高二物理自感日光灯原理知识精讲.docx
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高二物理自感日光灯原理知识精讲
高二物理自感日光灯原理
【本讲主要内容】
自感日光灯原理
【知识掌握】
【知识点精析】
本讲的重点、难点是知道普通日光灯的组成和电路图,知道日光灯管在点亮和正常发光时对电压和电流的不同要求,知道起动器和镇流器的构造和工作原理。
1、自感现象
演示1:
通电自感现象。
观察指导:
稳态效果;“过程”区别。
演示2:
断电自感现象。
观察指导:
稳态亮度和断开“过程”亮度的差异。
启发:
这种现象是怎么形成呢?
配合下图分析
因为这种电磁感应是在自身回路形成的,所以称为“自感”。
(1)自感现象:
由于导体本身电流的变化而产生的电磁感应现象叫自感现象。
刚才已经分析到了,自感现象的形成是因为有自感电流和原电流的叠加,而出现自感电流是因为有自感电动势。
(2)自感电动势:
在自感现象中产生的感应电动势叫自感电动势。
自感电动势的作用是在闭合回路中形成自感电流。
和互感一样,自感只是电磁感应的一种特殊表现形式,因此,它的大小和方向规律仍然遵从楞次定律和法拉第电磁感应定律。
将法拉第电磁感应定律应用到自感的研究时,人们发现,自感电动势会形成一种特殊的表达形式,那就是——
自感电动势和电流变化率成正比。
意义解释
过渡:
普通意义上的感应电动势和磁通变化率成正比,比例系数是什么?
自感电动势和电流变化率成正比,其比例系数又怎样呢?
2、自感系数
物理学家的研究表明,这个比例系数并不是和回路匝数无关,也并不是只和回路的匝数有关,我们把它称为——
自感系数:
ε感=L
中的L称为自感系数。
而且,影响自感系数的因素除了线圈匝数外,还有,线圈的长度、线圈的横截面积。
N越大、S越大、l越大,则L越大。
我们为什么要研究自感现象呢?
自感的利弊阐释
如果我们供电的电源变成交流——即大小和方向不停地随时间变化的电流,自感线圈的作用又会怎样?
3、日光灯电路
(和白炽灯比较)日光灯的优点(光线柔和,发光效率比白炽电灯高,其温度约在40~50℃,所耗的电功率仅为同样明亮程度的白炽灯之1/3~1/5。
广泛用于生活和工厂的照明光源。
)日光灯的安装(比较麻烦、造价较高)。
启发:
如果给你一些元件,你会将日光灯正确的安装吗?
(1)日光灯电路
电路中出现我们前面没有介绍的元件,这里一一介绍
(2)相关元件
a、灯管
插叙:
气体导电简介(如下表)
被激
放电
火花放电(雷电)
较高电压、强电流,有声响、发高热
电晕放电(尖端放电)
高场强、出现与日晕相似的光层,发出嗤嗤的声音,产生臭氧、氧化氮等
自激
放电
弧光放电
(弧光灯、太阳灯、电弧炉、电焊机)
常压、强电流,有耀眼白光
辉光放电
(荧光灯、霓虹灯)
高压启动低压工作、工作电流小,温度低
荧光灯
(日光灯)
灯管为低气压放电管。
两端装有电极,内壁涂有钨酸镁、硅酸锌等荧光物质。
制造时抽去空气,充入少量水银蒸气和氩气。
通电后,管内因水银蒸气放电而产生紫外线,激发荧光物质,使它发出可见光,不同发光物质产生不同颜色,常见的近似日光(荧光物质为卤磷酸钙)。
霓虹灯
(即氖灯)
一种冷阴极放电管,在玻璃管中充以数mmHg压强的氖气或其他气体,每1米加约1000伏特的电压时,依管内的充气种类,或管壁所涂的荧光物质而发出各种颜色的光。
霓虹灯需要电压较高,灯管越细,越长需要的电压就越高。
①两大类四小类,火花放电和电晕放电属被激放电,弧光放电和辉光放电属自激放电;②构造、辉光放电的原理及其特征。
(开始阶段和稳定工作阶段的不同)
b、启动器
构造、辉光放电→双金属片膨胀原理、电容器的作用简介
c、镇流器
构造
4、日光灯工作原理
(1)启动阶段
灯管——电压不够,不工作,直到被启动;
镇流器——无电流,无
,无自感;直到启动器触发断电自感。
启动器——未接通→低压放电导通→发热膨胀→接通→(镇流器工作分压)电流小、发热减小→断开
启动器和镇流器共同造成断电自感,产生高压和原电压叠加在灯管两端,完成灯管启动。
(2)稳定工作阶段
镇流器——持续自感、稳定分压;
灯管——分压少、电流小;
启动器——分压少、辉光放电无法进行,不工作。
【解题方法指导】
例1.如图所示的电路,L为自感线圈,R是一个灯泡,E是电源,当开关S闭合瞬间,通过电灯的电流方向是________。
当S断开瞬间,通过电灯的电流方向是_________。
解析:
S闭合时,流经R的电流A→B.当S断开瞬间,由于电源提供给R的电流很快消失,而线圈中电流减小时要产生一个和原电流方向相同的自感电动势来阻碍原电流减小,所以线圈此时相当于一个电源,与电灯R构成放电电路.故通过R的电流方向是B→A.
点拔:
S闭合瞬间与S断开瞬间线圈产生的自感电动势方向不同.
例2.如图所示,电源电动势E=6V,内阻不计,A、B两灯都标有“6V、0.3A”,电阻R和线圈L的直流电阻RL均为20Ω,试分析:
在开关S闭合和断开的极短时间内流过A、B两灯的电流变化情况?
解析:
S闭合到电路稳定的极短时间内,随着L中的电流逐渐变化.A、B两灯中电流分别从0.1A和0.2A逐渐增加和减少为0.15A;S断开时A中的电流由0.15A立即变为零,B中的电流由向右0.15A立即变为向左0.15A,然后逐渐减为零。
点拨:
线圈作为瞬间电流源只能使得电流强度从原有值开始变化。
【考点突破】
【考点指要】
本讲知识在近几年的高考中所占的比例比较小,基本题型是选择题。
主要考查的是考生对基本规律的理解,通电自感、断电自感和日光灯的工作原理。
【典型例题分析】
例3.电路如图所示,a、b是两个完全相同的灯泡,L是一个直流电阻很小而自感系数很大的自感线圈。
下列说法中不正确的是()
A.闭合S时,a、b同时亮,而且亮度相同
B.闭合S时,b始终不亮,a逐渐亮起来后保持亮度不变
C.断开S时,a灯立即灭,b灯亮一下就灭
D.断开S时,a、b两灯都立即灭
解析:
S闭合的极短时间内a、b两灯同时亮,随着L中的电流逐渐变化。
b灯电流逐渐减少;S断开时a灯中的电流立即变为零,b灯中的电流由向右立即变为向左,然后逐渐减为零。
例4.在彩色电视机的电源输入端装有电源滤波器,其电路图如图,主要元件是两个电感线圈L1、L2,它们的自感系数很大,F是保险丝,R是压敏电阻(正常情况下阻值很大,但电压超过设定值时,阻值会迅速变小,可以保护与其并联的元件),C1、C2是电容器,S为电视机开关。
某一次用户没有先关电视(设断开S)就拔去电源插头,结果烧坏了图中电路元件,可能被烧坏的元件是()
A.C2B.C1C.L1或L2D.F
解析:
根据电感电容的特性可知。
例5.如图所示是家用日光灯电路图,图中L是自感系数很大的线圈,(即镇流器),S是启动器,试回答下列问题:
(1)启动器的主要构造是______________。
(2)启动器的主要作用是________________。
(3)镇流器的主要作用是_______________。
解析:
本题考查日光灯知识,日光灯内容在新教材中改作必选内容,应引起重视。
(1)由定片和双金属片构成的动片组成。
(2)当电流通过起辉器时在动、定片之间放电,使电能转化为内能,双金属片受热膨胀。
两金属片接触后电阻减小,发热速度减慢,双金属片收缩。
切断电路,镇流器中产生高电压(约500V)将灯管中水银蒸气击穿,灯管开始工作。
(3)电路中有电流时起限流、分压作用,对灯丝加热;起辉器切断时,由于自感现象产生高电压。
图1
启动器:
又叫启辉器、热继电器。
日光灯启动器有辉光式和热开关式两种。
最常用的是辉光式。
外面是一个铝壳(或塑料壳),里面有一个氖灯和一个纸质电容器,氖灯是一个充有氖气的小玻璃泡,里边有一个U形双金属片和一个静触片(图1)。
双金属片是由两种膨胀系数不同的金属组成,受热后,由于两种金属的膨胀不同而弯曲程度减小,与静触片相碰,冷却后恢复原形与静触片分开。
与氖灯并联的小电容的作用是减小日光灯启动时对无线电接收机的干扰。
图2
一般的镇流器只有两个接头,还有一种镇流器有4个接头,这种镇流器的工作原理与两个接头的基本上一样,只是增加了一组辅助线圈(简称副线圈),副线圈协助主线圈来完成启动工作,使镇流器的性能进一步得到改善。
这种镇流器的结构和接线见图2。
其中1和2为主线圈,3和4为副线圈,它们绕在同一个铁心上。
一般在镇流器上面都标有接线图。
例6.如图所示,A、B是两个完全相同的灯泡,L是自感系数较大的线圈,其直流电阻忽略不计。
当电键K闭合时,下列说法正确的是()
A.A比B先亮,然后A熄灭
B.B比A先亮,然后B逐渐变暗,A逐渐变亮
C.AB一齐亮,然后A熄灭
D.A、B一齐亮,然后A逐渐变亮,B的亮度不变
分析解答:
电键闭合的瞬间,线圈由于自感产生自感电动势,其作用相当于一个电源。
这样对整个回路而言相当于两个电源共同作用在同一个回路中。
两个电源各自独立产生电流,实际上等于两个电流的叠加。
根据上述原理可在电路中标出两个电源各自独立产生的电流的方向。
上图a、b是两电源独立产生电流的流向图,c图是合并在一起的电流流向图。
由图可知,在A灯处原电流与感应电流反向,故A灯不能立刻亮起来。
在B灯处原电流与感应电流同向,实际电流为两者之和,大于原电流。
故B灯比正常发光亮(因正常发光时电流就是原电流)。
随着自感的减弱,感应电流减弱,A灯的实际电流增大,B灯实际电流减少,A变亮,B灯变暗,直到自感现象消失,两灯以原电流正常发光。
应选B。
例7.如图是日光灯的电路图。
日光灯主要由灯管、镇流器、启动器组成。
关于日光灯的原理,下列说法正确的是()
A.日光灯启动,利用了镇流器中线圈的自感现象
B.日光灯正常发光时,镇流器起着降压限流的作用
C.日光灯正常发光后取下启动器,日光灯仍能正常工作
D.日光灯正常发光后取下启动器,日光灯不能正常工作
正确答案:
ABC
【达标测试】
1.如图,电灯的灯丝电阻为2Ω,电池电动势为2V,内阻不计,线圈匝数足够多,其直流电阻为3Ω。
先合上电键K,过一段时间突然断开K,则下列说法中错误的有()
A.电灯立即熄灭
B.电灯立即先暗再熄灭
C.电灯会突然比原来亮一下再熄灭,且电灯中电流方向与K断开前方向相同
D.电灯会突然比原来亮一下再熄灭,且电灯中电流方向与K断开前方向相反
2.如图所示,L是一个带铁芯的线圈,R为纯电阻器,两条支路的直流电阻值相等,那么在接通和断开开关的瞬间两电流表的读数I1、I2的大小关系是()
A.I1<I2,I1>I2
B.I1<I2,I1=I2
C.I1>I2,I1<I2
D.I1=I2,I1<I2
3.当线圈中电流改变时,线圈中会产生自感电动势,自感电动势方向与原电流方向()
A.总是相反
B.总是相同
C.电流增大时,两者方向相反
D.电流减小时,两者方向相同
4.线圈的自感系数大小的下列说法中,正确的是()
A.通过线圈的电流越大,自感系数也越大
B.线圈中的电流变化越快,自感系数也越大
C.插有铁芯时,线圈的自感系数会变大
D.线圈的自感系数与电流的大小、电流变化的快慢、是否有铁芯等都无关
5.如图所示,LA和LB是两个相同的小灯泡,L是一个自感系数相当大的线圈,其电阻值与R相同。
由于存在自感现象,在电键S闭合和断开时,灯LA和LB先后亮暗的顺序是()
A.接通时,LA先达最亮,断开时,LA后暗
B.接通时,LB先达最亮,断开时,LB后暗
C.接通时,LA先达最亮,断开时,LA先暗
D.接通时,LB先达最亮,断开时,LB先暗
6.如图所示为一演示实验电路图,图中L是一带铁心的线圈,A是一个灯泡,电键S处于闭合状态,电路是接通的。
现将电键S打开,则在电路切断的瞬间,通过灯泡A的电流方向是从____端到____端。
这个实验是用来演示____现象的。
【综合测试】
1.如图所示,电路中A、B是规格相同的电灯,L是电阻可忽略不计的电感线圈,那么()
A.合上S,A、B同时亮,然后A变暗,B更亮些
B.合上S,B先亮,A渐亮,最后A、B一样亮
C.断开S,B即熄灭,A由亮变暗后熄灭
D.断开S,B即熄灭,A由暗闪亮一下后熄灭
2.如图所示,电阻R和自感线圈L的电阻值都小于灯泡的电阻。
接通S,使电路达到稳定,灯泡L发光()
A.电路(a)中,断开S后,L将渐渐变暗
B.电路(a)中,断开S后,L将先变得更亮,然后逐渐变暗
C.电流(b)中,断开S后,L将渐渐变暗
D.电路(b)中,断开S后,L将先变得更亮,然后逐渐变暗
3.如图所示电路,线圈L的电阻不计,则()
A.S闭合瞬间,A板带正电,B板带负电
B.S保持闭合,A板带正电,B板带负电
C.S断开瞬间,A板带正电,B板带负电
D.由于线圈电阻不计,电容被短路,上述三种情况下两板都不带电
4.如图所示是演示自感现象的实验电路图,L是电感线圈,A1、A2是规格相同的灯泡,R的阻值与L的电阻值相同。
当开关由断开到合上时,观察到自感现象是____,最后达到同样亮。
5.如图所示,为日光灯的工作电路。
(1)开关S刚合上前,启动器D的静触片和动触片是____(填接通的、断开的)。
(2)开关S刚合上时,220V电压加在____。
使____灯发出红光。
(3)日光灯启辉瞬间,灯管两端电压____220V(填大于、等于、小于)。
(4)日光灯正常发光时,启动器D的静触片和动触片____(填接触、断开)。
6.如图所示电路,多匝线圈的电阻和电池的内电阻可以忽略,两个电阻器的阻值都是R。
电键S原来打开着,电流I0=ε/2R,今合下电键将一个电阻器短路,于是线圈中有自感电动势产生,这自感电动势()
A.有阻碍电流的作用,最后电流由I0减小为零
B.有阻碍电流的作用,最后总小于I0
C.有阻碍电流增大作用,因而电流保持为I0不变
D.有阻碍电流增大作用,但电流最后还是要增大到2I0
达标测试答案
1.ACD
解析:
开关闭合时R灯亮,随着L中的电流逐渐变化。
R灯电流逐渐减少;开关断开时R中的电流由向右立即变为向左,然后逐渐减为零。
2.B
解析:
S闭合瞬间I1电流逐渐增大,I2电流逐渐减少,随着L中的变化;S断开时I1、I2组成回路,回路中电流为顺时针方向。
3.CD
解析:
自感线圈的作用是阻碍原电流的变化,故电流增大时,两者方向相反,电流减小时,两者方向相同。
4.C
解析:
自感系数的大小与线圈的匝数、有无铁芯、线圈的长度、线圈的横截面积有关。
5.A
解析:
S闭合的极短时间内a、b两灯同时亮,随着L中的电流逐渐变化。
b灯电流逐渐减少;S断开时a灯中的电流立即变为零,b灯中的电流由向右立即变为向左,然后逐渐减为零。
6.a,b,自感
【综合测试答案】
1.AD
解析:
S闭合的极短时间内A、B两灯同时亮,随着L中的电流逐渐变化。
B灯电流逐渐减少;S断开时B灯中的电流立即变为零,A灯中的电流由向右立即变为向左,然后逐渐减为零。
2.AD
解析:
S断开时a中的电流方向不变,L灯将渐渐变暗;b中的L灯电流由向右立即变为向左,然后逐渐减为零,故L灯将先变得更亮,然后逐渐变暗。
3.A
解析:
开关闭合时电容器在充电。
4.解析:
A2立即正常发光,A1逐渐亮起来
5.解析:
根据日光灯的工作原理可得
(1)断开,
(2)D、氖,(3)大于,(4)断开
6.D
解析:
自感线圈对电流有阻碍作用,只是时间上的延续。
最后电流还是要全部通过的,故电流最后还是要增大到2I0。
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