2017-2018學年高中物理 第1章 電磁感應 第1節(jié) 電磁感應的發(fā)現 第2節(jié) 感應電流產生的條件練習 教科版選修3-2.doc

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第1節(jié)　電磁感應現象的發(fā)現 第2節(jié)　感應電流產生的條件 1．法拉第把引起電流的原因概括為五類，它們都與變化和運動相聯系，即：變化中的電流、變化中的磁場、運動中的恒定電流、運動中的磁鐵、運動中的導體． 2．感應電流的產生條件：穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時，這個閉合電路中就有感應電流產生． 3．在物理學的發(fā)展過程中，許多物理學家的科學發(fā)現推動了人類歷史的進步，在對以下幾位物理學家所做科學貢獻的敘述中，不正確的說法是(　　) A．庫侖發(fā)現了電流的磁效應 B．愛因斯坦創(chuàng)立了相對論 C．法拉第發(fā)現了電磁感應現象 D．牛頓提出了萬有引力定律奠定了天體力學的基礎 答案　A 解析　奧斯特發(fā)現電流的磁效應，A錯誤，B、C、D項正確． 4．關于磁通量，下列說法中正確的是(　　) A．磁通量不僅有大小，而且有方向，所以是矢量 B．磁通量越大，磁感應強度越大 C．通過某一面的磁通量為零，該處磁感應強度不一定為零 D．磁通量就是磁感應強度 答案　C 解析　磁通量是標量，故A不對；由Φ＝BS⊥可知Φ由B和S⊥兩個因素決定，Φ較大，有可能是由于S⊥較大造成的，所以磁通量越大，磁感應強度越大是錯誤的，故B不對；由Φ＝BS⊥可知，當線圈平面與磁場方向平行時，S⊥＝0，Φ＝0，但磁感應強度B不為零，故C對；磁通量和磁感應強度是兩個不同的物理量，故D不對． 5．如圖所示，用導線做成圓形或正方形回路，這些回路與一直導線構成幾種位置組合(彼此絕緣)，下列組合中，切斷直導線中的電流時，閉合回路中會有感應電流產生的是(　　) 答案　CD 解析　利用安培定則判斷直線電流產生的磁場，其磁感線是一些以直導線為軸的無數組同心圓，即磁感線所在平面均垂直于導線，且直線電流產生的磁場分布情況是：靠近直導線處磁場強，遠離直導線處磁場弱．所以，A中穿過圓形線圈的磁場如圖甲所示，其有效磁通量為ΦA＝Φ出－Φ進＝0，且始終為0，即使切斷導線中的電流，ΦA也始終為0，A中不可能產生感應電流．B中線圈平面與導線的磁場平行，穿過B的磁通量也始終為0，B中也不能產生感應電流．C中穿過線圈的磁通量如圖乙所示，Φ進>Φ出，即ΦC≠0，當切斷導線中電流后，經過一定時間，穿過線圈的磁通量ΦC減小為0，所以C中有感應電流產生；D中線圈的磁通量ΦD不為0，當電流切斷后，ΦD最終也減小為0，所以D中也有感應電流產生． 【概念規(guī)律練】 知識點一　磁通量的理解及其計算 1．如圖1所示，有一個100匝的線圈，其橫截面是邊長為L＝0.20m的正方形，放在磁感應強度為B＝0.50T的勻強磁場中，線圈平面與磁場垂直．若將這個線圈橫截面的形狀由正方形改變成圓形(橫截面的周長不變)，在這一過程中穿過線圈的磁通量改變了多少？ 圖1 答案　5.510－3Wb 解析　線圈橫截面為正方形時的面積 S1＝L2＝(0.20)2m2＝4.010－2m2. 穿過線圈的磁通量 Φ1＝BS1＝0.504.010－2Wb＝2.010－2Wb 橫截面形狀為圓形時，其半徑r＝4L/2π＝2L/π. 截面積大小S2＝π(2L/π)2＝m2 穿過線圈的磁通量 Φ2＝BS2＝0.504/(25π) Wb≈2.5510－2Wb. 所以，磁通量的變化 ΔΦ＝Φ2－Φ1＝(2.55－2.0)10－2Wb＝5.510－3Wb 點評　磁通量Φ＝BS的計算有幾點要注意： (1)S是指閉合回路中包含磁場的那部分有效面積； B是勻強磁場中的磁感應強度． (2)磁通量與線圈的匝數無關，也就是磁通量大小不受線圈匝數的影響．同理，磁通量的變化量ΔΦ＝Φ2－Φ1也不受線圈匝數的影響．所以，直接用公式求Φ、ΔΦ時，不必去考慮線圈匝數n. 2．如圖2所示，線圈平面與水平方向成θ角，磁感線豎直向下，設磁感應強度為B，線圈面積為S，則穿過線圈的磁通量Φ＝________. 圖2 答案　BScosθ 解析　線圈平面abcd與磁場不垂直，不能直接用公式Φ＝BS計算，可以用不同的分解方法進行．可以將平面abcd向垂直于磁感應強度的方向投影，使用投影面積；也可以將磁感應強度沿垂直于平面和平行于平面正交分解，使用磁感應強度的垂直分量． 解法一：把面積S投影到與磁場B垂直的方向，即水平方向a′b′cd，則S⊥＝Scosθ，故Φ＝BS⊥＝BScosθ. 解法二：把磁場B分解為平行于線圈平面的分量B∥和垂直于線圈平面的分量B⊥，顯然B∥不穿過線圈，且B⊥＝Bcosθ，故Φ＝B⊥S＝BScosθ. 點評　在應用公式Φ＝BS計算磁通量時，要特別注意B⊥S的條件，應根據實際情況選擇不同的方法，千萬不要亂套公式． 知識點二　感應電流產生的條件 3．下列情況能產生感應電流的是(　　) 　　 圖3 A．如圖甲所示，導體AB順著磁感線運動 B．如圖乙所示，條形磁鐵插入或拔出線圈時 C．如圖丙所示，小螺線管A插入大螺線管B中不動，開關S一直接通時 D．如圖丙所示，小螺線管A插入大螺線管B中不動，開關S一直接通，當改變滑動變阻器的阻值時 答案　BD 解析　A中導體棒順著磁感線運動，穿過閉合電路的磁通量沒有發(fā)生變化無感應電流，故A錯；B中條形磁鐵插入線圈時線圈中的磁通量增加，拔出時線圈中的磁通量減少，都有感應電流，故B正確；C中開關S一直接通，回路中為恒定電流，螺線管A產生的磁場穩(wěn)定，螺線管B中的磁通量無變化，線圈中不產生感應電流，故C錯；D中開關S接通滑動變阻器的阻值變化使閉合回路中的電流變化，螺線管A的磁場變化，螺線管B中磁通量變化，線圈中產生感應電流，故D正確． 點評　電路閉合，磁通量變化，是產生感應電流的兩個必要條件，缺一不可．電路中有沒有磁通量不是產生感應電流的條件，如果穿過電路的磁通量盡管很大但不變化，那么無論有多大，都不會產生感應電流． 4．如圖4所示，線圈Ⅰ與電源、開關、滑動變阻器相連，線圈Ⅱ與電流計G相連，線圈Ⅰ與線圈Ⅱ繞在同一個鐵芯上，在下列情況下，電流計G中有示數的是(　　) 圖4 A．開關閉合瞬間 B．開關閉合一段時間后 C．開關閉合一段時間后，來回移動變阻器滑動端 D．開關斷開瞬間 答案　ACD 解析　A中開關閉合前，線圈Ⅰ、Ⅱ中均無磁場，開關閉合瞬間，線圈Ⅰ中電流從無到有形成磁場，穿過線圈Ⅱ的磁通量從無到有，線圈Ⅱ中產生感應電流，電流計G有示數．故A正確．B中開關閉合一段時間后，線圈Ⅰ中電流穩(wěn)定不變，電流的磁場不變，此時線圈Ⅱ雖有磁通量但磁通量穩(wěn)定不變，線圈Ⅱ中無感應電流產生，電流計G中無示數．故B錯誤．C中開關閉合一段時間后，來回移動滑動變阻器滑動端，電阻變化，線圈Ⅰ中的電流變化，電流形成的磁場也發(fā)生變化，穿過線圈Ⅱ的磁通量也發(fā)生變化，線圈Ⅱ中有感應電流產生，電流計G中有示數．故C正確．D中開關斷開瞬間，線圈Ⅰ中電流從有到無，電流的磁場也從有到無，穿過線圈Ⅱ的磁通量也從有到無發(fā)生變化，線圈Ⅱ中有感應電流產生，電流計G中有示數．故D正確． 點評　變化的電流引起閉合線圈中磁通量的變化，是產生感應電流的一種情況． 【方法技巧練】 一、磁通量變化量的求解方法 5．面積為S的矩形線框abcd，處在磁感應強度為B的勻強磁場中，磁場方向與線框平面成θ角(如圖5所示)，當線框以ab為軸順時針轉90時，穿過abcd面的磁通量變化量ΔΦ＝________. 圖5 答案?。瑽S(cosθ＋sinθ) 解析　磁通量由磁感應強度矢量在垂直于線框面上的分量決定． 開始時B與線框面成θ角，磁通量為Φ＝BSsinθ；線框面按題意方向轉動時，磁通量減少，當轉動90時，磁通量變?yōu)椤柏摗敝?，?＝－BScosθ.可見，磁通量的變化量為 ΔΦ＝Φ2－Φ1＝－BScosθ－BSsinθ ＝－BS(cosθ＋sinθ) 實際上，在線框轉過90的過程中，穿過線框的磁通量是由正向BSsinθ減小到零，再由零增大到負向BScosθ. 方法總結　磁通量雖是標量，但有正、負，正、負號僅表示磁感線從不同的方向穿過平面，不表示大?。? 6．如圖6所示，通電直導線下邊有一個矩形線框，線框平面與直導線共面．若使線框逐漸遠離(平動)通電導線，則穿過線框的磁通量將(　　) 圖6 A．逐漸增大　　　　B．逐漸減小 C．保持不變D．不能確定 答案　B 解析　當矩形線框在線框與直導線決定的平面內逐漸遠離通電導線平動時，由于離開導線越遠，磁場越弱，而線框的面積不變，則穿過線框的磁通量將減小，所以B正確． 方法總結　引起磁通量變化一般有四種情況 (1)磁感應強度B不變，有效面積S變化，則ΔΦ＝Φt－Φ0＝BΔS(如知識點一中的1題) (2)磁感應強度B變化，磁感線穿過的有效面積S不變， 則ΔΦ＝Φt－Φ0＝ΔBS(如此題) (3)線圈平面與磁場方向的夾角θ發(fā)生變化時，即線圈在垂直于磁場方向的投影面積S⊥＝Ssinθ發(fā)生變化，從而引起穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，即B、S不變，θ變化．(如此欄目中的5題) (4)磁感應強度B和回路面積S同時發(fā)生變化的情況，則ΔΦ＝Φt－Φ0≠ΔBΔS 二、感應電流有無的判斷方法 7．如圖7所示的勻強磁場中有一個矩形閉合導線框，在下列四種情況下，線框中會產生感應電流的是(　　) 圖7 A．線框平面始終與磁感線平行，線框在磁場中左右運動 B．線框平面始終與磁感線平行，線框在磁場中上下運動 C．線框繞位于線框平面內且與磁感線垂直的軸線AB轉動 D．線框繞位于線框平面內且與磁感線平行的軸線CD轉動 答案　C 解析　四種情況中初始位置線框均與磁感線平行，磁通量為零，按A、B、D三種情況線圈移動后，線框仍與磁感線平行，磁通量保持為零不變，線框中不產生感應電流．C中線圈轉動后，穿過線框的磁通量不斷發(fā)生變化，所以產生感應電流，C項正確． 方法總結　(1)判斷有無感應電流產生的關鍵是抓住兩個條件：①電路是否為閉合電路；②穿過電路本身的磁通量是否發(fā)生變化，其主要內涵體現在“變化”二字上．電路中有沒有磁通量不是產生感應電流的條件，如果穿過電路的磁通量很大但不變化，那么不論有多大，也不會產生感應電流． (2)分析磁通量是否變化時，既要弄清楚磁場的磁感線分布，又要注意引起磁通量變化的三種情況：①由于線框所在處的磁場變化引起磁通量變化；②由于線框所在垂直于磁場方向的投影面積變化引起磁通量變化；③有可能是磁場及其垂直于磁場的面積都發(fā)生變化． 8．下列情況中都是線框在磁場中切割磁感線運動，其中線框中有感應電流的是(　　) 答案　BC 解析　A中雖然導體“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，沒有感應電流．B中導體框的一部分導體“切割”了磁感線，穿過線框的磁感線條數越來越少，線框中有感應電流．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增加，線框中有感應電流．D中線框盡管是部分切割，但磁感線條數不變，無感應電流，故選B、C. 方法總結　在利用“切割”來討論和判斷有無感應電流時，應該注意： ①導體是否將磁感線“割斷”，如果沒有“割斷”就不能說切割．如下圖所示，甲、乙兩圖中，導線是真“切割”，而圖丙中，導體沒有切割磁感線． ②即使導體真“切割”了磁感線，也不能保證就能產生感應電流．例如上題中A、D選項情況，如果由切割不容易判斷，還是要回歸到磁通量是否變化上去． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1．下列現象中，屬于電磁感應現象的是(　　) A．小磁針在通電導線附近發(fā)生偏轉 B．通電線圈在磁場中轉動 C．因閉合線圈在磁場中運動而產生的電流 D．磁鐵吸引小磁針 答案　C 解析　電磁感應是指“磁生電”的現象，而小磁針和通電線圈在磁場中轉動，反映了磁場力的性質，所以A、B、D不是電磁感應現象，C是電磁感應現象． 2．在電磁感應現象中，下列說法正確的是(　　) A．導體相對磁場運動，導體內一定產生感應電流 B．導體做切割磁感線運動，導體內一定會產生感應電流 C．閉合電路在磁場內做切割磁感線運動，導體內一定會產生感應電流 D．穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，在電路中一定會產生感應電流 答案　D 解析　本題的關鍵是理解產生感應電流的條件．首先是“閉合電路”，A、B兩項中電路是否閉合不確定，故A、B兩項錯誤；其次當電路閉合時，只有一部分導體切割磁感線才產生感應電流，C項錯誤；當閉合電路中磁通量發(fā)生變化時，電路中產生感應電流，D項正確．故正確答案為D. 3．一個閉合線圈中沒有感應電流產生，由此可以得出(　　) A．此時此地一定沒有磁場 B．此時此地一定沒有磁場的變化 C．穿過線圈平面的磁感線條數一定沒有變化 D．穿過線圈平面的磁通量一定沒有變化 答案　D 解析　磁感線條數不變不等于磁通量不變． 4．如圖8所示，通電螺線管水平固定，OO′為其軸線，a、b、c三點在該軸線上，在這三點處各放一個完全相同的小圓環(huán)，且各圓環(huán)平面垂直于OO′軸．則關于這三點的磁感應強度Ba、Bb、Bc的大小關系及穿過三個小圓環(huán)的磁通量Φa、Φb、Φc的大小關系，下列判斷正確的是(　　) 圖8 A．Ba＝Bb＝Bc，Φa＝Φb＝Φc B．Ba>Bb>Bc，Φa<Φb<Φc C．Ba>Bb>Bc，Φa>Φb>Φc D．Ba>Bb>Bc，Φa＝Φb＝Φc 答案　C 解析　根據通電螺線管產生的磁場特點可知Ba>Bb>Bc，由Φ＝BS可得Φa>Φb>Φc.故C正確． 4．如圖8所示，通電螺線管水平固定，OO′為其軸線，a、b、c三點在該軸線上，在這三點處各放一個完全相同的小圓環(huán)，且各圓環(huán)平面垂直于OO′軸．則關于這三點的磁感應強度Ba、Bb、Bc的大小關系及穿過三個小圓環(huán)的磁通量Φa、Φb、Φc的大小關系，下列判斷正確的是(　　) 圖9 A．BSB．4BS/5 C．3BS/5 D．3BS/4 答案　B 解析　通過線框的磁通量Φ＝BSsinα＝BS. 6．如圖10所示，ab是水平面上一個圓的直徑，在過ab的豎直平面內有一根通電導線ef，已知ef平行于ab，當ef豎直向上平移時，電流產生的磁場穿過圓面積的磁通量將(　　) 圖10 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　導線ef周圍的磁場是以ef為圓心的一系列同心圓，水平面上的圓上的不同點到ef的距離不同，相當于在半徑不同的圓周上，由于ef∥ab，且ef與ab在同一豎直平面內，因而ef產生的磁場方向正好在ab兩側且對稱地從一邊穿入從另一邊對稱穿出，凈剩磁感線條數為零，因而穿過圓的磁通量為零，當ef向上平移時，穿過圓的磁通量仍為零． 7．如圖11所示，矩形閉合導線與勻強磁場垂直，一定產生感應電流的是(　　) 圖11 A．垂直于紙面平動 B．以一條邊為軸轉動 C．線圈形狀逐漸變?yōu)閳A形 D．沿與磁場垂直的方向平動 答案　BC 8．在如圖所示的各圖中，閉合線框中能產生感應電流的是(　　) 答案　AB 解析　感應電流產生的條件是：只要穿過閉合線圈的磁通量變化，閉合線圈中就有感應電流產生．A圖中，當線圈轉動過程中，線圈的磁通量發(fā)生變化，線圈中有感應電流產生；B圖中離直導線越遠磁場越弱，磁感線越稀，所以當線圈遠離導線時，線圈中磁通量不斷變小，所以B圖中也有感應電流產生；C圖中一定要把條形磁鐵周圍的磁感線空間分布圖弄清楚，在圖示位置，線圈中的磁通量為零，在向下移動過程中，線圈的磁通量一直為零，磁通量不變，線圈中無感應電流產生；D圖中，線圈中的磁通量一直不變，線圈中無感應電流產生．故正確答案為A、B. 9．如圖12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，一半在磁場外，若要使線框中產生感應電流，下列辦法中不可行的是(　　) 圖12 A．將線框向左拉出磁場 B．以ab邊為軸轉動(小于90) C．以ad邊為軸轉動(小于60) D．以bc邊為軸轉動(小于60) 答案　D 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，所以線框中將產生感應電流． 當線框以ab邊為軸轉動時，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，所以線框中將產生感應電流． 當線框以ad邊為軸轉動(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生感應電流．如果轉過的角度超過60(60～300)，bc邊將進入無磁場區(qū)，那么線框中將不產生感應電流． 當線框以bc邊為軸轉動時，如果轉動的角度小于60，則穿過線框的磁通量始終保持不變(其值為磁感應強度與矩形線框面積的一半的乘積)． 10．A、B兩回路中各有一開關S1、S2，且回路A中接有電源，回路B中接有靈敏電流計(如圖13所示)，下列操作及相應的結果可能實現的是(　　) 圖13 A．先閉合S2，后閉合S1的瞬間，電流計指針偏轉 B．S1、S2閉合后，在斷開S2的瞬間，電流計指針偏轉 C．先閉合S1，后閉合S2的瞬間，電流計指針偏轉 D．S1、S2閉合后，在斷開S1的瞬間，電流計指針偏轉 答案　AD 11．線圈A中接有如圖14所示的電源，線圈B有一半的面積處在線圈A中，兩線圈平行但不接觸，則在開關S閉合的瞬間，線圈B中有無感應電流？ 圖14 答案　見解析 解析　有，將S閉合的瞬間，與線圈A組成的閉合電路有電流通過，線圈A產生的磁場要穿過線圈B.線圈A中有環(huán)形電流，其磁場不僅穿過線圈自身所包圍的面積，方向向外，也穿過線圈外的廣大面積，方向向里．但線圈A所包圍的面積內磁通密度大，外圍面積上的磁通密度?。€圈B與A重合的一半面積上向外的磁通量大于另一半面積上向里的磁通量，因此線圈B所包圍的總磁通量不為零，而且方向向外．也就是說，在開關S閉合的瞬間，穿過線圈B的磁通量增加，所以有感應電流． 12．勻強磁場區(qū)域寬為L，一正方形線框abcd的邊長為l，且l>L，線框以速度v通過磁場區(qū)域，如圖15所示，從線框進入到完全離開磁場的時間內，線框中沒有感應電流的時間是多少？ 圖15 答案　 解析　ad邊和bc邊都在磁場外時，線框中的磁通量不變，沒有感應電流． 線圈中沒有感應電流的時間為t＝. 13．勻強磁場的磁感應強度B＝0.8T，矩形線圈abcd的面積S＝0.5m2，共10匝，開始B與S垂直且線圈有一半在磁場中，如圖16所示． (1)當線圈繞ab邊轉過60時，線圈的磁通量以及此過程中磁通量的改變量為多少？ (2)當線圈繞dc邊轉過60時，求線圈中的磁通量以及此過程中磁通量的改變量． 圖16 答案　見解析 解析　(1)當線圈繞ab轉過60時，Φ＝BS⊥＝BScos60＝0.80.5Wb＝0.2Wb(此時的S⊥正好全部處在磁場中)．在此過程中S⊥沒變，穿過線圈的磁感線條數沒變，故磁通量變化量ΔΦ＝0.(2)當線圈繞dc邊轉過60時，Φ＝BS⊥，此時沒有磁場穿過S⊥，所以Φ＝0；不轉時Φ1＝B＝0.2Wb，轉動后Φ2＝0，ΔΦ＝Φ2－Φ1＝－0.2Wb，故磁通量改變了0.2Wb.