2017-2018學(xué)年高中物理 第四章 電磁感應(yīng) 1 劃時代的發(fā)現(xiàn) 2 探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件學(xué)案 新人教版選修3-2

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1、 1 劃時代的發(fā)現(xiàn) 2 探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件 [目標定位]　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)現(xiàn)象 1.奧斯特夢圓“電生磁” 1820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)通電導(dǎo)線能使放在導(dǎo)線附近的小磁針偏轉(zhuǎn)，這種作用稱為電流的磁效應(yīng). 電流的磁效應(yīng)說明電流能在其周圍產(chǎn)生磁場. 2.法拉第心系“磁生電” 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”的現(xiàn)象，產(chǎn)生的電流叫感應(yīng)電流. 法拉第把引起電流的原因概

2、括為五類：變化的電流、變化的磁場、運動的恒定電流、運動的磁鐵、在磁場中運動的導(dǎo)體. 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)體自身電流發(fā)

3、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、深化理解磁通量及其變化 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： (

4、1)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

5、理量，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

6、，所以ΔФ2＝|(－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＝10 cm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)2 s末穿過線框的磁通量. (2)第3 s內(nèi)穿過線框的磁通量的變化量ΔΦ. 解析　(1)2 s末穿過線框的磁感應(yīng)強度

7、B2＝(2＋3×2) T＝8 T， 由Φ＝BSsin θ，知2 s末穿過線框的磁通量 Φ＝B2Ssin θ＝8×(0.1)2×sin 30° Wb＝4×10－2 Wb. (2)第3 s內(nèi)磁感應(yīng)強度的變化ΔB＝3 T， 所以ΔΦ＝ΔBSsin θ＝3×(0.1)2×sin 30° Wb＝1.5×10－2 Wb. 答案　(1)4×10－2 Wb　(2)1.5×10－2 Wb (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、探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件 1.導(dǎo)體棒在磁場中運動是否產(chǎn)生電流

8、 如圖5所示，將可移動導(dǎo)體AB放置在磁場中，并和電流表組成閉合回路.實驗(1)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.磁鐵在螺線管中運動是否產(chǎn)生電流 如圖6所示，將螺線管與電流表組成閉合回路，把條形磁鐵插入或抽出螺線管.實驗(2)操作及現(xiàn)象如下： 圖6 實驗操作 實驗現(xiàn)象(有無電流) N極插入線圈 有 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.模擬法拉第的實驗 如圖

9、7所示，線圈A通過滑動變阻器和開關(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.實驗(3)操作及現(xiàn)象如下： 圖7 實驗操作 實驗現(xiàn)象(線圈B中有無電流) 開關(guān)閉合瞬間 有 開關(guān)斷開瞬間 有 開關(guān)閉合時，滑動變阻器不動 無 開關(guān)閉合時，迅速移動滑動變阻器的滑片 有 4.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8甲所示)中電流隨時間變化的圖象如圖乙所示，則t＝t0時刻線圈

10、B中有感應(yīng)電流嗎？ 圖8 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)生與Φ無關(guān)，取決于Φ的變化. 例4　下圖中能產(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，磁通量雖然是

11、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)如圖9所示，矩形線框abcd放置在水平面內(nèi)，磁場方向與水平方向成α角，已知sin α＝，回路面積為S，磁感應(yīng)強度為B，則通過線框的磁通量為(　　) 圖9 A.BS B.BS C.BS D.BS 答案　B 解析　根據(jù)磁通量的定義可得通過線框的磁通量Φ＝BSsin α，代入解得Φ＝BS，所以B選項正確. 2.(電磁感應(yīng)現(xiàn)象的產(chǎn)生)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

12、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

13、，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)如圖10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10 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11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11 答案　BS

14、(正、負均可) 解析　由Φ＝BSsin θ，θ＝45°知，初、末狀態(tài)磁通量大小都為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)象的發(fā)現(xiàn) 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

15、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.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. 題組二　磁通量及其變化的分析 2.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

16、A.Φ1>Φ2　　　　　　 B.Φ1<Φ2 C.Φ1＝Φ2 D.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. 3.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. 4.

17、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)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.

18、 題組三　有無感應(yīng)電流的判斷 5.關(guān)于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，下列說法中正確的是(　　) A.閉合線圈放在變化的磁場中，必然有感應(yīng)電流產(chǎn)生 B.閉合正方形線框在勻強磁場中垂直磁感線運動，必然產(chǎn)生感應(yīng)電流 C.穿過閉合線圈的磁通量變化時，線圈中有感應(yīng)電流 D.只要穿過電路的磁通量發(fā)生變化，電路中一定有感應(yīng)電流產(chǎn)生 答案　C 解析　產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件：(1)閉合電路；(2)磁通量Φ發(fā)生變化，兩個條件缺一不可. 6.(多選)下列情況中都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中雖然導(dǎo)體“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，

19、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，閉合圓導(dǎo)線圈平行地放置在勻強磁場中，其中ac、bd分別是平行、垂直于磁場方向的兩直徑.試分析線圈做以下哪種運動時能產(chǎn)生感應(yīng)電流(　　) 圖4 A.使線圈在其平面內(nèi)平動或轉(zhuǎn)動 B.使線圈平面沿垂直紙面方向向紙外平動 C.使線圈以ac為軸轉(zhuǎn)動 D.使線圈以bd為軸稍做轉(zhuǎn)動 答案　D 解析　線圈在勻強磁場中

20、運動，磁感應(yīng)強度B為定值，由ΔФ＝B·ΔS知：只要回路中相對磁場的正對面積改變量ΔS≠0，則磁通量一定要改變，回路中一定有感應(yīng)電流產(chǎn)生.當(dāng)線圈在紙面內(nèi)平動或轉(zhuǎn)動時，線圈相對磁場的正對面積始終為零，因此ΔS＝0，因而無感應(yīng)電流產(chǎn)生，A錯；當(dāng)線圈平面沿垂直紙面方向向紙外平動時，同樣ΔS＝0，因而無感應(yīng)電流產(chǎn)生，B錯；當(dāng)線圈以ac為軸轉(zhuǎn)動時，線圈相對磁場的正對面積改變量ΔS仍為零，回路中仍無感應(yīng)電流，C錯；當(dāng)線圈以bd為軸稍做轉(zhuǎn)動時，線圈相對磁場的正對面積發(fā)生了改變，因此在回路中產(chǎn)生了感應(yīng)電流.故選D. 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

21、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

22、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

23、、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