2.4互感和自感 讲义-2021-2022学年【新教材】人教版（2019）高中物理选择性必修第二册

第二章电磁感应
第4节互感和自感
【素养目标】
了解什么是互感现象,了解互感现象在生活和生产中的应用和防止。
了解什么是自感现象,了解自感现象在生活和生产中的应用和防止;能够运用电磁感应的有关规律分析通、断电自感现象;了解自感电动势的计算式。
知道自感系数是表示线圈本身特征的物理量,知道它的大小与哪些因素有关,知道它的单位。
【必备知识】
知识点一、互感现象
(1)定义:两个相互靠近的线圈,当一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势的现象。互感现象中,产生的电动势叫作互感电动势。
(2)应用:互感现象可以把能量由一个线圈传递到另一个线圈,变压器、收音机的“磁性天线”就是利用互感现象制成的。
(3)危害:互感现象能发生在任何两个相互靠近的电路之间,电力工程和电子电路中,有时会影响电路正常工作,这时要设法减小电路间的互感。
知识点二、自感现象
(1)定义:一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场在它本身激发出感应电动势的现象。由于自感而产生的电动势叫作自感电动势。
(2)自感电动势
知识点三、磁场的能量
(1)自感现象中的磁场能量
①线圈中电流从无到有时,磁场从无到有,电源的能量输送给磁场,储存在磁场中。
②线圈中电流减小时,磁场中的能量释放出来转化为电能。
(2)电的“惯性”
自感电动势有阻碍线圈中电流变化的惯性。
知识点四、通电自感和断电自感
【课堂检测】
1.某同学为了验证断电自感现象，采用如图所示的电路。闭合开关S，两个完全相同的小灯泡均发光，切断开关，仅观察到小灯泡 逐渐熄灭现象。你认为小灯泡 未闪亮的可能原因是（ ）
A. 电源的内阻较大 B. 滑动变阻器R电阻偏大
C. 线圈的自感系数较小 D. 线圈电阻偏大
【答案】 D
【解析】A．灯泡是否闪亮取决于流过灯泡L2的电流是否增大，与电源的内阻无关，A不符合题意；
B．若滑动变阻器的电阻偏大，则稳定时流过小灯泡L2的电流较小，断开开关时小灯泡L2容易发生闪亮现象，与题意不符，B不符合题意；
C．线圈的自感系数的大小，会影响续流时间的长短，但不是影响电流的大小，因此无法决定小灯泡L2是否发生闪亮。C不符合题意；
D．若线圈电阻偏大，则通过线圈的电流较小，若该电流小于灯泡L2稳定发光时的电流，则断开开关后无法看到小灯泡L2闪亮。D符合题意。
故答案为：D。
【分析】灯L1线圈L串联，灯L2与滑动变阻器串联，之后二者并连接在电源两端，当开关断开，L1、L2、L及滑动变阻器构成串联闭合回路，自感电流从原来线圈中电流值减小。
2.如图所示，L为一个带铁芯的线圈，R是纯电阻，两支路的直流电阻相等，那么在接通和断开开关瞬间，两表的读数I1和I2的大小关系分别是（ ）
A. I1＜I2 ， I1＞I2 B. I1＞I2 ， I1＜I2 C. I1＜I2 ， I1=I2 D. I1=I2 ， I1＜I2
【答案】 C
【解析】解：当开关接通瞬间，R中电流立即增大到正常值I2 ． 而线圈中的电流从零开始增大，产生自感电动势阻碍电流的增大，则电流I1只能逐渐增大，故I1＜I2 ．
断开开关瞬间，线圈产生的自感电流流过线圈和电阻R，两者串联，电流相同，I1=I2 ． 故选项C正确，选项ABD错误．
故选：C．
【分析】当开关接通和断开的瞬间，流过线圈的电流发生变化，产生自感电动势，阻碍原来电流的变化，根据这一特点来分析电流的大小．
【素养作业】
1.关于线圈的自感系数，下列说法正确是（ ）
A. 线圈中的自感电动势越大，线圈的自感系数一定越大
B. 线圈的自感系数与线圈自身的因素以及有无铁芯有关
C. 线圈中的电流不发生变化，自感系数一定为零
D. 线圈中的电流变化越快，自感系数就越大
【答案】 B
【解析】解：自感系数由线圈自身决定：线圈越长，而其他条件相同时，自感系数越大；线圈匝数越多，而其他条件相同时，自感系数越大；同一线圈，插有铁芯时线圈的自感系数会变大；
线圈的自感系数与线圈的长度、匝数以及是否有铁芯等都有关，与线圈中电流如何变化无关，与线圈中的自感电动势也无关．故B正确，ACD错误．
故选：B
【分析】自感系数由线圈自身决定，与其它因素无关．线圈越长、单位长度上匝数越多自感系数越大，有铁芯比没有铁芯大得多．
2.如图所示，电路中的A、B是两个完全相同的灯泡，L是一个自感系数很大、电阻可忽略的自感线圈，C是电容很大的电容器．当开关S断开与闭合时，A、B灯泡发光情况是（ ）
A. S刚闭合后，A灯亮一下又逐渐变暗，B灯逐渐变亮
B. S刚闭合后，B灯亮一下又逐渐变暗，A灯逐渐变亮
C. S闭合足够长时间后，A灯泡和B灯泡一样亮
D. S闭合足够长时间后再断开，B灯立即熄灭，A灯逐渐熄灭
【答案】 A
【解析】解：A、S刚闭合后，灯泡A与电感并联，由于电感阻碍电流的增大，所以A灯亮一下，然后逐渐熄灭，B灯与电容器并联，由于电容器充电，所以B灯逐渐变亮．故A正确，B错误．
C、S闭合足够长时间后，C中无电流，相当于断路，L相当于短路，所以B很亮，而A不亮．故C错误，D也错误．
故选：A．
【分析】电感器对电流的变化有阻碍作用，当电流增大时，会阻碍电流的增大，当电流减小时，会阻碍其减小．电容器在电路中电流变化时，也会发生充电和放电现象，此时可理解为有电流通过了电容器．
3.如图所示，电阻R和电感线圈L的值都较大，电感线圈的电阻不计，A、B是两只完全相同的灯泡，当开关S闭合时，下面能发生的情况是（ ）
A. B比A先亮，然后B熄灭 B. A比B先亮，然后A熄灭
C. A，B一起亮，然后A熄灭 D. A，B一起亮，然后B熄灭
【答案】 D
【解析】解：当开关S闭合时，电源的电压同时加到两个灯泡上，它们会一起亮．
但由于电感线圈的电阻不计，线圈将B灯逐渐短路，B灯变暗直至熄灭；故ABC错误，D正确．
故选：D．
【分析】当开关S闭合时，电源的电压同时加到两个灯泡上，它们会同时发光．根据电感线圈的电阻不计，会将B灯短路，分析B灯亮度的变化．
4.如图所示的电路中，P、Q为两相同的灯泡，L的电阻不计，则下列说法正确的是( )
A. S断开瞬间，P立即熄灭，Q过一会儿才熄灭
B. S接通瞬间，P、Q同时达到正常发光
C. S断开瞬间，通过P的电流从右向左
D. S断开瞬间，通过Q的电流与原来方向相反
【答案】 C
【解析】A．S断开瞬间，由于线圈自感作用，阻碍原电流减小，相当于新的电源，通过Q、P形成回路，所以PQ均过一会熄灭，A不符合题意．
CD．通过线圈的电流沿原方向，所以通过Q的电流与原来方向相同，通过P的电流与原来方向相反，从右向左，C符合题意，D不符合题意．
B．S接通瞬间，P立即正常发光，由于线圈自感阻碍电流增大，Q缓慢变亮，B不符合题意．
故答案为：C。
【分析】根据自感现象和楞次定律进行分析。
5.如图所示甲、乙电路，电阻R和自感线圈L的电阻都很小。接通S，使电路达到稳定，灯泡A发光，则（ ）
A. 在电路乙中，断开S，A将渐渐变暗
B. 在电路甲中，断开S，A将先变得更亮，然后渐渐变暗
C. 在电路甲中，断开S，A将渐渐变暗
D. 在电路乙中，断开S，A渐渐变亮
【答案】 C
【解析】BC.题图甲中，A与自感线圈L在同一个支路中，流过的电流相同，断开开关S时，线圈L中的自感电动势要维持原电流不变，所以开关断开的瞬间，A的电流不变，以后电流渐渐变小，因此A渐渐变暗，B不符合题意，C符合题意；
AD.题图乙中，A所在支路的电流比自感线圈所在支路的电流要小（因为自感线圈的电阻很小），断开开关S时，自感线圈的自感电动势要阻碍电流的变小，此瞬间自感线圈中的电流不变，自感线圈相当于一个电源给A供电。因此，反向流过A的电流瞬间要变大，然后渐渐变小，所以A将先闪亮一下，然后渐渐变暗，AD不符合题意。
故答案为：C。
【分析】根据自感现象和电路的动态分析进行判断。
6.法拉第最初发现电磁感应现象的实验装置如图所示，闭合铁芯上绕有 、 两个线圈，线圈与铁芯绝缘，线圈 与直流电源相接，通过观察小磁针的偏转情况可判断线圈 中是否有电流产生。下列说法正确的是（ ）
A. 保持开关 处于闭合状态，小磁针发生偏转
B. 当开关 闭合的瞬间，小磁针发生偏转
C. 当开关 断开的瞬间，小磁针不发生偏转
D. 无论开关 怎样改变，小磁针都不会发生偏转
【答案】 B
【解析】由电磁感应的规律可知，当开关S闭合或断开的瞬间，线圈M中的变化电流将激发一个变化的磁场，这个变化的磁场沿铁芯穿过线圈N，在线圈N中激发感应电流，感应电流产生的磁场将使小磁针发生偏转；开关S保持闭合状态时，线圈M中的稳定电流激发的稳定磁场，不能在线圈N中激发感应电流。
故答案为：B。
【分析】当开关闭合和断开瞬间其线圈M中电流发生改变，周围的磁场发生变化时，N中的磁通量才会发生改变，导致产生了感应电流，由于感应电流的产生导致周围磁场的产生导致小磁针发生偏转。
7.在如图所示的电路中，当滑动变阻器 的滑动片Р向上移动时，关于电灯L的亮度及电容器C所带电量Q的变化判断正确的是（ ）
A. L变暗，Q增大 B. L变暗，Q减小 C. L变亮，Q增大 D. L变亮，Q减小
【答案】 C
【解析】当滑动变阻器的滑动片向上移动时，变阻器接入电路的电阻增大，外电路总电阻增大，由闭合电路欧姆定律得知，干路电流减小，电源的内电压减小，则路端电压增大，灯L变亮。电容器板间电压等于变阻器两端的电压。由上得知，路端电压增大，则通过L灯的电流增大，而干路电流减小，则通过R1的电流减小，R1的电压也减小，则变阻器两端的电压增大，电容器所带电量Q增大。C符合题意ABD不符合题意。
故答案为：C。
【分析】滑动变阻器的滑动片向上移动时，变阻器接入电路的电阻增大，电路总电阻增大，由闭合电路欧姆定律得知，干路电流减小，电源的内电压减小，路端电压增大。电容器两端的电压等于滑动变阻器两端的电压，干路电流减小，L支路的电流增大，则通过R1的电流减小，R1的电压也减小，阻器两端的电压增大，电容器所带电量Q增大。
8.如图，线圈M和线圈N绕在同一铁芯上，线圈M与电池、开关S及滑动变阻器串联，线圈N与电流表G连接。若电流从左侧流入G表时，G表指针向左偏转，则（ ）
A. S闭合的瞬间，G表指针不偏转
B. S闭合的瞬间，G表指针将向左偏转
C. S闭合稳定后，G表指针将向左偏转
D. S闭合稳定后，滑动变阻器滑片P向右滑动时，G表指针将向右偏转
【答案】 B
【解析】AB．当闭合S的瞬间，导致电流增大，线圈M磁场增强，向右穿过线圈N的磁通量变大，根据右手螺旋定则可以知道，线圈M左端是S极，右端是N极，再根据楞次定律可得，感应电流方向由左向右流入G表，则指针向左偏，A不符合题意，B符合题意；
C．开关S闭合稳定后，线圈N中磁通量不变，没有感应电流，因此电流表G指针不发生偏转，C不符合题意；
D．开关S闭合稳定后，当P向右移动，则接入电路的电阻值减小，电流增大，线圈M磁场增强，向右穿过线圈N的磁通量变大，根据右手螺旋定则可以知道，线圈M左端是S极，右端是N极，再根据楞次定律可得，感应电流方向由左向右流入G表，则指针向左偏，D不符合题意。
故答案为：B。
【分析】根据磁通量是否变化判断是否有感应电流产生；根据楞次定律判断感应电流的方向。