高中物理新人教版选择性必修第二册 2.1 楞次定律 学案

2.1楞次定律学案1.通过实验探究感应电流的方向，理解楞次定律．2.会用楞次定律判定感应电流的方向．3．会用右手定则判断导体切割磁感线产生的感应电流的方向．一、探究感应电流的方向1．实验探究：将螺线管与电流计组成闭合电路，分别将条形磁铁的N极、S极插入、抽出线圈，如图所示，记录感应电流方向．2．实验记录磁场方向感应电流方向(俯视)感应电流的磁场方向归纳总结甲向下逆时针向上感应电流的磁场阻碍磁通量的增加乙向上顺时针向下丙向下顺时针向下感应电流的磁场阻碍磁通量的减少丁向上逆时针向上3.实验结论(1)当穿过线圈的磁通量增加时，感应电流的磁场与原磁场的方向相反；(2)当穿过线圈的磁通量减少时，感应电流的磁场与原磁场的方向相同．(1)感应电流的磁场总与原磁场方向相反．()(2)感应电流的磁场只是阻碍原磁场磁通量的增加．()(3)感应电流的磁场阻碍原磁场磁通量的变化．()提示：(1)×(2)×(3)√二、楞次定律1．内容：感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化．2．理解：当磁铁靠近导体线圈上端时，穿过线圈的磁通量增加，感应电流的磁场与原磁场的方向相反，由于同名磁极相互排斥，阻碍磁铁相对线圈向下运动；当磁铁远离线圈上端时，穿过线圈的磁通量减少，感应电流的磁场与原磁场的方向相同，由于异名磁极相互吸引，阻碍磁铁相对线圈向上运动．1．感应电流的磁场方向总是与引起感应电流的磁场方向相反吗？提示：不是．由探究实验可知，当原磁场的磁通量增加时，感应电流的磁场方向与引起感应电流的原磁场方向相反；当原磁场的磁通量减少时，感应电流的磁场方向与引起感应电流的原磁场方向相同．三、右手定则1．内容：伸开右手，让拇指与其余四指在同一个平面内，使拇指与并拢的四指垂直；让磁感线垂直穿入手心，使拇指指向导体运动的方向，其余四指所指的方向就是感应电流的方向．2．适用范围：适用于闭合电路部分导体切割磁感线产生感应电流的情况．2．右手定则和楞次定律的关系是怎样的？提示：都可以判断感应电流的方向，但对于一部分导体切割磁感线的情况，用右手定则更方便．对楞次定律的理解[学生用书P18]1．楞次定律的两层意义(1)因果关系．闭合电路中磁通量的变化是产生感应电流的原因，而感应电流的磁场的出现是感应电流存在的结果，简要地说，只有当闭合电路中的磁通量发生变化时，才会有感应电流的磁场出现．(2)符合能量守恒定律．感应电流的磁场对闭合电路中磁通量的变化起阻碍作用，这种作用正是能量守恒这一普遍规律在电磁感应现象中的体现．2．楞次定律的理解——“阻碍”的含义谁阻碍谁感应电流的磁场阻碍引起感应电流的原磁场的磁通量的变化阻碍什么阻碍的是磁通量的变化，而不是阻碍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的方向相反；当磁通量减少时，感应电流的磁场方向与原磁场的方向相同，即“增反减同”结果如何阻碍只是延缓了磁通量的变化，这种变化将继续进行，最终结果不受影响3.运用楞次定律判定感应电流的思路，可以概括为以下方框图：上图描述了磁通量变化、磁场方向、感应电流方向三个因素的关系，只要知道了其中任意两个因素，就可以确定第三个因素．1对楞次定律内容的理解下列说法正确的是()A．感应电流的磁场方向一定与引起感应电流的原磁场方向相同B．感应电流的磁场方向一定与引起感应电流的原磁场方向相反C．当穿过闭合回路的磁通量增加时，感应电流的磁场方向与原磁场的方向相同D．当穿过闭合回路的磁通量减少时，感应电流的磁场方向与原磁场的方向相同[解析]根据“阻碍的含义”，在电磁感应现象中，磁通量增加时，感应电流的磁场方向与原磁场的方向相反；磁通量减少时，感应电流的磁场方向与原磁场的方向相同，即“增反减同”，选项D正确．[答案]D2应用楞次定律判断感应电流的方向某磁场磁感线如图所示，有一铜线圈自图示A处落至B处，在下落过程中，自上向下看，线圈中感应电流的方向是()A．始终顺时针B．始终逆时针C．先顺时针再逆时针D．先逆时针再顺时针[思路点拨][解析]自A落至图示位置时，穿过线圈的磁通量增加，磁场方向向上，则感应电流的磁场方向与之相反，即向下，故可由安培定则判断出线圈中感应电流的方向为顺时针；自图示位置落至B点时，穿过线圈的磁通量减少，磁场方向向上，则感应电流的磁场方向与之相同，即向上，故可由安培定则判断出线圈中感应电流的方向为逆时针，选C.[答案]C运用楞次定律判定感应电流方向的基本思路1．水平桌面上放一闭合铝环，在铝环轴线上方有一条形磁铁，如图所示．当条形磁铁沿轴线竖直向下迅速运动时，下列判断正确的是()A．铝环有收缩的趋势，对桌面的压力增大B．铝环有扩张的趋势，对桌面的压力增大C．铝环有收缩的趋势，对桌面的压力减小D．铝环有扩张的趋势，对桌面的压力减小解析：选A.当磁铁靠近铝环时，穿过铝环的磁通量增大，铝环中产生感应电流，感应电流的磁场阻碍原磁场的磁通量增加，所以铝环有收缩的趋势；同时阻碍磁铁的靠近，受到磁铁的排斥而对桌面的压力增大．故选项A正确．2．如图所示，均匀带正电的绝缘圆环a与金属圆环b同心共面放置，当a绕O点在其所在平面内旋转时，b中产生顺时针方向的感应电流，且具有收缩趋势，由此可知，圆环a沿()A．顺时针加速旋转 B．顺时针减速旋转C．逆时针加速旋转 D．逆时针减速旋转解析：选B.据楞次定律的推论“增反减同”，b环中产生顺时针方向的感应电流，说明a中原电流可能顺时针减少，也可能逆时针增加，但b环有收缩的趋势，说明a环中的电流应与b环中的电流同向，同向电流相互吸引，才能使b环收缩，故a环中的电流只能是顺时针减少，因此带正电的a环只能沿顺时针减速旋转，B正确．右手定则的应用[学生用书P19]1．右手定则主要用于闭合电路的部分导体做切割磁感线运动时，产生的感应电动势与感应电流的方向判定．2．右手定则仅在导体切割磁感线时使用，应用时要注意磁场方向、导体运动的方向、感应电流的方向三者互相垂直．3．当导体的运动方向与磁场方向不垂直时，拇指应指向切割磁感线的分速度方向．4．若形成闭合电路，四指指向感应电流方向；若未形成闭合电路，四指指向高电势点．5．应用时要特别注意：四指指向是电源内部电流的方向(负→正)，也是电势升高的方向，即四指指向正极．1利用右手定则判断感应电流的方向下列选项中，闭合电路的一部分导体ab在磁场中运动，其中能产生由a到b的感应电流的是()[解析]解答本题时要抓住两点：一是闭合电路的磁通量要发生变化；二是闭合电路的一部分导体切割磁感线．由右手定则可判断A选项中电流由a向b，B选项中电流由b向a，C选项中电流由b向a，D选项中电流由b向a.[答案]A2利用右手定则判断电势的高低(多选)如图所示为地磁场磁感线的示意图．在北半球地磁场的竖直分量向下，飞机在我国上空匀速巡航，机翼保持水平，飞行高度不变．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，则()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]我国地处北半球，地磁场有竖直向下的分量，用右手定则判断无论机翼向哪个水平方向切割磁感线，机翼中均产生自右向左的感应电动势，左侧电势高于右侧．[答案]AC部分导体切割磁感线运动产生感应电流时，要明确内、外电路，切割磁感线的部分导体是内电路，利用右手定则判断的是内电路中感应电流的方向，即四指指向高电势端，对于没有闭合回路的(如例4)可按“假设有”判断．(多选)如图所示，光滑平行金属导轨PP′和QQ′都处于同一水平面内，P和Q之间连接一电阻R，整个装置处于竖直向下的匀强磁场中．现垂直于导轨放置一根导体棒MN，用一水平向右的力F拉动导体棒MN，以下关于导体棒MN中感应电流方向和它所受安培力的方向的说法正确的是()A．感应电流方向是N→MB．感应电流方向是M→NC．安培力水平向左D．安培力方向水平向右解析：选AC.磁场方向向下，棒向右运动，由右手定则知棒中感应电流方向由N→M.由左手定则知棒受安培力方向向左．“三定则”的综合应用[学生用书P19]右手定则、左手定则、安培定则的比较比较项目右手定则左手定则安培定则作用判断感应电流方向判断通电导体或运动电荷受力方向判断磁场方向已知条件已知切割磁感线方向和磁场方向已知电流方向和磁场方向已知通电电流方向图例因果关系运动→电流电流→运动电流→磁场应用实例发电机电动机－(多选)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PQ、MN，当PQ在外力的作用下运动时，MN在磁场力的作用下向右运动，则PQ所做的运动可能是()A．向右加速运动B．向左加速运动C．向右减速运动D．向左减速运动[解题探究](1)MN棒中电流方向如何才能向右运动？(2)MN棒中电流产生的原因是什么？[解析]当PQ向右加速运动时，用右手定则可判定PQ中感应电流的方向是由Q→P，由安培定则可知穿过L1的磁场方向是自下而上的；若PQ向右加速运动，则穿过L1的磁通量增加，用楞次定律可以判断流过MN的感应电流是从N→M的，用左手定则可判定MN受到向左的安培力，将向左运动，可见选项A错误；若PQ向右减速运动，流过MN的感应电流方向、感应电流所受的安培力的方向均将反向，MN向右运动，所以选项C是正确的；同理可判断B项是正确的，D项是错误的．[答案]BC如图所示，导轨间的磁场方向垂直于纸面向里．圆形金属环B正对磁铁A，当导线MN在导轨上向右加速滑动时，下列说法正确的是()A．MN中电流方向为N→M，B被A吸引B．MN中电流方向为N→M，B被A排斥C．MN中电流方向为M→N，B被A吸引D．MN中电流方向为M→N，B被A排斥解析：选B.导线MN向右加速滑动，导线产生的感应电流增大，通过磁铁A的电流增大，由右手定则判定导线MN的感应电流方向为N→M；磁铁A产生的磁感应强度变大，穿过金属环B的磁通量增加，B中有感应电流产生，由楞次定律可知，为阻碍磁通量的增加，B被A排斥．故选项B正确．三个定则的应用技巧与应用区别(1)应用技巧无论是“安培力”还是“洛伦兹力”，只要是“力”都用左手判断．“电生磁”或“磁生电”均用右手判断．(2)应用区别抓住因果关系，据因索果①因电而生磁(I→B)→安培定则；②因动而生电(v，B→I感)→右手定则；③因电受力(I，B→F安)→左手定则．[随堂检测]1．关于楞次定律，下列说法中正确的是()A．感应电流的磁场总是阻碍原磁场的增强B．感应电流的磁场总是阻碍原磁场的减弱C．感应电流的磁场总是和原磁场方向相反D．感应电流的磁场总是阻碍原磁通量的变化解析：选D.楞次定律的内容：感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，故选D.2．(多选)下列各图是验证楞次定律实验的示意图，竖直放置的线圈固定不动，将条形磁铁从线圈上方插入或拔出，线圈和电流表构成的闭合回路中就会产生感应电流．各图中分别标出了条形磁铁的极性、条形磁铁相对线圈的运动方向以及线圈中产生的感应电流的方向等情况，其中正确的是()解析：选CD.根据楞次定律可确定感应电流的方向：以选项C为例，当条形磁铁向下运动时，线圈原磁场的方向向上，穿过线圈的磁通量增加，感应电流产生的磁场方向向下，利用安培定则判断感应电流的方向与图中箭头方向相同，线圈的上端为S极，条形磁铁与线圈相互排斥．运用以上分析方法可知，选项CD正确，选项AB错误．3．某实验小组用如图所示的实验装置来验证楞次定律．当条形磁铁自上而下穿过固定的线圈时，通过电流计的感应电流的方向是()A．a→G→bB．先a→G→b，后b→G→aC．b→G→aD．先b→G→a，后a→G→b解析：选D.①确定原磁场的方向：条形磁铁在穿入线圈的过程中，磁场方向向下．②明确闭合回路中磁通量变化的情况：向下的磁通量增加．③由楞次定律的“增反减同”可知：线圈中的感应电流产生的磁场方向向上．④应用安培定则可以判断感应电流的方向为逆时针(俯视)，即：电流的方向为b→G→a.同理可以判断出条形磁铁穿出线圈的过程中，向下的磁通量减小，由楞次定律可得：线圈中将产生顺时针的感应电流(俯视)，即：电流的方向为a→G→b.4.如图所示，直角三角形金属框abc放置在匀强磁场中，磁感应强度大小为B，方向平行于ab边向上．当金属框绕ab边以角速度ω逆时针转动时，a、b、c三点的电势分别为Ua、Ub、Uc.已知bc边的长度为l.下列判断正确的是()A．Ua＞Uc，金属框中无电流B．Ub＞Uc，金属框中电流方向沿a→b→c→aC．Ubc＝－eq\f(1,2)Bl2ω，金属框中无电流D．Uac＝eq\f(1,2)Bl2ω，金属框中电流方向沿a→c→b→a解析：选C.当金属框绕ab边以角速度ω逆时针转动时，金属框有两条边切割磁感线，其中一条为bc边，根据E＝Blv可得，感应电动势的大小为eq\f(1,2)Bl2ω；对于另一条切割磁感线的ac边，其有效切割长度为l，根据E＝Blv可得感应电动势的大小也为eq\f(1,2)Bl2ω；由于穿过金属框的磁通量始终为零，故金属框内无电流；由右手定则可知，感应电动势的方向为从b到c(或者说是从a到c)，故Uc＞Ub＝Ua，选项A、B错误；Ubc＝Uac＝－eq\f(1,2)Bl2ω，选项C正确，D错误．5.如图所示，在一固定水平放置的闭合导体圆环上方，有一条形磁铁，从离地面高h处，由静止开始下落，最后落在水平地面上．磁铁下落过程中始终保持竖直，并从圆环中心穿过圆环，而不与圆环接触．若不计空气阻力，重力加速度为g，下列说法中正确的是()A．在磁铁下落的整个过程中，圆环中的感应电流方向先逆时针后顺时针(从上向下看圆环)B．磁铁在整个下落过程中，所受线圈对它的作用力先竖直向上后竖直向下C．磁铁在整个下落过程中，它的机械能不变D．磁铁落地时的速率一定等于eq\r(2gh)解析：选A.根据楞次定律和安培定则可知，选项A正确；根据楞次定律可知，刚开始，磁铁靠近圆环，圆环中产生的感应电流的磁场会对磁铁施加竖直向上的以阻碍其靠近的作用力，磁铁穿过圆环，然后在穿出圆环的过程中，圆环中的感应电流产生的磁场会对磁铁施加竖直向上的以阻碍其远离的作用力，可见，磁铁在整个下落过程中，所受圆环对它的作用力总是竖直向上的，选项B错误；因为在整个下落过程中，圆环中产生的感应电流做了功，所以磁铁的机械能减小，减小量等于电流做的功，选项C错误；因为磁铁在整个下落过程中机械能减小，磁铁落地时的速率一定小于eq\r(2gh)，选项D错误．一、单项选择题1．关于楞次定律和感应电流，下列说法不正确的是()A．应用楞次定律时，需要明确两个磁场，即原磁场和感应电流的磁场，且感应电流的磁场总是要阻碍原磁场的变化B．应用楞次定律时，需要明确闭合回路中的磁通量是增加了还是减少了，进而判断感应电流的磁场方向C．楞次定律是用来判断感应电流方向的一个实验定律D．感应电流的磁场阻碍磁通量的变化，经历足够长的时间最终会阻止磁通量的变化解析：选D.楞次定律是用来判断感应电流方向的一个实验定律，选项C正确；在应用楞次定律时，需要明确两个磁场，即原磁场和感应电流的磁场，明确磁通量的变化情况，感应电流的磁场总是要阻碍原磁通量的变化，但不能阻止磁通量的变化，选项A、B正确，选项D错误．2.如图所示，两个大小相等互相绝缘的导体环，B环与A环有一半面积重叠，当开关S断开时()A．B环内有顺时针方向的感应电流B．B环内有逆时针方向的感应电流C．B环内没有感应电流D．条件不足，无法判定解析：选A.由安培定则可知穿过环B的磁场方向垂直纸面向里，当开关S断开时，磁通量减少，由楞次定律和安培定则可知环B中产生顺时针方向的感应电流，选项A正确．3.如图所示，金属环所在区域存在着匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里．当磁感应强度逐渐增大时，内、外金属环中感应电流的方向为()A．外金属环顺时针，内金属环逆时针B．外金属环逆时针，内金属环顺时针C．内、外金属环均为逆时针D．内、外金属环均为顺时针解析：选B.回路由外金属环和内金属环共同组成，回路中包围的磁场方向垂直纸面向里且内、外金属环之间的磁通量增加，由楞次定律可知两金属环之间的感应电流的磁场方向与原磁场方向相反，垂直于纸面向外，由安培定则可知，感应电流在外金属环沿逆时针方向，在内金属环沿顺时针方向，故选项B正确．4．如图所示，当导体棒MN在外力作用下沿导轨向右运动时，流过R的电流方向是()A．由A→B B．由B→AC．无感应电流 D．无法确定解析：选A.由右手定则判断MN棒切割磁感线产生感应电流的方向为N到M，所以流经R的电流方向为A到B，A正确．5．如图所示，一水平放置的矩形线圈abcd在细长磁铁的N极附近竖直下落，保持bc边在纸外，ad边在纸内，从图中的位置Ⅰ经过位置Ⅱ到位置Ⅲ，位置Ⅰ和Ⅲ都很靠近Ⅱ.在这个过程中，线圈中感应电流()A．沿abcd流动B．沿dcba流动C．由Ⅰ到Ⅱ是沿abcd流动，由Ⅱ到Ⅲ是沿dcba流动D．由Ⅰ到Ⅱ是沿dcba流动，由Ⅱ到Ⅲ是沿abcd流动解析：选A.由条形磁铁的磁场可知，线圈在位置Ⅱ时穿过闭合线圈的磁通量最少，为零，故线圈从位置Ⅰ到位置Ⅱ，从下向上穿过线圈的磁通量在减少，线圈从位置Ⅱ到位置Ⅲ，从上向下穿过线圈的磁通量在增加，根据楞次定律可知，感应电流的方向是abcd.6．如图所示，一个有界匀强磁场区域，磁场方向垂直纸面向外，一个矩形闭合导线框abcd，沿纸面由位置1(左)匀速运动到位置2(右)，则()A．导线框进入磁场时，感应电流方向为a→b→c→d→aB．导线框离开磁场时，感应电流方向为a→d→c→b→aC．导线框离开磁场时，受到的安培力方向水平向右D．导线框进入磁场时，受到的安培力方向水平向左解析：选D.根据右手定则可知导线框进入磁场时，感应电流方向为a→d→c→b→a，离开磁场时感应电流方向为a→b→c→d→a，所以A、B均错误，再根据左手定则知，C错误，D正确．二、多项选择题7．关于右手定则和楞次定律的关系，说法正确的是()A．右手定则和楞次定律都是用来判断感应电流的方向的，本质上没有任何区别，是并列关系B．右手定则的使用范围是判断闭合回路中的部分导体切割磁感线运动时产生的感应电流的方向C．楞次定律可以用来判断任何情况下感应电流的方向D．能用右手定则判断感应电流方向的情况，一定能用楞次定律来判断，能用楞次定律判断感应电流方向的情况，也一定能用右手定则来判断解析：选BC.右手定则是楞次定律的一个特例，用于判断闭合回路中的部分导体切割磁感线运动时产生的感应电流的方向，与楞次定律的关系是包含关系，选项A、D错误，选项B、C正确．8.如图所示，当磁铁运动时，流过电阻的电流是由A经R到B，则磁铁的运动可能是()A．向下运动B．向上运动C．向左运动D．以上都不可能解析：选BC.此题可通过逆向应用楞次定律来判定．由感应电流方向A→R→B，应用安培定则得知感应电流在螺线管内产生的磁场方向应是从上指向下．运用楞次定律判得螺线管内磁通量的变化应是向下减小或向上增大．由条形磁铁的磁感线分布知，螺线管内原磁场是向下的，故应是磁通量减小，即磁铁向上运动或向左、向右平移，所以正确的答案是B、C.9.如图所示，光滑固定导轨m、n水平放置，两根导体棒p、q平行放于导轨上，形成一个闭合回路．当一条形磁铁从高处下落接近回路时()A．p、q将互相靠拢B．p、q将互相远离C．磁铁的加速度仍为gD．磁铁的加速度小于g解析：选AD.根据楞次定律，感应电流的效果总要反抗产生感应电流的原因，本题中“原因”是回路中磁通量的增加，p、q通过以下两种方式反抗磁通量的增大：一是用缩小面积的方式进行反抗，二是用远离磁铁的方式进行反抗(即相互排斥)．根据牛顿第三定律知磁铁受向上的作用力，所以p、q将相互靠近且磁铁的加速度小于g.10.如图，一均匀金属圆盘绕通过其圆心且与盘面垂直的轴逆时针匀速转动．现施加一垂直穿过圆盘的有界匀强磁场，圆盘开始减速．在圆盘减速过程中，以下说法正确的是()A．处于磁场中的圆盘部分，靠近圆心处电势高B．所加磁场越强越易使圆盘停止转动C．若所加磁场反向，圆盘将加速转动D．若所加磁场穿过整个圆盘，圆盘将匀速转动解析：选ABD.根据右手定则可判断靠近圆心处电势高，选项A正确；圆盘