相当于一个电源,对能够与它组成闭合回路的用电器供电,并且刚断开电路的瞬间通过自感线圈的电流大小和方向与电路稳定时通过自感线圈的电流大小和方向相同。【典例】(2017北京高考)图甲和图乙是教材中演示自感现象的两个电路图,L1和L2为电
5、感线圈。实验时,断开开关S1瞬间,灯A1突然闪亮,随后逐渐变暗;闭合开关S2,灯A2逐渐变亮,而另一个相同的灯A3立即变亮,最终A2与A3的亮度相同。下列说法正确的是()A.图甲中,A1与L1的电阻值相同B.图甲中,闭合S1,电路稳定后,A1中电流大于L1中电流C.图乙中,变阻器R与L2的电阻值相同D.图乙中,闭合S2瞬间,L2中电流与变阻器R中电流相等【解析】选C。图甲中,断开开关S1瞬间,灯A1突然闪亮,所以断开开关S1之前,电路处于稳定状态时,流经L1的电流大于流经A1的电流,L1的电阻值小于A1的阻值,A、B选项错误;图乙中,闭合开关S2,最终完全相同的灯A2与A3的亮度相同,即最终A
6、2与A3的电流相同,所以变阻器R与L2的电阻值相同,C选项正确;闭合S2瞬间,L2对电流有阻碍作用,L2中电流小于变阻器R中电流,D选项错误。1. (多选)如图所示的电路中,A1和A2是完全相同的两只灯泡,线圈L的电阻可以忽略,下面说法中正确的是() A.合上开关S接通电路时,A2先亮,A1后亮,最后一样亮B.合上开关S接通电路时,A1和A2始终一样亮C.断开开关S切断电路时,A2立刻熄灭,A1过一会儿才熄灭D.断开开关S切断电路时,A1、A2都要延迟一会儿再熄灭【解析】选A、D。合上开关S接通电路,A2立即亮,线圈对电流的增大有阻碍作用,所以通过A1的电流慢慢变大,最后两灯泡的电压一样大,所
7、以一样亮,故A正确,B错误;断开开关S切断电路时,通过A2的原来的电流立即消失,线圈对电流的减小有阻碍作用,所以通过A1的电流会慢慢变小,并且电流会通过A2,所以两灯泡一起过一会儿熄灭,故C错误,D正确。故选A、D。2. (2020兰州高二检测)如图所示,L1、L2为两个相同的灯泡,线圈L的直流电阻不计,灯泡L1与理想二极管D相连,下列说法中正确的是() A.闭合开关S后,L1会逐渐变亮B.闭合开关S稳定后,L1、L2亮度相同C.断开S的瞬间,L1会逐渐熄灭D.断开S的瞬间,a点的电势比b点高【解析】选D。闭合开关S后,线圈自感只是阻碍流过L的电流增大,但两灯立刻变亮,故A错误;闭合开关S稳定
8、后,因线圈L的直流电阻不计,所以L1与二极管被短路,导致灯泡L1不亮,而L2将更亮,因此L1、L2亮度不同,故B错误;断开S的瞬间,L2会立刻熄灭,线圈L与灯泡L1及二极管构成回路,因线圈产生感应电动势,a端的电势高于b端,但此时的二极管反接,所以回路中没有电流,L1立即熄灭,故C错误,D正确。3.如图所示的电路中,A和B是两个相同的灯泡,线圈L自感系数足够大,电阻可以忽略不计。下列说法正确的是() A.闭合开关S时,B灯先亮,A灯后亮B.闭合开关S时,A灯和B灯同时亮C.断开开关S时,A灯和B灯立即熄灭D.断开开关S时,A灯缓慢熄灭,B灯立即熄灭【解析】选A。当开关S闭合时,灯B立即发光。通
9、过线圈L的电流增大,穿过线圈的磁通量增大,根据楞次定律线圈产生的感应电动势与原来电流方向相反,阻碍电流的增大,电路的电流只能逐渐增大,A逐渐亮起来。所以B比A先亮。由于线圈直流电阻忽略不计,当电流逐渐稳定时,线圈不产生感应电动势,两灯电流相等,亮度相同。故A正确,B错误;稳定后当开关S断开后,由于自感,线圈中的电流只能慢慢减小,其相当于电源,与灯泡A、B构成闭合回路放电,两灯都过一会儿熄灭,故C、D错误;故选A。知识点二日光灯的工作原理(1)电键闭合后,启动器动触片与静触片接触,使灯丝和镇流器线圈中有电流流过,使灯丝预热。(2)电路接通后,启动器中的氖气停止放电,U形片冷却收缩,两个触片分离,
10、电路自动断开。(3)在电路突然断开的瞬间,由于镇流器电流急剧减小,会产生很高的自感电动势,方向与原来的电压方向相同,自感电动势与电源电压加在一起,形成一个瞬时高压,加在灯管两端,使灯管中的气体开始放电,于是日光灯成为电流的通路开始发光。(4)日光灯开始发光后,由于交变电流通过镇流器的线圈,线圈中就会产生自感电动势,它总是阻碍电流的变化,这时镇流器起着降压限流的作用,保证日光灯正常工作。【典例】如图是日光灯的工作原理电路图,下列说法中正确的是() A.日光灯点燃后,镇流器、启动器都不起作用B.镇流器能产生瞬时高压点亮灯管,并在灯管亮后起降压限流作用C.日光灯灯管亮后发出的可见光是由灯管内的气体发
11、出D.日光灯点亮后,使镇流器短路,日光灯仍能正常发光,并能降低对电能的消耗【解析】选B。日光灯工作时都要经过预热、启动和正常工作三个不同的阶段,它们的工作电流通路如图所示,在启动阶段镇流器与启动器配合产生瞬间高压。工作后,电流由灯管经镇流器,不再流过启动器,故启动后启动器不再工作,此时电流通过镇流器而降压,不能使镇流器短路,故A、D错误,B正确;日光灯管发光原理:当灯管内的惰性气体在高压下电离后,形成气体导电电流,运动的气体离子在与汞原子碰撞作用之间不断地给了汞原子能量,使得汞原子的核外电子总能从低轨道跃迁到高轨道,之后汞原子的核外电子由于具有较高的能量会自发地再从高轨道向低轨道跃迁,以光子的
12、形式向外释放能量,同时由于汞原子的原子特征谱线大部分集中在紫外区域,可知,汞原子释放出来的光子大部分在紫外区域,这些高能量的光子(紫外线)在和荧光粉的撞击之间产生了白光,故C错误。故选B。1.如图所示,S为启动器,L为镇流器,其中日光灯的接线图正确的是()【解析】选A。根据日光灯的工作原理,要想使日光灯发光,灯丝需要预热发出电子,灯管两端应有瞬时高压,这两个条件缺一不可。当动、静触片分离后,选项B中灯管和电源断开,选项B错误;选项C中镇流器与灯管断开,无法将瞬时高压加在灯管两端,选项C错误;选项D中灯丝左、右两端分别被短接,无法预热放出电子,不能使灯管气体导电,选项D错误。只有A项满足发光条件
13、。2.(多选)家用日光灯电路如图所示,S为启动器,A为灯管,L为镇流器,关于日光灯的工作原理下列说法正确的是()A.镇流器的作用是将交流电变为直流电B.在日光灯的启动阶段,镇流器能提供一个瞬时高压,使灯管开始工作C.日光灯正常发光时,启动器中的两个触片是分离的D.日光灯发出柔和的白光是由汞电子受到激发后直接辐射的【解析】选B、C。镇流器在启动时产生瞬时高压,在正常工作时起降压限流作用,仍是交流电,故A错误,B正确;电路接通后,启动器中的氖气停止放电(启动器分压少、辉光放电无法进行,不工作),U形动触片冷却收缩,两个触片分离,故C正确;日光灯发光是因为光子束撞击荧光粉,荧光粉发光,故D错误。故选
14、B、C。3. (多选)如图为日光灯电路,关于该电路,以下说法中正确的是()A.启动过程中,启动器断开瞬间镇流器L产生瞬时高压B.日光灯正常发光后,镇流器L使灯管两端电压低于电源电压C.日光灯正常发光后启动器是导通的D.图中的电源可以是交流电源,也可以是直流电源【解析】选A、B。日光灯中镇流器的作用是当启动器断开的瞬间产生瞬时高压,击穿灯管中的稀薄气体导电,而启动后自感电动势会使灯管两端的电压低于电源电压,故A、B均正确;灯管导通后,启动器断开,日光灯只能用交流电源供电,故C、D均错。【拓展例题】考查内容:自感现象的图像问题【典例】如图所示的电路中,电源的电动势为E,内阻为r,电感L的电阻不计,
15、电阻R的阻值大于灯泡D的阻值,在t=0时刻闭合开关S,经过一段时间后,在t=t1时刻断开S,下列表示A、B两点间电压UAB随时间t变化的图像中,正确的是()【解析】选B。由于自感现象,t=0时刻UAB较大,随时间推移,UAB减小;断开S,电感L中电流的方向不变,逐渐减小,经过电感L、电阻R、灯泡D形成回路,所以UAB的方向发生改变,大小逐渐减小至零,故正确答案为B。 课堂检测素养达标1.关于自感现象,下列说法中正确的是()A.电路中电流越大,自感电动势越大B.电路中电流变化越大,自感电动势越大C.线圈中电流均匀增大,线圈的自感系数也均匀增大D.线圈中的电流为零时,自感电动势不一定为零【解析】选
16、D。在自感电动势一定的情况下,电流变化越快,自感电动势越大,与电流的大小、电流变化的大小没有必然的关系,A、B项错;线圈的自感系数是由线圈本身的性质决定的,与线圈的大小、形状、匝数、有无铁芯等有关,而与线圈的电流的变化率无关,C项错。2.(多选)关于自感系数,以下说法正确的是()A.线圈中产生的自感电动势较大时,其自感系数一定较大B.对于同一线圈,当电流变化较快时,线圈中的自感电动势较大C.把线圈中的铁芯抽出一些,自感系数变小D.自感系数与电路中电流变化快慢有关【解析】选B、C。自感系数是由线圈本身的特性决定的,与自感电动势的大小、电路中电流变化快慢无关,选项A、D错误;由自感电动势公式EL=
17、L知选项B正确;自感系数与线圈的大小、形状、匝数、有无铁芯有关,与其他因素无关,把线圈中的铁芯抽出一些,自感系数减小,选项C正确。故选B、C。3.(多选)(2020三明高二检测)如图所示的四个日光灯的接线图中,S1为启动器,S2、S3为电键,L为镇流器,能使日光灯正常发光的是()【解析】选A、C。能使日光灯正常发光的是A,当开关接通,通过线圈在灯管内的灯丝发热在两端产生电子,在热电子的定向移动中,灯管内电路导通,使得启动器温度降低,导致两极断开,从而使得镇流器产生很高电压,在灯管内的热电子加速运动的过程中,碰撞管内氩气分子,使之迅速电离。从而管壁内的荧光粉发出近乎白色的可见光,故A、C正确,同
18、理可知,B、D错误。4. (多选)如图所示,将两端刮掉绝缘漆的导线绕在一把锉刀上,一端接上电池(电池另一极与锉刀接触),手持导线的另一端,在锉刀上来回划动,由于锉刀表面凹凸不平,就会产生电火花。则下列说法中正确的是() A.产生电火花的回路只由导线与电池组成B.若导线端只向一个方向划动也能产生电火花C.锉刀采用什么材料制成对实验没有影响D.导线端划动的方向与自感电动势的方向无关【解析】选B、D。由图可知,产生电火花的回路由导线、锉刀与电池组成,A错误;手执导线的另一端,在锉刀上来回划动时产生的电火花,是由于电路时通时断,在回路中产生自感电动势,与导线运动的方向无关,如导线端只向一个方向划动也能
19、产生电火花,B正确;产生电火花的回路由导线、锉刀与电池组成,如果锉刀是绝缘体,则实验不能完成,C错误;自感电动势的方向与电流接通或电流断开有关,与导线端划动的方向无关,D正确。5.(多选)如图所示,用电流传感器研究自感现象。电源内阻不可忽略,线圈的自感系数较大,其直流电阻小于电阻R的阻值。t=0时刻闭合开关S,电路稳定后,t1时刻断开S,电流传感器连接的计算机分别描绘了整个过程线圈中的电流IL和电阻中的电流IR随时间t变化的图像。下列图像中可能正确的是()【解析】选A、D。当t=0时刻闭合开关S的瞬间,电路中的电流突然增大,在L中要产生自感电动势阻碍电流的增加,所以L中的电流会逐渐增加到稳定值
20、;而电阻R上,开始时由于L中有很大的自感电动势的产生,在L上相当于断路,所以流过R的电流会较大,然后随时间逐渐减小到稳定值。由于L直流电阻小于电阻R的阻值,所以稳定时电阻R的电流小于L的电流,两者方向相同,都是从左向右;当t1时刻断开S时,R中原来的电流立即减小到零,但是L中由于自感电动势阻碍电流的减小,所以此电流会在L和R中形成回路,然后逐渐减到零,其流过R的电流方向与原来方向相反。所以选项A、D正确。6.(多选)如图,A、B两灯的电阻均为R,S1闭合、S2断开时两灯的亮度一样,下列说法正确的是()A.断开S2、闭合S1的瞬间,A、B灯都立即亮起来B.断开S2、闭合S1的瞬间,A灯立即亮,B
21、灯慢慢亮起来C.S1、S2都闭合一段时间后,只断开S1的瞬间,A灯延迟熄灭,B灯立即熄灭D.S1、S2都闭合一段时间后,只断开S1的瞬间,流过A灯的电流方向由a到b【解析】选B、C、D。断开S2、闭合S1的瞬间,A灯立即变亮,由于电感线圈阻碍电流增大,故B灯缓慢变亮,故A错误,B正确; S1、S2都闭合一段时间后,只断开S1的瞬间,由于电感线圈阻碍电流减小,故产生的电流从右向左通过线圈,则流过A灯的电流方向由a到b,且线圈与A灯组成回路,所以A灯延迟熄灭,B灯立即熄灭,故C、D正确。故选B、C、D。7.(多选)如图所示,A、B是两个完全相同的灯泡,L是电阻为零的纯电感,且自感系数很大。C是电容
22、较大且不漏电的电容器,下列判断正确的是()A.S闭合时,A灯亮后逐渐熄灭,B灯逐渐变亮B.S闭合时,A灯、B灯同时亮,然后A灯变暗,B灯变得更亮C.S闭合,电路稳定后,S断开时,A灯突然亮一下,然后熄灭,B灯立即熄灭D.S闭合,电路稳定后,S断开时,A灯突然亮一下,然后熄灭,B灯逐渐熄灭【解析】选A、D。当S闭合时,通过自感线圈的电流逐渐增大而产生自感电动势,L相当于断路,电容C较大,相当于短路,当电流稳定时,L短路,电容C断路,故A灯先亮后灭,B灯逐渐变亮;当S断开时,灯泡A与自感线圈L组成了闭合回路,灯泡A中的电流先增大后减小至零,故闪亮一下熄灭,电容器与灯泡B组成闭合回路,电容器放电,故灯泡B逐渐熄灭,则A、D正确,B、C错误。故选A、D。【加固训练】如图所示是测定自感系数很大的线圈L直流电阻的电路,L两端并联一只电压表,用来测量自感线圈的直流电压,在测量完毕后,将电路解体时应()A.先断开S1B.先断开S2C.先拆除电流表D.先拆除电阻R【解析】选B。S1断开瞬间,L中产生很大的自感电动势,若此时S2闭合,则可能将电压表烧坏,故应先断开S2。