【同步】高中物理魯科版(2019)選擇性必修2：第2章第3節(jié)自感現(xiàn)象與渦流課件

第2章第3節(jié)自感現(xiàn)象與渦流學(xué)習(xí)目標(biāo)思維導(dǎo)圖1.了解自感現(xiàn)象,認(rèn)識(shí)自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電路中電流的影響。(物理觀(guān)念)2.了解自感系數(shù)的意義和決定因素。(科學(xué)思維)3.了解自感現(xiàn)象在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。(科學(xué)思維)4.了解渦流的成因,了解渦流現(xiàn)象的利用和危害。(科學(xué)態(tài)度與責(zé)任)5.了解渦流現(xiàn)象在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用。(科學(xué)思維)基礎(chǔ)落實(shí)·必備知識(shí)全過(guò)關(guān)重難探究·能力素養(yǎng)全提升目錄索引

學(xué)以致用·隨堂檢測(cè)全達(dá)標(biāo)基礎(chǔ)落實(shí)·必備知識(shí)全過(guò)關(guān)一、自感現(xiàn)象1.自感現(xiàn)象:由線(xiàn)圈自身的

變化所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

2.自感電動(dòng)勢(shì):由線(xiàn)圈自身的

變化所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

想一想自感現(xiàn)象中,感應(yīng)電流一定與原電流方向相反嗎?電流

電流

提示

根據(jù)楞次定律,當(dāng)原電流增大時(shí),感應(yīng)電流與原電流方向相反;當(dāng)原電流減小時(shí),感應(yīng)電流與原電流方向相同。二、自感電動(dòng)勢(shì)1.自感電動(dòng)勢(shì)的大小:。其中L是自感系數(shù),簡(jiǎn)稱(chēng)

或

,單位是

,符號(hào)是H。

2.自感大小的決定因素:線(xiàn)圈的自感與線(xiàn)圈的

、

、

、

等因素有關(guān)。

想一想自感電動(dòng)勢(shì)較大的線(xiàn)圈其自感系數(shù)一定較大嗎?自感電感亨利形狀橫截面積長(zhǎng)短匝數(shù)提示

自感系數(shù)是由線(xiàn)圈本身的特性決定的,與自感電動(dòng)勢(shì)的大小無(wú)關(guān)。

三、渦流及其應(yīng)用1.渦流:如圖所示,電流在金屬塊內(nèi)形成

回路,就像旋渦一樣。我們把這種感應(yīng)電流稱(chēng)為

,簡(jiǎn)稱(chēng)渦流。

閉合渦電流2.渦流的產(chǎn)生:把金屬塊放在

的磁場(chǎng)中,金屬塊內(nèi)會(huì)產(chǎn)生渦流。

3.渦流的特點(diǎn):電流在金屬塊內(nèi)形成

回路,整塊金屬的電阻很小,渦流往往很強(qiáng),金屬塊會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。

4.電磁爐(1)原理:電磁爐采用的工作原理與

有關(guān)。

(2)優(yōu)點(diǎn):①無(wú)明火,沒(méi)有燃燒生成物污染室內(nèi)。②熱效高、環(huán)保、節(jié)能,且集煎、炒等多功能于一身。變化閉合渦流想一想(1)請(qǐng)說(shuō)明渦流現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化情況。(2)請(qǐng)說(shuō)明金屬塊進(jìn)出磁場(chǎng)時(shí)的能量轉(zhuǎn)化情況。提示

(1)渦流現(xiàn)象中,其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能,并最終在金屬塊中轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。(2)金屬塊進(jìn)出磁場(chǎng)時(shí),機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,電能又轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。易錯(cuò)辨析

判一判(1)線(xiàn)圈中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)較大時(shí),其自感系數(shù)一定較大。(

)(2)對(duì)于同一線(xiàn)圈,當(dāng)電流變化較快時(shí),線(xiàn)圈中的自感電動(dòng)勢(shì)較大。(

)(3)真空冶煉爐是利用渦流來(lái)熔化金屬的裝置。(

)(4)家用電磁爐鍋體中的渦流是由恒定磁場(chǎng)產(chǎn)生的。(

)×提示

自感系數(shù)是由線(xiàn)圈本身的特性決定的,與自感電動(dòng)勢(shì)的大小無(wú)關(guān)。

√√×提示

恒定磁場(chǎng)不會(huì)產(chǎn)生渦流。

即學(xué)即用

練一練1.如圖所示,L為自感系數(shù)較大的線(xiàn)圈,電路穩(wěn)定后小燈泡正常發(fā)光,斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S的瞬間會(huì)有(

)A.小燈泡立即熄滅B.小燈泡慢慢熄滅C.小燈泡突然閃亮一下再慢慢熄滅D.小燈泡突然閃亮一下再突然熄滅A解析

開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí),由于通過(guò)自感線(xiàn)圈的電流減小,線(xiàn)圈將產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì),但由于線(xiàn)圈L與小燈泡在S斷開(kāi)后不能形成閉合回路,故在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后通過(guò)小燈泡的電流為零,小燈泡立即熄滅,A正確。2.高考期間,考生入場(chǎng)時(shí),監(jiān)考老師會(huì)使用金屬探測(cè)儀對(duì)考生逐個(gè)進(jìn)行安全檢查。金屬探測(cè)器是用來(lái)探測(cè)金屬的儀器,關(guān)于其工作原理,下列說(shuō)法正確的是(

)A.探測(cè)器內(nèi)的探測(cè)線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)B.只有有磁性的金屬物才會(huì)被探測(cè)器探測(cè)到C.探測(cè)到金屬物是因?yàn)榻饘傥镏挟a(chǎn)生了渦流D.探測(cè)到金屬物是因?yàn)樘綔y(cè)器中產(chǎn)生了渦流C解析

金屬探測(cè)器利用渦流探測(cè)金屬物品的原理是,線(xiàn)圈中的交變電流產(chǎn)生交變的磁場(chǎng),會(huì)使金屬物品產(chǎn)生感應(yīng)電流,即渦流,而金屬物品中感應(yīng)電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)會(huì)在線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流,引起線(xiàn)圈中交變電流發(fā)生變化,從而被探測(cè)到,故A、B、D錯(cuò)誤,C正確。重難探究·能力素養(yǎng)全提升探究一自感現(xiàn)象情境探究(1)如圖所示,先閉合S,調(diào)節(jié)R2使A1、A2的亮度相同,再調(diào)節(jié)R1,使A1、A2都正常發(fā)光,然后斷開(kāi)S,再次閉合S。為什么燈泡A2立即發(fā)光,燈泡A1逐漸亮起來(lái)?要點(diǎn)提示

電路接通時(shí),電流由零開(kāi)始增加,穿過(guò)線(xiàn)圈L的磁通量逐漸增加,為了阻礙磁通量的增加,感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通量與原來(lái)電流產(chǎn)生的磁通量方向相反,則線(xiàn)圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與原來(lái)的電流方向相反,阻礙了L中電流的增加,即推遲了電流達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間。(2)如圖所示,L為自感系數(shù)較大的線(xiàn)圈,其直流電阻比燈泡的電阻小,先閉合開(kāi)關(guān)使燈泡發(fā)光,然后斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。為什么燈泡A閃亮一下再熄滅?要點(diǎn)提示

在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后,燈泡閃亮一下的原因是,燈泡斷電后,自感線(xiàn)圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流比開(kāi)關(guān)斷開(kāi)前流過(guò)燈泡的電流大。要想使燈泡閃亮一下再熄滅,就必須使自感線(xiàn)圈的電阻小于與之并聯(lián)的燈泡的電阻。而當(dāng)線(xiàn)圈電阻大于或等于燈泡的電阻時(shí),燈泡就會(huì)緩慢變暗直至熄滅。知識(shí)歸納1.自感現(xiàn)象的分析思路(1)明確通過(guò)自感線(xiàn)圈的電流大小的變化情況。(2)根據(jù)“增反減同”,判斷自感電動(dòng)勢(shì)的方向。2.對(duì)自感電動(dòng)勢(shì)的理解(1)產(chǎn)生原因:通過(guò)線(xiàn)圈的電流發(fā)生變化,導(dǎo)致穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量發(fā)生變化,因而在原線(xiàn)圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。(2)自感電動(dòng)勢(shì)的方向:當(dāng)原電流增大時(shí),自感電動(dòng)勢(shì)的方向與原電流方向相反;當(dāng)原電流減小時(shí),自感電動(dòng)勢(shì)的方向與原電流方向相同(即增反減同)。(3)自感電動(dòng)勢(shì)的作用:阻礙原電流的變化,而不是阻止,原電流仍在變化,只是使原電流的變化時(shí)間變長(zhǎng),即總是起著推遲電流變化的作用。明確增大還是減小

閃光語(yǔ)錄

導(dǎo)體本身電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象是自感現(xiàn)象,電流變化越快,穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量變化越快,自感電動(dòng)勢(shì)越大;同一線(xiàn)圈加鐵芯后線(xiàn)圈自感系數(shù)增大。應(yīng)用體驗(yàn)典例1

(多選)如圖所示,燈A、B完全相同,帶鐵芯的線(xiàn)圈L的電阻可忽略,則(

)A.S閉合的瞬間,燈A、B同時(shí)發(fā)光,接著燈A變暗,燈B更亮,最后燈A熄滅B.S閉合瞬間,燈A不亮,燈B立即亮C.S閉合瞬間,燈A、B都不立即亮D.穩(wěn)定后再斷開(kāi)S的瞬間,燈B立即熄滅,燈A閃亮一下再熄滅AD解析

S接通的瞬間,L所在支路中電流從無(wú)到有發(fā)生變化,因此,L中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)阻礙電流增加,由于有鐵芯,自感系數(shù)較大,對(duì)電流的阻礙作用也就很強(qiáng),所以S接通的瞬間L中的電流非常小,即干路中的電流幾乎全部流過(guò)燈A,所以燈A、B會(huì)同時(shí)亮;又由于L中電流逐漸穩(wěn)定,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)逐漸消失,燈A逐漸變暗,線(xiàn)圈的電阻可忽略,對(duì)燈A起到“短路”作用,因此燈A最后熄滅。這個(gè)過(guò)程電路的總電阻比剛接通時(shí)小,由恒定電流知識(shí)可知,燈B會(huì)更亮。穩(wěn)定后S斷開(kāi)瞬間,由于線(xiàn)圈的電流較大,L與燈A組成回路,燈A要閃亮一下再熄滅,燈B立即熄滅。故A、D正確。針對(duì)訓(xùn)練1(2023重慶第二十九中學(xué)高二月考)如圖所示,燈泡的燈絲電阻為2Ω,電池電動(dòng)勢(shì)為2V,內(nèi)阻不計(jì),線(xiàn)圈的自感系數(shù)很大,先合上開(kāi)關(guān)S,穩(wěn)定后突然斷開(kāi)S,則下列說(shuō)法正確的是(

)A.若線(xiàn)圈電阻很小,燈泡會(huì)逐漸變暗直至熄滅B.若線(xiàn)圈電阻很小,燈泡會(huì)突然亮一下再逐漸熄滅C.若線(xiàn)圈電阻為4Ω,燈泡會(huì)閃亮一下再逐漸熄滅,且燈泡中電流方向與S斷開(kāi)前方向相反D.若線(xiàn)圈電阻為4Ω,燈泡會(huì)逐漸變暗直至熄滅,且燈泡中電流方向與S斷開(kāi)前方向相同B解析

突然斷開(kāi)S,線(xiàn)圈將產(chǎn)生自感現(xiàn)象,且與燈泡構(gòu)成一閉合回路,此時(shí)通過(guò)燈泡的電流向上,與斷開(kāi)S前的電流方向相反,故D錯(cuò)誤;若線(xiàn)圈直流電阻比燈泡電阻小,斷開(kāi)S前通過(guò)線(xiàn)圈的電流大于通過(guò)燈泡的電流,則穩(wěn)定后突然斷開(kāi)S,燈泡會(huì)突然亮一下再逐漸熄滅,故B正確,A錯(cuò)誤;若線(xiàn)圈直流電阻為4

Ω,比燈泡的電阻大,可知斷開(kāi)S前通過(guò)線(xiàn)圈的電流小于通過(guò)燈泡的電流,則穩(wěn)定后突然斷開(kāi)S,燈泡會(huì)逐漸變暗直至熄滅,故C錯(cuò)誤。探究二自感系數(shù)情境探究如圖所示是測(cè)定一線(xiàn)圈的直流電阻的電路,若已知線(xiàn)圈的自感系數(shù)很大,為了保護(hù)電表,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將電路拆開(kāi)時(shí),為什么要先斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S2?要點(diǎn)提示

如果先斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S1或先拆去電流表或先拆去電阻R,由于線(xiàn)圈的自感作用都會(huì)使線(xiàn)圈和電壓表組成回路,原先L中有較大的電流通過(guò),大電流流過(guò)電壓表時(shí),造成儀器燒壞。先斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S2時(shí),線(xiàn)圈沒(méi)有閉合回路,不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。知識(shí)歸納1.自感現(xiàn)象與自感系數(shù)(1)自感電動(dòng)勢(shì)總是阻礙導(dǎo)體中原電流的變化。(2)通過(guò)線(xiàn)圈中的電流不能發(fā)生突變,只能緩慢變化。(3)電流穩(wěn)定時(shí),自感線(xiàn)圈就相當(dāng)于普通導(dǎo)體。(4)線(xiàn)圈的自感系數(shù)越大,自感現(xiàn)象越明顯,自感電動(dòng)勢(shì)只是延緩了過(guò)程的進(jìn)行,但它不能使過(guò)程停止,更不能使過(guò)程反向。自身有電阻

2.自感電動(dòng)勢(shì)與自感系數(shù)(1)定義:由線(xiàn)圈自身電流變化所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。(3)自感系數(shù)L:與線(xiàn)圈的形狀、橫截面積、長(zhǎng)短、匝數(shù)等因素有關(guān),單位為亨利(H)。應(yīng)用體驗(yàn)典例2

(多選)如圖所示,電池的電動(dòng)勢(shì)為E,內(nèi)阻不計(jì),線(xiàn)圈自感系數(shù)較大,直流電阻不計(jì)。當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合后,下列說(shuō)法正確的是(

)A.a、b間電壓逐漸增加,最后等于EB.b、c間電壓逐漸增加,最后等于EC.a、c間電壓逐漸增加,最后等于ED.電路中電流逐漸增加,最后等于BD解析

由于線(xiàn)圈自感系數(shù)較大,在開(kāi)關(guān)閉合瞬間,a、b間近似斷路,所以a、b間電壓很大,隨著電流的增加,a、b間電壓減小,b、c間電壓增大,最后穩(wěn)定后,a、b間電壓為零,b、c間電壓等于E,電流大小為

,a、c間電壓恒等于E,選項(xiàng)B、D正確,A、C錯(cuò)誤。針對(duì)訓(xùn)練2關(guān)于線(xiàn)圈的自感系數(shù),下列說(shuō)法正確的是(

)A.線(xiàn)圈的自感系數(shù)越大,自感電動(dòng)勢(shì)一定越大B.線(xiàn)圈中電流等于零時(shí),自感系數(shù)也等于零C.線(xiàn)圈中電流變化越快,自感系數(shù)越大D.線(xiàn)圈的自感系數(shù)由線(xiàn)圈本身的因素決定D解析

自感系數(shù)是線(xiàn)圈本身的固有屬性,取決于線(xiàn)圈的形狀、橫截面積、長(zhǎng)短、匝數(shù)等因素,而與電流變化快慢等外部因素?zé)o關(guān)。自感電動(dòng)勢(shì)的大小與線(xiàn)圈自感系數(shù)及電流變化率有關(guān),A、B、C錯(cuò)誤,D正確。探究三渦流現(xiàn)象情境探究如圖所示,線(xiàn)圈中的電流隨時(shí)間變化時(shí),探討導(dǎo)體中的感應(yīng)電流。導(dǎo)體中有感應(yīng)電流嗎?如果有,它的形狀像什么?要點(diǎn)提示

有。變化的電流產(chǎn)生變化的磁場(chǎng),變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感生電場(chǎng),使導(dǎo)體中的自由電子發(fā)生定向移動(dòng),產(chǎn)生感應(yīng)電流,它的形狀像水中的旋渦,所以把它稱(chēng)為渦電流,簡(jiǎn)稱(chēng)渦流。知識(shí)歸納1.渦流的特點(diǎn)當(dāng)電流在金屬塊內(nèi)形成閉合回路(產(chǎn)生渦流)時(shí),由于整塊金屬的電阻很小,渦流往往很強(qiáng),根據(jù)公式P=I2R知,發(fā)熱功率的大小與電流的二次方成正比,故金屬塊的發(fā)熱功率很大。2.渦流中的能量轉(zhuǎn)化渦流現(xiàn)象中,其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能,并最終在金屬塊中轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。如果金屬塊放在變化的磁場(chǎng)中,則磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能,最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;如果金屬塊進(jìn)出磁場(chǎng)或在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),則由于克服安培力做功,金屬塊的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。閃光語(yǔ)錄

渦流是整塊導(dǎo)體發(fā)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象,同樣遵循法拉第電磁感應(yīng)定律。

應(yīng)用體驗(yàn)典例3

(多選)如圖所示是高頻焊接原理示意圖。線(xiàn)圈中通以高頻變化的電流時(shí),待焊接的金屬工件中就產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流通過(guò)焊縫產(chǎn)生大量熱,將金屬熔化,把工件焊接在一起,而工件其他部分發(fā)熱很少,以下說(shuō)法正確的是(

)A.電流變化的頻率越高,焊縫處的溫度升高得越快B.電流變化的頻率越低,焊縫處的溫度升高得越快C.工件上只有焊縫處溫度升的很高是因?yàn)楹缚p處的電阻小D.工件上只有焊縫處溫度升的很高是因?yàn)楹缚p處的電阻大AD解析

電流變化的頻率越高,則產(chǎn)生的感應(yīng)電流越強(qiáng),升溫越快,故A項(xiàng)正確,B項(xiàng)錯(cuò)誤;工件上各處電流相同,電阻大處產(chǎn)生的熱量多,故D項(xiàng)正確,C項(xiàng)錯(cuò)誤。規(guī)律方法

渦流與感應(yīng)加熱的應(yīng)用感應(yīng)加熱是將被加熱金屬置于高頻變化的電磁場(chǎng)中(實(shí)際應(yīng)用是在感應(yīng)線(xiàn)圈中),強(qiáng)大的電磁場(chǎng)在其表面形成感應(yīng)渦流,依靠材料本身的內(nèi)阻,使之迅速發(fā)熱,以改善工件的機(jī)械性能。針對(duì)訓(xùn)練3(多選)下列哪些措施是為了防止渦流的危害(

)A.電磁爐所用的鍋要用平厚底金屬鍋B.機(jī)場(chǎng)、車(chē)站和重要活動(dòng)場(chǎng)所的安檢門(mén)可以探測(cè)人身攜帶的金屬物品C.變壓器的鐵芯不做成整塊,而是用許多電阻率很大的硅鋼片疊合而成D.變壓器的鐵芯每片硅鋼片表面有不導(dǎo)電的氧化層CD解析

電磁爐是采用電磁感應(yīng)原理,在金屬鍋上產(chǎn)生渦流,使鍋體發(fā)熱從而加熱食物的,屬于渦流的應(yīng)用;安檢門(mén)是利用渦流工作的;變壓器的鐵芯不做成整塊,而是用許多電阻率很大的硅鋼片疊合而成,是為了減小變壓器鐵芯內(nèi)產(chǎn)生的渦流,屬于渦流的防止;變壓器的鐵芯每片硅鋼片表面有不導(dǎo)電的氧化層,是為了減小變壓器鐵芯內(nèi)產(chǎn)生的渦流,屬于渦流的防止。故C、D正確。學(xué)以致用·隨堂檢測(cè)全達(dá)標(biāo)12341.下列關(guān)于自感系數(shù)及自感電動(dòng)勢(shì)的說(shuō)法正確的是(

)A.通過(guò)線(xiàn)圈的電流為最大值的瞬間,自感電動(dòng)勢(shì)最大B.電流變化越大,自感電動(dòng)勢(shì)越大C.線(xiàn)圈中的電流變化越快,其自感系數(shù)越大D.線(xiàn)圈內(nèi)插入鐵芯,其自感系數(shù)增大D解析

由

可知,自感電動(dòng)勢(shì)的大小與電流的變化率成正比,與電流的大小及電流變化的大小無(wú)關(guān),故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤;線(xiàn)圈的自感系數(shù)僅由線(xiàn)圈自身的因素決定,如線(xiàn)圈的橫截面積、長(zhǎng)度、單位長(zhǎng)度上的線(xiàn)圈匝數(shù)、有無(wú)鐵芯等,與其他因素?zé)o關(guān),故選項(xiàng)C錯(cuò)誤,D正確。12342.如圖所示,閉合電路中的螺線(xiàn)管可自由伸縮,螺線(xiàn)管有一定的長(zhǎng)度,燈泡具有一定的亮度。若將一軟鐵棒從螺線(xiàn)管左邊迅速插入螺線(xiàn)管內(nèi),則將看到(

)A.燈泡變暗

B.燈泡變亮C.螺線(xiàn)管縮短

D.螺線(xiàn)管長(zhǎng)度不變A解析

當(dāng)軟鐵棒插入螺線(xiàn)管中時(shí),穿過(guò)螺線(xiàn)管的磁通量增加,故產(chǎn)生反向的自感電動(dòng)勢(shì),使總電流減小,燈泡變暗,每匝線(xiàn)圈間同向電流吸引力減小,螺線(xiàn)管變長(zhǎng)。12343.電磁爐熱效率高達(dá)90%,爐面無(wú)明火,無(wú)煙無(wú)廢氣,電磁“火力”強(qiáng)勁,安全可靠。如圖所示是描述電磁爐工作原理的示意圖,下列說(shuō)法正確的是(

)A.當(dāng)恒定電流通過(guò)線(xiàn)圈時(shí),會(huì)產(chǎn)生恒定磁場(chǎng),恒定磁場(chǎng)越強(qiáng),電磁爐加熱效果越好B