2018-2019高中物理 第3章 劃時代的發(fā)現(xiàn) 3.1 法拉第的探索 3.2 一條來之不易的規(guī)律——法拉第電磁感應(yīng)定律學(xué)案 滬科版選修1 -1.doc

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3．1　法拉第的探索 3．2　一條來之不易的規(guī)律——法拉第電磁感應(yīng)定律 1．(3分)如圖所示中磁感應(yīng)強(qiáng)度B，電流I和安培力F之間的方向關(guān)系錯誤的是(　　) 【解析】　由左手定則不難判定ABC均正確，D選項錯誤，導(dǎo)線所受安培力方向應(yīng)向左．故答案為D. 【答案】　D 2．(3分)(多選)如圖311所示，一導(dǎo)體棒放置在處于勻強(qiáng)磁場中的兩條平行金屬導(dǎo)軌上，并與金屬導(dǎo)軌組成閉合回路．當(dāng)回路中通有電流時，導(dǎo)體棒受到安培力作用，要使安培力增大，可采用的方法有(　　) 圖311 A．增大磁感應(yīng)強(qiáng)度 B．減小磁感應(yīng)強(qiáng)度 C．增大電流 D．減小電流 【解析】　本題考查安培力的計算，由F＝BIL可知A、C正確． 【答案】　AC 3．(4分)(多選)在真空環(huán)境中，原來做勻速直線運(yùn)動的電子進(jìn)入到與它運(yùn)動方向垂直的勻強(qiáng)磁場中，在洛倫茲力的作用下，形成圓弧運(yùn)動軌跡，下面的說法中正確的是 (　　) A．電子所受的洛倫茲力是恒力 B．進(jìn)入磁場后電子動能不變 C．進(jìn)入磁場后電子的速度不變 D．電子所受洛倫茲力的方向始終與運(yùn)動方向垂直 【解析】　電子所受的洛倫茲力方向總與速度方向垂直，洛倫茲力只改變速度的方向，不改變速度的大小，對電子總不做功，故B、D正確，A、C錯． 【答案】　BD 課 標(biāo) 導(dǎo) 思 1.了解電磁感應(yīng)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的歷史過程，體會科學(xué)家探索自然規(guī)律的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)方法． 2．通過實驗，知道電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其產(chǎn)生的條件．(重點) 3．知道法拉第電磁感應(yīng)定律．會用電磁感應(yīng)定律計算感應(yīng)電動勢的大?。?難點) 一、法拉第的探索 1820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，它揭示了電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象之間存在的某種聯(lián)系． 奧斯特發(fā)現(xiàn)了“電生磁”的現(xiàn)象之后，激發(fā)人們?nèi)ヌ剿鳌按派姟钡姆椒?，比較著名的物理學(xué)家有：安培、科拉頓等，都沒有成功或半途而廢． 英國科學(xué)家法拉第始終堅信自然界各種不同現(xiàn)象之間有著聯(lián)系．一直堅持探索電磁感應(yīng)現(xiàn)象．前后歷時數(shù)十年的探索，終于悟出了磁生電的基本原理．磁生電是一種瞬間效應(yīng)，磁作用對電流的感應(yīng)是一種動態(tài)過程． 二、電磁感應(yīng)定律 1．產(chǎn)生感應(yīng)電流的幾種典型情況：正在變化的電流；正在變化著的磁場；運(yùn)動的恒定電流；運(yùn)動的磁鐵；在磁場中運(yùn)動的導(dǎo)體． 2．法拉第實驗 (1)閉合電路的部分導(dǎo)體做切割磁感運(yùn)動時，回路中電流表的指針偏轉(zhuǎn)．如圖312所示． 　　 圖312　　　　　　　　　圖313 (2)磁鐵與螺線管有相對運(yùn)動時也能產(chǎn)生電流：在條形磁鐵插入或撥出螺線管的瞬間，電流表的指針偏轉(zhuǎn)．條形磁鐵在螺線管中保持不動時，電流表的指針不偏轉(zhuǎn)．如圖313所示． (3)如圖314，接通或斷開開關(guān)S，或接通S后移動變阻器的滑片，改變原線圈A中的電流大小，副線圈B中電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)． 圖314 3．從現(xiàn)象到本質(zhì) 穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，電路中就產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象．電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電流叫感應(yīng)電流． 4．從定性到定量 法拉第電磁感應(yīng)定律 (1)內(nèi)容：電路中感應(yīng)電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比． (2)公式E＝n，n為線圈的匝數(shù)，E、ΔΦ、Δt的單位分別為V、Wb、s. 一、對產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件的理解 1．感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件：一是電路本身必須閉合，二是穿過回路本身的磁通量發(fā)生變化，主要體現(xiàn)在“變化”上，回路中穿過的磁通量大小，是否為零不是產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，如果穿過回路的磁通量很大但無變化，那么無論多么大，都不會產(chǎn)生感應(yīng)電流． 【特別提醒】　產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件與磁通量的變化有關(guān)，與磁通量的大小無關(guān). 2．產(chǎn)生感應(yīng)電流的方法 (1)閉合電路的一部分導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動 如圖315所示，導(dǎo)體AB做切割磁感線運(yùn)動時，線路中有電流產(chǎn)生，而導(dǎo)體AB順著磁感線運(yùn)動時，線路中無電流產(chǎn)生． 圖315 (2)磁鐵在線圈中運(yùn)動 如圖316所示，條形磁鐵插入或拔出線圈時，線圈中有電流產(chǎn)生，但磁鐵在線圈中靜止不動時，線路中無電流產(chǎn)生． 圖316 (3)改變螺線管AB中的電流 如圖317所示，將小螺線管AB插入大螺線管CD中不動，當(dāng)開關(guān)S接通或斷開時，電流表中有電流通過；若開關(guān)S一直接通，當(dāng)改變滑動變阻器的阻值時，電流表中也有電流通過． 圖317 二、如何區(qū)分磁通量Φ、磁通量的變化量ΔΦ，磁通量的變化率 物理量 單位 物理意義 磁通量Φ Wb 表示某時刻或某位置時穿過某一面積的磁感線條數(shù)的多少 磁通量的 變化量ΔΦ Wb 表示在某一過程中穿過某一面積磁通量變化的多少 磁通量的 變化率 Wb/s 表示穿過某一面積的磁通量變化的快慢 1.Φ是狀態(tài)量，是閉合回路在某時刻(某位置)穿過回路的磁感線的條數(shù)，當(dāng)磁場與回路平面垂直時，Φ＝BS. 2．ΔΦ是過程量，是表示閉合回路從某一時刻變化到另一時刻的磁通量的增減，即ΔΦ＝Φ2Φ1.常見磁通量變化方式有：B不變，S變；S不變，B變；B和S都變，回路在磁場中相對位置改變(如轉(zhuǎn)動等)．總之，只要影響磁通量的因素發(fā)生變化，磁通量就會變化． 3.表示磁通量的變化快慢，即單位時間內(nèi)磁通量的變化，又稱為磁通量的變化率． 【特別提醒】　Φ、ΔΦ、的大小沒有直接關(guān)系，這一點可與運(yùn)動學(xué)中v、Δv、三者類比.值得指出的是：Φ很大，可能很小；Φ很小，可能很大；Φ＝0，可能不為零(如線圈平面轉(zhuǎn)到與磁感線平行時).當(dāng)Φ按正弦規(guī)律變化時，Φ最大時，＝0，反之，當(dāng)Φ為零時，最大. 三、對法拉第電磁感應(yīng)定律的理解 1．感應(yīng)電動勢的大小決定于穿過電路的磁通量的變化率，與Φ的大小、ΔΦ的大小沒有必然的聯(lián)系，與電路的電阻R也無關(guān)，而感應(yīng)電流的大小與E和R有關(guān)． 2．公式E＝n適用于回路中磁通量發(fā)生變化產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的計算，回路可以閉合，也可以不閉合．感應(yīng)電動勢是整個閉合電路的感應(yīng)電動勢，不是電路中某部分導(dǎo)體的電動勢． 3．公式只表示感應(yīng)電動勢的大小，不涉及方向；切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向用右手定則來判斷． 【深化探究】　產(chǎn)生感應(yīng)電流和產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的條件一樣嗎？ 提示：不論電路是否閉合，只要穿過回路的磁通量發(fā)生變化，回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，而產(chǎn)生感應(yīng)電流，還需要電路是閉合的． 一、對磁通量變化的認(rèn)識 　磁通量是研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象的重要物理量．如圖318所示，通過恒定電流的導(dǎo)線MN與閉合線框共面，第一次將線框由1平移到2，第二次將線框繞cd邊翻轉(zhuǎn)到2，設(shè)先后兩次通過線框的磁通量的變化量分別為ΔΦ1和ΔΦ2，則(　　) 圖318 A．ΔΦ1>ΔΦ2　　　　　　 B．ΔΦ1＝ΔΦ2 C．ΔΦ1<ΔΦ2 D．無法確定 【解析】　設(shè)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1處比在2處要強(qiáng)，若平移線框，則ΔΦ1＝Φ1－Φ2；若轉(zhuǎn)動線框，磁感線是從線框的正反兩面穿過的，一正一負(fù)，因此ΔΦ2＝Φ1＋Φ2.根據(jù)分析知ΔΦ1<ΔΦ2，選項C正確． 【答案】　C 磁通量變化的判斷 (1)磁通量不是矢量，而是一個雙向標(biāo)量，其正負(fù)表示與規(guī)定的正方向相同或相反． (2)確定磁通量變化時要注意考慮始末位置磁通量的符號． 1.有一根由金屬絲繞制成的閉合環(huán)套在條形磁鐵上，如圖319所示，當(dāng)閉合環(huán)收縮導(dǎo)致它所圍的面積減小時： 圖319 (1)穿過它的磁通量是否有變化？如有變化，怎樣變？ (2)閉合環(huán)中是否存在感應(yīng)電流，為什么？ 【解析】　條形磁鐵內(nèi)部的磁感線方向由S極到N極，外部從N極到S極；條形磁鐵外部向下穿過閉合環(huán)的磁通量抵消了一部分內(nèi)部向上穿過的磁通量，當(dāng)環(huán)收縮時被抵消的部分減少，所以穿過閉合環(huán)的磁通量增加，由于穿過環(huán)的磁通量有變化，所以在環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電流． 【答案】　(1)變化；增加　(2)有；因為穿過閉合環(huán)的磁通量有變化 二、感應(yīng)電流有無的判斷 　(多選)如圖3110所示，豎直放置的長直導(dǎo)線通過恒定電流，有一矩形框與導(dǎo)線在同一平面內(nèi)，在下列情況中線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流的是(　　) 圖3110 A．導(dǎo)線中電流變大 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 E．線框以直導(dǎo)線為軸轉(zhuǎn)動 【導(dǎo)析】　根據(jù)產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件來判斷． 【解析】　分析是否產(chǎn)生感應(yīng)電流，關(guān)鍵就是分析穿過閉合線框的磁通量是否變化，而分析磁通量是否有變化，就是搞清楚磁感線的分布，亦即搞清楚磁感線的疏密變化和磁感線方向的變化． 對A選項，因I增大而引起導(dǎo)線周圍的磁場增強(qiáng)，使穿過線框的磁通量增大，故A正確． 對B選項，因離開直導(dǎo)線方向越遠(yuǎn)，磁感線分布越疏，因此線框向右平動時，穿過線框的磁通量變小，故B正確． 對C選項，由下圖甲可知線框向下平動時穿過線框的磁通量不變，故C錯． 對D選項，可用一些特殊位置來分析，當(dāng)線框在圖甲圖示的位置時，穿過線框的磁通量最大，當(dāng)線框轉(zhuǎn)過90時，通過線框的磁通量為零，因此可以判定線框以ab軸轉(zhuǎn)動時磁通量一定變化，故D正確． 對E選項，先畫出俯視圖如下圖乙所示，由圖可看出線框繞直導(dǎo)線轉(zhuǎn)動時，在任何一個位置穿過線框的磁感線條數(shù)均不變，因此無感應(yīng)電流，故E錯． 【答案】　ABD 分析是否產(chǎn)生感應(yīng)電流，關(guān)鍵是分析穿過閉合線圈的磁通量是否變化，分析磁通量是否變化，可通過分析穿過線圈的磁感線條數(shù)是否變化. 2．如圖3111所示，兩個線圈分別繞在一個鐵環(huán)上，線圈A接直流電源，線圈B接靈敏電流表，下列哪種情況不可能使線圈B中產(chǎn)生感應(yīng)電流(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：17592037】 圖3111 A．將開關(guān)S接通或斷開的瞬間 B．開關(guān)S接通一段時間之后 C．開關(guān)S接通后，改變變阻器滑片的位置時 D．拿走鐵環(huán)，再做這個實驗，開關(guān)S接通或斷開的瞬間 【解析】　根據(jù)法拉第對產(chǎn)生感應(yīng)電流的五類概括知，A、C、D選項符合變化的磁場(變化的電流)產(chǎn)生感應(yīng)電流的現(xiàn)象．而開關(guān)S接通一段時間之后，線圈A中是恒定電流，故不能使線圈B中產(chǎn)生感應(yīng)電流． 【答案】　B 三、法拉第電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用 　一個共有10匝的閉合矩形線圈，總電阻為10 Ω，置于水平面上．若穿過線框的磁通量在0.02 s內(nèi)，由垂直紙面向里，從6.410－2 Wb均勻減小到零，再反向均勻增加到9.610－2 Wb.則在此時間內(nèi)，線圈內(nèi)導(dǎo)線中的感應(yīng)電流大小為________A. 【導(dǎo)析】　1.求出磁通量的變化量ΔΦ； 2．用公式E＝n求出感應(yīng)電動勢的大?。? 3．用公式I＝求出感應(yīng)電流的大?。? 【解析】　設(shè)垂直紙面向外為正方向，在0.02 s內(nèi)，磁通量的變化ΔΦ＝Φ2－(－Φ1)＝Φ2＋Φ1＝9.610－2 Wb＋6.410－2 Wb＝0.16 Wb 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律： E＝n＝10 V＝80 V 根據(jù)閉合電路歐姆定律I＝＝ A＝8.0 A. 【答案】　8.0 計算ΔΦ時注意的問題 磁通量的變化ΔΦ≠Φ2－Φ1.在0.02 s內(nèi)磁場的方向發(fā)生了一次反向．設(shè)垂直紙面向外為正方向，則ΔΦ＝Φ2－(－Φ1)＝Φ2＋Φ1. 3．有一正方形單匝線圈abcd處于勻強(qiáng)磁場中，線圈平面與磁場方向垂直，在Δt＝0.5 s的時間內(nèi)，磁通量由Φ1＝3 Wb均勻增加到Φ2＝6 Wb.求： (1)在Δt內(nèi)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢． (2)要使線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢更大，可采取什么措施？ 【解析】　(1)由法拉第電磁感應(yīng)定律得 E＝n＝＝ V＝6 V. (2)由法拉第電磁感應(yīng)定律知，要想增大感應(yīng)電動勢可增加線圈匝數(shù)n或增大磁通量的變化率． 【答案】　(1)6 V　(2)①增加線圈匝數(shù)　②增大磁通量的變化率 1．下列現(xiàn)象中涉及電磁感應(yīng)的是(　　) 【解析】　A，D是磁場對運(yùn)動電荷的作用，C是磁場對電流的作用，B是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象． 【答案】　B 2．如圖3112所示，將一個矩形線圈放入勻強(qiáng)磁場中，若線圈平面平行于磁感線，則下列運(yùn)動中，哪些在線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電流(　　) 圖3112 A．矩形線圈做平行于磁感線的平移運(yùn)動 B．矩形線圈做垂直于磁感線的平移運(yùn)動 C．矩形線圈繞AB邊轉(zhuǎn)動 D．矩形線圈繞BC邊轉(zhuǎn)動 【解析】　A、B、D三個選項中在發(fā)生運(yùn)動狀態(tài)的變化時，沒有引起磁通量的變化，故都沒有發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，所以沒有感應(yīng)電流的產(chǎn)生．C選項中，線圈的磁通量發(fā)生了改變，故線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電流． 【答案】　C 3．若某處的地磁場為勻強(qiáng)磁場，一同學(xué)在該處手拿矩形線圈面向南方，如圖3113所示，則能夠使線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流的操作是(　　) 圖3113 A．上下移動線圈 B．南北移動線圈 C．東西移動線圈 D．將線圈轉(zhuǎn)到水平 【解析】　根據(jù)感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件，只要讓通過線圈中的磁通量發(fā)生變化，回路中就能產(chǎn)生感應(yīng)電流．根據(jù)該處地磁場分布，無論線圈是上下、南北、還是東西移動，通過線圈的磁通量均不變，不能產(chǎn)生感應(yīng)電流．而D項操作，線圈中的磁通量發(fā)生變化，能產(chǎn)生感應(yīng)電流． 【答案】　D 4．一個20匝、面積為200 cm2的圓形線圈放在勻強(qiáng)磁場中，磁場的方向與線圈平面垂直，若該磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.05 s內(nèi)由0.1 T增加到0.5 T，在此過程中，穿過線圈的磁通量變化量為________，磁通量的平均變化率為________，線圈中感應(yīng)電動勢的大小為________． 【解析】　磁通量變化量為ΔΦ＝Φ2－Φ1＝B2S－B1S ＝0.50.02 Wb－0.10.02 Wb＝0.008 Wb， ＝ Wb/s＝0.16 Wb/s， E＝n＝200.16 V＝3.2 V. 【答案】　0.008 Wb　0.16 Wb/s　3.2 V 5.如圖3114所示，水平放置的平行金屬導(dǎo)軌，相距l(xiāng)＝0.50 m，左端接一電阻R＝0.20 Ω，磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0.40 T的勻強(qiáng)磁場，方向垂直于導(dǎo)軌平面，導(dǎo)體棒ab垂直放在導(dǎo)軌上，并能無摩擦地沿導(dǎo)軌滑動，導(dǎo)軌和導(dǎo)體棒的電阻均可忽略不計，當(dāng)ab以v＝4.0 m/s的速度水平向右勻速滑動時，用兩種方法求解ab棒中感應(yīng)電動勢的大小. 【導(dǎo)學(xué)號：17592038】 　　圖3114 【解析】　本題主要考查導(dǎo)體棒做切割磁感線運(yùn)動時感應(yīng)電動勢的求法． 解法一：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得： E＝＝B＝＝0.80 V. 解法二：(感應(yīng)電動勢的變形公式) 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，ab棒中的感應(yīng)電動勢為：E＝Blv＝0.400.504.0 V＝0.80 V. 【答案】　0.80 V