2018版高中物理 第1章 電磁感應(yīng) 1.1 磁生電的探索學(xué)案 魯科版選修3-2.docx

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第1講　磁生電的探索 [目標(biāo)定位]　1.知道奧斯特實(shí)驗(yàn)、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(shí)驗(yàn)觀察和實(shí)驗(yàn)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(huì)利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的條件解決實(shí)際問題． 一、電磁感應(yīng)的探索歷程 1．電生磁：1820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)． 2．磁生電：1821年，法拉第開始了磁生電的研究.1831年，他終于悟出了磁生電的基本原理，進(jìn)一步揭示了電和磁的內(nèi)在聯(lián)系． 二、科學(xué)探究——感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件 1．導(dǎo)體棒在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 如圖1所示，將可移動(dòng)導(dǎo)體AB放置在磁場(chǎng)中，并和電流表組成閉合回路．實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象如下： 圖1 實(shí)驗(yàn)操作 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 (有無電流) 實(shí)驗(yàn)探究結(jié)論 導(dǎo)體棒靜止 無 導(dǎo)體AB切割磁感線，改變了回路在磁場(chǎng)中的面積，通過閉合回路的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生了感應(yīng)電流 導(dǎo)體棒平行磁感線運(yùn)動(dòng) 無 導(dǎo)體棒切割磁感線運(yùn)動(dòng) 有 2.磁鐵在螺線管中運(yùn)動(dòng) 如圖2所示，將螺線管與電流表組成閉合回路，把條形磁鐵插入或拔出螺線管．實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象如下： 圖2 實(shí)驗(yàn)操作 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 (有無電流) 實(shí)驗(yàn)探究結(jié)論 N極插入線圈 有 將磁鐵插入或拔出螺線管時(shí)，通過螺線管閉合回路的磁場(chǎng)發(fā)生變化，引起磁通量發(fā)生變化，有感應(yīng)電流產(chǎn)生 N極停在線圈中 無 N極從線圈中抽出 有 S極插入線圈 有 S極停在線圈中 無 S極從線圈中抽出 有 3.如圖3所示，線圈A通過變阻器和開關(guān)連接到電源上，線圈B的兩端連到電流表上，把線圈A裝在線圈B的里面．實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象如下： 圖3 實(shí)驗(yàn)操作 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(線圈B中有無電流) 實(shí)驗(yàn)探究結(jié)論 開關(guān)閉合瞬間 有 導(dǎo)體、磁場(chǎng)都沒有發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但螺線管A中的電流發(fā)生變化時(shí)，引起穿過螺線管B的磁通量發(fā)生變化，閉合螺線管B中有感應(yīng)電流產(chǎn)生 開關(guān)斷開瞬間 有 開關(guān)閉合時(shí)，滑動(dòng)變阻器不動(dòng) 無 開關(guān)閉合時(shí)，迅速移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片 有 想一想　1.思考以上幾個(gè)產(chǎn)生感應(yīng)電流的實(shí)例： (1)將實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)2比較，實(shí)驗(yàn)3中的螺線管A的作用是什么？ (2)產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件都跟哪個(gè)物理量有關(guān)？ 答案　(1)等效磁鐵；(2)磁通量以及磁通量的變化． 想一想　2.哪些情況可以引起磁通量Φ的變化？ 答案　由Φ＝BS可知，磁通量的變化有三種情況：①磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，有效面積S變化；②磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化，有效面積S不變；③磁感應(yīng)強(qiáng)度B和有效面積S同時(shí)發(fā)生變化． 4．實(shí)驗(yàn)結(jié)論：只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生． 5．因磁通量的變化產(chǎn)生電流的現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)，所產(chǎn)生的電流叫做感應(yīng)電流. 一、磁通量的理解及變化分析 1．磁通量的計(jì)算 (1)B與S垂直時(shí)：Φ＝BS，S為線圈的有效面積．如圖4(a)所示． (2)B與S不垂直時(shí)：Φ＝BS⊥＝B⊥S，S⊥為線圈在垂直磁場(chǎng)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(chǎng)時(shí)，規(guī)定某個(gè)方向的磁通量為正，反方向的磁通量為負(fù)，求其代數(shù)和，如圖(d)所示． 圖4 2．磁通量是標(biāo)量，但有正負(fù)，其正負(fù)表示與規(guī)定的穿入方向相同或相反，穿過某一面的磁通量等于各部分磁通量的代數(shù)和． 3.磁通量變化的四種情況： 情況 圖示舉例 磁通量變化 B不變， S變化 ΔΦ＝BΔS B變化， S不變化 ΔΦ＝ΔBS B變化， S也變化 ΔΦ＝B2S2－B1S1 B不變， S不變， θ變化 ΔΦ＝BS(sin θ2－sin θ1) (θ為閉合回路與磁場(chǎng)方向的夾角) 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(shí)，磁通量是指穿過某一面磁感線的“凈”條數(shù)，即指不同方向的磁感線的條數(shù)差． 例1　如圖5所示，虛線框內(nèi)有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，a，b為垂直磁場(chǎng)放置的兩個(gè)圓環(huán)，分別用Φa和Φb表示穿過兩個(gè)圓環(huán)的磁通量，則下列表述正確的是(　　) 圖5 A．Φa>Φb B．Φa＝Φb C．Φa<Φb D．無法確定 解析　本題利用公式Φ＝BS進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算時(shí)注意S為垂直磁場(chǎng)方向所圍磁場(chǎng)的有效面積，不一定是線圈的面積，同時(shí)注意磁通量與線圈的匝數(shù)無關(guān)．由于磁場(chǎng)在圓環(huán)a、b中的面積相等，所以穿過兩個(gè)圓環(huán)的磁通量是相等的，則Φa＝Φb，B正確．故選B. 答案　B 例2　如圖6所示，有一個(gè)垂直紙面向里的有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)，B1＝0.8 T，磁場(chǎng)的邊界為圓形，圓心為O，半徑為1 cm.現(xiàn)于紙面內(nèi)先后放上三個(gè)圓線圈，圓心均在O處，A線圈半徑為1 cm,10 匝；B線圈半徑為2 cm，1 匝；C線圈半徑為0.5 cm,1 匝．求： 圖6 (1)在B1減至0.4 T的過程中，A和B中磁通量各改變了多少． (2)在磁場(chǎng)轉(zhuǎn)過30角的過程中，C中磁通量改變了多少． 解析　本題主要考查磁通量改變量的求解，可由ΔΦ＝Φ2－Φ1來求．注意Φ＝BS中的S為對(duì)磁通量有貢獻(xiàn)的有效面積． (1)對(duì)A線圈： Φ1＝B1πR2，Φ2＝B2πR2. 磁通量改變量ΔΦA(chǔ)＝|Φ2－Φ1|＝(0.8－0.4)3.14(110－2)2Wb＝1.25610－4Wb. 對(duì)B線圈： ΔΦB＝|Φ2－Φ1|＝(0.8－0.4)3.14(110－2)2Wb＝1.25610－4Wb. (2)對(duì)C線圈： Φ1′＝B1πr2，在磁場(chǎng)轉(zhuǎn)過30角的過程中，Φ2′＝B1πr2cos 30. 磁通量改變量ΔΦC＝|Φ2′－Φ1′|＝B1πr2(1－cos 30)＝0.83.14(510－3)2(1－0.866)Wb≈8.410－6Wb. 針對(duì)訓(xùn)練1　如圖7所示，線框與通電直導(dǎo)線均位于水平面內(nèi)，當(dāng)線框abcd由實(shí)線位置在水平面內(nèi)向右水平移動(dòng)，逐漸移動(dòng)到虛線位置，穿過線框的磁通量如何變化？ 圖7 答案　線框的水平移動(dòng)，可分為三個(gè)階段．第一階段，從實(shí)線位置開始至bc邊到達(dá)直導(dǎo)線位置，穿過線框的磁通量逐漸增大．第二階段，從bc邊抵達(dá)直導(dǎo)線處開始至ad邊到達(dá)直導(dǎo)線為止，由于向外的磁感線逐漸減少，向里的磁感線逐漸增多，所以穿過線框的總磁通量先減少(當(dāng)ab、dc兩邊中點(diǎn)連線與直導(dǎo)線重合時(shí)，磁通量為零)后增大．第三階段，從ad邊離開直導(dǎo)線向右運(yùn)動(dòng)開始至線框抵達(dá)虛線位置為止，穿過線框的磁通量逐漸減少． 解析　直線電流I產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁感線的形狀是以導(dǎo)線上的點(diǎn)為圓心的在豎直平面內(nèi)的一組組同心圓，在電流I的右邊磁感線的方向垂直水平面向里，在電流I的左邊磁感線的方向垂直水平面向外．磁感線的疏密分布是越靠近導(dǎo)線磁感線越密，離導(dǎo)線越遠(yuǎn)磁感線越稀疏． 二、產(chǎn)生感應(yīng)電流的判斷 1．產(chǎn)生條件 (1)電路閉合． (2)磁通量發(fā)生變化． 如果回路不閉合，不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，但仍會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，就好比直流電路一樣，電路不閉合，沒有電流，但電源仍然存在． 2．注意事項(xiàng) (1)注意磁感線的反穿情況，磁通量指的是穿過某面的磁感線的“凈”條數(shù)． (2)磁通量是指穿過某面的合磁通量． 例3　下圖中能產(chǎn)生感應(yīng)電流的是(　　) 答案　B 解析　根據(jù)產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件：A中，電路沒閉合，無感應(yīng)電流；B中，面積增大，閉合電路的磁通量增大，有感應(yīng)電流；C中，穿過線圈的磁感線相互抵消，Φ恒為零，無感應(yīng)電流；D中，磁通量不發(fā)生變化，無感應(yīng)電流． 針對(duì)訓(xùn)練2　在一長(zhǎng)直導(dǎo)線中通以如圖8所示的恒定電流時(shí)，套在長(zhǎng)直導(dǎo)線上的閉合線環(huán)(環(huán)面與導(dǎo)線垂直，長(zhǎng)直導(dǎo)線通過環(huán)的中心)，當(dāng)發(fā)生以下變化時(shí)，肯定能產(chǎn)生感應(yīng)電流的是(　　) 圖8 A．保持電流不變，使導(dǎo)線環(huán)上下移動(dòng) B．保持導(dǎo)線環(huán)不變，使長(zhǎng)直導(dǎo)線中的電流增大或減小 C．保持電流不變，使導(dǎo)線在豎直平面內(nèi)順時(shí)針(或逆時(shí)針)轉(zhuǎn)動(dòng) D．保持電流不變，環(huán)在與導(dǎo)線垂直的水平面內(nèi)左右水平移動(dòng) 答案　C 解析　產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是磁通量發(fā)生改變，題圖所示位置環(huán)中沒有磁通量，A、B、D沒有使磁通量發(fā)生改變，所以都錯(cuò)．只有C在轉(zhuǎn)動(dòng)中使得環(huán)中磁通量發(fā)生改變，選C. 對(duì)磁通量及其變化的理解 1．關(guān)于磁通量的概念，以下說法中正確的是(　　) A．磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，穿過閉合回路的磁通量也越大 B．磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，線圈面積越大，則磁通量也越大 C．穿過線圈的磁通量為零，但磁感應(yīng)強(qiáng)度不一定為零 D．磁通量發(fā)生變化，一定是磁場(chǎng)發(fā)生變化引起的 答案　C 解析　穿過閉合回路的磁通量大小取決于磁感應(yīng)強(qiáng)度、回路所圍面積以及兩者夾角三個(gè)因素，所以只了解其中一個(gè)或兩個(gè)因素?zé)o法確定磁通量的變化情況，A、B項(xiàng)錯(cuò)誤；同樣由磁通量的特點(diǎn)，也無法判斷其中一個(gè)因素的情況，C項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)誤． 2．恒定的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中有一個(gè)圓形閉合線圈，線圈平面垂直于磁場(chǎng)方向，當(dāng)線圈在此磁場(chǎng)中做下列哪種運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過線圈的磁通量發(fā)生了變化(　　) A．線圈沿自身所在的平面做勻速運(yùn)動(dòng) B．線圈沿自身所在的平面做加速運(yùn)動(dòng) C．線圈繞任一直徑做勻速轉(zhuǎn)動(dòng) D．線圈繞任一直徑做變速轉(zhuǎn)動(dòng) 答案　CD 產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件 3．金屬矩形線圈abcd在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做如圖所示的運(yùn)動(dòng)，線圈中有感應(yīng)電流的是(　　) 答案　A 解析　在選項(xiàng)B、C中，線圈中的磁通量始終為零，不產(chǎn)生感應(yīng)電流；選項(xiàng)D中磁通量始終最大，保持不變，不發(fā)生變化，也沒有感應(yīng)電流；選項(xiàng)A中，在線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，磁通量做周期性變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，故A正確． 4．如圖9，A、B兩回路中各有一開關(guān)S1、S2，且回路A中接有電源，回路B中接有靈敏電流計(jì)，下列操作及相應(yīng)的結(jié)果可能實(shí)現(xiàn)的是(　　) 圖9 A．先閉合S2，后閉合S1的瞬間，電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn) B．S1、S2閉合后，再斷開S2的瞬間，電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn) C．先閉合S1，后閉合S2的瞬間，電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn) D．S1、S2閉合后，再斷開S1的瞬間，電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn) 答案　AD 解析　S2閉合時(shí)，構(gòu)成閉合回路，再閉合或斷開S1的瞬間，通過A的電流變化，導(dǎo)致穿過線圈B的磁通量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，則指針偏轉(zhuǎn)，故A、D正確；若S1保持閉合狀態(tài)，則通過A的電流不變，通過線圈B的磁通量不變，無論S2閉合或打開，都不會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，B、C錯(cuò)誤.