2021届高中物理新教材同步必修第三册 第13章 3　电磁感应现象及应用

3电磁感应现象及应用[学习目标]1．知道什么是电磁感应现象.2.通过实验探究产生感应电流的条件．一、划时代的发现1．丹麦物理学家奥斯特发现载流导体能使小磁针转动，这种作用称为电流的磁效应，揭示了电现象与磁现象之间存在密切联系．2．英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象，即“磁生电”现象，他把这种现象命名为电磁感应．产生的电流叫作感应电流．二、感应电流的产生条件当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，闭合导体回路中就产生感应电流．1．判断下列说法的正误．(1)只要闭合电路内有磁通量，闭合电路中就有感应电流产生．(×)(2)闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，电路中会产生感应电流．(√)(3)不论电路是否闭合，只要电路中磁通量发生变化，电路中就有感应电流．(×)2.如图1所示，条形磁铁A沿竖直方向插入线圈B的过程中，电流表G的指针________(选填“不偏转”或“偏转”)；若条形磁铁A在线圈B中保持不动，电流表G的指针________(选填“不偏转”或“偏转”)．图1答案偏转不偏转一、磁通量的变化磁通量的变化大致可分为以下几种情况：(1)磁感应强度B不变，有效面积S发生变化．如图2(a)所示．(2)有效面积S不变，磁感应强度B发生变化．如图(b)所示．(3)磁感应强度B和有效面积S都不变，它们之间的夹角发生变化．如图(c)所示．图2磁通量是研究电磁感应现象的重要物理量，如图3所示，通有恒定电流的导线MN与闭合线框共面，第一次将线框由位置1平移到位置2，第二次将线框绕cd边翻转到位置2，设先后两次通过线框的磁通量变化量的大小分别为ΔΦ1和ΔΦ2，则()图3A．ΔΦ1>ΔΦ2 B．ΔΦ1＝ΔΦ2C．ΔΦ1<ΔΦ2 D．无法确定答案C解析设闭合线框在位置1时穿过闭合线框的磁通量为Φ1，在位置2时穿过闭合线框的磁通量为Φ2，导线MN中的电流产生的磁场在位置1处的磁感应强度比在位置2处强，故Φ1>Φ2.将闭合线框从位置1平移到位置2，穿过闭合线框的磁感线方向不变，所以ΔΦ1＝|Φ2－Φ1|＝Φ1－Φ2；将闭合线框从位置1绕cd边翻转到位置2，穿过闭合线框的磁感线反向，所以ΔФ2＝|(－Φ2)－Φ1|＝Φ1＋Φ2(以原来磁感线穿过的方向为正方向，则后来从另一面穿过的方向为负方向)，故C正确．针对训练1磁通量可以形象地理解为“穿过一个闭合电路的磁感线的条数”．在图4所示磁场中，S1、S2、S3为三个面积相同的相互平行的线圈，穿过S1、S2、S3的磁通量分别为Φ1、Φ2、Φ3且都不为0.下列判断正确的是()图4A．Φ1最大 B．Φ2最大C．Φ3最大 D．Φ1、Φ2、Φ3相等答案A解析磁通量表示穿过一个闭合电路的磁感线条数的多少，从题图中可看出穿过S1的磁感线条数最多，所以Φ1最大，故A正确，B、C、D错误．二、感应电流产生的条件1．实验：探究感应电流产生的条件(1)如图5所示，导体AB做切割磁感线运动时，线路中________电流产生，而导体AB顺着磁感线运动时，线路中________电流产生．(均选填“有”或“无”)图5(2)如图6所示，当条形磁铁插入或拔出线圈时，线圈中________电流产生，但条形磁铁在线圈中静止不动时，线圈中________电流产生．(均选填“有”或“无”)图6(3)如图7所示，将小螺线管A插入大螺线管B中不动，当开关S闭合或断开时，电流表中________电流通过；若开关S一直闭合，当改变滑动变阻器的阻值时，电流表中________电流通过；而开关一直闭合，滑动变阻器的滑动触头不动时，电流表中________电流通过．(均选填“有”或“无”)图7(4)归纳总结：实验一中：导体棒切割磁感线运动，回路面积发生变化，从而引起了磁通量的变化，产生了感应电流．实验二中：磁铁插入或拔出线圈时，线圈中的磁场发生变化，从而引起了磁通量的变化，产生了感应电流．实验三中：开关闭合、断开、滑动变阻器的滑动触头移动时，A线圈中电流变化，从而引起穿过B的磁通量变化，产生了感应电流．三个实验共同特点是：产生感应电流时闭合回路的磁通量都发生了变化．答案(1)有无(2)有无(3)有有无2．感应电流产生条件的理解不论什么情况，只要满足电路闭合和磁通量发生变化这两个条件，就必然产生感应电流；反之，只要产生了感应电流，那么电路一定是闭合的，且穿过该电路的磁通量也一定发生了变化．(多选)下图中能产生感应电流的是()答案BD解析A选项中，电路没有闭合，无感应电流；B选项中，面积增大，通过闭合电路的磁通量增大，有感应电流；C选项中，穿过圆环的磁感线相互抵消，磁通量恒为零，无感应电流；D选项中，穿过闭合电路的磁通量减小，有感应电流．判断是否产生感应电流的关键是明确电路是否闭合，分清磁感线的疏密分布，从而判断磁通量是否变化，而不是看磁通量的有无.针对训练2(多选)如图8所示装置，在下列各种情况中，能使悬挂在螺线管附近的铜质闭合线圈A中产生感应电流的是()图8A．开关S闭合的瞬间B．开关S闭合后，电路中电流稳定时C．开关S闭合后，滑动变阻器滑片滑动的瞬间D．开关S断开的瞬间答案ACD针对训练3线圈在长直导线电流的磁场中做如图9所示的运动：A向右平动，B向下平动，C绕轴转动(ad边向里)，D垂直于纸面向纸外做平动，E向上平动(E线圈有个缺口)，判断线圈中有没有感应电流．图9答案A、E中无感应电流B、C、D中有感应电流解析A向右平动，穿过线圈的磁通量没有变化，故线圈中没有感应电流；B向下平动，穿过线圈的磁通量减少，必产生感应电流；C绕轴转动，穿过线圈的磁通量变化(开始时减少)，必产生感应电流；D离纸面越远，线圈中磁通量越少，线圈中有感应电流；E向上平动，穿过线圈的磁通量增加，但由于线圈没有闭合，因此无感应电流.1．(电磁感应现象的认识)(2018·南通市高二上学期调研)下列现象中，属于电磁感应现象的是()A．通电线圈在磁场中转动B．因闭合线圈在磁场中运动而产生电流C．磁铁吸引小磁针D．小磁针在通电导线附近发生偏转答案B解析闭合线圈在磁场中由于磁通量的变化而产生电流的现象叫电磁感应，B正确；A中通电线圈在磁场中转动是因为受磁场力作用，A错误；D是电流的磁效应，D错误；C中磁铁吸引小磁针是磁场的作用，C错误．2．(磁通量的变化)如图10所示，ab是水平面上一个圆环的直径，在过ab的竖直平面内有一根通电导线ef.已知ef平行于ab，当ef竖直向上平移时，则穿过圆环的磁通量将()图10A．逐渐增大 B．逐渐减小C．始终为零 D．不为零，但保持不变答案C解析利用安培定则判断直线电流产生的磁场，作出俯视图，考虑到磁场具有对称性，可以知道，穿进圆环的磁感线的条数与穿出圆环的磁感线条数总是相等的，故磁通量始终为零，故选C项．3．(磁通量的变化)如图11所示，一环形线圈沿条形磁铁的轴线，从磁铁N极的左侧A点运动到磁铁S极的右侧B点，A、B两点关于磁铁的中心对称，则在此过程中，穿过环形线圈的磁通量将()图11A．先增大，后减小B．先减小，后增大C．先增大，后减小、再增大，再减小D．先减小，后增大、再减小，再增大答案A4．(产生感应电流的条件)(多选)某学生做观察电磁感应现象的实验时，将电流表、线圈A和B、蓄电池、开关，用导线连接成如图12所示的实验电路，闭合开关，下列说法正确的是()图12A．线圈A插入线圈B的过程中，有感应电流B．线圈A从线圈B中拔出过程中，有感应电流C．线圈A停在线圈B中，有感应电流D.线圈A拔出线圈B的过程中，线圈B的磁通量在减小答案ABD解析由感应电流产生的条件知A、B选项都正确，C项错误；在线圈A从线圈B拔出的过程中，线圈B的磁通量减小，D项正确．5．(产生感应电流的条件)如选项图所示的匀强磁场中有一闭合矩形导线框，则在图示时刻能产生感应电流的是()答案B解析A、D选项中线框内的磁通量始终不变化，C选项中线框内的磁通量始终等于零，故均没有感应电流产生；B选项中，线框内的磁感线减少，磁通量发生变化，能产生感应电流．考点一电磁感应现象的发现与认识1．许多科学家在物理学发展中做出了重要贡献，下列表述中正确的是()A．牛顿测出引力常量B．法拉第发现电磁感应现象C．安培发现了电流的磁效应D．奥斯特总结并确认了真空中两个静止点电荷之间的相互作用规律答案B2．在法拉第时代，下列验证“由磁产生电”设想的实验中，能观察到感应电流的是()A．将绕在磁铁上的线圈与电流表组成一闭合回路，然后观察电流表示数的变化B．在一通电线圈旁放置一连有电流表的闭合线圈，一段时间后观察电流表示数的变化C．将一房间内的线圈两端与相邻房间的电流表连接，往线圈中插入条形磁铁后，再到相邻房间去观察电流表示数的变化D．绕在同一铁环上的两个线圈，分别接电源和电流表，在给线圈通电或断电的瞬间，观察电流表示数的变化答案D解析同时满足电路闭合和穿过电路的磁通量发生变化这两个条件，电路中才会产生感应电流，A、B选项都不会使电路中的磁通量发生变化，并不满足产生感应电流的条件，故A、B错误；磁铁插入线圈时，虽有短暂电流产生，但未能及时观察，故C错误；在给线圈通电、断电瞬间，会引起穿过另一线圈的磁通量发生变化，产生感应电流，故D正确．考点二磁通量变化情况的判断3．如图1所示，虚线框内有匀强磁场，大环和小环是垂直于磁场方向同心放置的两个圆环，分别用Φ1和Φ2表示穿过大、小两环的磁通量，则有()图1A．Φ1>Φ2B．Φ1<Φ2C．Φ1＝Φ2D．无法确定答案C解析对于大环和小环来说，磁感线的净条数没有变化，故C正确．4.如图2所示，在同一平面内有四根彼此绝缘的直导线，分别通有大小相同、方向如图所示的电流，要使由四根直导线所围成的面积内的磁通量增加，则应切断哪一根导线中的电流()图2A．切断i1 B．切断i2C．切断i3 D．切断i4答案D解析根据安培定则判断出四根通电直导线中电流在所围面积内的磁场方向，可知只有i4中电流产生的磁场垂直于纸面向外，则要使磁通量增加，应切断i4.5.如图3所示，固定的长直导线中通有恒定电流，一矩形线框从abcd位置向右平移到a′b′c′d′位置的过程中，关于穿过线框的磁通量情况，下列叙述正确的是(线框平行于纸面)()图3A．一直增加B．一直减少C．先增加后减少D．先增加，再减少到零，然后再增加，然后再减少答案D解析离导线越近，磁场越强，当线框从左向右靠近导线的过程中，穿过线框的磁通量增大，当线框跨在导线上向右运动时，磁通量减小，当导线在线框正中央时，磁通量为零，从该位置向右，磁通量又增大，当线框离开导线向右运动的过程中，磁通量又减小，故D正确．考点三有无感应电流的判断6．(多选)下列选项中的操作能使如图4所示的三种装置产生感应电流的是()图4A．甲图中，使导体棒AB顺着磁感线运动B．乙图中，使条形磁铁插入或拔出线圈C．丙图中，开关S保持闭合，使小螺线管A插入大螺线管B中不动D．丙图中，开关S保持闭合，使小螺线管A插入大螺线管B中不动，移动滑动变阻器的滑片答案BD解析题图甲中导体棒顺着磁感线运动，穿过闭合电路的磁通量没有发生变化，无感应电流，故A错误；题图乙中条形磁铁插入线圈时线圈中的磁通量增加，拔出线圈时线圈中的磁通量减少，线圈中都能产生感应电流，故B正确；题图丙中开关S保持闭合，回路中为恒定电流，小螺线管A产生的磁场稳定，螺线管B中的磁通量无变化，无感应电流，故C错误；题图丙中开关S保持闭合，小螺线管A插入大螺线管B中不动，移动滑动变阻器的滑片使闭合回路中的电流变化，从而使小螺线管A产生的磁场变化，故大螺线管B中的磁通量变化，有感应电流，故D正确．7．(2018·南通中学高二上学期期中)如图所示，矩形线框在足够大的匀强磁场中做的各种运动中，能够产生感应电流的是()答案B解析由题图可知，矩形线框中磁通量变化的只有B图，因此只有B图能产生感应电流，故选B.8.(多选)(2018·广南县一中高二上学期月考)如图5所示，线圈abcd在磁场区域ABCD中，下列哪种情况下线圈中有感应电流产生()图5A．把线圈变成圆形(周长不变)B．使线圈在磁场中加速平移C．使磁场增强或减弱D．使线圈以过ab的直线为轴旋转答案ACD解析把线圈变成圆形(周长不变)，线圈面积变大，通过线圈的磁通量增大，线圈中有感应电流产生，A正确；使线圈在磁场中加速平移，通过线圈的磁通量不变，线圈中没有感应电流产生，B错误；使磁场增强或减弱，通过线圈的磁通量增大或减小，线圈中有感应电流产生，C正确；使线圈以过ab的直线为轴旋转，线圈在磁场中的有效面积发生变化，线圈中磁通量发生变化，线圈中有感应电流产生，D正确．9.通电直导线穿过闭合线圈L，如图6所示，则()图6A．当电流I增大时，线圈L中有感应电流B．当L左右平动时，L中有感应电流C．当L上下平动时，L中有感应电流D．以上各种情况都不会产生感应电流答案D解析根据直线电流的磁场特点知，A、B、C各种情况下，穿过线圈的磁通量始终为零，选项D正确．10.如图7所示，在竖直向下的匀强磁场中(磁场范围足够大)，有一闭合导体环，环面与磁场方向垂直，当导体环在磁场中完成下述运动时，可能产生感应电流的是()图7A．导体环保持水平方位在磁场中向上或向下运动B．导体环保持水平方位向左或向右加速平动C．导体环绕垂直环面、通过环心的轴转动D．导体环以一条直径为轴，在磁场中转动答案D11．(多选)如图8所示为电流表与螺线管组成闭合电路，以下能使电流表指针偏转的是()图8A．将磁铁插入螺线管的过程中B．磁铁放在螺线管中不动时C．将磁铁从螺线管中向上拉出的过程中D．磁铁静止而将螺线管向上移动答案ACD解析在磁铁插入、拉出过程中螺线管中的磁通量均发生变化，能产生感应电流，电流表指针偏转，故A、C正确；磁铁放在螺线管中不动时，螺线管中的磁通量不发生变化，无感应电流产生，电流表指针不偏转，故B错误；由于磁铁静止而螺线管向上移动，螺线管中的磁通量发生变化，有感应电流产生，电流表指针偏转，故D正确．12．(多选)如图9所示，线圈Ⅰ和线圈Ⅱ绕在同一个铁芯上，下列情况中能引起电流计指针转动的是()图9A．闭合开关瞬间B．开关闭合稳定后C．开关闭合稳定后移动滑