【讲与练】高中物理人教版(2019)必修3：13.3 电磁感应现象及应用学案

3.电磁感应现象及应用课程标准1．了解电磁感应现象的发现历程。2．理解感应电流的产生条件，会判断回路中是否有感应电流。3．了解电磁感应现象的应用。素养目标物理观念1.知道什么是电磁感应现象。2.理解探究感应电流产生条件的实验，并理解感应电流产生的条件。3.掌握运用感应电流的产生条件判断感应电流能否产生。科学思维理解从电生磁到磁生电的科学探究方法。科学态度与责任1.通过实验探究产生感应电流的条件。2.知道电磁感应现象的发现过程，体会人类探索自然规律的科学态度和科学精神。知识点1划时代的发现1．“电生磁”的发现1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应。2．法拉第的探索：法拉第提出了“由磁产生电”的设想，并为此进行了长达10年的探索，从中领悟到，“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。3．电磁感应：“磁生电”的现象。4．感应电流：电磁感应现象中产生的电流。『判一判』(1)只有很强的磁场才能产生感应电流。(×)(2)法拉第发现电磁感应现象是只有在变化、运动的过程中才出现的现象。(√)(3)奥斯特首先发现了电磁感应现象。(×)知识点2产生感应电流的条件1．实验装置2．探究记录开关和变阻器的状态线圈B中是否有电流开关闭合瞬间有开关断开瞬间有开关闭合时，滑动变阻器不变无开关闭合时，迅速移动滑动变阻器的滑片有3.探究结果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。『判一判』(4)有电流就可以产生磁场。(√)(5)有磁场就可以产生电流。(×)(6)穿过闭合回路的磁通量发生变化时，回路中就一定产生感应电流。(√)『选一选』如图所示，ab是水平面上一个圆的直径，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，ef中的电流I产生的磁场穿过圆面积的磁通量将(C)A．逐渐增大B．逐渐减小C．始终为零D．不为零，但保持不变解析：利用安培定则判断直线电流产生的磁场，考虑到磁场具有对称性，可以知道，穿入线圈的磁感线的条数与穿出线圈的磁感线条数是相等的，故选C。『想一想』在学校的操场上，把一条大约10m长电线的两端连在一个灵敏电流表的两个接线柱上，形成闭合电路，两个同学迅速摇动这条电线(如图所示)，可以发电吗？简述你的理由。你认为这两个同学沿哪个方向站立时，发电的可能性比较大？试一试。解析：我们知道，闭合电路的部分导体切割磁感线时，闭合电路中有感应电流产生，摇绳发电的实质是，闭合电路的部分导体切割地磁场的磁感线，故绳运动方向与地磁场平行时无感应电流，而运动方向与地磁场垂直时，产生的感应电流最大，地磁场是南北方向的，故摇绳的两位同学沿东西方向站立时，发电的可能性最大。知识点3电磁感应现象的应用1．发电机是根据电磁感应原理制造的，它开辟了人类社会的电气化时代。2．生产、生活中广泛使用的变压器、电磁炉等都是根据电磁感应制造的。探究感应电流的产生条件要点提炼1.常见的产生感应电流的三种情况2．判断电磁感应现象是否发生的一般流程(1)确定研究的闭合回路；(2)弄清楚回路内的磁场分布，并确定该回路的磁通量φ；(3)磁通量变化与感应电流的产生：eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(Φ不变→无感应电流,Φ变化→\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(回路闭合，有感应电流,不闭合，无感应电流)))) 典例剖析典题1(多选)关于感应电流的产生，下列说法中正确的是(BD)A．只要穿过线圈的磁通量发生变化，线圈中就一定有感应电流B．若构成闭合回路的导线做切割磁感线运动，回路中不一定有感应电流C．若闭合回路的一部分导体不做切割磁感线运动，该回路中一定没有感应电流D．当穿过闭合回路的磁通量发生变化时，该回路中一定有感应电流解析：线圈产生感应电流的条件为穿过线圈的磁通量发生变化且线圈为闭合回路，A错误；闭合回路整体在匀强磁场中做切割磁感线运动，而穿过闭合回路的磁通量没有变化，则闭合回路中仍然没有感应电流，B正确；闭合回路的一部分导体不做切割磁感线运动，但磁感应强度变化，则穿过闭合回路的磁感线的条数发生变化，穿过闭合回路的磁通量发生变化，该回路中也能产生感应电流，C错误；根据感应电流产生的条件可知，当穿过闭合回路的磁通量发生变化时，该回路中一定有感应电流，D正确。对点训练❶(多选)(2022·辽宁沈阳市郊联体高二上月考)下图中能产生感应电流的是(BD)解析：要使线圈中产生感应电流，则回路要闭合且穿过闭合回路的磁通量要发生变化。选项A中因为线圈不闭合，不能产生感应电流，故A错误；选项B中两导体棒向左右两侧运动，闭合回路面积增大，且穿过闭合回路的磁通量增大，故产生感应电流，故B正确；选项C中通电直导线在线圈的正上方，根据安培定则可知，穿过线圈的磁通量始终是零，增大电流不能在线圈中产生感应电流，故C错误；选项D中线框向右运动，穿过闭合线框的磁通量减小，所以产生感应电流，故D正确。探究电磁感应现象中的能量转化和应用要点提炼1.电磁感应现象中的能量转化当在闭合电路中产生感应电流时，电流做功，消耗电能，根据能量守恒定律可知，有其他形式的能转化为电能。(1)导体做切割磁感线运动，在电路中产生感应电流，该导体的机械能转化为电能。(2)如图所示，线圈Ⅰ中有变化的电流通过时，在铁芯中产生变化的磁场，这个变化的磁场通过线圈Ⅱ时在其闭合回路中产生了感应电流。这个过程中，线圈Ⅰ中的电能转化成了铁芯中的磁场能，然后在线圈Ⅱ中又把铁芯里的磁场能转化成了电能，此处的转化并不像导线导电一样直接，而是一个间接的转移，磁场仅起到了能量传输的作用。2．电磁感应现象的应用生产中广泛使用的变压器、发电机等是根据电磁感应制造的。生活中很多电器的工作原理都应用到电磁感应现象，如动圈式话筒、电视机、手机、录音机、电磁炉等。下面对动圈式话筒和电磁炉的工作原理进行简单分析。(1)动圈式话筒：话筒是把声音信号转变为电信号的装置，动圈式话筒是利用电磁感应现象制成的，当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的音圈也随着一起振动，音圈在永久磁体的磁场里振动，其中就会产生感应电流，感应电流的大小和方向都变化，变化的振幅和频率由声波决定，这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。(2)电磁炉：电磁炉的炉面一般是耐热陶瓷板，陶瓷板下面的铜线制线圈接入大小和方向都变化的电流以后，产生变化的磁场，铁锅、不锈钢锅的底部在变化的磁场中产生环状的感应电流，让锅底快速发热，对食物进行加热。典例剖析典题2(多选)如图所示，两根光滑平行金属导轨倾斜放置并固定，顶端接有阻值为R的定值电阻，整个装置处于垂直导轨平面的匀强磁场中，金属杆ab在导轨上匀速向下滑行，金属杆与导轨接触良好，导轨和金属杆的电阻不计。杆ab下滑的过程中，下列说法正确的是(ACD)A．杆ab的重力势能不断减小B．杆ab的动能不断增加C．电阻R上产生的热量不断增加D．电阻R上消耗的电功率保持不变解析：金属杆ab向下滑行，高度不断下降，重力势能不断减小，A正确；杆ab做匀速运动，速度不变，动能不变，B错误；杆ab匀速下滑，其重力势能转化为电路的电能，通过电阻R转化为内能，可知电阻R上产生的热量不断增加，C正确；设导轨与竖直面的夹角为θ，金属杆质量为m，速度为v，电阻R上消耗的电功率等于重力做功的功率P＝mgvcosθ，保持不变，D正确。对点训练❷(多选)(2023·辽宁大连三十八中高二上月考)如图所示，闭合小金属环从高为h的光滑曲面右端无初速度向下运动，又沿曲面的左端上升，整个装置处于磁感应强度方向垂直于曲面向外的磁场中，则(BD)A．若是匀强磁场，则穿过环的磁通量不变，且在左侧能到达的最大高度小于hB．若是匀强磁场，则穿过环的磁通量不变，且在左侧能到达的最大高度等于hC．若是非匀强磁场，则穿过环的磁通量改变，且在左侧能到达的最大高度大于hD．若是非匀强磁场，则穿过环的磁通量改变，且在左侧能到达的最大高度小于h解析：若是匀强磁场，环在运动的过程中，通过环的磁通量不变，没有感应电流，且在运动过程中只有重力做功，支持力不做功，机械能守恒，所以环在左侧能到达的最大高度等于h，A错误，B正确；若是非匀强磁场，环在运动过程中，通过环的磁通量发生变化，产生感应电流，此时有机械能转化为电能，机械能减小，所以环在左侧能到达的最大高度小于h，C错误，D正确。导体切割磁感线产生感应电流应注意的几个问题1．导体切割磁感线，不是在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电路的磁通量是否发生变化。2．在利用“切割”来讨论和判断有无感应电流时，应该注意：(1)导体是否将磁感线“割断”，如果没“割断”，就不能说切割。如下图所示，(a)、(b)两图中，导体是真“切割”，而(c)图中，导体没有切割磁感线。(2)即使导体真“切割”了磁感线，也不能保证就能产生感应电流。如图所示，对于图甲，尽管导体“切割”了磁感线(匀强磁场)，但穿过闭合线框的磁通量并没有发生变化，没有感应电流；对于图乙，导体框的一部分导体“切割”了磁感线，穿过线框的磁感线条数越来越少，线框中有感应电流；对于图丙，闭合导体在非匀强磁场中运动，切割了磁感线，穿过线框的磁感线条数减少，线框中有感应电流。(3)即使是闭合回路的部分导体做切割磁感线的运动，也不能保证一定存在感应电流。如图丁所示，线框abcd的一部分在匀强磁场中上下平动，尽管是部分切割，但穿过闭合回路的磁通量没有变化，所以在线框中没有感应电流。案例如图所示，一有界匀强磁场的宽度为d0，一个边长为l的正方形导线框abcd以速度v匀速通过磁场区域。若d0＞l，线框平面与磁场方向垂直且有两条边与磁场边界平行，则线框穿过磁场的过程中，线框中不产生感应电流的时间应等于(C)A.eq\f(d0,v) B．eq\f(l,v)C.eq\f(d0－l,v) D．eq\f(d0－2l,v)解析：线框在进入磁场时，cd边切割磁感线，导线框中磁通量增大，产生感应电流；当线框全部进入磁场内时，导线框中的磁通量不变，无感应电流；当线框出磁场时，ab边切割磁感线，导线框中磁通量减少，产生感应电流。故线框中无感应电流的时间为t＝eq\f(d0－l,v)，故选项C正确。一、划时代的发现1．(2023·湖南湘潭高二期末)物理学在发展完善的过程中，不同年代的物理学家对物理现象进行观察、思考和研究，在实验论证、逻辑推理、演绎论证等基础上建构了现在比较完善的体系。下列关于物理学重大历史事件描述合理的是(C)A．19世纪30年代，库仑提出一种观点。认为在电荷的周围存在着由它产生的电场，电荷之间通过电场相互作用B．为解释磁体产生磁场，伏特提出了分子电流假说。认为在物质内部，存在着一种环形电流——分子电流。分子电流使每一个物质微粒都成为微小的磁体，它两侧相当于两个磁极C．1831年，法拉第在一次科学报告会上当众表演了一个实验，一个铜盘的轴和铜盘的边缘分别连在“电流表”的两端。他摇动手柄使铜盘在磁极之间旋转，“电流表”的指针随之摆动。这是根据电磁感应现象制造的最早的圆盘发电机D．1820年，特斯拉在一次讲课中，偶然地把导线放置在一个指南针的上方，通电时指南针转动了。这就是电流的磁效应，奥斯将首次揭示了电与磁的联系解析：19世纪30年代，法拉第提出一种观点，认为在电荷的周围存在着由它产生的电场。电荷之间通过电场相互作用，故A错误；为解释磁体产生磁场，安培提出了分子电流假说。认为在物质内部，存在着一种环形电流——分子电流，分子电流使每一个物质微粒都成为微小的磁体，它的两侧相当于两个磁极，故B错误；1820年，奥斯特在一次讲课中偶然地把导线放置在一个指南针的上方，通电时指南针转动了。这就是电流的磁效应，奥斯特首次揭示了电与磁的联系，故D错误；C项描述符合历史史实，C正确。2．(2023·西安市庆安高级中学高二期中)小赵同学到图书馆凭磁卡借还书时，将磁卡以一定的速度通过装有线圈的检测头，检测头的线圈中产生感应电动势和感应电流，从而传输了被记录的信号。该情景说明现代生活、生产中广泛应用了电磁感应。电磁感应的首次发现者为(B)A．密立根 B．法拉第C．洛伦兹 D．爱因斯坦解析：法拉第在1831年首次发现了电磁感应现象。故选B。二、产生感应电流的条件3．(多选)(2023·福建漳州高二期末)某同学采用如图所示装置来“研究电磁感应现象”，将A线圈插入B线圈后，下列说法正确的是(AC)A．开关闭合与断开瞬间，电流表的指针会偏转B．开关闭合后，保持A线圈不动，则穿过B线圈的磁通量为零C．开关闭合后，将A线圈拔出B线圈的过程中，电流表的指针会偏转D．开关闭合后，移动滑动变阻器滑片的过程中，穿过B线圈的磁通量不变解析：开关的闭合与断开过程，穿过B线圈的磁通量都要发生变化，产生感应电流，则电流表的指针会偏转，故A正确；开关闭合后，A线圈产生磁场，保持A线圈不动，则穿过B线圈的磁通量不为