2022年高中物理第章楞次定律和自感现象第节自感现象的应用教师用书鲁科版选修- .pdf

1 第 3 节自感现象的应用学 习 目 标知 识 脉 络1. 了解日光灯的构造及电路图，知道正常发光时对电压、电流的不同要求2理解启动器、镇流器的构造和作用 ( 重点、难点 ) 3了解感应圈的工作过程及应用.日 光 灯 与 镇 流 器 先填空 1日光灯的构造及电路图完整的日光灯电路包括日光灯管、镇流器、启动器、开关等主要部件 其电路如图2-3-1所示图 2-3-12日光灯的主要元件的构造及作用启动器、灯管、镇流器的比较构造原理、作用启动器电容器、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自感系数大的线圈启动时形成瞬时高压，工作时降压限流 再判断 1日光灯使用的是稳恒电流( )2日光灯正常发光后，启动器就不起什么作用了( )3镇流器只起升压作用 ( )名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - 2 后思考 日光灯灯管两端的电极是相通的吗？【提示】不是灯管两端有电极，中间有水银蒸气 合作探讨 在如图 2-3-2所示的日光灯原理图中：图 2-3-2探讨 1：开关刚合上时，220 V 电压加在什么元件上？【提示】启动器探讨 2：镇流器在日光灯点燃瞬间的作用是什么？【提示】提供瞬间高压 核心点击 日光灯工作的三个阶段1开关闭合后，启动器动触片与静触片接触，使灯丝和镇流器线圈中有电流流过，使灯丝预热2电路接通后，启动器中的氖气停止放电，U 形动触片冷却收缩，两个触片分离，电路自动断开 在电路突然断开的瞬间，由于通过镇流器的电流急剧减小，会产生很大的自感电动势， 方向与原来的电压方向相同，自感电动势与电源电压一起加在灯管两端，形成一个瞬时高电压，使灯管中的气体击穿，于是日光灯开始发光3日光灯正常发光后，由于交变电流通过镇流器线圈，线圈中会产生自感电动势，它总是阻碍电流变化，镇流器起降压限流的作用，保证日光灯正常发光1如图所示， S为启动器，L为镇流器，其中日光灯的接线图正确的是( ) 【解析】根据日光灯的工作原理，要想使日光灯发光，灯丝需要预热发出电子，灯管名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - 3 两端应有瞬时高压，这两个条件缺一不可当动、静触片分离后， 选项 B中灯管和电源断开，选项 B错误；选项 C中镇流器与灯管断开，无法将瞬时高压加在灯管两端，选项 C错误；选项 D中灯丝左、右两端分别被短接， 无法预热放出电子， 不能使灯管气体导电， 选项 D错误只有 A项满足发光条件【答案】A 2( 多选 ) 关于日光灯的下列说法正确的是( ) A启动器触片接通时，镇流器产生瞬时高压B工作时，镇流器降压、限流，保证日光灯管正常发光C工作时，镇流器使日光灯管的电压稳定在220 V D正常工作和不工作时，双金属片的状态相同【解析】启动器接通后再断开时，镇流器产生瞬时高压，而不是接通时产生高压，故A错日光灯正常工作时，因交流电通过镇流器产生自感电动势，起降压限流作用，故B正确保证日光灯管正常工作，此时有电流通过日光灯管，灯管两端电压小于220 V， 故 C错启动器在启动时，相当于自动开关的作用，启动后双金属片恢复原状，故D正确【答案】BD 3( 多选 ) 启动器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，有一个小缝隙，则下列说法中正确的是( ) A当电源的电压加在启动器两极时，氖气放电并产生热量，导致U形动触片受热膨胀B当电源的电压加在启动器两极后，启动器的两个触片才接触，使电路有电流通过C电源的电压加在启动器两极前，启动器的两个触片就接触着，电路就已经有电流通过D当电路接通后，两个触片冷却，两个触片重新分离【解析】依据日光灯的工作原理可知，电源把电压加在启动器的两极之间，使氖气放电而发出辉光， 辉光产生热量使U形动触片膨胀伸长，跟静触片接触把电路接通电路接通后，启动器的氖气停止放电，U形动触片冷却收缩，两个触片分开，电路自动断开【答案】ABD 镇流器的作用日光灯管在启动时需要500700 V 的瞬时高压，这个高压是由镇流器产生的自感电动势与电源电压叠加后产生的当灯管正常发光后， 它的电阻变得很小， 允许通过较小的电流，需要加在它两端的电压变小，镇流器这时又起到给灯管降压限流的作用名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - 4 感 应 圈、自 感 现 象 的 其 他 应 用 先填空 1感应圈(1) 工作原理利用自感现象用低压直流电源来获得高电压(2) 结构主要由直接绕在铁芯上的初级线圈和接在放电器上的次级线圈构成(3) 用途在物理、 化学实验室里可以作为小功率高压电源，在汽车、 煤气灶点火装置中产生高压电火花完成点火工作2自感现象的其他应用(1) 应用在广播电台和电视台的无线电设备中，用自感线圈和电容器组成振荡电路来发射电磁波；在收音机和电视机中，同样也用振荡电路来接收电磁波另外电焊机也利用了自感现象，使焊条与工件之间的空隙产生电弧火花，使工件局部熔化(2) 危害在电路中，开关断开时产生电弧火花，烧坏开关或造成安全隐患 再判断 1感应圈可以利用低电压获得高电压( )2感应圈可以利用低功率获得高功率( ) 后思考 在加油站附近为什么要禁止用手机接打电话？【提示】加油站附近空气中汽油的浓度较高，在用手机接打电话时，电话电路中有可能由于自感产生电火花，引起危险 合作探讨 探讨：在进行电焊时，焊条和金属工件被熔化，那么点火电压一定很高吗？【提示】在电焊时，电弧的电流可达几十至几百安，电弧中心的气体温度可达6 000 ? C，焊条熔液的温度约为2 000 ? C.焊条和金属工件的电阻很小，所以电焊所用的电压并不是很高，点火电压约70 V ，维持电弧的电压约25V. 核心点击 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - 5 感应圈工作原理如图 2-3-3 所示，是感应圈的原理图，闭合开关S，低压直流电源接通开关S和弹簧片 DK与初级线圈L1构成回路此时，铁芯被磁化，吸引弹簧片DK ，使L1断路，瞬时无电流通过，铁芯失磁，弹簧片DK返回，L1回路再次接通在这样的反复过程中，L1中产生变化的电流在通、断的瞬间，由于初级线圈中的电流迅速变化，L1的自感电动势会猛增至数百伏次级线圈L2的线圈匝数约为L1的 100 倍，于是在次级线圈L2的两端感应出数万伏的高压图 2-3-34关于感应圈下列说法不正确的是( ) A感应圈是利用自感现象来获得高电压的装置B在工程中，感应圈可作为大功率高压电源使用C煤气灶电子点火装置，是利用感应圈产生高电压电火花来完成的D感应圈的主要构造包括绕在铁芯上的两个绝缘线圈及继电器等【解析】感应圈是利用自感现象，通过低压直流电源来获得高电压的装置，A正确受直流电源提供电功率的限制，感应圈不能作为大功率高压电源使用，B不正确感应圈的主要构造包括两个绝缘线圈和继电器等，D正确煤气灶电子点火装置是利用感应圈产生的高电压电火花来完成的，C正确【答案】B 5( 多选 ) 下列属于自感现象的是( ) A电焊机在进行电焊时，产生电弧火花B拔下家用电器的电源插头看到电火花C大型电动机断开开关产生电弧火花D用高频交流电焊接自行车零件【解析】用高频交流电焊接自行车零件是涡流的典型应用，故D不符合题意【答案】ABC 感应圈用途可以用于低气压放电管、阴极射线管、X射线管、光谱管实验；还可以用来演示空气中名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 6 的火花放电现象、液体及固体介质的电击穿现象以及在空气中获得臭氧等另外，汽车发动机点火装置、 煤气灶电子点火装置等，都是利用感应圈产生的高压电火花来完成点火工作的学业分层测评 ( 六) ( 建议用时： 45 分钟 ) 学业达标 1关于日光灯的发光实质，下列说法中正确的有( ) A是由于灯管两端的灯丝在炽热状态下发光，后经灯管壁多次反射和透射传到周围空间B是在镇流器的高电压作用下，灯管内气体被电离成为导体，形成大电流，使气体处于炽热状态而发光C日光灯发出的其实就是紫外线D日光灯发出的光，实质上是紫外线激发荧光物质发光【解析】日光灯发光的本质，是灯丝发射的电子与汞原子碰撞而放出紫外线，紫外线照射灯管内壁的荧光物质而发光故选项D正确【答案】D 2关于日光灯下列说法中正确的是( ) A日光灯是常用的照明灯具之一，它所消耗的电功率仅为相同亮度白炽灯的1513B灯管内气体的击穿电压和正常工作电压都是220 V C灯管发光是由于管内的气体被加热到炽热状态，发出的光D让日光灯正常工作，必须一直给其提供比220 V 高很多的电压【解析】日光灯比白炽灯发光效率高，属于节能的灯具，它所消耗的电功率仅为相同亮度白炽灯的1513，故选项 A正确灯管启动电压高于220 V 、正常工作电压低于220 V，选项 B 、D错误灯管发光是因为灯管两端炽热的灯丝释放出大量电子，这些电子与汞原子碰撞而放出紫外线，涂在内壁的荧光物质在紫外线的照射下发出可见光选项C错误【答案】A 3镇流器是由一个线圈和铁芯构成的，下列说法中正确的是( ) A镇流器中加入铁芯变成了电磁铁，在日光灯电路中起开关的作用B镇流器在日光灯正常发光后，只消耗电能，为了节能可以把它短路C日光灯电路中的镇流器可以用白炽灯泡来替代D镇流器中的铁芯是为了增大自感系数【解析】镇流器中加入铁芯是为了增大线圈整体的自感系数，进而产生更大的自感电动势以击穿灯管内气体而导通；灯管导通后镇流器又起降压限流作用，故不可将其短路，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - 7 且在启动时不可用白炽灯泡来代替故D正确【答案】D 4下列关于日光灯启动器的说法中正确的有( ) 【导学号： 78870032】启动器由氖管和电容器并联组成没有电容器， 启动器无法正常工作电容器击穿后，日光灯管仍能正常发光启动器起着自动开关的作用ABCD【解析】启动器主要是一个充有氖气的小玻璃泡，里面装有两个电极， 一个是静触片，另一个是由两个膨胀系数不同的金属片制成的U形动触片 启动器相当于一个自动开关，在日光灯点燃前它是接通的，在日光灯点燃后它是断开的它应与镇流器串联，与日光灯管只能并联连接电容器与氖管并联，它的作用是防止产生电火花击穿后成为导体使氖管短路【答案】C 5( 多选 ) 下列对日光灯元件的认识，正确的是( ) A启动器氖管内的氖气在较低电压下发光，但不适于照明B灯管内的汞蒸气在较高电压下发光且适合照明C启动器中的电容器是使动、静触片在分离时不产生火花D灯管内壁的荧光物质是在灯丝发出的电子激发下发光的【解析】启动器相当于自动开关，配合镇流器产生瞬时高压，启动器发光时间短且弱，不适于照明，选项A正确，电容器的作用是在动、静触片分离时不产生火花，以避免烧毁触片，选项 C正确 灯管内汞蒸气在高电压导通，炽热灯丝发出的大量电子与汞原子碰撞而放出紫外线，荧光物质在紫外线照射下发出可见光，选项B、D均错误【答案】AC 6下列说法正确的是( ) A感应圈的工作原理是电磁感应现象B日光灯和白炽灯一样，都可接在直流电路中正常工作C感应圈中的两个线圈的匝数一样多D一个标有“ 220 V 40 W”的日光灯管，用欧姆表测灯管两端，读数约为1 210 【解析】感应圈就是利用了电路中的电流不断地变化产生感应电动势的，当电流变化较快时，产生高压，故选项A正确；日光灯必须接在交流电路中，故选项B错误；在感应圈中次级线圈的匝数要多于初级线圈，在次级线圈中得到较高的电压，故选项 C错误；日光灯在不接通时，处于断路，故电阻为无穷大，选项D错误【答案】A 7( 多选 ) 下列利用了感应圈的是( ) A煤气灶电子点火装置名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - 8 B汽车发动机点火装置C自动设备中的延时继电器D物理、化学实验中的小功率高压电源【解析】煤气灶电子点火装置、汽车发电机点火装置都是利用感应圈产生的高压电火花来完成点火工作的，A、B 正确物理、化学实验中的小功率电源是利用感应圈通过低压直流电源获得高电压，D正确延时继电器是利用线圈的电磁感应来正常工作的，没有用到感应圈， C错误【答案】ABD 8下列关于电焊机的说法正确的是( ) A电焊时，焊条与工件始终接触B电焊时，是靠流过焊条与工件接触电阻的电流的热效应完成的C电焊时，点火电压很高，约为几万伏D电焊时，电弧火花产生的高温把金属工件局部熔化，冷却后焊接处就熔为一体【解析】电焊时， 先把焊条与被焊的工件短暂接触，然后迅速将焊条提起，与工件保持 4 mm 5 mm的距离，故选项A错；电焊时，是靠电弧火花产生的高温把金属工件局部熔化进行焊接，故选项B错， D对；电焊时，点火电压约为70 V，并不高，故C错【答案】D 能力提升 9. 如图2-3-4所示，在日光灯的连接线路中，关于启动器的作用，以下说法正确的是( ) 图 2-3-4A日光灯启动时，为灯管提供瞬时高压B日光灯正常工作时，起降压限流的作用C起到一个自动开关的作用，实际上可用一个弹片开关代替( 按下接通，放手断开) D启动器内的电容器毫无作用【解析】日光灯启动时，镇流器为灯管提供瞬时高压，日光灯正常工作时，镇流器起降压限流的作用启动器只是起一个自动开关的作用，故A、B 错误， C 正确；启动器内的电容器的作用是在动、静触片分离时避免产生火花而烧坏触片，对启动器起保护作用，故D错误名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - 9 【答案】C 10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、启动器启动器的构造如图2-3-5 所示，为了便于日光灯工作，常在启动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( ) 【导学号： 78870033】图 2-3-5A启动器两脚A、B与启动器座接触不良B电容器C断路C电容器C击穿而短路D镇流器自感系数L太大【解析】题目说镇流器无故障，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，即启动器接通，但不能自动断开，说明电容器C短路了，选C. 【答案】C 11日光灯管的寿命和开关次数有密切关系，频繁开关会使灯管的寿命大大缩短，据统计，同样的日光灯， 连续点燃不关， 点亮的时间要比每昼夜开关八次的日光灯点亮时间长两倍半，为什么频繁开关会影响灯管的寿命？【导学号： 78870034】【解析】日光灯在通电启动的一瞬间，气体放电，日光灯灯丝不但要发射热电子，还要受到带电粒子强有力的轰击，每启动一次， 要消耗大量的电子， 还要受到高电压冲击一次，启动的次数越多，灯丝的寿命越短【答案】见解析12. 如图 2-3-6 所示的电路，已知E12 V，r1 ，R12 ，R29 ，R315 ，L2H，线圈电阻不计开始开关S接到A点，电路中电流恒定，若将开关S接到B点的瞬间，线圈L中产生的最大自感电动势是多大？图 2-3-6名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 10 【解析】当开关 S 接到A点时，通过线圈L的恒定电流可以由欧姆定律求得，即I0E/(R1R2r) 1 A. 当开关 S接到B点的瞬间，线圈L中的电流不能突变，仍为I01 A ，此时线圈L、电阻R2、R3构成回路，线圈L中产生的最大自感电动势是E自I0(R2R3)24 V. 【答案】24 V 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -