物理人教版選修3-2學案第四章第12節(jié)劃時代的發(fā)現(xiàn)探究感應電流的產生條件

第1、2節(jié)劃時代的發(fā)現(xiàn)__探究感應電流的產生條件1．奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象。2．引起電磁感應現(xiàn)象的原因主要有五類，分別是變化的電流、變化的磁場、運動的恒定電流、運動的磁鐵、在磁場中運動的導體。3．只要穿過閉合導體回路的磁通量發(fā)生變化，閉合導體回路中就有感應電流。一、電磁感應的探索歷程1．“電生磁”的發(fā)現(xiàn)1820年，丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應。2．“磁生電”的發(fā)現(xiàn)1831年，英國物理學家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象。產生的電流叫做感應電流。二、磁通量的計算和物理意義1．磁通量的計算(1)公式：Φ＝BS。(2)適用條件：①勻強磁場；②S是垂直磁場的有效面積。(3)單位：韋伯，1Wb＝1T·m2。2．磁通量的物理意義(1)可以形象地理解為磁通量就是穿過某一面積的磁感線的條數(shù)。(2)同一個平面，當它跟磁場方向垂直時，磁通量最大，當它跟磁場方向平行時，磁通量為eq\a\vs4\al(0)。三、探究感應電流的產生條件1．探究導體棒在磁場中運動是否產生電流(如圖所示)實驗操作實驗現(xiàn)象(有無電流)分析論證導體棒靜止eq\a\vs4\al(無)閉合電路包圍的面積變化時，電路中有電流產生；包圍的面積不變時，電路中無電流產生導體棒平行磁感線運動eq\a\vs4\al(無)導體棒切割磁感線運動eq\a\vs4\al(有)2．探究磁鐵在通電螺線管中運動是否產生電流(如圖所示)實驗操作實驗現(xiàn)象(有無電流)分析論證N極插入線圈eq\a\vs4\al(有)線圈中的磁場變化時，線圈中有感應電流；線圈中的磁場不變時，線圈中無感應電流N極停在線圈中eq\a\vs4\al(無)N極從線圈中抽出eq\a\vs4\al(有)S極插入線圈eq\a\vs4\al(有)S極停在線圈中eq\a\vs4\al(無)S極從線圈中抽出eq\a\vs4\al(有)3.模仿法拉第的實驗(如圖所示)實驗操作實驗現(xiàn)象(線圈B中有無電流)分析論證開關閉合瞬間eq\a\vs4\al(有)線圈B中磁場變化時，線圈B中有感應電流；線圈B中磁場不變時，線圈B中無感應電流開關斷開瞬間eq\a\vs4\al(有)開關保持閉合，滑動變阻器滑片不動eq\a\vs4\al(無)開關保持閉合，迅速移動滑動變阻器的滑片eq\a\vs4\al(有)4．歸納結論只要穿過閉合導體回路的磁通量發(fā)生變化，閉合導體回路中就有感應電流。1．自主思考——判一判(1)有電流即生磁場。(√)(2)有磁場即生電流。(×)(3)靜止的電荷周圍也能產生磁場。(×)(4)磁通量計算公式Φ＝BS，可計算任何磁場的磁通量。(×)(5)導體棒切割磁感線不一定產生感應電流，但若垂直切割，則一定產生感應電流。(×)(6)穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化，一定產生感應電流。(√)2．合作探究——議一議(1)法拉第總結的引起感應電流的原因有哪些？提示：變化的電流、變化的磁場、運動的恒定電流、運動的磁鐵、在磁場中運動的導體。(2)同一勻強磁場中兩個面積不同的線圈，磁通量一定不同嗎？提示：不一定，當兩個線圈與磁場方向的夾角不同時，磁通量可能相同。(3)某一時刻穿過閉合回路的磁通量為零時，回路一定無感應電流嗎？提示：不一定，如果穿過閉合回路的磁通量正在變化，只是某一時刻磁通量為零，則回路中會產生感應電流。磁通量Φ及其變化量ΔΦ的理解與計算1．對磁通量的理解(1)磁通量表示穿過某一面積的磁感線條數(shù)的多少。(2)磁通量是標量，但是有正負。磁通量的正負不代表大小，只表示磁感線是怎樣穿過平面的。即若以向里穿過某面的磁通量為正，則向外穿過這個面的磁通量為負。(3)某面積內有相反方向的磁場時，分別計算不同方向的磁場的磁通量，然后規(guī)定某個方向的磁通量為正，反方向的磁通量為負，求其代數(shù)和。2．磁通量的計算(1)B與S垂直時(勻強磁場中)，Φ＝BS。B指勻強磁場的磁感應強度，S為線圈的面積。(2)B與S不垂直時(勻強磁場中)，Φ＝BS⊥。S⊥為線圈在垂直磁場方向上的投影，S⊥＝Ssinθ，稱之為有效面積，如圖甲所示?；蛘擀担紹⊥S。B⊥為磁感線B垂直線圈平面方向上的分量，B⊥＝Bsinθ，如圖乙所示。兩者磁通量相等，Φ＝BSsinθ。3．磁通量的變化磁通量的變化，大致可分為以下幾種情況：(1)磁感應強度B不變，閉合電路的面積S發(fā)生變化，如圖a。(2)閉合電路的面積S不變，磁感應強度B發(fā)生變化，如圖b。(3)磁感應強度B和閉合電路的面積S都不變，它們之間的夾角α發(fā)生變化，如圖c。[典例]如圖所示，有一垂直紙面向里的勻強磁場，B＝0.8T，磁場有明顯的圓形邊界，圓心為O，半徑為1cm?，F(xiàn)于紙面內先后放上圓線圈A、B、C，圓心均處于O處，線圈A的半徑為1cm,10匝；線圈B的半徑為2cm,1匝；線圈C的半徑為0.5cm,1匝。問：(1)在B減為0.4T的過程中，線圈A和線圈B中的磁通量變化多少？(2)在磁場轉過30°角的過程中，線圈C中的磁通量變化了多少？(3)在磁場轉過180°角的過程中，線圈C中的磁通量變化了多少？[思路點撥]解答本題應把握以下三點：(1)磁通量與線圈匝數(shù)無關。(2)當線圈平面與磁場不垂直時，應分解B或取S在與B垂直的平面上的投影面積。(3)磁感線反向穿過線圈平面時，Φ為負值。[解析](1)由題意知線圈B與線圈A中的磁通量始終一樣，故它們的變化量也一樣。ΔΦ＝(B2－B1)·πr2≈－1.26×10－4Wb。所以，線圈A和線圈B中的磁通量都減少1.26×10－4Wb。(2)對線圈C，Φ1＝B·πr′2，當磁場轉過30°時，Φ2＝B·πr′2cos30°，故ΔΦ＝Φ2－Φ1＝B·πr′2(cos30°－1)＝－8.41×10－6Wb。所以，線圈C中的磁通量減少8.41×10－6Wb。(3)磁場轉過180°后，磁感線從另一側穿過線圈，若取Φ1為正，則Φ2為負，有：Φ1＝Bπr′2，Φ2＝－Bπr′2，故ΔΦ＝Φ2－Φ1＝－2Bπr′2＝－1.26×10－4Wb。故線圈C中的磁通量變化了1.26×10－4Wb。[答案](1)都減少1.26×10－4Wb(2)減少了8.41×10－6Wb(3)1.26×10－4Wb磁通量的計算公式中S為有效面積，如圖所示，穿過方框a、b的磁通量相等，而不是Φa<Φb。1.如圖所示，a、b、c三個閉合線圈放在同一平面內，當線圈a中有電流I通過時，穿過三個線圈的磁通量分別為Φa、Φb、Φc，則()A．Φa<Φb<Φc B．Φa>Φb>ΦcC．Φa<Φc<Φb D．Φa>Φc>Φb解析：選B當a中有電流通過時，穿過a、b、c三個閉合線圈垂直紙面向里的磁感線條數(shù)一樣多，向外的磁感線的條數(shù)c最多，其次是b，a中沒有向外的磁感線，因此穿過閉合線圈的凈磁感線條數(shù)a最多，b次之，c最少，即Φa>Φb>Φc，選項B正確。2.如圖所示，通有恒定電流的導線MN與閉合線框共面，第一次將線框由1平移到2，第二次將線框繞cd邊翻轉到2，設先后兩次通過線框的磁通量變化分別為ΔΦ1和ΔΦ2，則()A．ΔΦ1>ΔΦ2 B．ΔΦ1<ΔΦ2C．ΔΦ1＝ΔΦ2 D．無法確定解析：選B設線框在位置1時的磁通量為Φ1，在位置2時的磁通量為Φ2，直線電流產生的磁場在1處比在2處要強，若平移線框，則ΔΦ1＝Φ1－Φ2，若轉動線框，磁感線是從線框的正反兩面穿過的，一正一負，因此ΔΦ2＝Φ1＋Φ2。根據(jù)分析知：ΔΦ1<ΔΦ2，選項B正確。感應電流是否產生的判斷[典例]如圖所示，矩形線框abcd由靜止開始運動，若要使線框中產生感應電流且磁通量逐漸變大，則線框的運動情況應該是()A．向右平動(ad邊還沒有進入磁場)B．向上平動(ab邊還沒有離開磁場)C．以bc邊為軸轉動(ad邊還沒有轉入磁場)D．以ab邊為軸轉動(轉角不超過90°)[思路點撥]解答本題時應把握以下兩點：(1)產生感應電流的條件是穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化。(2)判斷線框做各種運動時穿過線框的磁通量是否發(fā)生變化。[解析]選項A和D所描述的情況，線框在磁場中的有效面積S均發(fā)生變化(A情況下S增大，D情況下S變小)，穿過線框的磁通量均改變，由產生感應電流的條件知線框中會產生感應電流。而選項B、C所描述的情況中，線框中的磁通量均不改變，不會產生感應電流。D中磁通量的大小變小。[答案]A判斷產生感應電流的條件應注意的問題(1)磁通量有變化，但回路沒閉合，不產生感應電流。(2)閉合回路切割磁感線，但磁通量沒變，不產生感應電流。(3)初、末位置磁通量相同，但過程中閉合回路磁通量有變化，產生感應電流。(4)線圈有正反兩面，磁感線穿過的方向不同，磁通量發(fā)生變化，產生感應電流?？傊?，不論什么情況，只要滿足同時電路閉合和磁通量發(fā)生變化這兩個條件，就必然產生感應電流；反過來說，只要產生了感應電流，那么電路一定是閉合的，穿過該電路的磁通量也一定發(fā)生了變化。1．[多選]下圖均為閉合線框在磁場中運動，請判斷能產生感應電流的情況()解析：選CD產生感應電流的條件是穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化，A、B沒有磁通量的變化，所以沒有感應電流，C、D是閉合回路，同時磁通量發(fā)生變化，所以產生感應電流。2．如圖所示，條形磁鐵以速度v向螺線管靠近，下面幾種說法中正確的是()A．螺線管中不會產生感應電流B．螺線管中會產生感應電流C．只有磁鐵速度足夠大時，螺線管中才能產生感應電流D．只有在磁鐵的磁性足夠強時，螺線管中才會產生感應電流解析：選B螺線管所在的回路是閉合的，當條形磁鐵向螺線管靠近時，穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化，產生感應電流。3．在“探究感應電流的產生”的實驗中，小明的四次實驗情況分別如圖所示。(1)有同學說：“只要閉合電路中的一部分導體在磁場中運動，就會產生感應電流?！蹦阏J為他的說法對嗎？______________，圖________可支持你的結論。(2)探究感應電流的方向跟磁場方向和導體運動方向之間的關系。A．根據(jù)圖甲和圖乙的實驗現(xiàn)象可以得出結論：_________________________。B．根據(jù)圖乙和圖丁的實驗現(xiàn)象可以得出結論：_________________________________。解析：(1)一部分導體在磁場中運動磁通量不一定發(fā)生變化，因此不一定發(fā)生電磁感應現(xiàn)象，也就不一定產生感應電流，圖丙中指針不偏轉就說明這一結論。(2)A項，圖甲和圖乙是采用控制變量法的對比實驗，即保持磁場方向不變的情況下，研究指針的偏轉方向(感應電流的方向)與導體的運動方向間的關系。B項，圖乙和圖丁也是采用控制變量法的對比實驗，即保持導體運動方向不變的情況下，研究指針的偏轉方向(感應電流的方向)與磁場方向間的關系。答案：(1)不對丙(2)A項，當磁場方向不變時，感應電流的方向與導體的運動方向有關B項，當導體的運動方向不變時，感應電流的方向與磁場的方向有關1．關于磁通量的概念，以下說法中正確的是()A．磁感應強度越大，穿過閉合回路的磁通量也越大B．磁感應強度越大，線圈面積越大，則磁通量也越大C．穿過線圈的磁通量為零，但磁感應強度不一定為零D．磁通量發(fā)生變化，一定是磁場發(fā)生變化引起的解析：選C穿過閉合回路的磁通量大小取決于磁感應強度、回路所圍面積以及兩者夾角三個因素，所以只知道其中一個或兩個因素無法確定磁通量的變化情況，A、B項錯誤；同樣由磁通量的特點，也無法判斷其中一個因素的情況，C項正確，D項錯誤。2.如圖所示，半徑為R的圓形線圈共有n匝，其中心位置處半徑為r的范圍內有勻強磁場，磁場方向垂直線圈平面，若磁感應強度為B，則穿過線圈的磁通量為()A．πBR2 B．πBr2C．nπBR2 D．nπBr2解析：選B由磁通量的定義式知Φ＝BS＝πBr2，故B正確。3.如圖所示，AB是水平面上一個圓的直徑，在過AB的豎直面內有一根通電直導線CD，已知CD∥AB。當CD豎直向上平移時，電流的磁場穿過圓面積的磁通量將()A．逐漸增大 B．逐漸減小C．始終為零 D．不為零，但保持不變解析：選C由于通電直導線CD位于AB的正上方，根據(jù)安培定則可知，通電直導線CD產生的磁感線在以AB為直徑的圓內穿入和穿出的條數(shù)相同，所以不管電流怎么變化，導線下面圓內部的磁通量始終為0。4.如圖所示，通電螺線管水平固定，OO′為其軸線，a、b、c三點在該軸線上，在這三點處各放一個完全相同的小圓環(huán)，且各圓環(huán)平面垂直于OO′軸。則關于這三點的磁感應強度Ba、Bb、Bc的大小關系及穿過三個小圓環(huán)的磁通量Φa、Φb、Φc的大小關系，下列判斷正確的是()A．Ba＝Bb＝Bc，Φa＝Φb＝ΦcB．Ba>Bb>Bc，Φa<Φb<ΦcC．Ba>Bb>Bc，Φa>Φb>ΦcD．Ba>Bb>Bc，Φa＝Φb＝Φc解析：選C越靠近螺線管的地方磁場的磁感應強度越強，由題圖知，a、b、c三點的磁感應強度Ba、Bb、Bc的大小關系為Ba>Bb>Bc；三個小圓環(huán)的面積相同，根據(jù)磁通量的定義Φ＝BS可知，Φa>Φb>Φc，所以A、B、D錯，C正確。5．[多選]如圖所示，在勻強磁場中有兩條平行的金屬導軌，磁場方向與導軌平面垂直。導軌上有兩條可沿導軌自由移動的金屬棒ab、cd，與導軌接觸良好。這兩條金屬棒ab、cd的運動速度分別是v1、v2，且井字形回路中有感應電流通過，則兩金屬棒的運動情況可能是()A．v1＞v2 B．v1＜v2C．v1＝v2 D．無法確定解析：選AB只要金屬棒ab、cd的運動速度不相等，穿過井字形回路的磁通量就發(fā)生變化，閉合回路中就會產生感應電流。故選項A、B正確。6.如圖所示，一有限范圍的勻強磁場，寬度為d，將一邊長為l的正方形導線框以速度v勻速地通過磁場區(qū)域，若d>l，則線框中不產生感應電流的時間應等于()A.eq\f(d,v) B.eq\f(l,v)C.eq\f(d－l,v) D.eq\f(d－2l,v)解析：選C當線框剛剛完全進入磁場時至線框剛剛出磁場時，通過線框的磁通量不發(fā)生變化，線框中不會產生感應電流，C正確。7.如圖所示，在條形磁鐵的外面套著一個閉合金屬彈簧線圈P，現(xiàn)用力從四周拉彈簧線圈，使線圈包圍的面積變大，則下列關于穿過彈簧線圈磁通量的變化以及線圈中是否有感應電流產生的說法中，正確的是()A．磁通量增大，有感應電流產生B．磁通量增大，無感應電流產生C．磁通量減小，有感應電流產生D．磁通量減小，無感應電流產生解析：選C本題中條形磁鐵磁感線的分布如圖所示(從上向下看)。磁通量是指穿過一個面的磁感線的多少，由于垂直紙面向外的和垂直紙面向里的磁感線要抵消一部分，當彈簧線圈P的面積擴大時，垂直紙面向里的磁感線條數(shù)增加，而垂直紙面向外的磁感線條數(shù)是一定的，故穿過這個面的磁通量將減小，回路中會有感應電流產生，選項C正確。8.如圖所示，大圓導線環(huán)A中通有逆時針方向的電流，在導線環(huán)所在平面內有一個圓B，它的一半面積在A環(huán)內，另一半面積在A環(huán)外，則穿過圓B的磁通量()A．為零 B．垂直環(huán)面向里C．垂直環(huán)面向外 D．條件不足，無法判斷解析：選C因為通電導線環(huán)的磁場的磁感線是中心密集、外部稀疏，所以穿過圓B的合磁通量是垂直環(huán)面向外的，選項C正確。9.兩根通電直導線M、N都垂直紙面固定放置，通過它們的電流方向如圖所示，線圈的平面跟紙面平行，現(xiàn)將線圈從位置A沿M、N連線的中垂線迅速平移到位置B，則在平移過程中，線圈中的感應電流()A．沿順時針方向，且越來越小B．沿逆時針方向，且越來越大C．始終為零D．先沿順時針方向，后沿逆時針方向解析：選C由安培定則可判斷出AB連線上的磁場方向平行于紙面，所以穿過線圈的磁通量始終為零，線圈中不產生感應電流，故選C。10.[多選]如圖所示，在同一鐵芯上有A和C兩個線圈，其中A線圈與滑動變阻器、電源、開關相連，C線圈兩端與靈敏電流計相連。在以下采取的做法中，能使靈敏電流計指針偏轉的是()A．開關S閉合的瞬間B．開關S閉合后，變阻器滑片P向右滑動C．開關S閉合后，變阻器滑片P保持不動D．開關S斷開的瞬間解析：選ABD當開關S閉合瞬間，A線圈中電流變化，磁通量變化，使C線圈中的磁通量變化，產生感應電流，靈敏電流計指針偏轉，選項A正確。當開關S閉合后，變阻