高考物理总复习知识讲解 电磁感应现象 感应电流方向的判断(基础）VIP

物理总复习：电磁感应现象 感应电流方向的判断编稿：李传安 审稿：张金虎【考纲要求】1、知道磁通量的变化及其求解方法，理解产生感应电流、感应电动势的条件；2、理解楞次定律的基本含义与拓展形式；3、理解安培定则、左手定则、右手定则、楞次定律的异同，并能在实际问题中熟练运用。【知识网络】【考点梳理】考点一、磁通量1、定义： 磁感应强度B与垂直场方向的面积S的乘积叫做穿过这个面积的磁通量，。如果面积S与B不垂直，如图所示，应以B乘以在垂直于磁场方向上的投影面积。即。 2、磁通量的物理意义: 磁通量指穿过某一面积的磁感线条数。3、磁通量的单位：Wb 。要点诠释：（1）磁通量是标量，当有不同方向的磁感线穿过某面时，常用正负加以区别，这时穿过某面的磁通量指的是不同方向穿过的磁通量的代数和。另外，磁通量与线圈匝数无关。磁通量正负的规定：任何一个面都有正、反两面，若规定磁感线从正面穿入磁通量为正，则磁感线从反面穿入时磁通量为负。穿过某一面积的磁通量一般指合磁通量。（2）磁通量的变化，它可由B、S或两者之间的夹角的变化引起。4、磁通量的变化要点诠释：（一）、磁通量改变的方式有以下几种（1）线圈跟磁体间发生相对运动，这种改变方式是S不变而相当于B变化。（2）线圈不动，线圈所围面积也不变，但穿过线圈面积的磁感应强度是时间的函数。（3）线圈所围面积发生变化，线圈中的一部分导体做切割磁感线运动。其实质也是B不变，而S增大或减小。（4）线圈所围面积不变，磁感应强度也不变，但二者间的夹角发生变化，如在匀强磁场中转动矩形线圈。（二）、对公式的理解在磁通量的公式中，S为垂直于磁感应强度B方向上的有效面积，要正确理解、B、S三者之间的关系。（1）线圈的面积发生变化时磁通量是不一定发生变化的，如图（a），当线圈面积由S1变为S2时，磁通量并没有变化。（2）当磁场范围一定时，线圈面积发生变化，磁通量也可能不变，如图（b）所示，在空间有磁感线穿过线圈S，S外没有磁场，如增大S，则不变。（3）若所研究的面积内有不同方向的磁场时，应是将磁场合成后，用合磁场根据去求磁通量。例、如图所示，矩形线圈的面积为S（），置于磁感应强度为B（T）、方向水平向右的匀强磁场中，开始时线圈平面与中性面重合。求线圈平面在下列情况的磁通量的改变量：绕垂直磁场的轴转过（1）；（2）；（3）。【解析】初位置时穿过线圈的磁通量；转过时，；转过时，；转过时，负号表示穿过面积S的方向和以上情况相反，故：（1）；（2）；（3）。负号可理解为磁通量在减少。考点二、电磁感应现象1、产生感应电流的条件只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，即，则闭合电路中就有感应电流产生。2、引起磁通量变化的常见情况（1）闭合电路的部分导体做切割磁感线运动。（2）线圈绕垂直于磁场的轴转动。（3）磁感应强度B变化。要点诠释：1、分析有无感应电流的方法首先看电路是否闭合，其次看穿过闭合电路的磁通量是否发生了变化。2、产生感应电动势的条件无论电路是否闭合，只要穿过线圈平面的磁通量发生变化，电路中就有感应电动势。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，如果电路闭合，则有感应电流；电路不闭合，则只有感应电动势而无感应电流。例1、如图所示，有一根通电长直导线MN，通融入向右的电流，另有一闭合线圈P位于导线的正下方，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？有无感应电流产生？ 【解析】根据直线电流磁场的特点，靠近电流处磁场强，远离电流处磁场弱，把线圈P向上的运动分成几个阶段；第一阶段：从开始到线圈刚与直导线相切，磁通量增加；第二阶段：从线圈与直导线相切到线圈直径与直导线重合，磁通量减少；第三阶段：从线圈直径与导线重合到线圈下面与直导线相切，磁通量增加；第四阶段：远离直导线，磁通量减少。每一个阶段均有感应电流产生。例2、如图所示能产生感应电流的是 ( )【解析】A线圈没闭合，无感应电流；B图磁通量增大，电路闭合，有感应电流；C的导线在圆环的正上方，不论电流如何变化，穿过线圈的磁感线相互抵消，磁通量恒为零，无感应电流；D中回路磁通量恒定，无感应电流。考点三、感应电流的方向判定1、右手定则（1）适用范围：适用于导体切割磁感线运动的情况。（2）方法伸开右手，让大拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在同一平面内，让磁感线垂直从手心进入，大拇指指向导体运动方向，其余四指所指的方向就是感应电流的方向。右手定则适用于部分导体切割磁感线运动时感应电流方向的判定，而楞次定律适用于一切电磁感应现象。导体切割磁感线产生感应电流用右手定则简便；变化的磁场产生感应电流用楞次定律简便。2、楞次定律（1）内容： 感应电流具有这样的方向，感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。（2）适用范围：适用于一切情况的感应电流方向的判断。（3）楞次定律判定感应电流方向的一般步骤明确引起感应电流的原磁场的方向及其分布情况，并用磁感线表示出来；分析穿过闭合回路的磁通量是增加还是减少；根据楞次定律确定感应电流磁场方向，即原磁通量增加，则感应电流磁场方向与原磁场方向相反，反之则感应电流的磁场方向与原磁场方向相同；利用安培定则来确定感应电流的方向；电磁感应现象中判定电势高低时必须把产生感应电动势的导体（或线圈）看成电源，且注意在电源内部感应电流是从电势低处向电势高处流动。若电路断路无感应电流时，可想象为有感应电流，来判定电势的高低。（4）楞次定律也可以理解为：感应电流的效果总是要反抗（或阻碍）产生感应电流的原因。要点诠释：楞次定律的另一表述感应电流的效果总是要阻碍产生感应电流的原因，常见有以下几种表现：1、“增反减同”就磁通量而言，总是阻碍引起感应电流的磁通量(原磁通量)的变化。即当原磁通量增加时，感应电流的磁场就与原磁场方向相反，当原磁通量减少时，感应电流的磁场就与原磁场方向相同，简称口诀“增反减同”。例、如图所示，闭合金属圆环沿垂直于磁场方向放置的匀强磁场中，将它从匀强磁场中匀速拉出，以下各种说法中正确的是（ ）A向左拉出和向右拉出时，环中感应电流方向相反B向左或向右拉出时，环中感应电流方向都是沿顺时针方向C向左或向右拉出时，环中感应电流方向都是沿逆时针方向D圆环拉出磁场过程中，环全部处在磁场中运动时，也有感应电流【解析】设向右匀速拉出时，原磁场方向向里为“”场，在磁场中的面积减小，磁通量减少，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同，也为“”场，根据安培定则（右手螺旋定则）可知，环中感应电流方向是沿顺时针方向。同理向左拉出，感应电流方向也是沿顺时针方向。环全部处在磁场中运动时，磁通量不变，没有感应电流。故B对。2、“来拒去留”就相对运动而言，阻碍所有的相对运动，简称口诀：“来拒去留”。从运动的效果上看，也可以形象地表述为“敌”进“我”退，“敌”逃“我”追。如图所示，若条形磁铁（“敌”）向闭合导线圈前进，则闭合线圈（“我”）退却；若条形磁铁（“敌”）远离闭合导线圈逃跑，则闭合导线圈（“我”）追赶条形磁铁。 例、如图所示，闭合线圈上方有一竖直放置的条形磁铁，磁铁的N极朝下，当磁铁向下运动时（但未插入线圈内部）（ ）A线圈中感应电流的方向与图中箭头方向相同，磁铁与线圈相互吸引B线圈中感应电流的方向与图中箭头方向相同，磁铁与线圈相互排斥C线圈中感应电流的方向与图中箭头方向相反，磁铁与线圈相互吸引D线圈中感应电流的方向与图中箭头方向相反，磁铁与线圈相互排斥【解析】原磁场方向N向下靠近为“来”，穿过线圈的磁通量增加，感应电流的磁场方向要阻碍磁铁靠近，要“拒”，则线圈上方为N极（同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引），再根据右手螺旋定则知线圈中感应电流的方向与图中箭头方向相同。故选项B正确。（也可以按磁感线的方向分析“来拒去留”）（如果磁铁远离，线圈上方为S极。）3、“增缩减扩”就闭合电路的面积而言，致使电路的面积有收缩或扩张的趋势。收缩或扩张是为了阻碍电路磁通量的变化。若穿过闭合电路的磁感线皆朝同一个方向，则磁通量增大时，面积有收缩趋势，磁通量减少时，面积有增大趋势，简称口诀：“增缩减扩”；若穿过闭合电路的磁感线朝两个相反的方向都有，以上结论可能完全相反。如图所示，当螺线管B中的电流减小时，穿过闭合金属圆环A的磁通量将减小，这时A环有收缩的趋势，对这一类问题注意讨论其合磁通的变化。 例、如图所示，光滑导轨MN水平放置，两根导体棒平行放于导轨上，形成一个闭合回路，当一条形磁铁从上方下落(未达导轨平面)的过程中，导体P、Q的运动情况是（ ）AP、Q互相靠拢 BP、Q互相远离CP、Q均静止D因磁铁下落的极性未知，无法判断【解析】条形磁铁从上方下落，P、Q与MN构成的回路磁通量增加，根据楞次定律，感应电流产生的磁场将阻碍这一磁通量的增加，具体表现为：使回路面积减小，延缓磁通量的增加，故P、Q互相靠拢，选项A正确。4、就电流而言，感应电流阻碍原电流的变化。即原电流增大时，感应电流方向与原电流方向相反；原电流减小时，感应电流的方向与原电流方向相同，简称口诀：“增反减同”。如图所示，电路稳定后，小灯泡有一定的亮度，现将一与螺线管等长的软铁棒沿管的轴线迅速插入螺线管内，在插入过程中感应电流的方向与线圈中的原电流方向相反，小灯泡变暗（判定略）。【典型例题】类型一、对磁通量变化的判定例1、如图所示，框架面积为S，框架平面与磁感应强度为B的匀强磁场方向垂直，则穿过平面的磁通量为多少？ 若使框架绕转过，则穿过线框平面的磁通量为多少？若从初始位置转过，则此时穿过线框平面的磁通量为多少？【思路点拨】磁通量是标量，但它是由磁感应强度矢量在垂直于线框平面方向上的分量决定的，求初态、末态代数差的绝对值。【解析】框架平面与磁感应强度为B的匀强磁场方向垂直时，此时磁通量，框架绕转过，磁通量，框架转过磁通量。【总结升华】（1）磁通量是标量，但有正负，其正负代表磁感线是正穿还是反穿，若正穿为正，则反穿为负。（2）求磁通量的变化与求位移、速度的变化相类似，不需要过问中间过程的情况，只需初、末状态的情况。但应注意，位移、速度是矢量相减，而磁通量是代数差的绝对值。举一反三【变式】如图所示，半径为R的圆形线圈共有n匝，其中心位置处半径r的虚线范围内有匀强磁场，磁场方向垂直线圈平面。若磁感应强度为B，则穿过线圈的磁通量为（ ）A CC D【答案】B【解析】磁通量与线圈匝数无关；且磁感线穿过的面积为，而并非，故B项对。类型二、楞次定律的理解及应用【高清课堂：电磁感应现象和楞次定律 例2】例2、如图两个同心导体环，小环内通有逆时针方向电流，现将电流强度逐渐增大，分析大环中产生的感应电流方向。【思路点拨】准确理解、正确运用楞次定律“增反减同”。【答案】顺时针方向【解析】小环内通有逆时针方向电流，根据安培定则，产生的磁场方向垂直于纸面向外即“”场，现将电流强度逐渐增大，根据楞次定律“增反减同”，感应电流的磁场方向应垂直于纸面向里即“”场，如图所示，再根据安培定则，大环中产生的感应电流方向为顺时针方向。【总结升华】应用楞次定律判断感应电流的方向，一般按以下步骤进行：原来的电流方向原磁场方向感应电流的磁场方向感应电流的方向。举一反三【变式1】物理课上，老师做了一个奇妙的“跳环实验”。如图，她把一个带铁芯的线圈L、开关S和电源用导线连接起来后，将一金属套环置于线圈L上，且使铁芯穿过套环。闭合开关S的瞬间，套环立刻跳起。某同学另找来器材再探究此实验。他连接好电路，经重复试验，线圈上的套环均未动。对比老师演示的实验，下列四个选项中，导致套环未动的原因可能是（）A.线圈接在了直流电源上.B.电源电压过高.C.所选线圈的匝数过多，D.所用套环的材料与老师的不同【答案】D【解析】在开关闭合的瞬间，线圈中的电流变大，磁场变强，穿过金属套环的磁通量变大，在金属套环内产生感应电流。感应磁场必然阻碍原磁场的增大，所以金属套环会受到线圈的斥力而跳起。在实验时电源一般采用直流电源，电压不能太大（以不烧导线和电源的条件下电压大现象明显），所选线圈的匝数越多，现象也越明显。如果该学生所用套环的材料为非金属，则不会观察到“跳环实验”。故选D。【变式2】现将电池组、滑线变阻器、带铁芯的线圈A、线圈B、电流计及开关如下图连接，在开关闭合、线圈A放在线圈B中的情况下，某同学发现当他将滑线变阻器的滑动端P向左加速滑动时，电流计指针和右偏转。由此可以判断（ ） A线圈A向上移动或滑动变阻器滑动端P向右加速滑动，都能引起电流计指针向左偏 转B线圈A中铁芯和上拔出或断开开关，都能引起电流计指针向右偏转C滑动变阻器的滑动端P匀速向左或匀速向右滑动，都能使电流计指针静止在中央D因为线圈A、线圈B的绕线方向未知，故无法判断电流计指针偏转的方向【答案】B【解析】由于变阻器滑动头P向左加速滑动时，可使B中磁通减少而引起的A中产生的电流为，当P向右加速滑动时B中磁通增加，引起的A中感应电流为，与方向相反，所以指针应向左偏，而线圈A向上时可使B中磁通减少，引起的A中感应电流与同向，指针向右偏，故A错；A中铁芯向上拔出或断开开关，激发的B中感应电流与同向，电流计指针向右偏转，B正确；C项中应有感应电流，指针应偏转，故C错。因为无需明确感应电流的具体方向，故D错。例3、（2014 广东 深圳五校联考）如右图所示，将条形磁铁插入闭合线圈，第一次用时0.2s，第二次用时0.5s，并且两次磁铁的起始和终止位置相同，则 A第一次线圈中的磁通量变化较大B第一次电流表G的最大偏转角较大C第二次电流表G的最大偏转角较大D若断开开关k，电流表G均不偏转，故两次线圈两端均无感应电动势【思路点拨】 两次磁铁的起始和终止位置相同，知磁通量的变化量相同，根据时间长短判断磁通量变化的快慢，感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比【答案】B【解析】 解析： A、磁通量变化相同故A 错误B、感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比，磁通量的变化率大，感应电动势大，产生的感应电流大故B正确，C错误D、断开电键，电流表不偏转，知感应电流为零，但感应电动势不为零故D错误故选B【考点】法拉第电磁感应定律；楞次定律举一反三【高清课堂：电磁感应现象和楞次定律 例3】【变式1】如图所示，一闭合铝环套在一根光滑水平杆上，当条形磁铁靠近它时，下列结论中正确的是（ ）A、N极靠近铝环时，铝环将向左运动 B、S极靠近铝环时，铝环将向左运动C、N极靠近铝环时，铝环将向右运动 D、S极靠近铝环时，铝环将向右运动【答案】AB【变式2】一金属圆环水平固定放置。现将一竖直的条形磁铁，在圆环上方沿圆环轴线从静止开始释放，在条形磁铁穿过圆环的过程中，关于条形磁铁与圆环之间的相互作用、圆环中的感应电流方向（俯视看），正确的是（ ）A先顺时针后逆时针B先逆时针后顺时针C先相互吸引，后相互排斥D先相互排斥，后相互吸引【答案】BD 【解析】由楞次定律可知，当条形磁铁靠近圆环时，感应电流阻碍其靠近，是排斥力；圆环上方是感应电流的N极，再应用右手螺旋定则，可知感应电流方向为逆时针，如图1所示。当磁铁穿过圆环远离圆环时，感应电流阻碍其远离，是吸引力，圆环下方是感应电流的N极，再应用右手螺旋定则，可知感应电流方向为顺时针，如图2所示。故BD正确。【变式3】如图所示，通电导线旁边同一平面有矩形线圈abcd。则( )A若线圈向右平动，其中感应电流方向是abcdaB若线圈竖直向下平动，无感应电流产生C当线圈以ab边为轴转动时，其中感应电流方向是abcdaD当线圈向导线靠近时，其中感应电流方向是abcda【答案】ABC例4、（2014 上海卷）如图，匀强磁场垂直于软导线回路平面，由于磁场发生变化，回路变为圆形。则磁场（ ）A. 逐渐增强，方向向外 B. 逐渐增强，方向向里C. 逐渐减弱，方向向外 D. 逐渐减弱，方向向里【答案】CD【解析】本题考查了楞次定律，感应电流的磁场方向总是阻碍引起闭合回路中磁通量的变化，体现在面积上是“增缩减扩”，而回路变为圆形，面积是增加了，说明磁场是在逐渐减弱因不知回路中电流方向，故无法判定磁场方向，故CD都有可能。举一反三【变式】如图，一质量为m的条形磁铁用细线悬挂在天花板上，细线从一水平金属圆环中穿过。现将环从位置释放，环经过磁铁到达位置，设环经过磁铁上端附近时细线的张力分别为T1和T2，重力加速度大小为g，则（ ）A. T1mg，T2mg B. T1mg，T2mg，T2mg D. T1mg【答案】A【解析】由楞次定律中“阻碍”的理解阻碍-相对运动（来拒去留），I位置，圆环受安培力向上，磁铁受安培力向下，细线张力大于重力；II位置，圆环受力向上，磁铁受安培力向下，细线张力同样大于重力，故正确选项为A。类型三、楞次定律的综合应用例5、如图所示，水平放置的两条光滑轨道上有可自由移动的金属棒MN、PQ，当MN以不同方式运动时，PQ如何运动？（1）MN匀速向下运动时；（2）MN加速向下运动时；（3）MN减速向下运动时；【思路点拨】当MN匀速运动，MN中产生恒定的感应电流，穿过线圈PQ的磁通量不变，没有感应电流。可以设导线MN向下加速运动分析，如果与题设相同就是对的。【答案】（1）不运动；（2）向下运动；（3）向上运动。【解析】这是一个互感问题，当一个线圈的磁通量发生变化时，在它附近的线圈上产生感应电流，由于导线在磁场中受到安培力作用而运动。（1）MN匀速向下运动时：MN切割磁感线，左边的线圈上产生感应电流，由于MN匀速运动，感应电流恒定不发生变化，穿过它附近线圈的磁通量不发生变化，因此右边线圈中没有感应电流，当然PQ不受安培力，所以PQ不发生运动。（2）MN加速向下运动时：如图1。根据右手定则，感应电流方向从M到N，再根据安培定则判断出左边线圈的两个磁极，左端是N极，右端是S极。由于MN加速向下运动，磁通量增加，穿过右边线圈的磁通量增加，右边线圈上产生感应电流，根据楞次定律（“来拒去留”）再判断右边线圈的磁极，因为磁通量增加，左端是S极，右端是N极，根据安培定则，感应电流的方向从Q到P，应用左手定则，PQ受到的安培力方向向下，所以PQ向下运动。（3）MN减速向下运动时：如图2。左边线圈的感应电流方向、磁极与（2）相同，不同的是磁通量减少，根据楞次定律，右边线圈的左端是N极，右端是S极，感应电流的方向从P到Q，PQ受到的安培力方向向上，所以PQ向上运动。【总结升华】为了便于理解达到会做题的目的，本题没有以考题的形式呈现，按照一步一步的顺序进行分析，同时配以图解，相信能够达到目的。一定要把基本功打扎实，什么时候