2018-2019学年高二物理沪科版选修3-2学案：第1章 1.5 自感现象与日光灯

1.5　自感现象与日光灯
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.知道日光灯中起辉器的构造和工作原理．
2.理解自感现象及其产生的原因，会分析自感现象．(重点)
3.掌握日光灯工作原理及通电自感、断电自感现象的分析．(重点、难点)
4.掌握自感电动势和自感系数，知道互感现象．(难点)
[自 主 预 习·探 新 知]
[知识梳理]
一、探究日光灯电路
日光灯与镇流器
元件名称
构造
原理、作用
起辉器
电容器、动触片、静触片
启动时将电路瞬时接通后断开
灯管
灯管、灯丝、氩和汞蒸气
高压将管内气体击穿，释放电子与汞原子碰撞发出紫外线使荧光物质发光
镇流器
铁心、多匝线圈
启动时形成瞬时高压，工作时降压限流
二、自感现象
1．自感
由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象叫做自感现象，自感现象中产生的感应电动势叫做自感电动势．
2．自感电动势的大小
(1)规律：自感电动势与电流的变化率成正比．
(2)公式：E＝L.
式中的L称为自感系数，只跟线圈自身的因素有关．线圈的横截面积越大、长度越长、匝数越多，它的自感系数就越大．有铁心的比无铁心的自感系数大．
[基础自测]
1．思考判断
(1)日光灯正常工作后，起辉器不再起作用． (√)
(2)日光灯正常工作时，管内气体变为导电状态，电阻很小． (√)
(3)日光灯正常发光后，使镇流器短路，日光灯仍能正常发光，并能降低电能的消耗． (×)
【提示】　日光灯正常工作后，镇流器并没有被短路，它的作用是降压限流．
(4)只要线圈本身电流发生变化就有自感电动势产生． (√)
(5)当线圈中电流增大时，线圈中自感电动势的方向与线圈中电流的方向相反． (√)
(6)线圈中电流变化得越快，线圈的自感系数就越大． (×)
【提示】　自感系数由线圈本身性质决定．
2．人类生活中对能源的可持续利用可以通过节能方式体现，日光灯是最常用的节能照明工具，它的主要构成有灯管、镇流器、起辉器．起辉器的构造如图1-5-1所示，为了便于日光灯工作，常在起辉器两端并上一个纸质电容器C.现有一盏日光灯总是出现灯管两端亮而中间不亮，经检查，灯管是好的，电源电压正常，镇流器无故障，其原因可能是(　　)
图1-5-1
A．起辉器两脚A、B与起辉器座接触不良
B．电容器C断路
C．电容器C被击穿而短路
D．镇流器中的线圈匝数太多
C　[由题意知镇流器无故障，故D项错误；日光灯管两端亮而中间不亮，说明灯管两端的灯丝处于通电状态，即起辉器接通， 但不能自动断开，说明电容器C短路了，选C.]
3．(多选)下列关于自感现象的论述中，正确的是(　　)

A．线圈的自感系数跟线圈内电流的变化率成正比
B．当导体中电流减弱时，自感电流的方向与原电流方向相反
C．当导体中电流增大时，自感电流的方向与原电流方向相反
D．穿过线圈的磁通量的变化和线圈中电流的变化成正比
CD　[线圈的自感系数是由线圈本身性质决定的，与线圈的长度、匝数、线圈的横截面积、铁心……有关，而与线圈内电流的变化率无关，A错．自感电流的方向总是阻碍原来线圈中电流的变化，即原来线圈中电流增大，自感电流的方向与原电流方向相反；线圈中电流减弱，自感电流的方向与原电流方向相同，C对，B错．根据E＝LΔI/Δt和E＝nΔΦ/Δt比较可知ΔΦ∝ΔI，则D对．]
[合 作 探 究·攻 重 难]
日光灯电路
1.日光灯的构造
如图1-5-2所示，日光灯主要是由灯管、镇流器、起辉器三部分构成．起辉器与灯管并联，镇流器与灯管串联．
图1-5-2
2．各部分的作用
(1)灯管：灯管两端有灯丝，管内充有微量的氩和稀薄的汞蒸气，管壁上涂有荧光粉．
当两灯丝间的气体导电时发出紫外线，紫外线使涂在管壁上的荧光粉发出柔和的可见光．
(2)镇流器：镇流器是一个带铁心的线圈，其匝数很多且为闭合铁心，自感系数很大．
镇流器的作用：日光灯点燃时，利用自感现象产生瞬时高压；日光灯正常发光时，利用自感现象，对灯管起着降压限流的作用．
(3)起辉器：其构造如图1-5-3所示，它是一个充有氖气的小玻璃泡，里面装有两个电极，一个固定不动的静触片和一个用双金属片制成的U形动触片．
图1-5-3
起辉器的作用：通断电路(开关)．
3．日光灯的工作原理
(1)启动：开关闭合后，电源电压加在起辉器两极，使氖气放电发出辉光，辉光产生的热量使U形动触片膨胀，跟静触片接触把电路接通．电路接通后，氖气停止放电，U形动触片冷却收缩，两触片分开，电路断开．电路断开的瞬间，镇流器产生很高的自感电动势，其方向与原电压方向相同，共同加在灯管两端，使灯管中的汞蒸气放电，日光灯开始工作．
(2)正常发光：日光灯正常发光时，镇流器与两灯丝及灯管内的汞蒸气组成串联电路．由于镇流器中的线圈的自感现象，阻碍通过灯管的电流变化，起降压限流作用，确保日光灯正常工作．
　(多选)如图1-5-4甲为日光灯电路，图1-5-4乙为起辉器结构图．在日光灯正常工作的过程中(　　)
　
　　　　　　　
图1-5-4
A．镇流器为日光灯的点亮提供瞬时高压
B．镇流器维持灯管两端有高于电源的电压，使灯管正常工作
C．灯管点亮发光后，起辉器中两个触片是接触的
D．灯管点亮发光后，镇流器起降压限流作用使灯管在较低的电压下工作
思路点拨：①镇流器在日光灯点亮前、后的作用；②起辉器的结构及工作原理．
AD　[日光灯刚发光时，镇流器在启动时产生瞬时高压，故A正确；灯管点亮发光后，镇流器起降压限流作用使灯管在较低的电压下工作，故B错误，D正确．灯管正常发光后，起辉器不再工作，起辉器中两个触片是分离的，故C错误．]
规律方法
日光灯电路的分析方法
(1)电路连接：日光灯电路中，镇流器与灯管串联，起辉器与灯管并联．
(2)各部分作用：起辉器起开关作用；镇流器点燃灯管时提供高压，灯管正常发光时降压限流；灯管能够发光．
[针对训练]
1.如图1-5-5所示是日光灯的结构示意图，若按图示的电路连接，关于日光灯发光的情况，下列叙述中正确的是(　　)
图1-5-5
A．S1接通，S2、S3断开，日光灯就能正常发光
B．S1、S2接通，S3断开，日光灯就能正常发光
C．S3断开，接通S1、S2后，再断开S2，日光灯就能正常发光
D．当日光灯正常发光后，再接通S3，日光灯仍能正常发光
C　[当S1接通，S2、S3断开时，电源电压220 V直接加在灯管两端，日光灯不能发光，选项A错误；当S1、S2接通，S3断开时，灯丝两端被短路，电压为零，日光灯不能发光，选项B错误；当日光灯正常发光后，再接通S3，则镇流器被短路，灯管两端电压过高，会损坏灯管，选项D错误；只有当S1、S2接通，灯丝被预热，发出电子，再断开S2，镇流器中产生很大的瞬时电压，和原电压一起加在灯管两端，使气体电离，日光灯正常发光，故选项C正确．]
自感现象
1.对自感现象的理解
(1)自感现象是一种特殊的电磁感应现象，其特殊性在于产生原磁场和产生感应电动势的是同一导体．
(2)产生自感现象的原因是导体本身的电流发生变化而引起穿过自身的磁通量的变化，从而产生感应电动势．
(3)自感现象的规律符合电磁感应现象的一般规律，仍然遵守法拉第电磁感应定律和楞次定律．
2．对自感电动势的理解
(1)产生原因：通过线圈的电流发生变化，导致穿过线圈的磁通量发生变化，因而在线圈上产生感应电动势．
(2)自感电动势的方向：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．
(3)自感电动势的作用：阻碍原电流的变化．阻碍不是阻止，原电流仍在变化，只是使原电流的变化时间变长，即总是起着推迟电流变化的作用．
3．对电感线圈阻碍作用的理解
(1)若电路中的电流正在改变，电感线圈会产生自感电动势阻碍电路中电流的变化，使得通过电感线圈的电流不能突变．
(2)若电路中的电流是稳定的，电感线圈相当于一段导线，其阻碍作用是由绕制线圈的导线的电阻引起的．
(3)阻碍作用过程中能量转化的特点：线圈对变化电流的阻碍作用结果是实现电能和磁能的相互转化．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．相反，线圈中电流减小时，磁场中的能量释放出来转化为电能．
　如图1-5-6所示的电路中，电源的电动势为E，内阻为r，线圈L的电阻不计，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(　　)
A　　　　　B　　　　　C　　　　　D
思路点拨：①通电瞬间，线圈相当于断路；②断电瞬间，线圈相当于电源；③注意电流大小及方向的变化．
B　[在t＝0时刻闭合开关S，由于线圈L产生自感电动势，阻碍电流通过，电源输出电流较小，路端电压较高，经过一段时间电路稳定，电源输出电流较大，路端电压较低．在t＝t1时刻断开S，线圈L产生自感电动势，与灯泡构成闭合回路，灯泡D中有反向电流通过，所以表示A、B两点间电压UAB随时间t变化的图像中正确的是B.]
规律方法
?1)断电时，自感线圈处相当于电源，其电流逐渐减小，不会发生突变.
?2?断电时，灯泡会不会闪亮一下再熄灭取决于通过灯泡前后电流大小的关系.若断电前自感线圈电流IL大于灯泡的电流ID，则灯泡会闪亮一下再熄灭；若断电前自感线圈中的电流IL小于或等于灯泡中的电流ID，则不会出现闪亮，而是逐渐熄灭.
?3?要注意断电前后通过灯泡的电流方向是否变化.
[针对训练]
2.如图1-5-7所示电路中，L为自感系数很大、电阻为RL的线圈，A为一阻值为RA的小灯泡，已知RL>RA，电源的电动势为E，内阻不计，某物理实验小组的同学们把S闭合一段时间后开始计时，记录各支路的电流，测得流过L的电流为i1，流过灯A的电流为i2，并在t1时刻将S断开，画出了通过灯泡A的电流随时间变化的图像，你认为正确的是(　　)
图1-5-7
A　　　　　B　　　　　C　　　　　D
D　[当S闭合时，由于RL>RA，故开始一段时间内，各支路电流之间的关系为i2>i1，流过灯A的电流方向从左向右，S断开时，由于L的自感作用，流经L的电流方向从左向右不变，大小由原来的i1逐渐减小，它与灯A构成闭合回路，由此可知灯A的电流方向与原来相反，大小与L中电流相同，即由i1逐渐减小，故A、B、C错，D对．]
[当 堂 达 标·固 双 基]
1．对于日光灯的下列说法中正确的是(　　)
A．起辉器是在日光灯启动过程中起接通电路并提供瞬时高压的作用
B．镇流器在日光灯启动及工作过程中起降压限流作用
C．日光灯发光原理同白炽灯一样，不是由灯丝产生足够热量时发光的
D．起辉器只在日光灯启动时起暂时接通电路的作用，而镇流器在启动时提供高压，在正常工作时又起降压限流作用
D　[启动时，起辉器起接通电路作用，然后断开，镇流器由于自感产生瞬时高压，将气体击穿后，炽热的灯丝释放电子与汞原子碰撞产生紫外线，再引起荧光物质发光，正常工作时镇流器又阻碍电流变化起降压限流作用，可见A、B、C错，D对．]
2．(多选)如图1-5-8所示的电路中，A1和A2是完全相同的灯泡，线圈L的电阻可以忽略．下列说法中正确的是(　　)
图1-5-8
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和A2都要过一会儿才熄灭
AD　[由于自感现象，合上开关时，A1中的电流缓慢增大到某一个值，故过一会儿才亮；断开开关时，A1中的电流缓慢减小到0，A1、A2串联，电流始终相等，都是过一会儿才熄灭．故选A、D.]
3．如图1-5-9所示的电路中，A1和A2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接通和断开时，灯泡A1和A2亮暗的顺序是(　　)
图1-5-9
A．接通时A1先达最亮，断开时A1后灭
B．接通时A2先达最亮，断开时A1后灭
C．接通时A1先达最亮，断开时A2后灭
D．接通时A2先达最亮，断开时A2后灭
A　[当开关S接通时，A1和A2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A1通过，而该电流又将同时分两路分别通过A2和R，所以A1先达最亮；当开关S断开时，电源电流立即为零，因此A2立即熄灭，而对A1，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A1组成的闭合电路中有感应电流，所以A1后灭．]