2010届高三物理高考复习专题：13-电磁感应

用心 爱心 专心 课课 题 题 电磁感应类型 复习课电磁感应类型 复习课 目的要求 重点难点 教 具 过程及内容 电磁感应现象 愣次定律 基础知识 一 电磁感应 1 电磁感应现象 只要穿过闭合回路的磁通量发生变化 闭合回路中就有电流产生 这种利用磁场产生电流的 现象叫做电磁感应 产生的电流叫做感应电流 2 产生感应电流的条件 闭合回路中磁通量发生变化 3 引起磁通量变化的常见情况 闭合电路中的部分导线做切割磁感线运动导致 变化 线圈在磁场中转动导致 变化 磁感应强度随时间或位置变化 或闭合回路变化导致 变化 注意 磁通量的变化 应注意方向的变化 如某一面积为 S 的回路原来的感应强度垂直纸面 向里 如图所示 后来磁感应强度的方向恰好与原来相反 则回路中磁通量的变化最为 2BS 而不是零 4 产生感应电动势的条件 无论回路是否闭合 只要穿过线圈的磁通量发生变化 线圈中就有感应电动势产生 产生感应电 动势的那部分导体相当于电源 电磁感应现象的实质是产生感应电动势 如果回路闭合 则有感应电流 如果回路不闭合 则只 能出现感应电动势 而不会形成持续的电流 我们看变化是看回路中的磁通量变化 而不是 看回路外面的磁通量变化 例 1 线圈在长直导线电流的磁场中 作如图所示的运动 A 向右平动 B 向下平动 C 绕轴转动 ad 边向外 D 从纸面向纸外作平动 E 向上平动 E 线圈有个缺口 判断线 圈中有没有感应电流 解析 A 向右平移 穿过线圈的磁通量没有变化 故 A 线 圈中没有感应电流 B 向下平动 穿过线圈的磁通量减少 必产生感应电动势和感应电流 C 绕轴转动 穿过线圈的 磁通量变化 开始时减少 必产生感应电动势和感应电流 D 离纸面向外 线圈中磁通量减少 故情况同 BC E 向 上平移 穿过线圈的磁通量增加 故产生感应电动势 但 由于线圈没有闭合电路 因而无感应电流 因此 判断是否产生感应电流关键是分清磁感线的疏密分布 进而判断磁通量是否变化 答案 BCD 中有感应电流 例 2 如图所示 当导线 MN 中通以向右方向电流的瞬间 则 cd 中电流的方向 B A 由 C 向 d B 由 d 向 C C 无电流产生 D AB 两情况都有可能 第第 1 1 课课 用心 爱心 专心 解析 当 MN 中通以如图方向电流的瞬间 闭合回路 abcd 中磁场方向向外增加 则根据楞 次定律 感应电流产生磁场的方向应当垂直纸面向里 再根据安培定则可知 cd 中的电流 的方向由 d 到 C 所以 B 结论正确 二 感应电流方向的判定 1 右手定则 伸开右手 使拇指跟其余的四指垂直且与手掌都在同一平面内 让磁感线垂直穿 过手心 手掌所在平面跟磁感线和导线所在平面垂直 大拇指指向导线运动的方向 四指所 指的方向即为感应电流方向 例 3 图中为地磁场磁感线的示意图 在南半球地磁场的竖直分量向上 飞机在南半球上 空匀速飞行 机翼保持水平 飞机高度不变 由于地磁场的作用 金属机翼上有 电势差 设飞行员左方机翼末端处的电势为 U1 右方机翼末端处的电势为 U2 A 若飞机从西往东飞 U1 比 U2 高 B 若飞机从东往西飞 U2 比 U1 高 C 若飞机从南往北飞 U1 比 U2 高 D 若飞机从北往南飞 U2 比 U1 高 解析 在地球南半球 地磁场在竖直方向上的分量是向上的 飞机在空中水平飞 行时 飞行员的右手掌向上 大姆指向前 飞行方向 则其余四指指向了飞行员 的左侧 就是感应电流的方向 而右手定则判断的是电源内部的电流方向 故飞行员右侧的 电势总比左侧高 与飞行员和飞行方向无关 故选项 B D 正确 点评 这是一道典型用右手定则来判断感应电流方向的试题 试题的难度不大 但是若不确 定飞机在南半球上空任何方向平向飞行时总是左侧的电势高 则可能得出 B C 或 A D 两答 案 另外必须明确的是楞次定律和右手定则均是判断电源内部的电流方向 在电源内部 电 流是从电势低的方向流向电势高的方向 2 楞次定律 1 楞次定律 感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化 磁场 阻碍 变化 主语 谓语 宾语 主语磁场的定语是 感应电流的 谓语的状语是 总是 宾语的定语是 引起感应电 流的磁通量的 2 对 阻碍 的理解 这里的 阻碍 不可理解为 相反 感应电流产生的磁场的方向 当原磁场增加时 则与原磁场方向相反 当原磁场减弱时 则与原磁场方向相同 也不可理解为 阻止 这里是阻而未止 3 楞次定律的另一种表达 感应电流的效果总是要反抗产生感应电流的原因 即由电磁感应现象而引起的一些受力 相对运动 磁场变化等都有阻碍原磁通量 变化的趋势 4 楞次定律应用时的步骤 先看原磁场的方向如何 再看原磁场的变化 增强还是减弱 根据楞次定律确定感应电流磁场的方向 再利用安培定则 根据感应电流磁场的方向来确定感应电流方向 例 4 如图所示 小金属环靠近大金属环 两环互相绝缘 且在同一平面内 小圆环有一 半面积在大圆环内 当大圆环接通电源的瞬间 小圆环中感应电流的情况是 C A 无感应电流 B 有顺时针方向的感应电流 C 有逆时针方向的感应电流 D 无法确定 解析 在接通电源后 大环内的磁感线分布比大环外的磁感线分布要密 所以小环在大环内部 分磁通量大于环外部分磁通量 所以小环内总磁通量向里加强 则小环中的感应电方向为逆 用心 爱心 专心 时针方向 例 5 如图所示 一个有弹性的金属圆环被一根橡皮绳吊于通电导线的下方 当通电直导 线中电流 I 增大时 圆环的面积 S 和橡皮绳的长度 L 将变化 S 增大 S 减小 L 变长 L 变短 正确的是 C A B C D 解析 根据楞次定律效果法可知 当穿过金属环内的磁通量增大时 要阻碍磁通量变大 则环 面积应变小或远离导线 选取 C 例 6 如图所示 闭合线框 ABCD 和 abcd 可分别绕轴线 OO 转动 当 abcd 绕 OO 轴逆时 针转动时 俯视图 问 ABCD 如何转动 解析 由于 abcd 旋转时会使 ABCD 中产生感应电流 根据楞次定律中 感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的相对运动 ABCD 中的感 应电流将阻碍 abcd 的逆时针转动 两线框间有吸引力作用 因此线框 ABCD 也随 abtd 逆时针转动 只不过稍微慢了些 思考 1 阻碍相对运动体现了怎样的能量关系 2 楞次定律所反映的实际是对原磁通量的补偿效果 根据实际情况 这种 补偿可分为哪几种 运动补偿 面积 电流 磁感应强度 速度 力等的补 偿效果 例 7 如图所示 用一种新材料制成一闭合线圈 当它浸入液氮中时 会成为超 导体 这时手拿一永磁体 使任一磁极向下 放在线圈的正上方 永磁体便处于悬 浮状态 这种现象称为超导体磁悬浮 可以用电磁感应及有关知识来解释这一现 象 解析 当磁体放到线圈上方的过程中 穿过线圈的磁通量由无到有发生变化 于是 超导线圈中产生感应电流 由于超导线圈中电阻几乎为零 产生的感应电流极大 相应的感 应磁场也极大 由楞次定律可知感应电流的磁场相当于永磁体 与下方磁极的极性相同 永 磁体将受到较大的向上的斥力 当永磁体重力与其受到磁场力相平衡时 永滋体处于悬浮状 态 例 8 在光滑水平面上固定一个通电线圈 如图所示 一铝块正由左向右滑动穿过线圈 那么下面正确的判断是 A 接近线圈时做加速运动 离开时做减速运动 B 接近和离开线圈时都做减速运动 C 一直在做匀速运动 D 在线圈中运动时是匀速的 解析 把铝块看成由无数多片横向的铝片叠成 每一铝片又由可看成若干闭合铝片框组 成 如图 当它接近或离开通电线圈时 由于穿过每个铝片框的磁通量发生变化 所 以在每个闭合的铝片框内都要产生感应电流 产生感应电流的原因是它接近或离开通 电线圈 产生感应电流的效果是要阻碍它接近或离开通电线圈 所以在它接近或离开时都要 作减速运动 所以 A C 错 B 正确 由于通电线圈内是匀强磁场 所以铝块在通电线圈内运 动时无感应电流产生 故作匀速运动 D 正确 故答案为 BD 规律方法 1 楞次定律的理解与应用 理解楞次定律要注意四个层次 谁阻碍谁 是感应电流的磁通量阻碍原磁通量 阻碍什么 阻 碍的是磁通量的变化而不是磁通量本身 如何阻碍 当磁通量增加时 感应电流的磁场方向与 原磁场方向相反 当磁通量减小时 感应电流的磁场方向与原磁场方向相同 即 增反减同 结 果如何 阻碍不是阻止 只是延缓了磁通量变化的快慢 结果是增加的还是增加 减少的还是减少 另外 阻碍 表示了能量的转化关系 正因为存在阻碍作用 才能将其它形式的能量转化为电能 A BC D a bc d O O 用心 爱心 专心 感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的相对运动 例 9 如图所示 一个电感很大的线圈通过电键与电源相连 在其突出部分的铁芯上套有 一个很轻的铝环 关于打开和闭合电键时将会发生的现象 有以下几种说法 闭合电键瞬 间 铝环会竖直向上跳起 打开电键瞬间 铝环会增大对线圈的压力 闭合电键瞬间 铝环会增大对线圈的压力 打开电键瞬间 铝环会竖直向上跳起 其中判断正确的是 A B C D 解析 此线圈通电后是一电磁铁 由安培定则可判定 通电后线圈中的磁场方向是竖直向下的 线圈上端为 S 极 下端为 N 极 由楞次定律可知闭合电键瞬间 铝环中感应电流的磁场方向 向上 要阻碍穿过环的磁通量的增加 因此环的上端面呈 N 极 下端面呈 S 极 同极性相对 环和线圈互相排斥 由于电流变化率大 产生的感应电流磁场也较强 相互间瞬间排斥力 大到可知较轻的铝环向上跳起 同样分析可知 打开电键瞬间 环和线圈是两个异种极性相时 铝环会增大对线圈的压力 因此 只有 正确 应选 A 例 10 磁感应强度为 B 的匀强磁场仅存在于边长为 2l 的正方形范围内 有一个 电阻为 R 边长为 l 的正方形导线框 abcd 沿垂直于磁感线方向 以速度 v 匀速通 过磁场 如图所示 从 ab 边进入磁场算起 画出穿过线框的磁通量随时间变化的图象 线框中感应电流的方向 解析 线框穿过磁场的过程可分为三个阶段 进入磁场阶段 只有 ab 边在磁场中 在磁场中运动阶段 ab cd 两边都在磁场中 离开磁场阶段 只有 cd 边在磁 场中 1 线框进入磁场阶段 t 为 O l v 线框进入磁场中的面积线性增加 S l v t 最后为 B S Bl2 线框在磁场中运动阶段 t 为 l v 2l v 线框磁通量为 B S Bl2 保持不变 线框离开磁场阶段 t 为 2l v 3l v 线框磁通量线性减少 最后为零 2 线框进入磁场阶段 穿过线框的磁通量增加 线框中将产生感应电流 由右手定则可 知 感应电流方向为逆时针方向 线框在磁场中运动阶段 穿过线框的磁通量保持不变 无感应电流产生 线框离开磁场阶段 穿过线框的磁通量减少 线框中将产生感应电流 由右手定则可知 感应电流方向为顺时针方向 例 11 如图所示 导线框 abcd 与导线 AB 在同一平面内 直导线中通有恒定电 流 I 当线框由左向右匀速通过直导线过程中 线框中感应电流的方向是 A 先 abcda 再 dcbad 后 abcda B 先 abcda 再 dcbad C 始终是 dcbad D 先 dcbad 再 abcda 后 dcbad 解析 通电导线 AB 产生的磁场 在 AB 左侧是穿出纸面为 在 AB 右侧是穿入纸 面的 线框由左向右运动至 dc 边与 AB 重合过程中 线框回路中 增加 由 楞次定律判定感应电流方向为 dcbad 现在看线框面积各有一半在 AB 左 右两侧的一 个特殊位置 如图所示 此位置上线框回路中的合磁通量为零 从 dc 边与 AB 重合运 动至图的位置 是 减少 或 增加 由 11 4 位置运动至 ab 边与 AB 重合位置 是 继续减少 或 继续增加 所以从 dc 边与 AB 重合运动至 ab 与 AB 重合的过 程中 感应电流资向为 abcda 线框由 ab 与 AB 重合的位置向右运动过程中 线杠回路中 减少 感应电流方向由楞次定律判定为 dcbad 例 12 如图所示 一水平放置的圆形通电线圈 1 固定 另一较小的圆形线圈 2 从 1 的正上 用心 爱心 专心 方下落 在下落过程中两线圈平面始终保持平行且共轴 则在线圈 2 从正上方下落至 l 的正 下方过程中 从上往下看 线圈 2 中的感应电流应为 A 无感应电流 B 有顺时针方向的感应电流 C 先是顺时针方向 后是逆时针方向的感应电流 D 先是逆时针方向 后是顺时针方向的感应电流 解析 圆形线圈 1 通有逆时针方向的电流 从下往上看 它相当于是环形电流 环 形电流的磁场由安培定则可知 环内磁感线的方向是向上的 在线圈 2 从线圈 1 的 正上方落到正下方的过程中 线圈内的磁通量先是增加的 当两线圈共面时 线圈 2 的磁通量达最大值 然后再继续下落 线圈 2 中的磁通量是减少的 由楞次定律可以判断 在线圈 2 下落到与线圈 1 共面的过程中 线圈 2 中感应电流的磁场方向与线圈 1 中的磁场方 向相反 故电流方向与线圈 1 中的电流方向相反 为顺时针方向 当线圈 2 从与线圈 1 共面 后继续下落时 线圈 2 中的感应电流的磁场方向与线圈 1 中的磁场方向相同 电流方向与线 圈 1 中电流方向相同 为逆时针方向 所以 C 选项正确 感应电流在原磁场所受到的作用力总是阻碍它们的相对运动 利用这种阻碍相对运动的原则 来判断则更为简捷 线圈 2 在下落的过程中 线圈 2 中的感应电流应与线圈 l 中的电流反向 因为反向电流相斥 故线圈 2 中的电流是顺时针方向 线圈 2 在离开线圈 1 的过程中 线圈 2 中的感应电流方向应与线圈 1 中电流方向相同 因为同向电流相吸 线圈 2 中的电流是逆 时针方向 例 13 如图所示 AOC 是光滑的金属轨道 AO 沿竖直方向 OC 沿水平方向 PQ 是一根 金属直杆如图立在导轨上 OP OQ 直杆从图示位置由静止开始在重力作用下运动 运动过 程中 QO 端始终在 OC 上 P 端始终在 AO 上 直到完全落在 OC 上 空间存在着垂直纸面向 外的匀强磁场 则在 PQ 棒滑动的过程中 下列判断正确的是 BD A 感应电流的方向始终由 P Q B 感应电流的方向先由 P Q 再是 Q P C PQ 受磁场力的方向垂直于棒向左 D PQ 受磁场力的方向垂直于棒先向左 再向右 解析 在 PQ 滑动的过程中 OPQ 的面积先变大后变小 穿过回路的磁通量先变大后变小 则 电流方向先是 P Q 后 Q P 选 BD 2 力学与电磁磁应的综合应用 解决这类问题一般分两条途径 一是注意导体或运动电荷在磁场中的受力情况分析和运动状态 分析 二是从动量和功能方面分析 由有关的规律进行求解 例 14 如图所示 闭合金属环从高 h 的曲面滚下 又沿曲面的另一侧上升 整个装置处在 磁场中 设闭合环初速为零 摩擦不计 则 A 若是匀强磁场 环滚的高度小于 h B 若是匀强磁场 环滚的高度等于 h C 若是非匀强磁场 环滚的高度小于 h D 若是非匀强磁场 环滚的高度大于 h 解析 若是匀强磁场 当闭合金属环从高 h 的曲面滚下时 无电磁感应现象产生 根据机械 能守恒 环滚的高度等于 h 若是非匀强磁场 当闭合金属环从高