鲁科版选修32 第一章 第1节 磁生电的探索 学案.doc

第1节磁生电的探索1.1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，拉开了研究电与磁相互关系的序幕，法拉第历经10年发现磁生电的原因。2感应电流的产生条件有两个，一是电路闭合，一是磁通量发生变化，二者缺一不可。3磁通量变化有多种：b不变s变、b变s不变、b与s都变、b与s都不变只是二者夹角变。 一、电磁感应的探索历程事件意义电生磁1820年，奥斯特发现了电流的磁效应拉开了研究电与磁相互关系的序幕磁生电菲涅耳、安培、科拉顿、亨利等致力于磁生电的研究科学探索是曲折的，真理追求是执着的1831年，法拉第发现了电磁感应现象揭示了电和磁的内在联系，引领人类进入电气时代二、感应电流的产生条件1探究导体棒在磁场中运动是否产生电流(如图111)图111实验操作实验现象(有无电流)分析论证导体棒静止无闭合电路包围的面积变化时，电路中有电流产生；闭合电路包围的面积不变时，电路中无电流产生导体棒平行磁感线运动无导体棒切割磁感线运动有2探究磁铁在通电螺线管中运动是否产生电流(如图112)图112实验操作实验现象(有无电流)分析论证n极插入线圈有线圈中的磁场变化时，线圈中有感应电流；线圈中的磁场不变时，线圈中无感应电流n极停在线圈中无n极从线圈中抽出有s极插入线圈有s极停在线圈中无s极从线圈中抽出有3模拟法拉第的实验(如图113)图113实验操作实验现象(线圈b中有无电流)分析论证开关闭合瞬间有线圈b中磁场变化时，线圈b中有感应电流；磁场不变时，线圈b中无感应电流开关断开瞬间有开关保持闭合，滑动变阻器滑片不动无开关保持闭合，迅速移动滑动变阻器的滑片有4实验结论利用磁场产生电流的条件：只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就会产生电流。1自主思考判一判(1)法拉第不但发现了电流的磁效应，还发现了电磁感应现象。()(2)磁通量虽然有正、负之分，但磁通量是标量。()(3)穿过闭合线圈的磁通量发生变化，一定能产生感应电流。()(4)闭合线圈做切割磁感线运动，一定能产生感应电流。()(5)闭合线圈和磁场发生相对运动，不一定能产生感应电流。()2合作探究议一议(1)为什么许多大物理学家对“磁生电”的探索失败，而法拉第却能成功呢？提示：许多大物理学家如菲涅耳、安培、科拉顿、亨利等，他们对磁生电探索失败的原因，可归纳为两条：“磁生电”是一种在变化运动的过程中才能出现的动态效应，大多数物理学家把它看成了静态效应，静等其变，研究思路不对。科学实验的多次失败和挫折，使大多数物理学家知难而退、望而却步，而法拉第凭着迎难而上、对科学坚韧不拔的探索精神、献身精神，十年磨一剑，终成大器。(2)只要磁通量变化就有感应电流产生吗？提示：不一定，要产生感应电流需具备两个条件：闭合回路磁通量发生变化如果电路不闭合，即使磁通量发生变化也不会产生感应电流。(3)闭合电路的部分导体切割磁感线运动时，一定有感应电流吗？提示：不一定。如图所示，线框abcd仅有一半置入匀强磁场中，当它在磁场中上下运动时，一半线框在做切割磁感线运动，但磁通量未发生变化，故无感应电流产生。当线框向左平动，离开磁场时，线框的磁通量减小，故有电流产生，导体做切割磁感线运动，不是导体中产生感应电流的充要条件，归根结底还得要看穿过闭合回路的磁通量是否发生变化。 磁通量及其变化的分析1磁通量与其变化量的区别磁通量磁通量的变化量物理意义某时刻穿过某个面的磁感线条数始末时刻穿过某个面的磁通量的差值大小计算bs，s为闭合回路线圈在垂直于磁场方向上的有效面积21bs(b不变) 或sb(s不变)说明穿过某个面有方向相反的磁场，则不能直接用bs，应考虑方向相反的磁通量抵消以后所剩余的磁通量与磁场垂直的平面，开始时和转过180时穿过平面的磁通量是不同的，一正一负，2bs，而不是零2磁通量的计算(1)b与s垂直时(匀强磁场中)：bs。b指匀强磁场的磁感应强度，s为线圈的面积。 (2)b与s不垂直时(匀强磁场中)：bs。s为线圈在垂直磁场方向上的有效面积，在应用时可将s分解到与b垂直的方向上，如图114所示，bs sin 。图114(3)磁通量虽然是标量，却有正负之分。当某面积内有方向相反的磁场时，分别计算不同方向的磁场的磁通量，然后规定某个方向的磁通量为正，反方向的磁通量为负，求其代数和。典例如图115所示，a、b是两个同平面、同心放置的金属圆环，条形磁铁穿过圆环且与两环平面垂直，则通过两圆环的磁通量a、b()图115aabbabcab d无法比较思路点拨解析条形磁铁磁场的磁感线的分布特点是：磁铁内外磁感线的条数相同。磁铁内外磁感线的方向相反。磁铁外部磁感线的分布是两端密、中间疏。两个同心放置的同平面的金属圆环与磁铁垂直且磁铁在中央时，通过其中的磁感线的俯视图如图所示，穿过圆环的磁通量进出，由于两圆环面积sasb，两圆环的进相同，而出a出b，所以穿过两圆环的有效磁通量ab，故a正确。答案a(1)对于穿过某一平面的双向磁场，表示的是合磁通量的大小。(2)注意有相反方向的磁场产生的磁通量的判断，首先要清楚哪个方向的磁通量大，然后再看它们各自如何变化，进而判断总磁通量情况。 1.如图116所示，水平放置的扁平条形磁铁，在磁铁的左端正上方有一金属线框，线框平面与磁铁垂直，当线框从左端正上方沿水平方向平移到右端正上方的过程中，穿过它的磁通量的变化情况是()图116a先减小后增大b始终减小c始终增大 d先增大后减小解析：选a线框在磁铁两端的正上方时穿过该线框磁通量最大，在磁铁中央时穿过该线框的磁通量最小，所以该过程中的磁通量先减小后增大，故a对。2.如图117所示，a、b、c三个闭合线圈放在同一平面内，当线圈a中有电流i通过时，它们的磁通量分别为a、b、c，下列说法中正确的是()图117aabbccaccb解析：选b当a中有电流通过时，穿过a、b、c三个闭合线圈的向里的磁感线条数一样多，向外的磁感线的条数c最多，其次是b，a中没有向外的磁感线，因此，根据合磁通量的计算，应该是abc。3如图118所示，有一通电长直导线mn，通入向右的电流i，另有一闭合线圈p位于导线正下方，现使线圈p竖直向上运动，问在线圈p到达mn上方的过程中，穿过p的磁通量是如何变化的？图118解析：根据直线电流磁场特点，靠近导线处磁场强，远离导线处磁场弱，把线圈p从mn下方运动到上方的过程中几个特殊位置画出，如图所示(为画清楚，把线圈错开了)。分析磁通量变化时可以通过穿过线圈的磁感线的条数(注意应是净条数)的变化来分析。磁通量增加；磁通量减小(位置时0)；磁通量增加；磁通量减小。所以整个过程磁通量的变化为：增加减小增加减小。答案：见解析感应电流的产生条件1对感应电流产生条件的理解(1)两个条件均为必要条件，缺一不可。(2)闭合电路中是否产生感应电流，取决于穿过回路的磁通量是否发生变化。2判断有无感应电流的基本步骤(1)明确所研究的电路是否为闭合电路。(2)分析最初状态穿过电路的磁通量情况。(3)根据相关量变化的情况分析穿过闭合电路的磁通量是否发生变化。常见的情况有以下几种：磁感应强度b不变，线圈面积s发生变化，例如闭合电路的一部分导体切割磁感线时。线圈面积s不变，磁感应强度b发生变化，例如线圈与磁体之间发生相对运动时或者磁场是由通电螺线管产生而螺线管中的电流变化时。磁感应强度b和线圈面积s同时发生变化，此时可由10计算并判断磁通量是否发生变化。线圈面积s不变，磁感应强度b也不变，但二者之间的夹角发生变化，例如线圈在磁场中转动时。典例 (多选)如图119所示，竖直放置的长直导线通以恒定电流，一矩形线框abcd与通电导线共面放置，且ad边与通电导线平行。下列情况中能产生感应电流的是()a导线中电流变大b线框向右平动c线框向下平动d线框以ab边为轴转动e线框以直导线为轴转动图119思路点拨 解析讨论是否产生感应电流，需分析通电直导线周围的磁场分布情况，通电直导线周围的磁感线是一系列的同心圆，且离导线越远磁感线越稀疏。只要穿过线框的磁通量发生变化，线框中就能产生感应电流。因i增大而引起导线周围磁场的磁感应强度增大，穿过线框的磁通量增大，故a正确。因离直导线越远，磁感线分布越稀疏(如图甲)，因此线框向右平动时，穿过线框的磁通量变小，故b正确。由甲图可知线框向下平动时穿过线框的磁通量不变，故c错。线框以ab边为轴转动时，当线框在如图甲所示位置时，穿过线框的磁通量最大，当线框转过90时，穿过线框的磁通量最小：0，因此可以判定线框以ab边为轴转动时磁通量一定变化，故d正确。对e选项，先画出俯视图(如图乙)，由图可看出线框绕直导线转动时，在任何一个位置穿过线框的磁感线条数不变，因此无感应电流产生，故e错。答案abd对感应电流产生条件的两点理解(1)在闭合回路中是否产生感应电流，取决于穿过回路的磁通量是否发生变化，而不取决于穿过回路磁通量的大小。(2)闭合回路的部分导体做切割磁感线运动是引起回路磁通量变化的具体形式之一。但闭合回路的部分导体做切割磁感线运动时，不一定总会引起闭合回路的磁通量变化。如图所示，矩形线框abcd在范围足够大的匀强磁场中，在垂直磁场的平面内向右平动，虽然ad、bc边都切割磁感线，但磁场穿过回路abcd的磁通量没有变化，因而没有产生感应电流。1如图所示，各导体框在匀强磁场中运动方向图中已标出，能产生感应电流的是()解析：选da图中，回路不闭合，回路中无感应电流。b、c中虽有切割且回路闭合，但磁通量不发生变化，回路中无感应电流。2.如图1110所示，条形磁铁的上方放置一矩形线框，线框平面水平且和条形磁铁平行，则线框在由磁铁n极匀速平移到磁铁s极的过程中()图1110a线框中始终无感应电流b线框中始终有感应电流c线框中开始有感应电流，当线框运动到磁铁中部上方时无感应电流，以后又有了感应电流d开始无电流，当运动到磁铁中部的上方时有感应电流，后来又没有电流解析：选b线框移动过程中，穿过线框的磁通量先减小后增大，即穿过线框的磁通量始终是变化的，故线框始终有感应电流，故b正确。3图1111所示的匀强磁场中有一个矩形闭合导线框。在下列几种情况下，线框中是否产生感应电流？(1)保持线框平面始终与磁感线垂直，线框在磁场中上下运动(图甲)。(2)保持线框平面始终与磁感线垂直，线框在磁场中左右运动(图乙)。(3)线框绕轴线ab转动(图丙)。图1111解析：(1)图甲中，线框在磁场中上下运动的过程中，穿过线框的磁通量没有发生变化，所以无感应电流产生。(2)图乙中，线框在磁场中左右运动的过程中，尽管切割磁感线，但是穿过线框的磁通量没发生变化，所以无感应电流产生。(3)图丙中，线框绕ab转动，会使穿过线框的磁通量发生改变，有感应电流产生。答案：见解析1下列现象中，属于电磁感应现象的是()a磁场对电流产生力的作用b变化的磁场使闭合电路产生感应电流c插入通电螺线管中的软铁棒被磁化d电流周围产生磁场解析：选b电磁感应现象是指由于穿过闭合回路的磁通量发生变化而产生感应电流的现象，只有选项b符合。2有一宇航员登月后，想探测一下月球表面是否有磁场，他手边有一只灵敏电流表和一个小线圈，则下列推断正确的是()a直接将电流表放于月球表面，根据电流表有无示数来判断磁场的有无b将电流表与线圈连成闭合回路，使线圈沿某一方向运动，若电流表无示数，则可以判断月球表面无磁场c将电流表与线圈连成闭合回路，使线圈沿某一方向运动，若电流表有示数，则可以判断月球表面有磁场d将电流表与线圈连成闭合回路，使线圈在某一平面内沿各个方向运动，若电流表无示数，则可以判断月球表面无磁场解析：选c假设月球表面有磁场，其磁场分布规律类似于地磁场，当电流表与线圈组成闭合电路，穿过该回路的磁通量发生变化时，电流表就会有示数，就可证明有磁场存在，a中电流表不在回路中，故a错；当线圈平面与月球的磁场(假设月球有磁场)方向平行时，线圈沿任一方向运动，穿过线圈的磁通量都不发生变化，电流表无示数，故该情况下不能判定月球表面是否无磁场，故b、d错；使线圈沿某一方向运动，电流表有示数，说明穿过线圈的磁通量发生变化，证明月球表面有磁场，故c对。3.磁通量是研究电磁感应现象的重要物理量。如图1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2，设先后两次通过线框的磁通量变化分别为1和2，则()图1a12b12c12 d无法确定解析：选c设线框在位置1时的磁通量为1，在位置2时的磁通量为2，直线电流产生的磁场在1处比在2处要强。若平移线框，则112，若转动线框，磁感线是从线框的正反两面穿过的，一正一负，因此212。根据分析知：1l，则在线框通过磁场区域的过程中，不产生感应电流的时间为()图8a. b.c. d.解析：选c线框完全进入磁场后，磁通量不变化，线框中无感应电流，当线框进入、离开磁场时，磁通量变化，都会产生感应电流，故不产生感应电流的距离为dl，时间为t。11逆向思维是一种重要的思想方法，在这种思想方法的引领下，许多重要的科学定律被发现。“电生磁，磁生电”这种逆向互生的关系，体现了物理学中的一种对称美。请思考：(1)你还能指出物理学中的其他对称性和对称实例吗？(2)1831年，物理学家法拉第用如图9所示的实验，成功发现了磁生电现象，当开关始终处于闭合状态时，a线圈中_(选填“有”或“无”)感应电流产生，当开关闭合或断开瞬间，a线圈中_(选填“有”或“无”)感应电流产生。图9(3)如图10是某兴趣小组研究磁生电现象所需的器材。图10请你协助该小组完成如下