高中物理《楞次定律》 教案11

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111 北　京　四　中 電磁感應(yīng)現(xiàn)象、楞次定律 　　學(xué)習(xí)目標(biāo)： 　　1．知道什么是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，掌握產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件 　　2．知道在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能量守恒定律依然適用 　　3．掌握楞次定律的幾種表述，能熟練應(yīng)用楞次定律來判斷感應(yīng)電流的方向 學(xué)習(xí)內(nèi)容： 　　一．感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件 　　1．電磁感應(yīng)：利用磁場(chǎng)產(chǎn)生電流的現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)；產(chǎn)生的電流叫感應(yīng)電流。 　　2．產(chǎn)生條件：不管是閉合回路的一部分導(dǎo)體做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)，還是閉合回路中的磁場(chǎng)發(fā)生變化，穿過閉合回路的磁感線條數(shù)都發(fā)生變化，回路中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生—閉合回路中的磁通量發(fā)生變化 　　磁通量Φ增加，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)相反 　　磁通量Φ減少，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)相同 　　二．判斷感應(yīng)電流方向的原則 　　1．右手定則：當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，其產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向可用右手定則判定。 　　伸出右手，磁感線垂直穿過掌心，大拇指指向?yàn)閷?dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向，四指指向?yàn)楦袘?yīng)電流的方向 　　2．楞次定律：感應(yīng)電流的方向總阻礙引起感應(yīng)電流的磁場(chǎng)的磁通量的變化 　　例：如圖所示，矩形線圈abcd在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中向左運(yùn)動(dòng)(未出磁場(chǎng))，問有無感應(yīng)電流? 　　 　　分析：(1)∵磁通量不變，所以無感應(yīng)電流 　　　　　(2)ab、cd同時(shí)切割磁感線，由右手定則，電流方向分別由a→b、由d→c，切割效果抵消，無感應(yīng)電流。 　　注意：用兩種正確的觀點(diǎn)分析同一事物，結(jié)論應(yīng)該是一致的，除非分析過程有錯(cuò)。 　　嚴(yán)格地講，對(duì)于任一個(gè)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，這兩個(gè)原則都適用，且能判斷出一致的結(jié)果。但卻不一定都很方便，例如：右手定則對(duì)直導(dǎo)線在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)這一過程就比較方便。大家在應(yīng)用時(shí)對(duì)這兩種方法都要達(dá)到熟練，且從中摸索簡(jiǎn)單適用的方法。 　　3．步驟 　　(1)先判斷原磁場(chǎng)的方向 　　(2)判斷閉合回路的磁通量的變化情況 　　(3)判斷感應(yīng)磁場(chǎng)的方向 　　(4)由感應(yīng)磁場(chǎng)方向判斷感應(yīng)電流的方向 　　三．楞次定律的理解和應(yīng)用 　　楞次定律的主要內(nèi)容是研究引起感應(yīng)電流的磁場(chǎng)即原磁場(chǎng)和感應(yīng)電流的磁場(chǎng)二者之間的關(guān)系 　　1．當(dāng)閉合電路所圍面積的磁通量增加時(shí)，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相反；當(dāng)閉合電路的磁通量減少時(shí)，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相同 　　例1．兩平行長(zhǎng)直導(dǎo)線都通以相同電流，線圈abcd與導(dǎo)線共面，當(dāng)它從左到右在兩導(dǎo)線之間移動(dòng)時(shí)，其感應(yīng)電流的方向是? 　　 　　分析：線圈所在空間內(nèi)的磁場(chǎng)分布如圖，當(dāng)線圈從左往右運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過它的磁通量先減小，原磁場(chǎng)方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶?，所以感?yīng)磁場(chǎng)方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶?，由右手定則可知，感應(yīng)電流方向?yàn)轫槙r(shí)針方向； 　　 　　后來磁通量又逐漸增大，原磁場(chǎng)方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲?，所以感?yīng)磁場(chǎng)方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶?，由右手定則可知，感應(yīng)電流方向?yàn)轫槙r(shí)針方向。 　　綜上，線圈中感應(yīng)電流的方向始終為順時(shí)針方向 　　2、感應(yīng)電流的方向總阻礙引起感應(yīng)電流的磁場(chǎng)的磁通量的變化 　　注意：阻礙、變化 　　(1)阻礙的是原磁場(chǎng)的變化，而不是原磁場(chǎng) 　　(2)原磁場(chǎng)增強(qiáng)，則“我”不讓你增強(qiáng)；“我”要削弱你，所以“我”的磁場(chǎng)與你相反 　　(3)原磁場(chǎng)減弱，則“我”不讓你減弱；“我”要增強(qiáng)你，所以“我”的磁場(chǎng)與你相同 　　例2、如圖所示，閉合圓線圈處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中，當(dāng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度突然由B增至2B時(shí)，問線圈中感應(yīng)電流的方向。 　　 　　解：根據(jù)楞次定律，當(dāng)B突然增至2B時(shí)，穿過圓線圈的磁通量增加，所以感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向應(yīng)該與原磁場(chǎng)方向相反，因此，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向是垂直紙面向外的，根據(jù)右手螺旋定則，感應(yīng)電流的方向是逆時(shí)針的。 　　分析：由于磁場(chǎng)增強(qiáng)，∴磁通量增大，“我”不讓你增大，那么“我”產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向就與你相反，相當(dāng)于抵銷你增加的部分，但不能完全把增加的部分抵銷掉。如此題中，由于磁場(chǎng)增強(qiáng)，增加了三條磁感線，那么感應(yīng)電流的磁場(chǎng)要抵銷這個(gè)增加，能抵銷三條嗎?不能。只能是“禮輕情義重” 　　3．當(dāng)原磁場(chǎng)和閉合回路之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 　　例3．如圖所示，一個(gè)閉合的輕質(zhì)圓環(huán)，穿在一根光滑的水平絕緣桿上，當(dāng)條形磁鐵的N極自右向左向圓環(huán)中插去時(shí)，圓環(huán)將如何運(yùn)動(dòng)? 　　 　　解：(方法1)根據(jù)楞次定律的最原始表述，原磁場(chǎng)穿過圓環(huán)的磁力線方向是向左的，磁鐵向左運(yùn)動(dòng)，穿過圓環(huán)的磁通量增加，所以感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相反，即圓環(huán)中心軸線的感應(yīng)電流的磁場(chǎng)是向右的，根據(jù)右手螺旋定則，感應(yīng)電流的方向在圓環(huán)前半圈是向下的。再根據(jù)左手定則判斷帶電圓環(huán)在磁場(chǎng)中受到的安培力方向應(yīng)該是向左的，所以圓環(huán)向左運(yùn)動(dòng)。 　　(方法2)根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的楞次定律，原磁場(chǎng)與圓環(huán)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)要阻礙這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)。所以當(dāng)原磁場(chǎng)相對(duì)圓環(huán)向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，為削弱這種影響，圓環(huán)也必須向左運(yùn)動(dòng)。 　　可見，抓住楞次定律的本質(zhì)，加以靈活運(yùn)用，會(huì)大大簡(jiǎn)化問題的分析過程。 　　另外，對(duì)這道題，還要注意一個(gè)問題：就是圓環(huán)向左運(yùn)動(dòng)的速度一定比磁鐵的運(yùn)動(dòng)速度小，這就是只能“阻礙”，而不能“阻止”，也就是“有其心而力不足”。 　　例4．如圖所示，閉合線框ABCD和abcd可分別繞軸線OO’轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)abcd繞OO軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)(俯視圖)，問ABCD如何轉(zhuǎn)動(dòng)? 　　 　　解：由圖可見，原磁場(chǎng)是具有電源的線框abcd，原磁場(chǎng)相對(duì)閉合回路ABCD逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，穿過ABCD的磁通量要發(fā)生變化，因此ABCD中有感應(yīng)電流產(chǎn)生。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的楞次定律，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)應(yīng)阻礙這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以，ABCD應(yīng)隨著逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，以削弱原磁場(chǎng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的影響。但ABCD轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度應(yīng)小于原磁場(chǎng)abcd轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。 　　這道題也可以用常規(guī)方法解決，即先判斷感應(yīng)電流的方向，再研究ABCD各個(gè)邊在磁場(chǎng)中的受力情況，得出的結(jié)論和上述方法必然是一致的，但判斷過程要繁雜得多。 　　4．楞次定律并不是一個(gè)孤立的定律，它實(shí)際上是自然界中最普遍的能量守恒定律在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的體現(xiàn)。 　　例5．如圖所示，勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中，放置一水平光滑金屬框架abcd，有一根金屬棒ef與導(dǎo)軌接觸良好，在外力F的作用下勻速向右運(yùn)動(dòng)，分析此過程中能量轉(zhuǎn)化的情況。 　　 　　解：(1)根據(jù)楞次定律，ef向右運(yùn)動(dòng)，穿過閉合回路的磁通量增加，所以感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向應(yīng)垂直紙面向外，再根據(jù)右手螺旋定則，ef棒上感應(yīng)電流的方向應(yīng)由f→e。 　　(2)再利用左手定則判斷ef在磁場(chǎng)中受到的安培力的方向應(yīng)該是與外力F相反，即是水平向左的。正是因?yàn)榘才嗔εc外力方向相反，金屬棒才有可能做勻速運(yùn)動(dòng)。其實(shí)，(1)和(2)兩條的分析可合并為一條，即，直接使用相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的楞次定律，金屬棒相對(duì)原磁場(chǎng)向右運(yùn)動(dòng)，為阻礙這種運(yùn)動(dòng)帶來的影響，金屬棒必將受到一個(gè)向左的力，這就是原磁場(chǎng)對(duì)感應(yīng)電流作用的安培力。 　　(3)在ef棒的運(yùn)動(dòng)過程中，動(dòng)能保持不變，根據(jù)動(dòng)能定理，ΣW＝ΔEK＝0，外力做正功，消耗外界能量，完全用來克服安培力做功，轉(zhuǎn)化成閉合回路中的電能，之后再通過感應(yīng)電流做功，轉(zhuǎn)化成內(nèi)能。即，外界消耗了多少能量，電路中就有多少內(nèi)能產(chǎn)生。完全符合能量守恒定律。 　　(4)如果楞次定律不成立，那么ef棒中的感應(yīng)電流的方向就由e→f，受到的安培力的方向就是向右的，在這種情況下，即使沒有外力F，ef棒也能在安培力的作用下向右加速運(yùn)動(dòng)，可見，根本不需消耗任何外界能量，ef的動(dòng)能和內(nèi)能就越來越多，這顯然是違背能量守恒定律的。因此，楞次定律從本質(zhì)上體現(xiàn)了能量守恒。 　　例6、如圖所示，讓磁鐵勻速插入線圈，試分析其中的能量轉(zhuǎn)化情況。 　　 　　分析： 　　(1)根據(jù)楞次定律，線圈中的感應(yīng)電流所激發(fā)的磁場(chǎng)向左，相當(dāng)于一個(gè)N極向左的條形磁鐵 　　(2)同性相斥，異性相吸，條形磁鐵必受一向左的斥力 　　(3)∵磁鐵勻速插入，∴ΣW＝0。即必須有外力克服此斥力做功(外力：包括重力或其他力) 　　(4)又因?yàn)楦袘?yīng)電流通過線圈要產(chǎn)生焦耳熱，也是外力做功轉(zhuǎn)化而來的，所以符合能量守恒定律 　　(5)如果楞次定律不成立，則感應(yīng)電流的磁場(chǎng)N極向右，會(huì)和線圈相吸引，那么不需要外力做功，條形磁鐵也會(huì)加速向線圈運(yùn)動(dòng)同時(shí)感應(yīng)電流又在線圈中產(chǎn)生焦耳熱。即：沒有任何外力做功的情況下，磁鐵的動(dòng)能越來越大，產(chǎn)生的熱量越來越多，這顯然是不可能的。 　　反饋練習(xí)： 　　1、如圖所示，在條形磁鐵外面套著一圓環(huán)，當(dāng)圓環(huán)由磁鐵N極向下平移到磁鐵S極的過程中，穿過圓環(huán)的磁通量變化的情況是：( ) 　　 　　A．逐漸增加　 　　　 　　　　B．逐漸減少 　　C．先逐漸增加，后逐漸減少　　D．先逐漸減少，后逐漸增大 　　2、關(guān)于感應(yīng)電流的方向，以下說法中正確的是：( ) 　　A．感應(yīng)電流的方向總是與原電流的方向相反　 　　B．感應(yīng)電流的方向總是與原電流的方向相同 　　C．感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是阻礙閉合電路內(nèi)原磁場(chǎng)的磁通量的變化 　　D．感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是與原線圈內(nèi)的磁場(chǎng)方向相反 　　3．如圖所示，長(zhǎng)直導(dǎo)線MN的右側(cè)有一矩形線框，它們?cè)谕黄矫鎯?nèi)，欲使矩形線框產(chǎn)生感應(yīng)電流，可采取的方法是：( ) 　　 　　A、線框向上平動(dòng)　 　　B．線框向下平動(dòng) 　　C．線框以MN為軸轉(zhuǎn)動(dòng)　 D、逐漸增加或減少M(fèi)N中的電流強(qiáng)度 　　4．如圖所示，在條形磁鐵S極附近，有一水平放置的閉合線圈abcd，現(xiàn)將它由位置I經(jīng)位置II平移至位置III，則線圈中感應(yīng)電流的方向：( ) 　　 　　A、始終沿abcd方向 　　B．始終沿adcb方向 　　C．先沿abcd方向，后沿adcb方向 　　D．先沿adcb方向，后沿abcd方向 　　5．如圖所示，條形磁鐵沿豎直方向放置，在垂直于磁鐵的水平面內(nèi)套一金屬圓環(huán)，將圓環(huán)面積拉大，則：( ) 　　 　　A．環(huán)內(nèi)磁通量變大，金屬環(huán)內(nèi)的感應(yīng)電流沿俯視順時(shí)針方向 　　B．環(huán)內(nèi)磁通量變小，金屬環(huán)內(nèi)的感應(yīng)電流沿俯視順時(shí)針方向 　　C．環(huán)內(nèi)磁通量變大，金屬環(huán)內(nèi)的感應(yīng)電流沿俯視逆時(shí)針方向 　　D．環(huán)內(nèi)磁通量變小，金屬環(huán)內(nèi)的感應(yīng)電流沿俯視逆時(shí)針方向 　　6．如圖所示，兩個(gè)金屬圓環(huán)在最低點(diǎn)處切斷并分別焊在一起。整個(gè)裝置處在垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)磁場(chǎng)均勻增加時(shí)：( ) 　　 　　A．內(nèi)環(huán)有逆時(shí)針方向的感應(yīng)電流 　　B．內(nèi)環(huán)有順時(shí)針方向的感應(yīng)電流 　　C．外環(huán)有逆時(shí)針方向的感應(yīng)電流 　　D．內(nèi)、外環(huán)都沒有感應(yīng)電流 　　7．如圖所示，長(zhǎng)直導(dǎo)線所在平面內(nèi)有一矩形線圈，則：( ) 　　 　　A．導(dǎo)線中通以向上逐漸減弱的電流時(shí)線框內(nèi)感應(yīng)電流如圖并向左運(yùn)動(dòng) 　　B．導(dǎo)線中通以向下逐漸減弱的電流時(shí)線框內(nèi)感應(yīng)電流如圖并向右運(yùn)動(dòng) 　　C．導(dǎo)線中通以向上逐漸增強(qiáng)的電流時(shí)線框內(nèi)感應(yīng)電流如圖并向左運(yùn)動(dòng) 　　D．導(dǎo)線中通以向下逐漸減弱的電流時(shí)線框內(nèi)感應(yīng)電流與圖反向并向右運(yùn)動(dòng) 　　8．如圖所示。光滑水平面上放一金屬圓環(huán)，圓環(huán)旁固定一豎直導(dǎo)線，二者處于同一平面內(nèi)，則：( ) 　　 　　A、先將圓環(huán)固定，通以如圖所示的電流后放開，它將向右運(yùn)動(dòng) 　　B．先將圓環(huán)固定，通以如圖所示的電流后放開，它將向左運(yùn)動(dòng) 　　C．突然在導(dǎo)線內(nèi)通以向上的電流，則圓環(huán)內(nèi)感應(yīng)電流如圖所示，并向左運(yùn)動(dòng) 　　D．突然在導(dǎo)線內(nèi)通以向上的電流，則圓環(huán)內(nèi)感應(yīng)電流與圖示方向相反，并向右運(yùn)動(dòng) 　　9．如圖所示，兩個(gè)閉合的輕質(zhì)鋁環(huán)，穿在一根光滑的絕緣桿上，當(dāng)條形磁鐵的N極自右向左插入圓環(huán)中時(shí)，兩鋁環(huán)的運(yùn)動(dòng)是：( ) 　　 　　A、同時(shí)向右運(yùn)動(dòng)，兩環(huán)間距逐漸增大 　　B．同時(shí)向右運(yùn)動(dòng)，兩環(huán)間距逐漸縮小 　　C．同時(shí)向左運(yùn)動(dòng)，兩環(huán)間距逐漸增大 　　D．同時(shí)向左運(yùn)動(dòng)，兩環(huán)間距逐漸縮小 　　10．如圖所示，在通電螺線管外部左側(cè)和內(nèi)部靠近右側(cè)處，各吊一個(gè)輕質(zhì)閉合金屬環(huán)a和b，a、b的環(huán)面均與螺線管的軸線垂直?，F(xiàn)將變阻器R的滑片P向左移動(dòng)，則a、b環(huán)將：( ) 　　 　　A，a環(huán)左擺，b環(huán)右擺　 B．a(chǎn)環(huán)右擺，b環(huán)左擺 　　C．a(chǎn)環(huán)左擺，b環(huán)不動(dòng)　 D．a(chǎn)環(huán)右擺，b環(huán)右擺 　　11．如圖所示，在水平的平行光滑金屬導(dǎo)軌上放兩根金屬棒，當(dāng)磁鐵豎直向下穿向兩根金屬棒的中央時(shí)：( ) 　　 　　A．兩金屬棒向中間靠攏　 B．兩金屬棒向兩邊分開 　　C．兩金屬棒將不動(dòng)　　 　D、兩棒的運(yùn)動(dòng)情況與磁極的性質(zhì)有關(guān) 　　12．如圖所示，螺旋形線圈M置于銅圓環(huán)A的軸線上，當(dāng)螺旋形線圈中通過的電流I強(qiáng)度減小時(shí)，下列說法正確的是：( ) 　　 　　A．銅圓環(huán)有縮小的趨勢(shì)　 　　B．銅圓環(huán)有擴(kuò)張的趨勢(shì) 　　C．螺旋形線圈有縮短的趨勢(shì)　 D．螺旋形線圈有伸長(zhǎng)的趨勢(shì) 　　答案： 　　1．C　 2．C　 3．D　 4、A　 5．D　 6．BC　 7．A　 8．BD　 9．D　 10．C 　11、A　 12、AD 111