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第1章 电磁感应与现代生活
第1章 电磁感应与现代生活
预习导学·新知探究
梳理知识·夯实基础
要点探究讲练互动
突破疑难·讲练提升
自感现象与日光灯
1．知道日光灯中起辉器和镇流器的构造和工作原理，了解镇流器的作用． 2．了解自感现象及其产生的原因，会分析自感现象．(重点) 3．了解自感电动势和自感系数． 4．知道互感现象．
一、探究日光灯电路
按如图所示连接日光灯电路．
1．日光灯构造：主要由灯管、镇流器、起辉器组成．
2．镇流器的作用：启动时产生瞬时高电压，在正常工作时起到降压限流的作用．
1．探究电路闭合时线圈的自感现象：如图所示的电路，两灯泡规格相同，接通开关后调节电阻R，使两个灯泡亮度相同，然后断开电路．重新接通电路，在S闭合的瞬间，观察到A2先亮，A1逐渐亮起，最后达到相同的亮度．
2．探究电路断开时线圈的自感现象：如图所示，将电路连接好，先闭合开关使灯泡亮起来，然后将开关断开，会发现灯泡还会亮一会后再熄灭．
1．在接触或断开电动机电路时，开关处会产生火花放电，你知道为什么吗？
提示：电动机电路是含有线圈的电路，在通电瞬间或断电瞬间，线圈中就会有电流的巨大变化，会产生很大感应电动势，就会在动静片间形成火花放电．
三、自感电动势和自感系数
1．自感现象：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．
2．自感电动势：自感现象中产生的感应电动势叫做自感电动势．E＝L，式中的比例系数L叫做线圈的自感系数．
3．自感系数
(1)物理意义：表征线圈能产生自感电动势本领大小的物理量．数值上等于通过线圈的电流在1 s内改变1__A时产生的自感电动势的大小．
(2)决定自感系数L大小的因素：跟线圈的形状、大小、横截面积、长短、匝数等因素有关．线圈的横截面积越大，匝数越多，越密，线圈越长，它的自感系数越大．将铁心插入线圈，也会使线圈的自感系数大大增加．
(3)单位：自感系数的单位是亨利，简称亨，符号是H．常用的较小单位还有毫亨(mH)和微亨(μH)．1 H＝103mH，1 H＝106μH．
2．自感系数越大，自感电动势就越大吗？
提示：不一定．自感电动势由自感系数和电流的变化率共同决定．
日光灯的电路及其原理
1．日光灯的元件及其作用
(1)灯管：日光灯灯管的两端各有一个灯丝，灯管内充有微量的氩和稀薄的汞蒸气，灯管内壁上涂有荧光粉．两个灯丝之间的气体导电时发出紫外线，使涂在管壁上的荧光粉发出柔和的可见光．
(2)镇流器
①构造：镇流器是一个带铁心的线圈，自感系数很大．
②作用：起辉器接通再断开的瞬间，镇流器能产生瞬时高压，加在灯管两端，使灯管中的气体导电，日光灯开始发光．
在日光灯正常发光时，由于交变电流通过镇流器的线圈，线圈中产生自感电动势，总是阻碍电流的变化，这时镇流器起着降压限流的作用，保证日光灯的正常工作．
(3)起辉器
①构造：起辉器主要由电容器和封装在充有氖气的小玻璃泡中的静触片及由双金属片制成的U形动触片构成．
②作用：起辉器的主要作用是通过它的接通和断开过程，使镇流器产生瞬时高电压．
2．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间，使氖气放电，发辉光，产生热量，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闭合电路，由于镇流器的线圈产生自感现象，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．
如图所示，在日光灯工作原理中．
(1)开关合上前起辉器的静触片和动触片是________(填“接通的”或“断开的”)；
(2)开关刚合上时，220 V交流电压加在________上，使氖泡发出红光；
(3)日光灯启动瞬间，灯管两端的电压________220 V(填“高于”“等于”或“小于”)；
(4)日光灯正常发光时，起辉器的静触片和动触片________________________________________________________________________
(填“接通”或“断开”)，镇流器起着________的作用，保证日光灯正常工作；
(5)起辉器中的电容器能______________________，没有电容器，起辉器也能工作．
[思路点拨] 根据日光灯构造及各种元件的原理及用途分析解答．
[解析] 日光灯按原理图接好电路后，当开关闭合，电源把电压加在起辉器的两金属片之间，使氖泡内的氖气放电发出辉光．辉光放电产生的热量使U形动触片膨胀，跟静触片接触把电路接通，于是镇流器的线圈和灯管的灯丝中就有电流通过，电路接通后，起辉器中的氖气停止放电，U形动触片冷却后收缩恢复原状，两金属片分离，电路断开，由于镇流器的自感作用，会产生很高的自感电动势，其方向与原电压方向相同，很高的自感电动势加上原电源电压加在灯管两端，使管内汞气体导电，产生紫外线，激发荧光粉发光，灯管被点燃．
日光灯使用的是正弦交流电，电流的大小和方向都随时间做周期性变化，在日光灯正常发光后，由于交变电流通过镇流器的线圈，线圈中会产生自感电动势，它的作用总是阻碍电流的变化，这时的镇流器就起到了降压限流的作用，保证日光灯的正常工作．起辉器中的电容器能使动、静片脱离时避免产生电火花而烧毁启辉器，没有电容器，同样能工作，当日光灯正常点燃后，起辉器不再起作用，就是摘去了也不影响日光灯的发光．
[答案] (1)断开的 (2)起辉器 (3)高于
(4)断开 降压、限流 (5)避免产生电火花
(多选)日光灯电路主要由镇流器、起辉器和灯管组成，在日光灯正常工作的情况下，以下说法正确的是( )
A．灯管点燃发光后，起辉器中两个触片是分离的
B．灯管点燃发光后，镇流器起降压限流作用
C．镇流器有整流作用
D．镇流器点燃日光灯时提供瞬时高压
解析：选ABD．日光灯电路中镇流器起两种作用：(1)提供瞬时高压点燃灯管；(2)在灯管点燃后，起降压限流作用，故选项B、D正确，C错误；灯管点燃后，起辉器中的动、静两触片应该是分离的，故选项A正确．
自感现象的分析
1．对自感电动势的理解
(1)自感现象是一种特殊的电磁感应现象．
(2)自感电动势的作用：总是阻碍导体中原电流的变化，即总是起着推迟电流变化的作用．
(3)自感电动势的方向：自感电动势总是阻碍导体中原来电流的变化，当原来电流增大时，自感电动势与原来电流方向相反；当原来电流减小时，自感电动势与原来电流方向相同．
2．通、断电自感现象的比较
与线圈串联的灯泡 与线圈并联的灯泡
电路图
通电时 电流逐渐增大，灯泡逐渐变亮 电流突然变大，然后逐渐减小达到稳定
断电时 电流逐渐减小，小灯泡逐渐变暗，电流方向不变 电路中稳态电流为I1、I2．若I2≤I1，灯泡逐渐变暗；若I2>I1，灯泡闪亮后逐渐变暗，两种情况灯泡电流方向均改变
如图所示的电路中有L1和L2两个完全相同的灯泡，线圈L的电阻忽略不计．下列说法中正确的是( )
A．闭合S时，L2先亮，L1后亮，最后一样亮
B．断开S时，L2立刻熄灭，L1过一会儿熄灭
C．L1中的电流始终从a到b
D．L2中的电流始终从c到d
[思路点拨] 解此类问题抓住两点：
(1)分清电路结构，搞清自感线圈与其他元件间的连接关系．
(2)通电瞬间线圈相当于断路，断电瞬间相当于电源．
[解析] 闭合S时，L2中立即有从d到c的电流，先亮，线圈由于自感作用，通过它的电流将逐渐增加，所以L1逐渐变亮．电路稳定后自感作用消失，线圈L相当于导线，所以L1、L2最后一样亮，选项A正确；断开S时，L2中由电源提供的电流立即消失，但是L中的电流由于自感的阻碍作用只能逐渐减小，通过L2、L1形成回路．因此L1、L2都将过一会儿才熄灭，选项B错误；L1中的电流始终由b到a，L2中的电流在闭合S后由d到c，在断开S后由c到d，选项C、D错误．
[答案] A
eq \a\vs4\al()
自感现象中电流变化的分析技巧
(1)分析线圈与周围元件的连接方式，是串联还是并联；
(2)开关接通瞬间线圈阻碍所在串联电路电流的增大，因此与线圈串联的元件电流都从零开始逐渐增大；
(3)当开关断开瞬间，线圈阻碍所在串联电路电流的减小，此时要分清自感电流流经哪些元件，所有自感电流流经的元件都要工作一段时间，直到电能全部损失掉．
【通关练习】
1．如图所示，电路中自感线圈电阻很小，可以忽略不计．R的阻值和L的自感系数都很大，A、B为两个完全相同的灯泡，当S闭合时，下列说法正确的是( )
A．A比B先亮，然后A灭
B．B比A先亮，然后A灯逐渐变亮
C．A、B一起亮，然后A灭
D．A、B一起亮，然后B灭
解析：选B．S闭合时，由于与A灯串联的线圈L的自感系数很大，故在线圈上产生很大的自感电动势，阻碍电流的增大，所以B比A先亮，由于L的直流电阻很小，所以稳定后A灯的电流变大，A灯逐渐变亮，故A、C、D错误，B正确．
2．
甲
如图甲所示为研究自感实验电路图，并用电流传感器显示出在t＝1×10－3 s时断开开关前后一段时间内各时刻通过线圈L的电流(如图乙)．已知电源电动势E＝6 V，内阻不计，灯泡R1的阻值为6 Ω，电阻R的阻值为2 Ω．
乙
(1)线圈的直流电阻RL＝________Ω．
(2)开关断开时，该同学观察到的现象是________________，并计算开关断开瞬间线圈产生的自感电动势是________V．
解析：由图像可知S闭合稳定时IL＝1．5 A
RL＝－R＝ Ω－2 Ω＝2 Ω
此时小灯泡电流I1＝＝ A＝1 A
S断开后，L、R、R1组成临时回路
电流由1．5 A逐渐减小，所以灯会闪亮一下再熄灭，自感电动势E＝IL(R＋RL＋R1)＝15 V
答案：(1)2 (2)灯泡闪亮一下后逐渐变暗，最后熄灭 15
[随堂检测]
1．关于线圈的自感系数、自感电动势下列说法中正确的是( )
A．线圈中电流变化越大，线圈自感系数越大
B．对于某一线圈，自感电动势正比于电流的变化量
C．一个线圈的电流均匀增大，这个线圈自感系数、自感电动势都不变
D．自感电动势总与原电流方向相反
解析：选C．线圈的自感系数由线圈本身的因素决定．E自∝，而不是E自∝ΔI，C对，A、B错；线圈中电流减小时，自感电动势方向与原电流方向相同，电流增大时，自感电动势方向与原电流方向相反，D错．
2．如图所示四个日光灯的接线图中(S为起辉器，L为镇流器)，正确的是( )
解析：选A．本题可依据各选项所提供的电路图，分析各自的工作情况来判定能使日光灯正常发光的选项．D选项中灯丝被短路，显然日光灯不能正常发光；C选项中S和L串联在一条支路上，S断开时，L中能产生自感电动势，但不能给灯管提供瞬时高压(因为此时S断开)；B选项中由于S和灯管串联，所以当S断开时，只有L上的自感电动势加在灯管上，电源电压没能加在上面．
3．某同学为了验证断电自感现象，自己找来带铁心的线圈L，小灯泡A ，开关S和电池组E，用导线将它们连接成如图所示的电路．检查电路后，闭合开关S，小灯泡发光；再断开开关S，小灯泡仅有不显著的延时熄灭现象．虽经多次重复，仍未见老师演示时出现的小灯泡闪亮现象，他冥思苦想找不出原因，你认为最有可能造成小灯泡未闪亮的原因是 ( )
A．电源的内阻较大 B．小灯泡电阻偏大
C．线圈电阻偏大 D．线圈的自感系数较大
解析：选C．由自感规律可知在开关断开的瞬间造成灯泡闪亮以及延时的原因是在线圈中产生了与原电流同向的自感电流且大于稳定时通过灯泡的原电流．由图可知灯泡和线圈构成闭合的自感回路，与电源无关，故A错；造成不闪亮的原因是自感电流不大于稳定时通过灯泡的原电流，当线圈电阻小于灯泡电阻时才会出现闪亮现象，故B错，C对；自感系数越大，则产生的自感电流越大，灯泡更亮，故D错．
4．如图所示，a、b、c为三个相同的灯泡，额定电压稍大于电源的电动势，电源内阻可以忽略．L是一个本身电阻可忽略的电感线圈．开关S闭合．现突然断开，已知在这一过程中灯泡都不会烧坏，则下列关于c灯的说法中正确的是( )
A．亮度保持不变
B．将闪亮一下，而后逐渐熄灭
C．将闪亮一下，而后逐渐恢复原来的亮度
D．将变暗一下，而后逐渐恢复原来的亮度
解析：选C．当开关合上，稳定后，灯泡a短路，不亮，b、c两灯的电压为电源电压，通过L的电流，为E电压下灯泡工作电流的2倍．开关S断开后，a、b灯串联后与c灯并联接到电路中，L的电流成为通过c的电流，即原电流的2倍，c灯闪亮，但是稳定后c两端的电压仍是E，所以最终恢复原亮度，故A、B、D错误，C正确．
5．在如图所示的电路中，两个相同的小灯泡L1和L2分别串联一个带铁心的电感线圈L和一个滑动变阻器R．闭合开关S后，调整R，使L1和L2发光的亮度一样，此时流过两个灯泡的电流为I．然后，断开S．若t′时刻再闭合S，则在t′前后的一小段时间内，正确反映流过L1的电流i1、流过L2的电流i2随时间t变化的图像是( )
解析：选B．闭合开关S后，调整R，使两个小灯泡L1、L2发光的亮度一样，电流为I，说明RL＝R．若t′时刻再闭合S，流过电感线圈L和灯泡L1的电流迅速增大，使电感线圈L产生自感电动势，阻碍了流过L1的电流i1增大，直至到达电流为I，故A错误，B正确；而对于t′时刻再闭合S，流过灯泡L2的电流i2立即达到电流为I，故C、D错误．
[课时作业]
一、单项选择题
1．关于自感现象，下列说法中正确的是( )
A．自感现象是线圈自身的电流变化而引起的电磁感应现象
B．自感电动势总是阻止原电流的变化
C．自感电动势的方向总与原电流方向相反
D．自感电动势的方向总与原电流方向相同
解析：选A．自感现象是线圈自身的电流变化而引起的电磁感应现象，在自感现象中自感电动势总是阻碍原电流的变化，不是阻止，所以选项A对、B错．当原电流减小时，自感电动势与原电流的方向相同，当原电流增加时，自感电动势与原电流的方向相反，所以选项C、D错．
2．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，电动势越大
B．电感一定时，电流变化越快，电动势越大
C．通过线圈的电流为零的瞬间，电动势为零
D．通过线圈的电流为最大值的瞬间，电动势最大
解析：选B．自感电动势的大小取决于穿过线圈的磁通量的变化快慢，而穿过线圈的磁通量取决于线圈的电流产生的磁场，电流变化越快，穿过线圈的磁通量的变化越快，自感电动势越大，故只有B正确．
3．日光灯镇流器的作用有( )
A．起辉器动、静触片接触时，镇流器产生瞬时高压
B．正常工作时，镇流器降压限流保证日光灯正常工作
C．正常工作时，使日光灯管两端的电压稳定在220 V
D．正常工作时，不准电流通过日光灯管
解析：选B．当起辉器的动、静触片分离，即电路断开时，镇流器能产生瞬时高压，与电源电压一起加在灯管两端，使灯管中的气体导电，日光灯开始发光；在日光灯正常发光时，由于交变电流通过镇流器的线圈，线圈中产生自感电动势，总是阻碍电流的变化，起着降压(低于220 V)限流的作用，保证日光灯的正常工作．
4．
如图所示，L为一自感系数很大的有铁心的线圈，电压表与线圈并联接入电路，在下列哪种情况下，有可能使电压表损坏(电压表量程为3 V)( )
A．开关S闭合的瞬间
B．开关S闭合电路稳定时
C．开关S断开的瞬间
D．以上情况都有可能损坏电压表
解析：选C．开关S闭合瞬间，L在电路中相当于断路，电压表两端的电压为3 V，所以A错；S闭合电路稳定时，L在电路中相当于短路，电压表两端的电压几乎为0，所以B错；开关S断开的瞬间，L两端产生很高的电动势，可能损坏电压表．所以C对．
5．如图所示的电路中，电阻R和电感线圈自感系数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，当闭合开关S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
解析：选C．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A灯逐渐短路，A灯变暗直至熄灭，故A、B、D错误，C正确．
6．
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，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．开关闭合时，由于线圈的自感阻碍作用，可看做电阻，线圈电阻逐渐减小，并联电路电阻逐渐减小，路端电压UAB逐渐减小；开关闭合后再断开时，线圈的感应电流与原电流方向相同，形成回路，灯泡的电流与原来相反，并逐渐减小到0，路端电压UAB逐渐减小到零，UAB为负值．A图像开关闭合时，UAB增大，不符合题意，错误；B图像电压UAB的变化规律符合题意，正确；C图像的电压UAB先增大后减小，且方向不变，错误；D图像在两过程中电压UAB始终方向不变，错误．
二、多项选择题
7．下列说法正确的是( )
A．当线圈中电流不变时，线圈中没有自感电动势
B．当线圈中电流反向时，线圈中自感电动势的方向与线圈中原电流的方向相反
C．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
D．当线圈中电流减小时，线圈中自感电动势的方向与线圈中电流的方向相反
解析：选AC．当线圈中的电流不变时，由楞次定律可知，线圈中就不会产生自感电动势，所以A正确．判断线圈中的自感电动势的方向与原电流的方向的关系时，是要看原电流的大小的变化，当原电流增大时，线圈中的自感电动势的方向与原电流方向相反，当原电流减小时，线圈中的自感电动势的方向与原电流方向相同，所以C选项正确，B、D错误．
8．关于线圈自感系数的说法，正确的是( )
A．自感电动势越大，自感系数也越大
B．把线圈中的铁心抽出一些，自感系数减小
C．把线圈匝数增加一些，自感系数变大
D．电感是自感系数的简称
解析：选BCD．自感系数的大小是由线圈的匝数、材料、粗细、有无铁心等决定的，与电流大小、自感电动势大小无关，匝数越多，自感系数越大，有铁心时，自感系数显著增大，故A选项错误，B、C选项正确；同时，自感系数简称为电感，故D选项也正确．
9．起辉器是由电容器和氖管两大部分组成，其中氖管中充有氖气，内部有静触片和U形动触片．通常动、静触片不接触，有一小缝隙．则下列说法正确的是( )
A．当电源的电压加在起辉器两端时，氖气放电发出辉光并产生热量，导致双金属片受热膨胀
B．当电源的电压加在启辉器两极后，动、静触片间辉光放电，受热膨胀两触片接触而不分离
C．起辉器中U形动触片是由单金属片制成
D．当动、静两触片接触后，氖气停止放电、温度降低，两触片分离
解析：选AD．起辉器U形动触片是由膨胀系数不同的双金属片压制而成．故C项错误．电源把电压加在起辉器两极间，使氖气放电而发出辉光，辉光产生热量使U形动触片膨胀伸展，跟静触片接触把电路接通．电路接通后，起辉器的氖气停止放电，U形动触片冷却收缩，两个触片分开，电路自动断开．故B错误，A、D正确．
10．
如图所示电路中，自感系数较大的线圈L其直流电阻不计，下列操作中能使电容器C的A板带正电的是( )
A．S闭合的瞬间
B．S断开的瞬间
C．S闭合电路稳定后
D．S闭合、向右移动变阻器触头
解析：选BD．S闭合电路稳定时，线圈两端没有电势差，电容器两板不带电；S闭合的瞬间，电流增大，线圈产生自感电动势的方向与电流方向相反，使B板带正电；S断开的瞬间或S闭合、向右移动变阻器触头时，电流减小，线圈产生自感电动势的方向与电流方向相同，使A板带正电，B、D项正确．
三、非选择题
11．一个线圈的电流在0．001 s内有0．02 A的变化，产生50 V的自感电动势，求线圈的自感系数．如果这个电路中电流的变化率变为40 A/s，自感电动势又有多大？
解析：由E＝L得L＝＝ H＝2．5 H．
E＝L＝2．5×40 V＝100 V．
答案：2．5 H 100 V
12．
如图所示，小灯泡电阻R1＝12 Ω，线圈L的直流电阻为4 Ω，电源电动势E＝4 V，电源内阻r＝1 Ω，当电路开关S闭合且稳定时小灯泡两端电压为U1，断开S的瞬间，小灯泡两端电压为U2．
(1)试求：U1∶U2；
(2)说明开关S断开时灯泡的亮度怎样变化(假设灯泡未被烧坏)．
解析：(1)S闭合稳定后，R外＝＝ Ω＝3 Ω．
由闭合电路欧姆定律知I＝＝ A＝1 A．
小灯泡两端电压U1＝I·R外＝1×3 V＝3 V．
断开S的瞬间，L、R1组成闭合回路
IR＝IL＝＝ A．
U2＝IR·R1＝×12 V＝9 V．所以＝＝．
(2)开关S断开的瞬时，由于加在小灯泡两端的电压(或通过小灯泡的电流)突然变大，所以，小灯泡会闪亮一下逐渐熄灭．
答案：(1)1∶3 (2)闪亮一下逐渐熄灭
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