2019-2020年高中物理 第1章 第1、2節(jié) 電磁感應的發(fā)現(xiàn)　感應電流產生的條件學案 教科版選修3-2.doc

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2019-2020年高中物理 第1章 第1、2節(jié) 電磁感應的發(fā)現(xiàn)　感應電流產生的條件學案 教科版選修3-2 [目標定位] 1.知道奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流磁效應、法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象.2.知道磁通量和磁通量變化量的含義.3.知道感應電流產生的條件． 一、電磁感應的發(fā)現(xiàn) [問題設計] 哲學家康德說過，各種自然現(xiàn)象之間是相互聯(lián)系和相互轉化并且是和諧統(tǒng)一的．你能舉出一個例子嗎？在電磁學領域，誰發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應？誰證實了“磁生電”現(xiàn)象的存在？ 答案　摩擦生熱表明了機械運動向熱運動的轉化，而蒸汽機則實現(xiàn)了熱運動向機械運動的轉化．奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，法拉第證實了“磁生電”現(xiàn)象的存在． [要點提煉] 1．奧斯特實驗的啟迪 1820年，奧斯特從實驗中發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，啟迪人們去探究是不是存在磁產生電． 2．電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 1831年，英國物理學家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，產生的電流叫做感應電流．他把“磁生電”的現(xiàn)象分為五類：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、運動中的導線． 二、磁通量及其變化 [問題設計] 如圖1所示，框架的面積為S，勻強磁場的磁感應強度為B.試求： 圖1 (1)框架平面與磁感應強度B垂直時，穿過框架平面的磁通量為多少？ (2)若框架繞OO′轉過60，則穿過框架平面的磁通量為多少？ (3)若從圖示位置轉過90，則穿過框架平面的磁通量的變化量為多少？ (4)若從圖示位置轉過180，則穿過框架平面的磁通量的變化量為多少？ 答案　(1)BS　(2)BS　(3)－BS　(4)－2BS [要點提煉] 1．磁通量 (1)定義：閉合導體回路的面積與垂直穿過它的磁感應強度的乘積叫磁通量，符號為Φ.在數(shù)值上等于穿過投影面的磁感線的條數(shù)． 圖2 (2)公式：Φ＝BS.其中S為回路平面在垂直磁場方向上的投影面積，也稱為有效面積．所以當回路平面與磁場方向之間的夾角為θ時，磁通量Φ＝BSsin_θ，如圖2所示． (3)單位：韋伯，簡稱韋，符號Wb. (4)注意：①磁通量是標量，但有正負之分．一般來說，如果磁感線從線圈的正面穿入，線圈的磁通量就為“＋”，磁感線從線圈的反面穿入，線圈的磁通量就為“－”．②磁通量與線圈的匝數(shù)無關． 2．磁通量的變化量ΔΦ (1)當B不變，有效面積S變化時，ΔΦ＝BΔS. (2)當B變化，S不變時，ΔΦ＝ΔBS. (3)B和S同時變化，則ΔΦ＝Φ2－Φ1，但此時ΔΦ≠ΔBΔS. 特別提醒　計算穿過某平面的磁通量的變化量時，要注意前后磁通量的正負，如原磁通量Φ1＝BS，當平面轉過180后，磁通量Φ2＝－BS，磁通量的變化量ΔΦ＝－2BS. 三、感應電流產生的條件 [問題設計] 1．實驗1(導體在磁場中做切割磁感線的運動)：如圖3所示，導體AB垂直磁感線運動時，線路中________電流產生，而導體AB沿著磁感線運動時，線路中________電流產生(均填“有”或“無”)．實驗表明什么情況下能產生感應電流？ 圖3 答案　有　無　實驗表明：當閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動時，電路中就有感應電流產生． 2．實驗2(通過閉合回路的磁場發(fā)生變化)： 如圖4所示，螺線管B套在螺線管A外邊，螺線管A經過滑動變阻器和開關與電池相連構成直流電路；螺線管B接電流計構成閉合電路．進行以下操作并觀察電流計指針擺動的情況．將觀察結果填入表中．(填空中均填“擺動”或“不擺動”) 圖4 　　 觀察 操作 電流計指針的擺動情況 螺線管B套在 螺線管A外面 螺線管A、B 相互垂直 開關接通瞬間 擺動 不擺動 電流穩(wěn)定 不擺動 不擺動 開關斷開瞬間 擺動 不擺動 滑動片快速推動 擺動 不擺動 (1)實驗2中并沒有導體在磁場中做切割磁感線的運動，但在接通或斷開電源的瞬間或改變滑動變阻器的阻值時，B線圈中卻出現(xiàn)感應電流，這說明什么？ 答案　說明導體在磁場中做切割磁感線運動不是產生感應電流的本質原因，通過閉合電路的磁場發(fā)生變化也可以產生感應電流． (2)當實驗2中開關閉合后，A線圈電流穩(wěn)定時，B線圈中也存在磁場，但不出現(xiàn)感應電流，這說明什么？ 答案　說明感應電流的產生，不在于閉合回路中是否有磁場． (3)實驗2兩個線圈相互垂直放置時不能產生感應電流，這又說明什么？ 答案　說明感應電流的產生，不在于磁場是否變化． 3．試總結產生感應電流的條件． 答案　實驗1中，磁場是穩(wěn)定的，但在導體切割磁感線運動時，通過回路的磁通量發(fā)生變化，回路中產生了感應電流；實驗2通過改變電流從而改變磁場強弱，進而改變了磁通量，從而產生了感應電流，所以可以將產生感應電流的條件描述為“只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就會產生感應電流”． [要點提煉] 1．產生感應電流的條件：穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化． 2．特例：閉合電路的一部分導體在磁場內做切割磁感線運動．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．如圖5所示，甲、乙兩圖中，導體是真“切割”，而圖丙中，導體沒有切割磁感線． 圖5 (2)是否僅是閉合電路的一部分導體在磁場內做切割磁感線運動，如圖丁．如果由切割不容易判斷，則要回歸到磁通量是否變化上去． [延伸思考]　電路不閉合時，磁通量發(fā)生變化是否能產生電磁感應現(xiàn)象？ 答案　當電路不閉合時，沒有感應電流，但有感應電動勢，只產生感應電動勢的現(xiàn)象也可以稱為電磁感應現(xiàn)象． 一、磁通量Φ及其變化量ΔΦ的理解與計算 例1　如圖6所示，水平放置的扁平條形磁鐵，在磁鐵的左端正上方有一金屬線框，線框平面與磁鐵垂直，當線框從左端正上方沿水平方向平移到右端正上方的過程中，穿過它的磁通量的變化情況是(　　) 圖6 A．先減小后增大 B．始終減小 C．始終增大 D．先增大后減小 解析　線框在磁鐵兩端的正上方時穿過該線框的磁通量最大，在磁鐵中央時穿過該線框的磁通量最小，所以該過程中的磁通量先減小后增大，故A對． 答案　A 例2　如圖7所示的線框，面積為S，處于磁感應強度為B的勻強磁場中，B的方向與線框平面成θ角，當線框轉過90到如圖所示的虛線位置時，試求： 圖7 (1)初、末位置穿過線框的磁通量Φ1和Φ2； (2)磁通量的變化量ΔΦ. 解析　(1)解法一：在初始位置，把線框平面向垂直于磁場方向進行投影，可得垂直于磁場方向的面積為S⊥＝Ssin θ，所以Φ1＝BSsin θ.在末位置，把線框平面向垂直于磁場方向進行投影，可得垂直于磁場方向的面積為S⊥′＝Scos θ.由于磁感線從反面穿入，所以Φ2＝－BScos θ. 解法二：如圖所示，把磁感應強度B沿垂直于線框平面和平行于線框平面進行分解，得B上＝Bsin θ，B左＝Bcos θ 所以Φ1＝B上S＝BSsin θ， Φ2＝－B左S＝－BScos θ. (2)開始時B與線框平面成θ角，穿過線框的磁通量Φ1＝BSsin θ；當線框按順時針方向轉動時，穿過線框的磁通量減小，當轉動θ時，穿過線框的磁通量減小為零，繼續(xù)轉動至90時，磁感線從另一面穿過，磁通量變?yōu)椤柏摗敝?，?＝－BScos θ.所以，此過程中磁通量的變化量為 ΔΦ＝Φ2－Φ1＝－BScos θ－BSsin θ ＝－BS(cos θ＋sin θ)． 答案　(1)BSsin θ?。瑽Scos θ　(2)－BS(cos θ＋sin θ) 二、產生感應電流的分析判斷及實驗探究 例3　如圖8所示，在勻強磁場中的矩形金屬軌道上有等長的兩根金屬棒ab和cd，它們以相同的速度勻速運動，則(　　) 圖8 A．斷開開關S，ab中有感應電流 B．閉合開關S，ab中有感應電流 C．無論斷開還是閉合開關S，ab中都有感應電流 D．無論斷開還是閉合開關S，ab中都沒有感應電流 解析　兩根金屬棒ab和cd以相同的速度勻速運動，若斷開開關S，兩根金屬棒與導軌構成的回路中磁通量無變化，則回路中無感應電流，故選項A、C錯誤；若閉合開關S，兩根金屬棒與導軌構成的回路中磁通量發(fā)生變化，則回路中有感應電流，故選項B正確，D錯誤． 答案　B 針對訓練　如圖9所示裝置，在下列各種情況中，能使懸掛在螺線管附近的銅質閉合線圈A中產生感應電流的是(　　) 圖9 A．開關S接通的瞬間 B．開關S接通后，電路中電流穩(wěn)定時 C．開關S接通后，滑動變阻器觸頭滑動的瞬間 D．開關S斷開的瞬間 答案　ACD 例4　在研究電磁感應現(xiàn)象的實驗中所用器材如圖10所示．它們是①電流表、②直流電源、③帶鐵芯的線圈A、④線圈B、⑤開關、⑥滑動變阻器(用來控制電流以改變磁場強弱)．試按實驗的要求在實物圖上連線(圖中已連好一根導線)． 圖10 答案　連接電路如圖所示 1．(對電磁感應現(xiàn)象的認識)下列關于電磁感應現(xiàn)象的認識，正確的是(　　) A．它最先是由奧斯特通過實驗發(fā)現(xiàn)的 B．它說明了電流周圍存在磁場 C．它說明了閉合回路中磁通量變化時會產生電流 D．它說明了電流在磁場中會受到安培力 答案　C 解析　奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，故A錯誤；電流周圍存在磁場是電流的磁效應，故B錯誤；閉合回路的磁通量變化產生電流的現(xiàn)象是電磁感應現(xiàn)象，故C正確；電磁感應現(xiàn)象并沒有說明電流在磁場中會受到安培力，故D錯誤． 2. (對磁通量Φ及其變化量ΔΦ的理解)如圖11所示一矩形線框，從abcd位置移到a′b′c′d′位置的過程中，關于穿過線框的磁通量情況，下列敘述正確的是(線框平行于紙面移動) (　　) 圖11 A．一直增大 B．一直減小 C．先增大后減小 D．先增大，再減小直到零，然后再增大，然后再減小 答案　D 解析　離導線越近，磁場越強，當線框從左向右靠近導線的過程中，穿過線框的磁通量增大，當線框跨在導線上向右運動時，磁通量減小，當導線在線框正中央時，磁通量為零，從該位置向右，磁通量又增大，當線框離開導線向右運動的過程中，磁通量又減小，故A、B、C錯誤，D正確． 3. (產生感應電流的分析判斷)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，下列選項中可行的是(　　) 圖12 A．將線框向左拉出磁場 B．以ab邊為軸轉動 C．以ad邊為軸轉動(小于60) D．以bc邊為軸轉動(小于60) 答案　ABC 解析　將線框向左拉出磁場的過程中，線框的bc部分切割磁感線，或者說穿過線框的磁通量減小，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內會產生感應電流．如果轉過的角度超過60(60～300)，bc邊將進入無磁場區(qū)，那么線框中將不再產生感應電流． 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)． 4. (產生感應電流的分析判斷)如圖13所示，繞在鐵芯上的線圈與電源、滑動變阻器和開關組成閉合回路，在鐵芯的右端套有一個表面絕緣的銅環(huán)A，下列各種情況中銅環(huán)A中沒有感應電流的是(　　) 圖13 A．線圈中通以恒定的電流 B．通電時，使滑動變阻器的滑片P做勻速移動 C．通電時，使滑動變阻器的滑片P做加速移動 D．將開關突然斷開的瞬間 答案　A 解析　只要通電時滑動變阻器的滑片P移動，電路中的電流就會發(fā)生變化，變化的電流產生變化的磁場，銅環(huán)A中磁通量發(fā)生變化，有感應電流；同樣，將開關斷開瞬間，電路中電流從有到無，仍會在銅環(huán)A中產生感應電流． 題組一　電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 1．奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應，使整個科學界受到了極大的震動，通過對電流磁效應的逆向思維，人們提出的問題是(　　) A．電流具有熱效應 B．電流具有磁效應 C．磁能生電 D．磁體具有磁化效應 答案　C 2．下列選項中屬于電磁感應現(xiàn)象的是(　　) A．通電導體周圍產生磁場 B．磁場對通電導體發(fā)生作用 C．閉合電路的一部分導體做切割磁感線運動時，在電路中產生電流的現(xiàn)象 D．電荷在磁場中定向移動形成電流 答案　C 解析　電流能產生磁場，是電流的磁效應現(xiàn)象，不是電磁感應現(xiàn)象，故A錯誤；通電導體在磁場中受到安培力作用，不是電磁感應現(xiàn)象，故B錯誤；閉合電路的一部分導體做切割磁感線運動時，在電路中產生電流的現(xiàn)象是電磁感應現(xiàn)象，故C正確；電荷在磁場中定向移動形成電流，不是電磁感應產生的電流，不是電磁感應現(xiàn)象，故D錯誤． 題組二　對磁通量Φ及其變化量ΔΦ的理解與計算 3．關于磁通量，下列敘述正確的是 (　　) A．在勻強磁場中，穿過一個平面的磁通量等于磁感應強度與該平面面積的乘積 B．在勻強磁場中，a線圈的面積比b線圈的大，則穿過a線圈的磁通量一定比穿過b線圈的磁通量大 C．把一個線圈放在M、N兩處，若放在M處時穿過線圈的磁通量比放在N處時大，則M處的磁感應強度一定比N處大 D．同一線圈放在磁感應強度大處，穿過線圈的磁通量不一定大 答案　D 解析　磁通量等于磁感應強度與垂直磁場方向上的投影面積的乘積，A錯誤；線圈面積大，但投影面積不一定大，B錯誤；磁通量大，磁感應強度不一定大，C錯誤，D正確． 4．關于磁通量的概念，以下說法中正確的是 (　　) A．磁感應強度越大，穿過閉合回路的磁通量越大 B．磁感應強度越大，線圈的面積越大，則磁通量越大 C．穿過線圈的磁通量為零，但磁感應強度不一定為零 D．磁通量發(fā)生變化，一定是磁場發(fā)生變化引起的 答案　C 解析　根據(jù)磁通量的定義，Φ＝BSsin θ，因此A、B選項錯誤；穿過線圈的磁通量為零時，磁感應強度不一定為零，故C選項正確；磁通量發(fā)生變化，可能是閉合回路在磁場方向上的有效面積變化引起的，也可能是磁場變化引起的，故D選項錯誤． 5. 如圖1所示，半徑為R的圓形線圈共有n匝，其中心位置處半徑為r的范圍內有勻強磁場，磁場方向垂直線圈平面，若磁感應強度為B，則穿過線圈的磁通量為 (　　) 圖1 A．πBR2 B．πBr2 C．nπBR2 D．nπBr2 答案　B 解析　由磁通量的定義式知Φ＝BS＝πBr2，故B正確． 題組三　產生感應電流的分析判斷 6．關于電磁感應現(xiàn)象，下列說法中正確的是(　　) A．閉合線圈放在變化的磁場中，必然有感應電流產生 B．閉合正方形線圈在勻強磁場中垂直磁感線運動，必然產生感應電流 C．穿過閉合線圈的磁通量變化時，線圈中有感應電流 D．只要穿過電路的磁通量發(fā)生變化，電路中就一定有感應電流產生 答案　C 解析　產生感應電流的條件：(1)閉合電路；(2)磁通量Φ發(fā)生變化，兩個條件缺一不可． 7．在法拉第時代，下列驗證“由磁產生電”設想的實驗中，能觀察到感應電流的是(　　) 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　產生感應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，不能產生感應電流，故選項A、B不能觀察到電流表的變化；選項C滿足產生感應電流的條件，也能產生感應電流，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滿足產生感應電流的條件，能產生感應電流，可以觀察到電流表的變化，所以選D. 8．下列選項中能產生感應電流的是(　　) 答案　B 解析　根據(jù)產生感應電流的條件：A中，電路沒閉合，無感應電流；B中，面積增大，閉合電路的磁通量增大，有感應電流；C中，穿過線圈的磁感線相互抵消，Φ恒為零，無感應電流；D中，磁通量不發(fā)生變化，無感應電流． 9. 如圖2所示，一有限范圍的勻強磁場寬度為d，若將一個邊長為L的正方形導線框以速度v勻速地通過磁場區(qū)域，已知d＞L，則導線框從開始進入到完全離開磁場的過程中無感應電流的時間等于(　　) 圖2 A. B. C. D. 答案　D 解析　只有導線框完全在磁場里面運動時，導線框中才無感應電流． 10. 如圖3所示的勻強磁場中有一個矩形閉合導線框，初始位置線框與磁感線平行，則在下列四種情況下，線框中會產生感應電流的是(　　) 圖3 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三種情況線框運動后，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，A、B、D項錯誤．C中線框轉動后，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． 11．為觀察電磁感應現(xiàn)象，某學生將電流表、螺線管A和B、蓄電池、開關用導線連接成如圖4所示的實驗電路．當接通和斷開開關時，電流表的指針都沒有偏轉，其原因是(　　) 圖4 A．開關位置接錯 B．電流表的正、負極接反 C．線圈B的3、4接頭接反 D．蓄電池的正、負極接反 答案　A 解析　因感應電流產生的條件是閉合電路中的磁通量發(fā)生變化，由電路圖可知，把開關接在B與電流表之間，因與1、2接頭相連的電路在接通和斷開開關時，電流不改變，所以不可能有感應電流，電流表也不可能偏轉，開關應接在A與電源之間． 12. 如圖5所示，導線ab和cd互相平行，則下列四種情況中，導線cd中有電流的是 (　　) 圖5 A．開關S閉合或斷開的瞬間 B．開關S是閉合的，滑動觸頭向左滑 C．開關S是閉合的，滑動觸頭向右滑 D．開關S始終閉合，滑動觸頭不動 答案　ABC 解析　開關S閉合或斷開的瞬間，開關S閉合后滑動觸頭向左滑或向右滑的過程都會使通過導線ab段的電流發(fā)生變化，使穿過cd回路的磁通量發(fā)生變化，從而在cd導線中產生感應電流，因此本題的正確選項應為A、B、C. 13．如圖6所示，A為多匝線圈，與開關、滑動變阻器相連后接入M、N間的交流電源，B為一接有一小燈泡的閉合多匝線圈，下列關于小燈泡發(fā)光說法正確的是(　　) 圖6 A．閉合開關后小燈泡可能發(fā)光 B．若閉合開關后小燈泡發(fā)光，再將B線圈靠近A，則小燈泡更亮 C．閉合開關瞬間，小燈泡才能發(fā)光 D．若閉合開關后小燈泡不發(fā)光，將滑動變阻器滑片左移后，小燈泡可能會發(fā)光 答案　AB 解析　閉合開關后，A中有交變電流，B中就會有變化的磁場，B中有感應電流，若電流足夠大，小燈泡可能發(fā)光，A正確，C、D錯誤；若閉合開關后小燈泡發(fā)光，再將B線圈靠近A，磁通量變化率更大，所以小燈泡會更亮，B正確．