2019-2020年高中物理第2章楞次定律和自感現象第3節(jié)自感現象的應用教學案魯科版選修3-2.doc
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2019-2020年高中物理第2章楞次定律和自感現象第3節(jié)自感現象的應用教學案魯科版選修3-2 一、日光燈與鎮(zhèn)流器 1．日光燈的組成及電路圖 完整的日光燈電路包括日光燈管、鎮(zhèn)流器、啟動器、開關等主要部件。其電路如圖231所示： 圖231 2．日光燈主要元件的構造及作用 構造 原理、作用 啟動器 電容器、動觸片、靜觸片 啟動時將電路瞬時接通后斷開 燈管 燈管、燈絲、氬和汞蒸氣 高壓將管內氣體擊穿，釋放電子與汞原子碰撞發(fā)出紫外線使熒光物質發(fā)光 鎮(zhèn)流器 自感系數很大的線圈 啟動時形成瞬時高電壓，工作時降壓限流 二、感應圈 1．工作原理 利用自感現象用低壓直流電源來獲得高電壓。 2．結構 主要由直接繞在鐵芯上的初級線圈和接在放電器上的次級線圈構成。 3．用途 在物理、化學實驗室里可以作為小功率高壓電源，在汽車發(fā)動機、煤氣灶電子點火裝置中產生高壓電火花完成點火工作。 三、自感現象的其他應用 1．其他應用 在廣播電臺和電視臺的無線電設備中，用自感線圈和電容器組成振蕩電路來發(fā)射電磁波；在收音機和電視機中，同樣也用振蕩電路來接收電磁波。另外，電焊機也利用了自感現象，使焊條與工件之間的空隙產生電弧火花，使工件局部熔化。 2．危害 在電路中，開關斷開時產生電弧火花，燒壞開關或造成安全隱患。 1．自主思考——判一判 (1)日光燈中的燈管、鎮(zhèn)流器、啟動器都是串聯(lián)的。() (2)啟動器在日光燈工作時的作用相當于一個開關。(√) (3)鎮(zhèn)流器工作時，其作用就是限壓限流。() (4)感應圈的工作原理是電磁感應。(√) 2．合作探究——議一議 (1)日光燈燈管兩端的電極是相通的嗎？ 提示：兩端的電極不相通，燈管兩端有電極，中間有水銀蒸氣。 (2)利用感應圈可以由低電壓獲得高電壓，能否由小功率來獲得大功率？ 提示：不能。根據能量守恒定律，感應圈向外輸出的能量不可能大于輸入的能量，即輸出功率不可能大于輸入功率。 (3)在加油站附近為什么要禁止用手機接打電話？ 提示：加油站附近空氣中汽油的濃度較高，在用手機接打電話時，電話電路中有可能由于自感產生電火花，引起危險。 日光燈的工作原理 1．日光燈管的發(fā)光原理 燈管內充有微量氬和稀薄汞蒸氣。兩端有燈絲，內壁涂有熒光物質。其發(fā)光原理見如下流程： ????? 圖232 2．日光燈工作的三個階段 (1)開關閉合后，啟動器中氖氣放電發(fā)出輝光，輝光產生的熱量使動觸片與靜觸片接觸，使燈絲和鎮(zhèn)流器線圈中有電流流過，使燈絲預熱。 (2)電路接通后，啟動器中的氖氣停止放電發(fā)光，U形動觸片冷卻收縮，兩個觸片分離，電路自動斷開。在電路突然斷開的瞬間，由于通過鎮(zhèn)流器的電流急劇減小，會產生很大的自感電動勢，方向與原來的電壓方向相同，自感電動勢與電源電壓一起加在燈管兩端，形成一個瞬時高電壓，使燈管中的氣體擊穿，于是日光燈開始發(fā)光。 (3)日光燈正常發(fā)光后，由于交變電流通過鎮(zhèn)流器線圈，線圈中會產生自感電動勢，它總是阻礙電流變化，鎮(zhèn)流器起降壓限流的作用，保證日光燈正常發(fā)光。 [特別提醒] (1)日光燈燈管內的氣體電離需要高壓，是通過鎮(zhèn)流器發(fā)生自感現象實現的。 (2)當日光燈正常工作時需要的是低壓，此時鎮(zhèn)流器起到降壓限流的作用。 [典例] (多選)如圖233為日光燈電路，關于該電路以下說法中正確的是( ) 圖233 A．啟動過程中，啟動器斷開瞬間鎮(zhèn)流器L產生瞬時高壓 B．日光燈正常發(fā)光后，鎮(zhèn)流器L使燈管兩端電壓低于電源電壓 C．日光燈正常發(fā)光后啟動器是導通的 D．圖中的電源可以是交流電源，也可以是直流電源 [思路點撥] →→ ―→―→ [解析] 日光燈中鎮(zhèn)流器在日光燈啟動時產生一個瞬時高壓，擊穿了燈管中的稀薄氣體導電，而在日光燈正常發(fā)光后，鎮(zhèn)流器產生自感電動勢使燈管兩端的電壓低于電源電壓，故A、B均正確。日光燈只能用交流電源供電，正常發(fā)光后啟動器是斷開的，故C、D均錯。 [答案] AB 日光燈電路的分析方法 (1)電路連接：日光燈電路中，鎮(zhèn)流器與燈管串聯(lián)，啟動器與燈管并聯(lián)。 (2)各部分作用：啟動器起開關作用；鎮(zhèn)流器點燃燈管時提供高壓，燈管正常發(fā)光時限壓；燈管能夠發(fā)光?！ ? 1．(多選)家用日光燈電路如圖234所示，S為啟動器，A為燈管，L為鎮(zhèn)流器，關于日光燈的工作原理，下列說法正確的是( ) 圖234 A．鎮(zhèn)流器的作用是將交變電流變?yōu)橹绷麟? B．在日光燈的啟動階段，鎮(zhèn)流器能提供一個瞬時高壓，使燈管開始工作 C．日光燈正常發(fā)光時，啟動器中的兩個觸片是分離的 D．日光燈發(fā)出柔和的白光是由汞電子受到激發(fā)后直接輻射的 解析：選BC 鎮(zhèn)流器在日光燈啟動階段提供瞬時高壓，日光燈正常工作時， 鎮(zhèn)流器起降壓限流作用，B項對，A項錯；日光燈正常工作時，啟動器中的兩個觸片是分離的，這時將啟動器取下，日光燈照常工作，選項C對；日光燈中柔和的白光是紫外線照射到管壁上的熒光粉發(fā)出的，D項錯。 2．如圖235所示，L為日光燈管，S為啟動器，Z為鎮(zhèn)流器，K為開關，電源為220 V的交變電源。 (1)請用筆畫線代替導線連接實物圖，使日光燈正常工作。 圖235 (2)①開關合上前，啟動器的靜觸片和動觸片是________(填“接通的”或“斷開的”)。 ②日光燈啟動器剛斷開瞬間，燈管兩端電壓________220 V(填“大于”“等于”或“小于”)。 ③日光燈正常發(fā)光時，日光燈管兩端的電壓________220 V(填“大于”“等于”或“小于”)。 解析：(1) (2)①開關合上前靜觸片和動觸片是斷開的。②日光燈啟動器剛斷開瞬間鎮(zhèn)流器工作，產生高電壓與電源電壓一起加在燈管兩端，燈管兩端電壓大于220 V。③日光燈正常工作時，鎮(zhèn)流器起降壓限流的作用，燈管兩端的電壓小于220 V。 答案：(1)見解析 (2)①斷開的 ②大于?、坌∮? 感應圈及自感現象的應用 感應圈的工作原理 如圖236是感應圈的原理圖，閉合開關K，低壓直流電源接通。開關K和彈簧片DK與初級線圈L1構成回路。此時，鐵芯被磁化，吸引彈簧片DK，使L1斷路，瞬時無電流通過，鐵芯失磁，彈簧片DK返回，L1回路再次接通。在這樣的反復過程中，L1中產生變化的電流。在通、斷的瞬間，由于初級線圈中的電流迅速變化，L1的自感電動勢會猛增至數百伏。次級線圈L2的線圈匝數約為L1的100倍，于是在次級線圈L2的兩端感應出數萬伏的高壓。 圖236 [特別提醒] 感應圈雖然能在次級線圈上產生很高的電壓，但由于功率很小，因此允許通過的電流 很小。 1．關于感應圈，下列說法不正確的是( ) A．感應圈是利用自感現象來獲得高電壓的裝置 B．在工程中，感應圈可作為大功率高壓電源使用 C．煤氣灶電子點火裝置，是利用感應圈產生高電壓電火花來完成的 D．感應圈的主要構造包括繞在鐵芯上的兩個絕緣線圈及繼電器等 解析：選B 感應圈是根據自感的原理利用低壓直流電源來獲得高電壓的裝置，A正確。受直流電源提供電功率的限制，感應圈不能作為大功率高壓電源使用，B不正確。感應圈的主要構造包括兩個絕緣線圈和繼電器等，D正確。煤氣灶電子點火裝置是利用感應圈產生的高電壓電火花來完成的，C正確。 2．下列關于電焊機的說法正確的是( ) A．電焊時，焊條與工件始終接觸 B．電焊時，是靠流過焊條與工件接觸電阻的電流的熱效應完成的 C．電焊時，點火電壓很高，約為幾萬伏 D．電焊時，電弧火花產生的高溫把金屬工件局部熔化，冷卻后焊接處就融為一體 解析：選D 電焊時，先把焊條與被焊的工件短暫接觸，然后迅速將焊條提起，與工件保持4～5 mm的距離，故選項A錯；電焊時，是靠電弧火花產生的高溫把金屬工件局部熔化進行焊接，故選項B錯，D對；電焊時，點火電壓約為70 V，并不高，故C錯。 1．關于日光燈電路的連接，下列說法不正確的是( ) A．啟動器與燈管并聯(lián) B．鎮(zhèn)流器與燈管串聯(lián) C．啟動器與鎮(zhèn)流器并聯(lián) D．啟動器相當于開關 解析：選C 根據日光燈工作原理可知，啟動器與燈管并聯(lián)、鎮(zhèn)流器與燈管串聯(lián)，啟動器的動觸片和靜觸片短暫接通后斷開，鎮(zhèn)流器向燈管提供瞬時高壓，所以，啟動器僅起到了開關作用。 2．鎮(zhèn)流器是由一個線圈和鐵芯構成的，下列說法中正確的是( ) A．鎮(zhèn)流器中加入鐵芯變成了電磁鐵，在日光燈電路中起開關的作用 B．鎮(zhèn)流器在日光燈正常發(fā)光后，只消耗電能，為了節(jié)能可以把它短路 C．日光燈電路中的鎮(zhèn)流器可以用白熾燈泡來替代 D．鎮(zhèn)流器中的鐵芯是為了增大自感系數 解析：選D 鎮(zhèn)流器中加入鐵芯是為了增大線圈整體的自感系數，進而產生更大的自感電動勢，以擊穿燈管內氣體而導通；燈管導通后鎮(zhèn)流器又起降壓限流作用，故不可將其短路，且在啟動時不可用白熾燈泡來代替。 3．關于日光燈啟動器的下列說法正確的是( ) A．日光燈正常發(fā)光時，啟動器的靜觸片和動觸片是接觸的 B．工作時，啟動器起降壓、限流作用，保證日光燈正常工作 C．日光燈正常發(fā)光時，啟動器兩端的電壓小于220 V D．日光燈正常發(fā)光時，電流流過啟動器 解析：選C 日光燈正常發(fā)光時，啟動器的靜觸片和動觸片是斷開的，此時啟動器是不導電的，選項A、D錯誤；工作時，鎮(zhèn)流器起降壓、限流作用，保證日光燈正常工作，選項B錯誤；日光燈正常發(fā)光時，由于鎮(zhèn)流器的作用，加在燈管兩端的電壓小于220 V，故選項C正確。 4．關于日光燈工作過程中的電磁感應現象，下列說法不正確的是( ) A．在燈絲預熱階段，鎮(zhèn)流器利用自感控制加熱電流 B．在燈管點燃階段，鎮(zhèn)流器利用斷電自感提供瞬時高壓 C．燈管正常發(fā)光階段，鎮(zhèn)流器利用反抗電流變化的自感作用降壓限流，保證日光燈正常發(fā)光 D．燈管正常發(fā)光后，鎮(zhèn)流器已失去作用 解析：選D 在日光燈啟動發(fā)光的不同階段，鎮(zhèn)流器所起的作用也是不同的。在燈絲預熱階段，鎮(zhèn)流器利用自感控制加熱燈絲，以獲得電子；在燈管點燃階段，需鎮(zhèn)流器提供瞬時高壓；正常發(fā)光時，鎮(zhèn)流器起降壓限流作用，D錯誤?！? 5．若將圖1甲中啟動器換為開關S1，并給鎮(zhèn)流器并聯(lián)一個開關S2，如圖乙所示，則下列敘述正確的是( ) 圖1 A．只把S3接通，日光燈就能正常發(fā)光 B．把S3、S1接通后，S2不接通，日光燈就能正常發(fā)光 C．S2不接通，接通S3、S1后，再斷開S1，日光燈就能正常發(fā)光 D．當日光燈正常發(fā)光后，再接通S2，日光燈仍能正常發(fā)光 解析：選C 一般日光燈啟動時瞬間把電源、燈絲、鎮(zhèn)流器接通，后自動斷開，靠鎮(zhèn)流器產生瞬時高壓，使燈管內氣體導電，所以啟動時既要使乙圖中S3閉合，又需使S1瞬間閉合再斷開，A、B錯，C對。正常工作時鎮(zhèn)流器起降壓限流作用，若把乙圖中S2閉合，則鎮(zhèn)流器失去作用，日光燈不能正常工作，D錯。 6.在制作精密電阻時，為了消除使用過程中由于電流變化而引起的自感現象，采取了雙線繞法，如圖2所示，其道理是( ) 圖2 A．當電路中的電流變化時，兩股導線中產生的自感電動勢互相抵消 B．當電路中的電流變化時，兩股導線中產生的感應電流互相抵消 C．當電路中的電流變化時，兩股導線中產生的磁通量互相抵消 D．以上說法均不對 解析：選C 由于采用了雙線繞法，兩根平行導線中的電流反向，它們產生的磁通量 相互抵消。不論導線中的電流如何變化，線圈中的磁通量始終為零，所以消除了自感現象的影響。 7.人類生活中對能源的可持續(xù)利用可以通過節(jié)能方式體現，日光燈是最常用的節(jié)能照明工具，它的主要構成有燈管、鎮(zhèn)流器、啟動器。啟動器的構造如圖3所示，為了便于日光燈工作，常在啟動器兩端并上一個紙質電容器C。現有一盞日光燈總是出現燈管兩端亮而中間不亮，經檢查，燈管是好的，電源電壓正常，鎮(zhèn)流器無故障，其原因可能是( ) 圖3 A．啟動器兩腳A、B與啟動器座接觸不良 B．電容器C斷路 C．電容器C擊穿而短路 D．鎮(zhèn)流器自感系數L太大 解析：選C 由題意知鎮(zhèn)流器無故障，故D項錯誤。日光燈管兩端亮而中間不亮，說明燈管兩端的燈絲處于通電狀態(tài)，即啟動器接通，但不能自動斷開，說明電容器C短路了， 選C。 8．(多選)啟動器內有兩個部件，一個是氖泡，另一個是電容器，下列說法中正確的是( ) A．氖泡內充入氖氣的作用是在接通電路時產生輝光放電 B．氖泡內的兩個金屬片在日光燈正常發(fā)光后是接觸的 C．電容器的作用是在啟動器中的兩個金屬片分離時消除電火花 D．電容器的作用是在啟動器中的動靜片分離時產生瞬時高壓 解析：選AC 氖泡內充入氖氣的作用是接通電路產生輝光放電，故A正確；正常工作時，兩個金屬片在日光燈正常發(fā)光后是斷開的，B錯；電容器的作用是消除電火花，故C對D錯?！? 9．(多選)下列有關日光燈的使用方法，正確的是( ) A．日光燈的啟動器丟失，作為應急措施，可以用一小段帶絕緣外皮的導線啟動日光燈 B．日光燈在冬天使用時，啟動較困難，可用熱毛巾熱敷燈管的中部，使之啟動容易些 C．日光燈的鎮(zhèn)流器損壞了，可用一只電阻替代 D．日光燈在電壓較低時，啟動較困難，這時可將鎮(zhèn)流器暫時短路，使啟動變得容易些 解析：選AB 啟動器起自動開關的作用，丟失時可以用導線代替，選項A正確。氣體溫度越高越容易電離，而冬天氣溫較低，日光燈啟動較困難，可以先預熱，使其較容易啟動，選項B正確。鎮(zhèn)流器在啟動時的作用是利用自感現象產生高電壓擊穿氣體，所以不能用電阻代替鎮(zhèn)流器，也不能將鎮(zhèn)流器短路，選項C、D錯誤。 10．下列說法正確的是( ) A．感應圈的工作原理是電磁感應現象 B．日光燈和白熾燈一樣，都可接在直流電路中正常工作 C．感應圈中的兩個線圈的匝數一樣多 D．一個標有“220 V,40 W”的日光燈管，用歐姆表測燈管兩端，讀數約為1 210 Ω 解析：選A 感應圈就是利用了電路中的電流不斷地變化產生感應電動勢的，當電流變化較快時，產生高壓，故選項A正確；日光燈必須接在交流電路中，故選項B錯誤；在感應圈中次級線圈的匝數要多于初級線圈，在次級線圈中得到較高的電壓，故選項C錯誤；日光燈在不接通時，處于斷路，故電阻為無窮大，選項D錯誤。 11．一個被稱為“千人震”的趣味物理小實驗，實驗是用一節(jié)電動勢為1.5 V的新干電池、幾根導線、開關和一個用于日光燈上的鎮(zhèn)流器。幾位做實驗的同學手拉手成一排，有一位同學將電池、開關用導線將它們和首、尾兩位同學的兩只空著的手相連，如圖4所示，在開關斷開時就會使連成一排的同學都有觸電感覺。分析該實驗的原理。 圖4 解析：1.5 V的電壓不會使人有觸電的感覺。人體中幾乎無電流通過，但鎮(zhèn)流器中有較大的電流，電路斷開的瞬間，由于鎮(zhèn)流器的自感系數很大，產生很高的自感電動勢，使人產生觸電感覺。 答案：見解析 12．如圖5所示是一種觸電保護器，變壓器A處用雙股相線(火線)和零線平行繞制成線圈，然后接到用電器上，B處有一個輸出線圈，一旦有電流，經放大后便能立即推動繼電器J切斷電源，下列情況下能起保護作用的是哪一種？說明理由。 圖5 (1)增加開燈的盞數，能否切斷電源？ (2)雙手分別接觸相線和零線，能否切斷電源？ (3)單手接觸相線，腳與地相接觸而觸電，能否切斷電源？ 解析：(1)不能。 因A處線圈是采用的雙繞法，增加開燈的盞數只會使電路中電流增大，但A中兩線中 電流始終大小相等方向相反，磁通量相互抵消，B中磁通量不發(fā)生改變，故不能推動J切斷電源。 (2)不能。理由同(1)。 (3)能。因為有電流通過人體而流入地下，使A中兩股電流大小不相等，B中磁通量發(fā)生改變，B中產生感應電流，從而推動J切斷電源。 答案：見解析 電磁感應中的電路與圖像問題 1. (多選)如圖1所示，矩形金屬框架三個豎直邊ab、cd、ef的長都是L，電阻都是R，其余電阻不計，框架以速度v勻速平動地穿過磁感應強度為B的勻強磁場，設ab、cd、ef三條邊先后進入磁場時ab邊兩端電壓分別為U1、U2、U3，則下列判斷結果正確的是( ) 圖1 A．U1＝BLv B．U2＝2U1 C．U3＝0 D．U1＝U2＝U3 解析：選AB 當ab進入磁場時，I＝＝，則U1＝E－IR＝BLv。當cd也進入磁場時，I＝，U2＝E－I＝BLv。三邊都進入磁場時，U3＝BLv，故選項A、B 正確。 2.如圖2所示，水平導軌的電阻忽略不計，金屬棒ab和cd的電阻分別為Rab和Rcd，且Rab>Rcd，它們處于勻強磁場中。金屬棒cd在力F的作用下向右勻速運動，ab在外力作用下處于靜止狀態(tài)。下列說法正確的是( ) 圖2 A．Uab>Ucd B．Uab＝Ucd C．Uab
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