2017-2018學(xué)年高中物理 第一章 電磁感應(yīng) 1 電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn) 2 感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件學(xué)案 教科版選修3-2

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1、 1 電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn) 2 感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件 [目標(biāo)定位] 1.知道奧斯特實驗、電磁感應(yīng)現(xiàn)象,了解電生磁和磁生電的發(fā)現(xiàn)過程.2.通過實驗觀察和實驗探究,理解感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件.3.能說出磁通量變化的含義,會利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的條件解決實際問題. 一、電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn) 1.奧斯特實驗的啟迪 1820年,丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng).不少物理學(xué)家根據(jù)對稱性的思考提出,既然電能產(chǎn)生磁,是否磁能產(chǎn)生電呢? 2.電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 1831年,英國物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象,即“由磁生電”的條件,產(chǎn)生的電流叫感應(yīng)電流. 法拉第將“磁生電”的現(xiàn)象分為五類: (1)變化中的

2、電流;(2)變化中的磁場;(3)運動中的恒定電流;(4)運動中的磁鐵;(5)運動中的導(dǎo)線. 深度思考 電流的磁效應(yīng)與電磁感應(yīng)有什么區(qū)別? 答案 電流的磁效應(yīng)是指電流周圍產(chǎn)生磁場,即“電生磁”.電磁感應(yīng)現(xiàn)象是利用磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流,即“磁生電”.“電生磁”和“磁生電”是兩種因果關(guān)系相反的現(xiàn)象,要正確區(qū)分這兩種現(xiàn)象,弄清現(xiàn)象的因果關(guān)系是關(guān)鍵. 例1 下列屬于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的是(  ) A.通電導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場 B.磁場對感應(yīng)電流發(fā)生作用,阻礙導(dǎo)體運動 C.由于導(dǎo)體自身電流發(fā)生變化,在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流 D.電荷在磁場中定向移動形成電流 解析 根據(jù)引起電流原因的五類情況可知,導(dǎo)體自

3、身電流發(fā)生變化,在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流為電磁感應(yīng)現(xiàn)象.故選項C正確. 答案 C 二、磁通量及其變化 1.磁通量的計算 (1)B與S垂直時:Φ=BS,S為線圈的有效面積.如圖1(a)所示. (2)B與S不垂直時:Φ=BS⊥=B⊥S,S⊥為線圈在垂直磁場方向上的投影面積.B⊥為B在垂直于S方向上的分量.如圖(b)、(c)所示. (3)某線圈所圍面積內(nèi)有不同方向的磁場時,規(guī)定某個方向的磁通量為正,反方向的磁通量為負,求其代數(shù)和,如圖(d)所示. 圖1 2.磁通量是標(biāo)量,但有正、負,其正、負分別表示與規(guī)定的穿入方向相同、相反. 3.磁通量的變化大致可分為以下幾種情況: (1)

4、磁感應(yīng)強度B不變,有效面積S發(fā)生變化.如圖2(a)所示. (2)有效面積S不變,磁感應(yīng)強度B發(fā)生變化. 如圖(b)所示. (3)磁感應(yīng)強度B和有效面積S都不變,它們之間的夾角發(fā)生變化.如圖(c)所示. 圖2 4.用磁感線的條數(shù)表示磁通量.當(dāng)回路中有不同方向的磁感線穿過時,磁通量是指穿過某一面磁感線的“凈”條數(shù),即不同方向的磁感線的條數(shù)差. 深度思考 將兩個同圓心但大小不同的線圈套在條形磁鐵上,通過哪個線圈的磁通量大? 答案 通過小線圈的磁通量大.若穿過某一平面的磁感線既有穿出,又有穿入,則穿過該面的合磁通量為磁感線的凈條數(shù). 例2 磁通量是研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象的重要物理量

5、,如圖3所示,通有恒定電流的導(dǎo)線MN與閉合線框共面,第一次將線框由位置1平移到位置2,第二次將線框繞cd邊翻轉(zhuǎn)到位置2,設(shè)先后兩次通過線框的磁通量變化分別為ΔΦ1和ΔΦ2,則(  ) 圖3 A.ΔΦ1>ΔΦ2 B.ΔΦ1=ΔΦ2 C.ΔΦ1<ΔΦ2 D.無法確定 解析 設(shè)閉合線框在位置1時的磁通量為Φ1,在位置2時的磁通量為Φ2,直線電流產(chǎn)生的磁場在位置1處比在位置2處要強,故Φ1>Φ2. 將閉合線框從位置1平移到位置2,磁感線是從閉合線框的同一面穿過的,所以ΔΦ1=|Φ2-Φ1|=Φ1-Φ2;將閉合線框從位置1繞cd邊翻轉(zhuǎn)到位置2,磁感線分別從閉合線框的正反兩面穿過,所以ΔФ2

6、=|(-Φ2)-Φ1|=Φ1+Φ2(以原來穿過的方向為正方向,則后來從另一面穿過的方向為負方向).故正確選項為C. 答案 C 磁通量雖然是標(biāo)量,但有正、負.該題中線框由位置1平移到位置2和繞cd邊翻轉(zhuǎn)到位置2時,在位置2的磁通量大小都相等,但磁感線穿入的方向相反. 例3 邊長L=10cm的正方形線框有10匝,固定在勻強磁場中,磁場方向與線框平面間的夾角θ=30°,如圖4所示,磁感應(yīng)強度隨時間的變化規(guī)律為B=2+3t (T),求: 圖4 (1)2s末穿過線框的磁通量. (2)第3s內(nèi)穿過線框的磁通量的變化量ΔΦ. 解析 (1)2s末穿過線框的磁感應(yīng)強度 B2=(2

7、+3×2) T=8T, 由Φ=BSsinθ,知2s末穿過線框的磁通量 Φ=B2Ssinθ=8×(0.1)2×sin30°Wb=4×10-2Wb. (2)第3s內(nèi)磁感應(yīng)強度的變化ΔB=3T, 所以ΔΦ=ΔBSsinθ=3×(0.1)2×sin30°Wb=1.5×10-2Wb. 答案 (1)4×10-2Wb (2)1.5×10-2Wb (1)求解磁通量的變化量時要取有效面積; (2)磁通量的變化與線圈的匝數(shù)無關(guān); (3)磁感線從不同側(cè)面穿過線圈時磁通量的正、負不同. 三、產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件 1.導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動 如圖5所示,將可移動導(dǎo)體棒AB放置在

8、磁場中,并和電流表組成閉合回路.實驗操作及現(xiàn)象如下: 圖5 實驗操作 實驗現(xiàn)象(有無電流) 導(dǎo)體棒靜止 無 導(dǎo)體棒平行磁感線上、下運動 無 導(dǎo)體棒垂直磁感線左、右運動 有 2.通過閉合回路的磁場發(fā)生變化 如圖6所示,實驗操作及電流計指針的擺動情況如下: 圖6 觀察 操作    電流計指針的擺動情況 螺線管B 匝數(shù)少 螺線管B 匝數(shù)多 螺線管A、B 相互垂直 開關(guān)接通瞬間 輕微擺動 較大擺動 不擺動 電流穩(wěn)定 不擺動 不擺動 不擺動 開關(guān)斷開瞬間 輕微擺動 較大擺動 不擺動 滑片快速推動 較大擺動 最大擺動 不擺動

9、 滑片緩慢推動 輕微擺動 較大擺動 不擺動 3.歸納結(jié)論:產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件 (1)電路閉合; (2)磁通量發(fā)生變化. 如果電路不閉合,不會產(chǎn)生感應(yīng)電流,但仍會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,就像直流電路一樣,電路不閉合,沒有電流,但電源仍然存在. 深度思考 在螺線管A(如圖7甲所示)中電流隨時間變化的圖像如圖乙所示,則t=t0時刻線圈B中有感應(yīng)電流嗎? 圖7 答案 有.雖然此時穿過B的磁通量為0,但磁通量在變化,感應(yīng)電流的產(chǎn)生取決于Φ的變化,與Φ的大小無關(guān). 例4 圖中能產(chǎn)生感應(yīng)電流的是(  ) 解析 根據(jù)產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件:A選項中,電路沒有閉合,無感應(yīng)電流;B

10、選項中,面積增大,閉合電路的磁通量增大,有感應(yīng)電流;C選項中,穿過線圈的磁感線相互抵消,Φ恒為零,無感應(yīng)電流;D選項中,磁通量不發(fā)生變化,無感應(yīng)電流. 答案 B (1)電路閉合和磁通量發(fā)生變化是產(chǎn)生感應(yīng)電流的兩個條件,二者缺一不可. (2)磁通量發(fā)生變化,其主要內(nèi)涵體現(xiàn)在“變化”上,磁通量很大若沒有變化也不會產(chǎn)生感應(yīng)電流,某時刻磁通量雖然是零但是如果在變化仍然可以產(chǎn)生感應(yīng)電流. 1.(磁通量的理解)六根絕緣的導(dǎo)線,在同一平面內(nèi)組成四個相等的正方形,導(dǎo)線中通以大小相等的電流,方向如圖8所示,在這個四個正方形區(qū)域中,指向紙面內(nèi)且磁通量最大的區(qū)域是(  ) 圖8 A.Ⅰ

11、 B.Ⅱ C.Ⅲ D.Ⅳ 答案 A 解析 由于是直線電流的磁場,6支電流在每個區(qū)域的磁感線的分布都有區(qū)別,只有逐一求出6支電流在每個區(qū)域的分磁通量之和,才能進行比較.設(shè)每支電流的磁感線穿過相鄰區(qū)域的有兩條,穿過較遠區(qū)域的有1條,就可以作出穿過各區(qū)域的磁感線分布圖,如圖所示.故本題正確答案為A. 2.(電磁感應(yīng)現(xiàn)象)在法拉第時代,下列驗證“由磁產(chǎn)生電”設(shè)想的實驗中,能觀察到感應(yīng)電流的是(  ) A.將繞在磁鐵上的線圈與電流表組成一閉合回路,然后觀察電流表的變化 B.在一通電線圈旁放置一連有電流表的閉合線圈,然后觀察電流表的變化 C.將一房間內(nèi)的線圈兩端與相鄰房間的

12、電流表連接,往線圈中插入條形磁鐵后,再到相鄰房間去觀察電流表的變化 D.繞在同一鐵環(huán)上的兩個線圈,分別接電源和電流表,在給線圈通電或斷電的瞬間,觀察電流表的變化 答案 D 解析 產(chǎn)生感應(yīng)電流必須滿足的條件:①電路閉合;②穿過閉合電路的磁通量要發(fā)生變化.選項A、B電路閉合,但磁通量不變,不能產(chǎn)生感應(yīng)電流,故選項A、B不能觀察到電流表的變化;選項C滿足產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件,也能產(chǎn)生感應(yīng)電流,但是等我們從一個房間到另一個房間后,電流表中已沒有電流,故選項C也不能觀察到電流表的變化;選項D滿足產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件,能產(chǎn)生感應(yīng)電流,可以觀察到電流表的變化,所以選D. 3.(產(chǎn)生感應(yīng)電流的判斷)(多選

13、)如圖9所示,豎直放置的長直導(dǎo)線通有恒定電流,有一矩形線框與導(dǎo)線在同一平面內(nèi),在下列情況中線框產(chǎn)生感應(yīng)電流的是(  ) 圖9 A.導(dǎo)線中的電流變大 B.線框向右平動 C.線框向下平動 D.線框以AB邊為軸轉(zhuǎn)動 答案 ABD 4.(磁通量的變化)一電阻為R、面積為S的矩形導(dǎo)線框abcd處在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中,磁場方向與線框平面成θ=45°角(如圖10所示).當(dāng)導(dǎo)線框以ab邊為軸順時針轉(zhuǎn)過90°的過程中,穿過導(dǎo)線框abcd的磁通量的變化量ΔΦ=____________. 圖10 答案 BS(正、負均可) 解析 由Φ=BSsinθ,θ=45°知,初、末狀態(tài)磁通量大

14、小都為BS,但由于初、末狀態(tài)磁場穿過線框某一面方向相反,若選Φ初=BS,則Φ末=-BS,所以ΔΦ=Φ末-Φ初=-BS,若選Φ初=-BS,則ΔΦ=BS. 題組一 電磁感應(yīng)現(xiàn)象 1.法拉第經(jīng)過精心設(shè)計的一系列實驗,發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象,將歷史上認為各自獨立的學(xué)科“電學(xué)”與“磁學(xué)”真正聯(lián)系起來.在下面幾個典型的實驗設(shè)計思想中,所做的推論后來被實驗否定的是(  ) A.既然磁鐵可使近旁的鐵塊帶磁性,靜電荷可使近旁的導(dǎo)體表面感應(yīng)出電荷,那么靜止導(dǎo)線上的穩(wěn)恒電流可使在近旁靜止的線圈中感應(yīng)出電流 B.既然磁鐵可使近旁運動的導(dǎo)體中感應(yīng)出電動勢,那么穩(wěn)恒電流也可使近旁運動的線圈中感應(yīng)出電流 C.

15、既然運動的磁鐵可使近旁靜止的線圈中感應(yīng)出電流,那么靜止的磁鐵也可使近旁運動的導(dǎo)體中感應(yīng)出電動勢 D.既然運動的磁鐵可使近旁的導(dǎo)體中感應(yīng)出電動勢,那么運動導(dǎo)線上的穩(wěn)恒電流也可使近旁的線圈中感應(yīng)出電流 答案 A 解析 法拉第經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)引起感應(yīng)電流的原因都與變化和運動有關(guān),B、C、D三項所敘述的情況都被實驗證實了,A項中的推論不成立. 2.唱卡拉OK用的話筒內(nèi)有傳感器,其中一種是動圈式的,它的工作原理是在彈性膜片后粘接一個輕小的金屬線圈,線圈處于永磁體的磁場中,當(dāng)聲波使膜片振動時,就將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號,下列說法中正確的是(  ) A.該傳感器是根據(jù)電流的磁效應(yīng)工作的 B.該傳感器是

16、根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的 C.膜片振動時,穿過金屬線圈的磁通量不變 D.膜片振動時,金屬線圈中不會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 答案 B 解析 當(dāng)聲波使膜片前后振動時,膜片后的金屬線圈就會跟著振動,從而使處于永磁體的磁場中的線圈切割磁感線,穿過線圈的磁通量發(fā)生變化,產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號,這是電磁感應(yīng)現(xiàn)象,故B項正確,A、C、D項均錯誤. 題組二 磁通量及其變化的分析 3.如圖1所示,虛線框內(nèi)有勻強磁場,大環(huán)和小環(huán)是垂直于磁場方向放置的兩個圓環(huán),分別用Φ1和Φ2表示穿過大、小兩環(huán)的磁通量,則有(  ) 圖1 A.Φ1>Φ2       B.Φ1<Φ2 C.Φ1=Φ2 D

17、.無法確定 答案 C 解析 對于大環(huán)和小環(huán)來說,磁感線的凈條數(shù)沒有變化,所以選C. 4.如圖2所示,ab是水平面內(nèi)一個圓的直徑,在過ab的豎直平面內(nèi)有一根通電直導(dǎo)線ef,已知ef平行于ab.當(dāng)ef向上豎直平移時,電流產(chǎn)生的磁場穿過圓的磁通量將 (  ) 圖2 A.逐漸增大 B.逐漸減小 C.始終為零 D.不為零,但保持不變 答案 C 解析 作出磁感線穿過圓的情況的俯視圖,如圖所示, 根據(jù)磁場具有對稱性可以知道,穿入圓的磁感線的條數(shù)與穿出圓的磁感線的條數(shù)是相等的,故磁通量始終為零,C項正確. 5.如圖3所示,a、b是兩個同平面、同心放置的金屬圓環(huán),條形磁鐵穿過圓環(huán)

18、且與兩環(huán)平面垂直,則穿過兩圓環(huán)的磁通量Φa、Φb的大小關(guān)系為(  ) 圖3 A.Φa>Φb B.Φa<Φb C.Φa=Φb D.不能比較 答案 A 解析 條形磁鐵磁場的磁感線的分布特點是:①磁鐵內(nèi)外磁感線的條數(shù)相同;②磁鐵內(nèi)外磁感線的方向相反;③磁鐵外部磁感線的分布是兩端密、中間疏.兩個同心放置的同平面的金屬圓環(huán)與磁鐵垂直且磁鐵在中央時,通過其中的磁感線的俯視圖如圖所示, 穿過圓環(huán)的磁通量Φ=Φ進-Φ出,由于兩圓環(huán)面積SaΦb,故A正確. 題組三 有無感應(yīng)電流的判斷 6.(多選)下列情況中都

19、是線框在磁場中做切割磁感線運動,其中線框中有感應(yīng)電流的是(  ) 答案 BC 解析 A中導(dǎo)體雖然“切割”了磁感線,但穿過閉合線框的磁通量并沒有發(fā)生變化,沒有感應(yīng)電流;B中線框的一部分導(dǎo)體“切割”了磁感線,穿過線框的磁感線條數(shù)越來越少,線框中有感應(yīng)電流;C中雖然與A近似,但由于是非勻強磁場,運動過程中,穿過線框的磁感線條數(shù)增加,線框中有感應(yīng)電流;D中盡管線框是部分切割,但磁感線條數(shù)不變,無感應(yīng)電流.故選B、C. 7.如圖4所示,恒定的勻強磁場中有一個有小缺口的圓形的導(dǎo)體線圈,線圈平面垂直于磁場方向.當(dāng)線圈在此磁場中做下列哪種運動(均未出磁場)時,線圈能產(chǎn)生感應(yīng)電流(  ) 圖4

20、 A.a(chǎn)b連在一起,線圈沿自身所在的平面做勻速運動 B.線圈沿自身所在的平面做加速運動 C.線圈繞任意一條直徑做勻速轉(zhuǎn)動 D.a(chǎn)b連在一起,線圈繞任意一條直徑做變速轉(zhuǎn)動 答案 D 解析 B、C兩個選項錯誤的原因是線圈沒有形成回路,A選項錯誤的原因是勻速平移不會改變磁通量的大?。? 8.(多選)如圖5所示,在勻強磁場中有兩條平行的金屬導(dǎo)軌,磁場方向與導(dǎo)軌平面垂直.導(dǎo)軌上有兩條可沿導(dǎo)軌自由移動的金屬棒ab、cd,與導(dǎo)軌接觸良好.這兩條金屬棒ab、cd的運動速度分別是v1、v2,若井字形回路中有感應(yīng)電流通過,則可能(  ) 圖5 A.v1>v2 B.v1

21、.無法確定 答案 AB 9.(多選)如圖6所示,開始時矩形線框與勻強磁場的方向垂直,且一半在磁場內(nèi),一半在磁場外,若要使線框中產(chǎn)生感應(yīng)電流,下列方法中可行的是(  ) 圖6 A.將線框向左拉出磁場 B.以ab邊為軸轉(zhuǎn)動 C.以ad邊為軸轉(zhuǎn)動(小于60°) D.以bc邊為軸轉(zhuǎn)動(小于60°) 答案 ABC 解析 將線框向左拉出磁場的過程中,線框的bc部分做切割磁感線運動,或者說穿過線框的磁通量減少,所以線框中將產(chǎn)生感應(yīng)電流; 當(dāng)線框以ab邊為軸轉(zhuǎn)動時,線框的cd邊的右半段在做切割磁感線運動,或者說穿過線框的磁通量在發(fā)生變化,所以線框中將產(chǎn)生感應(yīng)電流; 當(dāng)線框以ad邊為軸

22、轉(zhuǎn)動(小于60°)時,穿過線框的磁通量在減小,所以在這個過程中線框中會產(chǎn)生感應(yīng)電流.如果轉(zhuǎn)過的角度超過60°(60°~300°),bc邊將進入無磁場區(qū),那么線框中將不產(chǎn)生感應(yīng)電流; 當(dāng)線框以bc邊為軸轉(zhuǎn)動時,如果轉(zhuǎn)動的角度小于60°,則穿過線框的磁通量始終保持不變(其值為磁感應(yīng)強度與矩形線框面積的一半的乘積). 10.某學(xué)生做觀察電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實驗,將電流表、線圈A和B、蓄電池、開關(guān)用導(dǎo)線連接成如圖7所示的實驗電路,當(dāng)他接通、斷開開關(guān)時,電流表的指針都沒有偏轉(zhuǎn),其原因是(  ) 圖7 A.開關(guān)位置接錯 B.電流表的正、負極接反 C.線圈B的接頭3、4接反 D.蓄電池的正、負極

23、接反 答案 A 解析 圖中所示開關(guān)的連接不能控制含有電源的電路中電流的通斷.而本實驗的內(nèi)容之一就是用來研究在開關(guān)通斷瞬間,電流的有無是否導(dǎo)致磁場發(fā)生變化,進而產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況.因而圖中接法達不到目的.關(guān)鍵是開關(guān)沒有起到控制電源接通、斷開的作用,開關(guān)應(yīng)串聯(lián)到電源和接頭1、2之間. 11.如圖8所示,固定于水平面上的金屬架CDEF處在豎直向下的勻強磁場中,金屬棒MN沿框架以速度v向右做勻速運動.t=0時刻,磁感應(yīng)強度為B0,此時刻MN到達的位置使MDEN構(gòu)成一個邊長為l的正方形.為使MN棒中不產(chǎn)生感應(yīng)電流,從t=0開始,磁感應(yīng)強度B應(yīng)怎樣隨時間t變化?請推導(dǎo)出這種情況下B與t的關(guān)系式. 圖8 答案 B= 解析 要使MN棒中不產(chǎn)生感應(yīng)電流,應(yīng)使穿過線框平面的磁通量不發(fā)生變化,在t=0時刻,穿過線框平面的磁通量 Φ1=B0S=B0l2 設(shè)t時刻的磁感應(yīng)強度為B,此時刻磁通量為 Φ2=Bl(l+vt) 由Φ1=Φ2得B=. 12

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