高中物理 第2章 楞次定律和自感現(xiàn)象 第1節(jié) 感應電流的方向教師用書 魯科版選修3-2

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第1節(jié)　感應電流的方向 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.通過實驗探究感應電流的方向，理解楞次定律的內(nèi)容．(重點) 2．理解右手定則與楞次定律的關系；能區(qū)別右手定則和左手定則．(重點、難點) 3．能從能量守恒的角度來理解楞次定律． 4．會應用楞次定律和右手定則解決有關問題(重點) 探 究 感 應 電 流 的 方 向　楞 次 定 律 1．實驗探究 將螺線管與電流表組成閉合回路，分別將條形磁鐵的N極、S極插入、抽出螺線管，如圖所示，記錄感應電流方向． 甲　　　　　　　乙　　　　　　　丙　　　　　　丁 圖211 2．實驗記錄 (1)線圈內(nèi)磁通量增加時的情況． 圖號 磁場方向 感應電流的方向(俯視) 感應電流的磁場方向 歸納總結(jié) 甲 向下 逆時針 向上 感應電流的磁場阻礙磁通量的增加 丙 向上 順時針 向下 (2)線圈內(nèi)磁通量減少時的情況． 圖號 磁場方向 感應電流方向(俯視) 感應電流的磁場方向 歸納總結(jié) 乙 向下 順時針 向下 感應電流的磁場阻礙磁通量的減少 丁 向上 逆時針 向上 3.實驗結(jié)論 當穿過螺線管的磁通量增加時，感應電流的磁場與原磁場的方向相反；當穿過螺線管的磁通量減少時，感應電流的磁場與原磁場的方向相同． 4．楞次定律 感應電流具有這樣的方向，即感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化．(另一種表述：感應電流引起的效果總是阻礙引起感應電流的原因)． 1．在楞次定律中，阻礙的是磁通量的變化，而不是阻礙磁通量本身．(√) 2．感應電流的磁場總是阻礙磁通量，與磁通量方向相反．() 3．感應電流的磁場可阻止原磁場的變化．() 感應電流的磁場方向與原磁場方向總是相反嗎？ 【提示】　不是，由上面的探究實驗分析可知，當原磁通量增加時，感應電流的磁場方向與原磁場方向相反；當原磁通量減小時，感應電流的磁場方向與原磁場方向相同．可概括為“增反減同”． 圖 探討1：如圖磁鐵插入線圈時，線圈中磁通量怎樣變化？有感應電流嗎？ 【提示】　磁通量增加，有． 探討2：如圖磁鐵拔出線圈時，線圈中磁通量怎樣變化？兩次感應電流方向相同嗎？ 【提示】　磁通量減少，相反． 對楞次定律的理解 1．因果關系 楞次定律反映了電磁感應現(xiàn)象中的因果關系，磁通量發(fā)生變化是原因，產(chǎn)生感應電流是結(jié)果，原因產(chǎn)生結(jié)果，結(jié)果反過來影響原因． 2．“阻礙”的幾個層次 誰阻 礙誰 是感應電流的磁場阻礙引起感應電流的磁場(原磁場)的磁通量的變化 阻礙 什么 阻礙的是磁通量的變化，而不是阻礙磁通量本身 如何 阻礙 當原磁場磁通量增加時，感應電流的磁場方向與原磁場的方向相反；當原磁場磁通量減少時，感應電流的磁場方向與原磁場的方向相同，即“增反減同” 結(jié)果 如何 阻礙并不是阻止，只是延緩了磁通量的變化快慢，這種變化將繼續(xù)進行 3.楞次定律的另一類描述 感應電流的效果，總是要反抗產(chǎn)生感應電流的原因．具體原因不同，反抗的形式也有所不同，具體情況見下表 產(chǎn)生感應電流的原因 感應電流的效果 磁通量增加或減少 增反減同 Φ增加時，感應電流產(chǎn)生反向磁場 Φ減少時，感應電流產(chǎn)生同向磁場 磁體與回路間的相對運動 來拒去留 磁體靠近時，感應電流利用磁場產(chǎn)生斥力 磁體遠離時，感應電流利用磁場產(chǎn)生引力 回路發(fā)生形變 增縮減擴 回路面積增大時，感應電流利用所受安培力使面積縮小；回路面積減小時，感應電流利用所受安培力使面積擴大 通過線圈自身的電流發(fā)生變化 增反減同 原電流增大時，感應電流與之反向 原電流減小時，感應電流與之同向 1.圖213所示，在磁感應強度大小為B、方向豎直向上的勻強磁場中，有一質(zhì)量為m、阻值為R的閉合矩形金屬線框abcd用絕緣輕質(zhì)細桿懸掛在O點，并可繞O點擺動．金屬線框從右側(cè)某一位置由靜止開始釋放，在擺動到左側(cè)最高點的過程中，細桿和金屬線框平面始終處于同一平面，且垂直紙面．則線框中感應電流的方向是(　　) 圖213 A．a(chǎn)→b→c→d→a B．d→c→b→a→d C．先是d→c→b→a→d，后是a→b→c→d→a D．先是a→b→c→d→a，后是d→c→b→a→d 【解析】　一開始由下向上的磁通量在減少，由楞次定律可知感應電流方向是d→c→b→a→d；越過豎直位置后，反向穿過的磁通量增加，由楞次定律可知，感應電流方向不變，B對． 【答案】　B 2.如圖214所示，一個N極朝下的條形磁鐵豎直下落，恰能穿過水平放置的固定矩形導線框，則 圖214 A．磁鐵經(jīng)過位置①時，線框中感應電流沿abcd方向；經(jīng)過位置②時，沿adcb方向 B．磁鐵經(jīng)過位置①時，線框中感應電流沿adcb方向；經(jīng)過位置②時，沿abcd方向 C．磁鐵經(jīng)過位置①和②時，線框中感應電流都沿abcd方向 D．磁鐵經(jīng)過位置①和②時，線框中感應電流都沿adcb方向 【解析】　當磁鐵經(jīng)過位置①時，穿過線框的磁通量向下且不斷增加，由楞次定律可確定感應電流的磁場方向向上，阻礙磁通量的增加，根據(jù)安培定則可判定感應電流應沿abcd方向．同理可判定當磁鐵經(jīng)過位置②時，感應電流沿adcb方向． 【答案】　A 3．(多選)如圖215所示，光滑固定的金屬導軌M、N水平放置，兩根導體棒P、Q平行放置在導軌上，形成一個閉合回路，一條形磁鐵從高處下落接近回路時(　　) 圖215 A．P、Q將相互靠攏 B．P、Q將相互遠離 C．磁鐵的加速度仍為g D．磁鐵的加速度小于g 【解析】　當磁鐵向下運動時，閉合回路的磁通量增加，根據(jù)楞次定律可判斷出P、Q將相互靠攏，故A正確，B錯誤；磁鐵受向上的斥力，故磁鐵的加速度小于g，所以C錯誤，D正確． 【答案】　AD 運用楞次定律判定感應電流方向的思路 右 手 定 則 伸開右手，讓拇指與其余四指在同一個平面內(nèi)，使拇指與并攏的四指垂直；讓磁感線垂直穿入手心，使拇指指向?qū)w運動的方向，其余四指所指的方向就是感應電流的方向． 1．通過右手定則可判定感應電流或感應電動勢的方向．(√) 2．右手定則適用于判定閉合導體回路中的部分導線切割磁感線運動產(chǎn)生感應電流的方向．(√) 3．產(chǎn)生感應電動勢的那部分導體，相當于電源，感應電動勢的方向從高電勢指向低電勢．() 楞次定律與右手定則在使用范圍上有什么區(qū)別？ 【提示】　楞次定律適用于一切電磁感應現(xiàn)象，而右手定則只適用于導體切割磁感線的情況． 如圖216所示，導體棒ab向右做切割磁感線運動． 圖216 探討1：根據(jù)楞次定律判斷導體棒ab中的電流方向？ 【提示】　b→a 探討2：能否找到一種更簡單的方法來判斷閉合回路中部分導體切割磁感線產(chǎn)生的電流的方向呢？(提示：研究電流I的方向、原磁場B的方向、導體棒運動的速度v的方向三者之間的關系) 【提示】　右手定則 楞次定律與右手定則的區(qū)別及聯(lián)系 楞次定律 右手定則 區(qū) 別 研究 對象 整個閉合回路 閉合回路的一部分，即做切割磁感線運動的導體 適用 范圍 各種電磁感應現(xiàn)象 只適用于導體在磁場中做切割磁感線運動的情況 應用 用于磁感應強度B隨時間變化而產(chǎn)生的電磁感應現(xiàn)象較方便 用于導體切割磁感線產(chǎn)生的電磁感應現(xiàn)象較方便 聯(lián)系 右手定則是楞次定律的特例 4.如圖217所示，勻強磁場與圓形導體環(huán)平面垂直，導體ef與環(huán)接觸良好，當ef向右勻速運動時(　　) 圖217 A．圓環(huán)中磁通量不變，環(huán)中無感應電流產(chǎn)生 B．整個環(huán)中有順時針方向的電流 C．整個環(huán)中有逆時針方向的電流 D．環(huán)的右側(cè)有逆時針方向的電流，環(huán)的左側(cè)有順時針方向的電流 【解析】　導體ef向右切割磁感線，由右手定則可判斷導體ef中感應電流由e→f.而導體ef分別與導體環(huán)的左右兩部分構(gòu)成兩個閉合回路，故環(huán)的右側(cè)有逆時針方向的電流，環(huán)的左側(cè)有順時針方向的電流． 【答案】　D 5．下圖表示閉合電路中的一部分導體ab在磁場中做切割磁感線運動的情景，其中能產(chǎn)生由a到b的感應電流的是(　　) 【解析】　判別導體切割磁感線產(chǎn)生的感應電流方向時，可以用右手定則，也可以用楞次定律．A中電流方向由a→b，B中電流方向由b→a，C中電流沿a→c→b→a方向，D中電流方向由b→a. 【答案】　A 6．(多選)在北半球地磁場的豎直分量向下，飛機在我國上空勻速巡航，機翼保持水平，飛行高度不變．由于地磁場的作用，金屬機翼上有電勢差，設飛行員左方機翼末端處的電勢為U1，右方機翼末端處的電勢為U2，則(　　) A．若飛機從西往東飛，U1比U2高 B．若飛機從東往西飛，U2比U1高 C．若飛機從南往北飛，U1比U2高 D．若飛機從北往南飛，U2比U1高 【解析】　我國地處北半球，地磁場有豎直向下的分量，用右手定則判斷無論機翼向哪個水平方向切割磁感線，機翼中均產(chǎn)生自右向左的感應電動勢，左側(cè)電勢高于右側(cè)． 【答案】　AC 右手定則的應用 (1)右手定則只適用于一段導體在磁場中做切割磁感線運動的情況，導體不運動不能應用． (2)右手定則判定導體切割磁感線產(chǎn)生的感應電動勢時，四指的指向由低電勢指向高電勢． 學業(yè)分層測評(四) (建議用時：45分鐘) [學業(yè)達標] 1．根據(jù)楞次定律可知感應電流的磁場一定(　　) A．阻礙引起感應電流的磁通量 B．與引起感應電流的磁場反向 C．阻礙引起感應電流的磁通量的變化 D．與引起感應電流的磁場方向相同 【解析】　 感應電流的磁場阻礙引起感應電流的磁通量的變化，而不是阻礙磁通量，它和引起感應電流的磁場可以同向，也可以反向． 【答案】　C 2．如圖218所示，閉合線圈上方有一豎直放置的條形磁鐵，磁鐵的N極朝下．當磁鐵向下運動時(但未插入線圈內(nèi)部)(　　) 圖218 A．線圈中感應電流的方向與圖中箭頭方向相同，磁鐵與線圈相互吸引 B．線圈中感應電流的方向與圖中箭頭方向相同，磁鐵與線圈相互排斥 C．線圈中感應電流的方向與圖中箭頭方向相反，磁鐵與線圈相互吸引 D．線圈中感應電流的方向與圖中箭頭方向相反，磁鐵與線圈相互排斥 【解析】　當磁鐵向下運動時，感應電流產(chǎn)生的磁場阻礙磁鐵的相對運動，所以線圈上端為N極．根據(jù)安培定則，判斷感應電流的方向與圖中箭頭方向相同． 【答案】　B 3．(多選)兩根相互平行的金屬導軌水平放置于如圖219所示的勻強磁場中，與導軌接觸良好的導體棒AB和CD可以在導軌上自由滑動，當AB在外力F作用下向右運動時，下列說法正確的是(　　) 【導學號：78870023】 圖219 A．導體棒CD內(nèi)有電流通過，方向是D→C B．導體棒CD內(nèi)有電流通過，方向是C→D C．磁場對導體棒CD的作用力向左 D．磁場對導體棒CD的作用力向右 【解析】　AB棒向右運動時，由右手定則知，感應電流的方向由B→A，故在CD中電流由C→D，A錯，B對．再由左手定則判CD所受安培力為向右，C錯，D對． 【答案】　BD 4．如圖2110所示，A、B都是很輕的鋁環(huán)，分別吊在絕緣細桿的兩端，桿可繞豎直軸在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，環(huán)A是閉合的，環(huán)B是斷開的．若用磁鐵分別靠近這兩個圓環(huán)，則下面說法正確的是(　　) 圖2110 A．圖中磁鐵N極接近A環(huán)時，A環(huán)被吸引，而后被推開 B．圖中磁鐵N極遠離A環(huán)時，A環(huán)被排斥，而后隨磁鐵運動 C．用磁鐵N極接近B環(huán)時，B環(huán)被推斥，遠離磁鐵運動 D．用磁鐵的任意一磁極接近A環(huán)時，A環(huán)均被排斥 【解析】　根據(jù)楞次定律的推廣含義，用磁鐵的任意一磁極接近A環(huán)時，A環(huán)均被排斥，遠離A環(huán)時，A環(huán)被吸引，A、B錯誤，D正確；用磁鐵N極接近B環(huán)時，B環(huán)不會產(chǎn)生感應電流，B環(huán)不動，C錯誤． 【答案】　D 5．如圖2111所示，導線框abcd與直導線在同一平面內(nèi)，直導線通有恒定電流I，當線框由左向右勻速通過直導線的過程中，線框中感應電流的方向是(　　) 【導學號：78870024】 圖2111 A．先abcd，后dcba，再abcd B．先abcd，后dcba C．始終dcba D．先dcba，后abcd，再dcba 【解析】　線框在直導線左側(cè)時，隨著線框向右運動，磁通量增加，根據(jù)楞次定律線框中感應電流的方向為dcba.在線框的cd邊跨過直導線后，如圖所示，根據(jù)右手定則ab邊產(chǎn)生的感應電流方向為a→b，cd邊產(chǎn)生的感應電流方向為c→d.線框全部跨過直導線后，隨著向右運動，磁通量減少，根據(jù)楞次定律知線框中感應電流的方向為dcba.故選項D正確． 【答案】　D 6．某實驗小組用如圖2112所示的實驗裝置來驗證楞次定律．當條形磁鐵自上而下穿過固定的線圈時，通過電流表的感應電流方向是(　　) 【導學號：78870025】 圖2112 A．a(chǎn)→G→b B．先a→G→b，后b→G→a C．b→G→a D．先b→G→a，后a→G→b 【解析】　條形磁鐵自上而下穿入線圈時，磁場方向向下，由楞次定律可知線圈中感應電流產(chǎn)生的磁場方向向上，再應用安培定則可以判斷感應電流的方向為逆時針(俯視)，即b→G→a.同理可以判斷出條形磁鐵穿出線圈的過程中，感應電流的方向為順時針(俯視)，即a→G→b. 【答案】　D 7．如圖2113所示，一根長導線彎成如圖中abcd的形狀，在導線框中通以直流電，在框的正中間用絕緣的橡皮筋懸掛一個金屬環(huán)P，環(huán)與導線框處于同一豎直平面內(nèi)，當電流I增大時，下列說法中正確的是(　　) 【導學號：78870026】 圖2113 A．金屬環(huán)P中產(chǎn)生順時針方向的電流 B．橡皮筋的長度增大 C．橡皮筋的長度不變 D．橡皮筋的長度減小 【解析】　導線框中的電流產(chǎn)生的磁場垂直于紙面向里，當電流I增大時，金屬環(huán)P中的磁通量增大，由楞次定律和安培定則可知金屬環(huán)P中產(chǎn)生逆時針方向的感應電流，故A項錯；根據(jù)對稱性及左手定則可知金屬環(huán)P所受安培力的合力方向向下，并且隨電流I的增大而增大，所以橡皮筋會被拉長，故B項正確，C、D項錯． 【答案】　B 8．(多選)如圖2114所示，一用絕緣材料做的玩偶兩腳固定在矩形閉合線圈兩個邊上，現(xiàn)將其放置在水平薄板上，有一塊蹄形磁鐵如圖所示置于平板的正下方(磁極間距略大于矩形線圈的寬度)，當磁鐵勻速向右通過線圈時，玩偶卻靜止不動，那么下列說法正確的是(　　) 圖2114 A．線圈受摩擦力方向一直向左 B．線圈受摩擦力方向先向左、后向右 C．感應電流的方向順時針→逆時針→順時針(從上向下看) D．感應電流的方向順時針→逆時針(從上向下看) 【解析】　根據(jù)楞次定律“阻礙”的效果，阻礙導體、磁體間的相對運動．當蹄形磁鐵接近線圈時，線圈有向右的運動趨勢，所受靜摩擦力方向向左，當蹄形磁鐵遠離線圈時，兩者吸引，線圈仍有向右的運動趨勢，所受靜摩擦力方向仍向左，A對，B錯．穿過線圈的磁通量先向上的增加，再向下的增多，最后向下的減少．由楞次定律知，從上往下看，感應電流的方向先順時針，再逆時針，最后順時針，C對，D錯． 【答案】　AC [能力提升] 9．如圖2115所示，MN是一根固定的通電長直導線，電流方向向上，今將一金屬線框abcd放在導線上，讓線框的位置偏向?qū)Ь€左邊，兩者彼此絕緣．當導線中的電流突然增大時，線框整體受力情況為(　　) 【導學號：78870027】 圖2115 A．受力向右 B．受力向左 C．受力向上 D．受力為零 【解析】　本題可用兩種解法： 解法一：根據(jù)安培定則可知通電直導線周圍的磁場分布如圖所示．當直導線上電流突然增大時，穿過矩形回路的合磁通量(方向向外)增大，回路中產(chǎn)生順時針方向的感應電流，因ad、bc兩邊對稱分布，所受的安培力合力為零．而ab、cd兩邊雖然通過的電流方向相反，但它們所在處的磁場方向也相反，由左手定則可知它們所受的安培力均向右，所以線框整體受力向右，A正確． 解法二：從楞次定律的另一表述分析可知當MN中電流突然增大時，穿過線框的磁通量增大，感應電流引起的結(jié)果必是阻礙磁通量的增大，即線框向右移動，故線框整體受力向右，A正確． 【答案】　A 10．如圖2116所示，在水平地面下有一條沿東西方向鋪設的水平直導線，導線中通有自東向西穩(wěn)定、強大的直流電流．現(xiàn)用一閉合的檢測線圈(線圈中串聯(lián)有靈敏電流計，圖中未畫出)檢測此通電直導線的位置．不考慮地磁場的影響，且檢測線圈位于水平面內(nèi)．現(xiàn)使線圈從距直導線很遠處由北向南沿水平地面通過直導線的上方并繼續(xù)移動至距直導線很遠處，在此過程中，俯視檢測線圈，其中的感應電流的方向是(　　) 圖2116 A．先順時針后逆時針 B．先逆時針后順時針 C．先逆時針后順時針，再逆時針 D．先順時針后逆時針，再順時針 【解析】　根據(jù)通電直導線周圍的磁感線的分布特點，檢測線圈由遠處移至直導線正上方時，穿過線圈的磁場有向下的分量，磁通量先增大后減小，由楞次定律和安培定則可知，線圈中的電流方向先逆時針后順時針，當檢測線圈由直導線正上方移至遠處時，穿過線圈的磁場有向上的分量，磁通量先增大后減小，由楞次定律和安培定則可知，線圈中的電流方向先順時針后逆時針，所以C正確． 【答案】　C 11.如圖2117所示，水平平行的光滑導軌，導軌間距離為L＝1 m，左端接有定值電阻R＝2 Ω，金屬棒PQ與導軌接觸良好，PQ的電阻為r＝0.5 Ω，導軌電阻不計，整個裝置處于磁感應強度為B＝1 T的勻強磁場中，現(xiàn)使PQ在水平向右的恒力F＝2 N作用下運動，求： 圖2117 (1)棒PQ中感應電流的方向； (2)棒PQ中哪端電勢高； (3)棒PQ所受安培力的方向； (4)棒PQ的最大速度. 【導學號：78870028】 【解析】　(1)根據(jù)右手定則可知電流方向由Q→P. (2)棒PQ相當于電源，電流在PQ上由負極流向正極，故P端電勢高． (3)由左手定則知，PQ棒所受安培力方向水平向左． (4)由于向左的安培力增大，故PQ棒做加速度越來越小的加速運動，當F安＝F時，PQ棒的速度最大，設為v，此時感應電動勢：E＝BLv，回路電流：I＝.由F＝F安知F＝BIL，得：v＝＝5 m/s，方向水平向右． 【答案】　(1)Q→P　(2)P端　(3)水平向左 (4)5 m/s，方向水平向右 12.如圖2118所示，水平的平行虛線間距為d＝50 cm，其間有B＝1.0T的勻強磁場．一個正方形線圈邊長為l＝10 cm，線圈質(zhì)量m＝100 g，電阻為R＝0.20 Ω.開始時，線圈的下邊緣到磁場上邊緣距離為h＝80 cm.將線圈由靜止釋放，其下邊緣剛進入磁場和剛穿出磁場時的速度相等．(g取10 m/s2)，求： 圖2118 (1)線圈下邊緣剛進入磁場時，線圈中產(chǎn)生電流的大小和方向； (2)線圈進入磁場過程中產(chǎn)生的電熱Q. 【解析】　(1)線圈由1位置到2位置做自由落體運動，設在2位置時速度為v0 v＝2gh E＝Blv0 I＝ 由以上三式可得：I＝2 A 方向：逆時針． (2)線圈進入磁場過程中產(chǎn)生的電熱Q就是線圈從圖中2位置到3位置產(chǎn)生的電熱，而2、3位置動能相同，由能量守恒Q＝mgd＝0.50 J. 【答案】　(1)2 A　逆時針　(2)0.50 J