2017-2018學(xué)年高中物理 第一章 電磁感應(yīng) 1 電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn) 2 感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件學(xué)案 教科版選修3-2.doc
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1 電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn) 2 感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件 [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)的發(fā)現(xiàn) 1.奧斯特實驗的啟迪 1820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng).不少物理學(xué)家根據(jù)對稱性的思考提出，既然電能產(chǎn)生磁，是否磁能產(chǎn)生電呢？ 2.電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 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”的條件，產(chǎn)生的電流叫感應(yīng)電流. 法拉第將“磁生電”的現(xiàn)象分為五類： (1)變化中的電流；(2)變化中的磁場；(3)運動中的恒定電流；(4)運動中的磁鐵；(5)運動中的導(dǎo)線. 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)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、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： (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，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＝10cm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)2s末穿過線框的磁通量. (2)第3s內(nèi)穿過線框的磁通量的變化量ΔΦ. 解析 (1)2s末穿過線框的磁感應(yīng)強度 B2＝(2＋32) T＝8T， 由Φ＝BSsinθ，知2s末穿過線框的磁通量 Φ＝B2Ssinθ＝8(0.1)2sin30Wb＝410－2Wb. (2)第3s內(nèi)磁感應(yīng)強度的變化ΔB＝3T， 所以ΔΦ＝ΔBSsinθ＝3(0.1)2sin30Wb＝1.510－2Wb. 答案 (1)410－2Wb (2)1.510－2Wb (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、產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件 1.導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動 如圖5所示，將可移動導(dǎo)體棒AB放置在磁場中，并和電流表組成閉合回路.實驗操作及現(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.通過閉合回路的磁場發(fā)生變化 如圖6所示，實驗操作及電流計指針的擺動情況如下： 圖6 觀察 操作 電流計指針的擺動情況 螺線管B 匝數(shù)少 螺線管B 匝數(shù)多 螺線管A、B 相互垂直 開關(guān)接通瞬間 輕微擺動 較大擺動 不擺動 電流穩(wěn)定 不擺動 不擺動 不擺動 開關(guān)斷開瞬間 輕微擺動 較大擺動 不擺動 滑片快速推動 較大擺動 最大擺動 不擺動 滑片緩慢推動 輕微擺動 較大擺動 不擺動 3.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7甲所示)中電流隨時間變化的圖像如圖乙所示，則t＝t0時刻線圈B中有感應(yīng)電流嗎？ 圖7 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)生取決于Φ的變化，與Φ的大小無關(guān). 例4 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，某時刻磁通量雖然是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)六根絕緣的導(dǎo)線，在同一平面內(nèi)組成四個相等的正方形，導(dǎo)線中通以大小相等的電流，方向如圖8所示，在這個四個正方形區(qū)域中，指向紙面內(nèi)且磁通量最大的區(qū)域是( ) 圖8 A．Ⅰ B．Ⅱ C．Ⅲ D．Ⅳ 答案 A 解析 由于是直線電流的磁場，6支電流在每個區(qū)域的磁感線的分布都有區(qū)別，只有逐一求出6支電流在每個區(qū)域的分磁通量之和，才能進行比較．設(shè)每支電流的磁感線穿過相鄰區(qū)域的有兩條，穿過較遠區(qū)域的有1條，就可以作出穿過各區(qū)域的磁感線分布圖，如圖所示．故本題正確答案為A. 2.(電磁感應(yīng)現(xiàn)象)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，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9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9 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10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10 答案 BS(正、負均可) 解析 由Φ＝BSsinθ，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 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. 2．唱卡拉OK用的話筒內(nèi)有傳感器，其中一種是動圈式的，它的工作原理是在彈性膜片后粘接一個輕小的金屬線圈，線圈處于永磁體的磁場中，當(dāng)聲波使膜片振動時，就將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，下列說法中正確的是( ) A．該傳感器是根據(jù)電流的磁效應(yīng)工作的 B．該傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的 C．膜片振動時，穿過金屬線圈的磁通量不變 D．膜片振動時，金屬線圈中不會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 答案 B 解析 當(dāng)聲波使膜片前后振動時，膜片后的金屬線圈就會跟著振動，從而使處于永磁體的磁場中的線圈切割磁感線，穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，這是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，故B項正確，A、C、D項均錯誤． 題組二 磁通量及其變化的分析 3.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 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. 4.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. 5.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Sa下載提示(請認真閱讀)
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