高中物理人教版选修3-2学案第四章12划时代的发现探究感应电流的产生条件

第四章电磁感应1划时代的发现2探究感应电流的产生条件目标导航思维脉图1.会选用实验仪器探究感应电流的产生条件。 (科学思维)2.能运用感应电流产生的条件判断是否有感应电流产生。 (物理观念)3.体会磁生电的思想,体会探究自然规律的科学态度和科学精神。 (科学态度与责任)必备知识·自主学习一、划时代的发现“磁生电”说明了什么?满足哪些条件才能“磁生电”?提示:“磁生电”说明了磁和电相互联系;“磁生电”的条件是穿过闭合线圈的磁通量发生变化。1.奥斯特梦圆“电生磁”:1820年,丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应。2.法拉第心系“磁生电”:1831年,英国物理学家法拉第发现了“磁生电”的现象,这种现象叫作电磁感应,产生的电流叫作感应电流。二、探究感应电流产生的条件1.探究导体棒在磁场中运动是否产生电流(如图所示):实验操作实验现象(有无电流)导体棒静止无导体棒平行磁感线运动无导体棒切割磁感线运动有总结:闭合导体回路包围的面积改变时,产生感应电流;闭合导体回路包围的面积不变时,不产生感应电流。2.探究磁铁在通电螺线管中运动是否产生电流(如图所示):实验操作实验现象(有无电流)N(或S)极插入线圈有N(或S)极停在线圈中无N(或S)极从线圈中抽出有总结:线圈中的磁场变化时产生感应电流;线圈中的磁场不变时不产生感应电流。3.模拟法拉第实验(如图所示):实验操作实验现象(线圈B中有无电流)开关闭合瞬间有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(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)穿过螺线管的磁通量发生变化时,螺线管内部就一定有感应电流产生。 (×)(3)闭合电路的部分导体在磁场中运动就会产生感应电流。 (×)(4)线框不闭合时,即使穿过线框的磁通量发生变化,线框中也没有感应电流产生。 (√)关键能力·合作学习知识点一磁通量1.磁通量的理解:磁通量可以形象地理解为穿过某一面积磁感线条数的多少,当穿过某一面积的磁感线条数发生改变时,则穿过该面积的磁通量发生变化。2.磁通量的计算:(1)B与S垂直时(匀强磁场中),Φ=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),Φ=BS⊥。S⊥为线圈在垂直磁场方向上的投影面积,S⊥=Ssinθ,称之为有效面积,如图甲所示。或者Φ=B⊥S。B⊥为磁感应强度B垂直线圈平面方向上的分量,B⊥=Bsinθ,如图乙所示。两种计算方法均可得出Φ=BSsinθ。3.磁通量变化的三种情况:(1)磁感应强度B不变,闭合电路的面积S发生变化。如图a。(2)闭合电路的面积S不变,磁感应强度B发生变化。如图b。(3)磁感应强度B和闭合电路的面积S都不变,它们之间的夹角α发生变化。如图c。4.磁通量变化量的求法:可先规定磁通量的正方向,磁通量变化量为末状态磁通量减去初状态磁通量。如图甲,竖直向下的匀强磁场中,水平放置一正方形线框;如图乙,竖直向下的匀强磁场中,平行磁感应强度的方向放置正方形线框。若线框的面积是S,磁感应强度为B,试求两种情况下,穿过线框的磁通量分别是多少?提示:甲图中穿过线框的磁通量Φ1=BS;乙图中穿过线框的磁通量为Φ2=0。【典例1】有一个100匝的线圈,其横截面是边长为L=0.20m的正方形,放在磁感应强度为B=0.50T的匀强磁场中,线圈平面与磁场垂直。若将这个线圈横截面的形状由正方形改变成圆形(横截面的周长不变),在这一过程中穿过线圈的磁通量改变了多少?【解题探究】(1)磁通量的大小由什么决定?提示:磁场的磁感应强度B和线圈在垂直于磁场方向的面积S。(2)磁通量的正负如何确定?提示:从磁感线穿过面的角度来分,一个面积的两个面分为“正面”和“反面”,“正面”穿入的磁感线,磁通量为正值,“反面”穿入的磁感线,磁通量为负值。【解析】线圈横截面为正方形时的面积S1=L2=(0.20m)2=4.0×10-2m穿过线圈的磁通量Φ1=BS1=0.50×4.0×10-2Wb=2.0×10-2Wb,横截面形状为圆形时,半径r=QUOTE=QUOTE,横截面面积大小S2=π(QUOTE)2=QUOTEm2,穿过线圈的磁通量Φ2=BS2=0.50×QUOTEWb≈2.55×10-2Wb,所以,磁通量的变化量ΔΦ=Φ2-Φ1=(2.55-2)×10-2Wb=5.5×10-3Wb。答案:5.5×10-3Wb磁通量Φ=BS的计算的几点注意(1)S是指闭合回路中包含磁场的那部分的有效面积。(2)磁通量与线圈的匝数无关,也就是磁通量大小不受线圈匝数的影响。同理,磁通量的变化量ΔΦ=Φ2-Φ1也不受线圈匝数的影响。所以,直接用公式求Φ、ΔΦ不必考虑线圈匝数n。1.如图所示,矩形线框ABCD面积为S,磁感应强度为B的匀强磁场垂直线框平面,M为AB边的中点,N为AD边的中点,只有AMON区域中有磁场,穿过线框的磁通量为 ()A.BSB.QUOTEBSC.QUOTEBSD.QUOTEBS【解析】选D。由图可知,有磁场的区域面积:S′=QUOTES,当线圈平面与磁场方向垂直时,Φ=BS′=QUOTEBS。故A、B、C错误,D正确。2.如图甲所示,一面积为S的矩形导线框abcd,在匀强磁场中,磁场的磁感应强度为B,方向与ad边垂直并与线框平面成45°角,O、O′分别是ab和cd边的中点。现将线框右半边ObcO′绕OO′逆时针转过90°到图乙所示位置,下列判断正确的是 ()A.在图甲位置时线圈中的磁通量是BSB.在图乙位置时线圈中的磁通量是QUOTEBSC.由图甲位置到图乙位置线圈中的磁通量变化了QUOTEBSD.由图甲位置到图乙位置线圈中的磁通量变化了BS【解析】选C。线框的右半边(ObcO′)未旋转时整个回路的磁通量为:Φ1=BSsin45°=QUOTEBS,线框的右半边(ObcO′)旋转90°后,穿进跟穿出的磁通量相等,整个回路的磁通量Φ2=0,磁通量的变化量为QUOTEBS,C正确。【加固训练】1.如图所示,通有恒定电流的导线MN与闭合金属框共面,第一次将金属框由Ⅰ平移到Ⅱ,第二次将金属框绕cd边翻转到Ⅱ,设先后两次通过金属框的磁通量变化的大小分别为ΔΦ1和ΔΦ2,则 ()A.ΔΦ1<ΔΦ2 B.ΔΦ1=ΔΦ2C.ΔΦ1>ΔΦ2 D.不能判断【解析】选A。设在位置Ⅰ时磁通量大小为Φ1,在位置Ⅱ时磁通量大小为Φ2。规定位置Ⅱ相对线圈磁通量为正,第一次将金属框由Ⅰ平移到Ⅱ,穿过线框的磁感线方向没有改变,磁通量变化量ΔΦ1=Φ2-Φ1;第二次将金属框绕cd边翻转到Ⅱ,穿过线框的磁感线的方向发生改变,磁通量变化量ΔΦ2=Φ1+Φ2。所以:ΔΦ1<ΔΦ2。故选A。2.如图所示,线圈平面与水平方向夹角θ=60°,磁感线竖直向下,线圈平面面积S=0.4m2Wb B.0.32WbC.0.48Wb D.0.64Wb【解析】选C。开始时穿过线圈的磁通量大小Φ1=BScosθ=0.8×0.4×QUOTEWb=0.16Wb;把线圈以cd为轴顺时针转过120°角,则通过线圈磁通量大小Φ2=BS=0.8×0.4Wb=0.32Wb,则此过程中磁通量的变化量:ΔΦ=Φ1+Φ2=0.48Wb,故选C。知识点二感应电流产生的条件(1)只要满足电路闭合和穿过该电路的磁通量发生变化这两个条件,就必然产生感应电流。(2)只要产生了感应电流,则电路一定是闭合的,穿过该电路的磁通量也一定发生了变化。从奥斯特发现电流周围存在磁场后,法拉第坚信磁一定能生电。他使用如图所示的装置进行实验研究,以至于经过了10年都没发现“磁生电”。主要原因是什么?提示:励磁线圈A中的电流是恒定电流,产生稳恒磁场,穿过线圈B的磁通量都不发生变化,电流表G中没有感应电流。【典例2】如图为“探究感应电流与磁通量变化关系”的实验装置图。下列操作中不能产生感应电流的是 ()A.QUOTEB.QUOTEC.开关S闭合后,QUOTED.开关S闭合后,QUOTE【审题关键】序号信息提取①S闭合瞬间,穿过线圈B的磁通量发生变化②S断开瞬间,穿过线圈B的磁通量发生变化③滑片P移动,穿过线圈B的磁通量发生变化④滑片P不移动,穿过线圈B的磁通量不发生变化【解析】选D。开关S闭合瞬间,穿过线圈B的磁通量发生变化,线圈产生感应电流,故A错误;开关S断开瞬间,穿过线圈B的磁通量发生变化,有感应电流产生,故B错误;开关S闭合后,变阻器滑片P移动,穿过线圈B的磁通量发生变化,有感应电流产生,故C错误;开关S闭合后,变阻器滑片P不移动,穿过线圈B的磁通量不发生变化,没有感应电流产生,故D正确。1.如图是电磁冲击钻的原理示意图,若发现静止的钻头M突然向右运动,则可能是 ()A.开关S由闭合到断开的瞬间B.开关S由断开到闭合的瞬间C.保持开关S闭合,滑动变阻器滑片P加速向右滑动D.保持开关S闭合,滑动变阻器滑片P减速向右滑动【解析】选B。开关S由闭合到断开的瞬间,穿过M的磁通量减小,为阻碍磁通量的减小,钻头向左运动,故A错误;开关S由断开到闭合的瞬间,穿过M的磁通量变大,为阻碍磁通量变大,钻头向右运动,故B正确;保持开关S闭合,滑动变阻器滑片P加速向右滑动时接入电阻增大,电流减小,穿过M的磁通量减小,为阻碍磁通量减小,钻头向左运动,故C错误;保持开关S闭合,滑动变阻器滑片P减速向右滑动时接入电阻增大,电流减小,穿过M的磁通量减小,为阻碍磁通量减小,钻头向左运动,故D错误。2.图中能产生感应电流的是 ()【解析】选B。线圈是不闭合的,不能产生感应电流,故A错误;线框的面积增大,穿过线框的磁通量增大,能够产生感应电流,故B正确;由于直导线在线圈的直径的上方,所以穿过线圈的磁通量等于0,电流增大,线圈的磁通量仍然是0,故C错误;线框整体垂直于磁场运动,线框的磁通量始终是最大的,没有发生变化,没有感应电流,故D错误。【加固训练】1.科学家探索自然界的奥秘,要付出艰辛的努力。19世纪,英国科学家法拉第经过10年坚持不懈的努力,发现了电磁感应现象。如图中可用于研究电磁感应现象的实验是 ()【解析】选C。A图是演示通电导体在磁场中受力的装置,故A不符合题意;B图是奥斯特实验装置,故B不符合题意;C图是演示电磁感应现象的装置,故C符合题意;D图是通电后灯泡发光,体现电流的热效应,故D不符合题意。2.下列情况中能产生感应电流的是 ()A.如图甲所示,导体AB顺着磁感线运动B.如图乙所示,条形磁铁插入线圈中不动时C.如图丙所示,小螺线管A置于大螺线管B中不动,开关S一直接通,滑动变阻器滑片不动时D.如图丙所示,小螺线管A置于大螺线管B中不动,开关S一直接通,在移动变阻器滑片的过程中【解析】选D。如图甲所示,导体AB顺着磁感线运动,不切割磁感线,无感应电流,选项A错误;如图乙所示,条形磁铁插入线圈中不动时,磁通量不变,无感应电流产生,选项B错误;如图丙所示,小螺线管A置于大螺线管B中不动,开关S一直接通且滑动变阻器滑片不动时,穿过B的磁通量不变,无感应电流,选项C错误;如图丙所示,小螺线管A置于大螺线管B中不动,开关S一直接通,在移动变阻器滑片的过程中,线圈A中的电流变化,穿过线圈B的磁通量变化,会有感应电流产生,选项D正确。【拓展例题】考查内容:“磁生电”与“电生磁”的比较【典例】科学家通过长期研究,发现了电和磁的联系,其中最重要的两项研究如图所示。(1)研究电磁感应现象的装置是____(“甲”或“乙”)图,根据这一现象,制成了____(“电动机”或“发电机”)。

(2)研究通电导线在磁场中的受力情况现象的装置是__(“甲”或“乙”)图,根据这一现象,制成了__(“电动机”或“发电机”)。

【解析】(1)甲图中导体棒与电流表相连,无供电装置,故为演示电磁感应的装置。由这一原理我们制成了发电机。(2)乙图中有电源供电,而无电流表,但能看到通电导线在磁场中的运动,故本实验是研究磁场对电流作用的装置,通过这一现象,我们制成了电动机。答案:(1)甲发电机(2)乙电动机情境·模型·素养如图所示,A、B两环共面同心,A环上均匀带有负电荷。探究:(1)当A环逆时针加速转动时,通过B环中的磁通量变化了吗?(2)当A环顺时针匀速转动时,通过B环中的磁通量变化了吗?为什么?简述出理由。【解析】(1)A环上均匀带有负电荷,当A环逆时针加速转动时,产生顺时针方向且大小越来越大的电流,产生的磁场变强,通过B环中的磁通量变化。(2)A环上均匀带有负电荷,当A环顺时针匀速转动时,产生逆时针方向且大小不变的电流,产生的磁场不变,通过B环中的磁通量不变。答案:(1)变化(2)不变理由见解析一种早期发电机原理示意图如图所示,该发电机由固定的圆形线圈和一对用铁芯连接的圆柱形磁铁构成,两磁极相对于线圈平面对称,线圈圆心为O点。探究:在磁极绕转轴匀速转动的过程中,磁感应强度为B,线圈面积为S。当磁极与O点在同一条直线上时,穿过线圈的磁通量为多少?【解析】在磁极与O点在同一条直线上时,穿过线圈的磁通量最大,为Φ=BS。答案:BS课堂检测·素养达标1.1831年8月29日,法拉第历经近十年的研究终于在一次实验中发现了电磁感应现象:把两个线圈绕在同一个铁环上(如图),一个线圈接到电源上,另一个线圈接入“电流表”,在给一个线圈通电或断电的瞬间,另一个线圈中也出现了电流。之后他设计出几十个关于电磁感应现象的实验,并把它们总结成五类情况,请结合你学习的电磁感应知识判断以下哪个选项不属于这五类现象 ()A.恒定的电流B.变化的磁场C.运动的磁铁D.在磁场中运动的导体【解析】选A。因为电磁感应现象是一个瞬间现象,只有在磁通量改变的时候才会出现,因此恒定的电流产生恒定的磁场,无法发生电磁感应现象,因此A符合题意,B、C、D不符合题意,故选A。2.如图所示匀强磁场的磁感应强度为B,磁场方向与线框面的夹角为θ,若线框的面积为S,匝数为n,则穿过线框面的磁通量为()A.BSsinθ B.BScosθC.nBSsinθ D.nBScosθ【解析】选A。根据磁通量的概念可知,穿过线框面的磁通量为BSsinθ,故选A。3.老师做了一个物理小实验让学生观察:一轻质横杆两侧各固定一金属环,横杆绕中心点自由转动,老师拿一条形磁铁插向其中一个小环,后又取出插向另一个小环,同学们看到的现象是 ()A.磁铁插向左环,横杆发生转动B.磁铁插向右环,横杆发生转动C.无论磁铁插向左环还是右环,横杆都不发生转动D.无论磁铁插向左环还是右环,横杆都发生转动【解析】选B。左环没有闭合,在磁铁插入过程中,不产生感应电流,故横杆不发生转动;右环闭合,在磁铁插入过程中,产生感应电流,横杆将发生转动,故B正确,A、C、D错误。4.一磁感应强度为B的匀强磁场,方向水平向右,一面积为S的矩形线圈abcd如图所示放置,平面abcd与竖直方向成θ角,将abcd绕ad轴转180°角,则穿过线圈平面的磁通量的变化量为 ()A.0 B.2BSC.2BScosθ D.2BSsinθ【解析】选C。开始时穿过线圈平面的磁通量为Φ1=BScosθ,后来穿过