高中物理第1章电磁感应与现代生活1电磁感应——划时代的发现课件-71张
第
1
章 电磁感应与现代生活
1.1
电磁感应
——
划时代的发现
一、法拉第发现电磁感应的艰难历程
1.1820
年
,
丹麦物理学家
_______
发现了电流的磁效
应。
2.1831
年
,
英国物理学家
_______
发现了电磁感应现
象。
奥斯特
法拉第
3.
法拉第的概括
:
这些现象叫
_________,
产生的电流叫
_________
。
电磁感应
感应电流
【
思考辨析
】
(1)
如图所示
,
把一条导线平行地放在磁针的上方附近
,
当导线中有电流通过时
,
磁针会发生偏转
,
首先观察到这个实验现象的物理学家是安培。
(
)
(2)“
磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。
(
)
(3)
首先发现电磁感应现象的科学家是奥斯特。
(
)
提示
:
(1)×
。首先发现磁生电现象的物理学家是奥斯特。
(2)√
。“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。
(3)×
。首先发现电磁感应现象的科学家是法拉第。
二、探究感应电流的产生条件
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
)
分析论证
导体棒静止
无
闭合回路包围的面积
__ (A.
变化
B.
不变
)
时
,
回路中有电流产生
;
包围的面积
__(A.
变化
B.
不变
)
时
,
电路中无电流产生
导体棒平行
磁感线运动
无
导体棒切割
磁感线运动
有
A
B
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
)
实验操作
实验现象
(
有无电流
)
N
极插入线圈
___
S
极插入线圈
___
N
极停在线圈中
___
S
极停在线圈中
___
N
极从线圈中拔出
___
S
极从线圈中拔出
___
有
有
无
无
有
有
3.
模拟法拉第的实验
——
改变线圈
A
中的电流
,
线圈
B
中是否产生感应电流
实验操作
实验现象
(
线圈
B
中有无电流
)
分析论证
开关闭合瞬间
___
线圈
B
中磁场
__
时
,
线圈
B
中有
感应电流
;
线圈
B
中磁场
__
时
,
线圈
B
中无感应
电流
(A.
变化
B.
不变
)
开关断开瞬间
___
开关保持闭合
,
滑动变阻器滑片不动
___
开关保持闭合
,
迅速移动滑动变阻器的滑片
___
有
有
无
有
A
B
4.
感应电流产生的条件
:
只要穿过闭合导体回路的
___
_____
发生变化
,
闭合导体回路中就会产生感应电流。
磁
通量
【
思考辨析
】
(1)
闭合回路在磁场中运动时必能产生感应电流。
(
)
(2)
只要闭合电路内有磁通量
,
闭合电路中就有感应电流产生。
(
)
(3)
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。
(
)
提示
:
(1)×
。闭合回路在磁场中运动时不一定能产生感应电流。
(2)×
。根据磁通量是否发生变化判定感应电流的产生。
(3)×
。产生感应电流的条件
:
一是电路闭合
,
二是磁通量变化。有磁通量变化而不是闭合回路是不会产生感应电流的。
一 磁通量和磁通量的变化
考查角度
1
磁通量概念的理解及计算
【
典例
1】
边长
l
=10 cm
的正方形线框
有
10
匝
,
固定在匀强磁场中
,
磁场方向
与线框平面间的夹角
θ=30°,
如图所
示
,
磁感应强度随时间的变化规律为
B=2+3t(T),
求
:
2 s
末穿过线框的磁通量。
【
解析
】
2 s
末穿过线框的磁感应强度
B
2
=(2+3×2)T
=8 T,
由
Φ=BSsinθ
知
,2 s
末穿过线框的磁通量
Φ=B
2
Ssinθ=8×(0.1)
2
×sin30°Wb=4×10
-2
Wb
。
答案
:
4×10
-2
Wb
【
核心归纳
】
1.
对磁通量的理解
:
(1)
磁通量表示穿过某一面积的磁感线条数的多少
,
与匝数无关。
(2)
磁通量是标量
,
但是有正负。磁通量的正负不代表大小
,
只表示磁感线是怎样穿过平面的。即若以向里穿过某面的磁通量为正
,
则向外穿过这个面的磁通量为负。
2.
磁通量的计算
:
(1)B
与
S
垂直时
Φ
的计算方法
: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
Φ
的计算方法
: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
,
S
⊥
=Ssinθ,
称之为有效面积
,
如图甲所示。或者
Φ=
B
⊥
S
。
B
⊥
为磁感线
B
垂直线圈平面方向上的分量
,B
⊥
=
Bsinθ,
如图乙所示。两者磁通量相等
,Φ=BSsinθ
。
(3)
有不同方向磁场时
Φ
的计算方法
:
应分别计算不同方向的磁通量
,
然后规定某个方向的磁通量为正
,
反方向的磁通量为负
,
求其代数和。
如图甲所示
,
有两个环
A
和
B,
其面积
S
A
Φ
B
,
由此可知
,
在求磁通量时要按求代数和的方法求总的磁通量。
(4)
非匀强磁场中磁通量的分析
:
条形磁铁、通电线圈周围的磁场都是非匀强磁场
,
通常只对穿过其中的线圈的磁通量进行定性分析
,
分析时应兼顾磁场强弱、线圈面积和磁场与线圈的夹角等因素
,
并充分利用磁感线来判断
,
即磁通量的大小对应穿过线圈的磁感线的条数。
考查角度
2
磁通量的变化
【
典例
2】
如图所示
,
通有恒定电流的导线
MN
与闭合线框共面
,
第一次将线框由位置
1
平移到位置
2,
第二次将线框绕
cd
边翻转到位置
2,
设先后两次通过线框的磁通量变化分别为
ΔΦ
1
和
ΔΦ
2
,
则
(
)
A.ΔΦ
1
>ΔΦ
2
B.ΔΦ
1
=ΔΦ
2
C.ΔΦ
1
<ΔΦ
2
D.
无法确定
【
解析
】
选
C
。设闭合线框在位置
1
时的磁通量为
Φ
1
,
在位置
2
时的磁通量为
Φ
2
,
直线电流产生的磁场在位置
1
处比在位置
2
处强
,
故
Φ
1
>Φ
2
。
将闭合线框从位置
1
平移到位置
2,
磁感线是从闭合线框的同一面穿过的
,
所以
ΔΦ
1
=|Φ
2
-Φ
1
|=Φ
1
-Φ
2
;
将闭合线框从位置
1
绕
cd
边翻转到位置
2,
磁感线分别从闭合线框的正反两面穿过
,
所以
ΔΦ
2
=|(-Φ
2
)-Φ
1
|=Φ
1
+Φ
2
(
以原来穿过的方向为正方向
,
则后来从另一面穿过的方向为负方向
)
。故正确选项为
C
。
情形
分析
图示
B
不变化
,S
变化
磁感应强度
B
不变
,
有效面积
S
变化
,
则
ΔΦ=Φ
1
-Φ
0
=B·ΔS
。如图甲所示
,
闭合电路的一部分导体切割磁感线
,
此时穿过
abcd
面的磁通量的变化量可用此公式计算。
【
核心归纳
】
磁通量发生变化的四种情形
情形
分析
图示
B
变化
,S
不变化
磁感应强度
B
变化
,
磁感线穿过的有效面积
S
不变
,
则
ΔΦ=Φ
1
-Φ
0
=ΔB·S,
如图乙所示
,
通电直导线下边有一个矩形线框
,
若使线框逐渐远离
(
平动
)
通电导线
,
此时穿过线框的磁通量的变化量可用此公式计算。
θ
变化
,B
、
S
不变化
线圈平面与磁场方向的夹角
θ
发生变化时
,
线圈在垂直于磁场方向的投影面积
S
⊥
= Ssinθ
发生变化
,
从而引起穿过线圈的磁通量发生变化
,
即
B
、
S
不变
,θ
变化。此时可由
ΔΦ=Φ
1
-Φ
0
=BS(sinθ
2
-sinθ
1
)
计算并判断磁通量的变化。如图丙所示
,
当线框以
ab
为轴顺时针转动时
,
此时穿过
abcd
面的磁通量的变化量可用此公式计算。
情形
分析
图示
B
、
S
同时变化
若磁感应强度
B
和回路面积
S
同时发生变化
,
则
ΔΦ=Φ
1
-Φ
0
≠ΔB·ΔS
。如图丁所示
,
若导线
CD
向右滑动
,
回路面积从
S
1
=8 m
2
变到
S
2
=18 m
2
,
磁感应强度
B
从
B
1
=1 T
变到
B
2
=0.5 T,
则回路中磁通量的变化
ΔΦ=Φ
2
-Φ
1
=B
2
S
2
-B
1
S
1
=1 Wb
。若按
ΔΦ=ΔB·ΔS=(B
2
-B
1
)×(S
2
-S
1
)=-5 Wb
就错了。
【
过关训练
】
1.
如图所示
,a
、
b
、
c
三个闭合线圈放在同一平面内
,
当线圈
a
中有电流
I
通过时
,
穿过它们的磁通量分别为
Φ
a
、
Φ
b
、
Φ
c
,
下列说法中正确的是
(
)
A.Φ
a
<Φ
b
<Φ
c
B.Φ
a
>Φ
b
>Φ
c
C.Φ
a
<Φ
c
<Φ
b
D.Φ
a
>Φ
c
>Φ
b
【
解析
】
选
B
。当线圈
a
中有电流通过时
,
穿过
a
、
b
、
c
三个闭合线圈垂直纸面向里的磁感线条线一样多
,
向外的磁感线条数线圈
c
最多
,
其次是线圈
b,
线圈
a
中没有向外的磁感线
,
因此穿过闭合线圈的净磁感线条数线圈
a
最多
,
线圈
b
次之
,
线圈
c
最少
,
即
Φ
a
>Φ
b
>Φ
c
,
故选项
B
正确。
2.
如图所示
,
有一
n
匝矩形线圈
abcd
放置在水平面内
,
磁场方向与水平方向成
α
角
,
已知
sinα=0.8,
回路面积为
S,
磁感应强度为
B,
则通过线圈的磁通量为
(
)
A.nBS
B.0.8nBS
C.BS
D.0.8BS
【
解析
】
选
D
。
Φ=BSsinα=0.8BS,
故选
D
。
【
补偿训练
】
1.
关于磁通量
,
下列叙述正确的是
(
)
A.
同一线圈放在磁感应强度较大处
,
穿过线圈的磁通量不一定大
B.
在同一匀强磁场中
,
线圈的面积越大
,
则穿过线圈的磁通量一定越大
C.
把一个线圈放在不同的两处
,
穿过线圈的磁通量越大的地方
,
磁感应强度一定越大
D.
匀强磁场中
,
穿过一个面的磁通量等于磁感应强度与该面面积的乘积
【
解析
】
选
A
。同一线圈放在磁感应强度较大处
,
当两
者平行时
,
穿过线圈的磁通量为零
,A
正确
;
把一个线圈
放在同一匀强磁场中
,
由于线圈与磁场方向之间的夹角
不知道
,
所以不能判断穿过线圈的磁通量的大小
,B
错误
;
把一个线圈放在
M
、
N
两处
,
若放在
M
处时穿过线圈的磁
通量比放在
N
处时大
,
由于线圈在
M
、
N
两处与磁场的方
向之间的夹角不知道
,
所以不能判断出两处的磁感应强
度的大小
,C
错误
;
在匀强磁场中
,
只有线圈与磁场垂直时
,
磁通量才等于磁感应强度与线圈面积的乘积
,D
错误。
2.
一磁感应强度为
B
的匀强磁场方向水平向右
,
一面积为
S
的矩形线框
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是
(
)
A.0
B.2BS
C.2BScosθ
D.2BSsinθ
【
解析
】
选
C
。开始时穿过线框平面的磁通量为
Φ
1
=
BScosθ
。则后来穿过线框平面的磁通量为
Φ
2
=
-BScosθ
。则磁通量的变化量为
ΔΦ=|Φ
2
-Φ
1
|
=2BScosθ
。
3.
如图为一水平放置的条形磁铁
,
一闭合线框
abcd
位于磁铁的左端
,
线框平面始终与磁铁的上表面垂直
,
并与磁铁的端面平齐
,
当线框由图中位置
Ⅰ
经过位置
Ⅱ
到达位置
Ⅲ
时
,
线框内磁通量变化情况为
(
)
A.
不发生变化
B.
先减少后增加
C.
先增加后减少
D.
不能确定
【
解析
】
选
B
。条形磁铁的磁感线分布如图所示
,
两端磁感线分布密集
,
中央磁感线分布稀疏
,
当线框从左向右运动过程中
,Ⅱ
位置磁通量最小
,
故从
Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ,
磁通量先减少后增加
,B
正确。
4.
如图所示
,
在范围足够大的匀强磁场中有一闭合线圈
,
线圈平面与磁场方向垂直
,
线圈在磁场内运动。在下列运动中
,
穿过线圈的磁通量发生变化的是
(
)
A.
向上平移
B.
向右平移
C.
沿磁场方向平移
D.
绕
ab
轴转动
【
解析
】
选
D
。根据公式
Φ=BS,B
不变
,
线圈沿纸面向上、向右平移
,
只要不出磁场
,
有效面积
S
不变
,
所以磁通量不变
;
线圈沿磁场方向平移
,S
不变
,
所以磁通量也不变
;
线圈绕
ab
轴转动时
,
有效面积
S
变化
,
磁通量变化
,
故
A
、
B
、
C
错误
,D
正确。
二 感应电流的产生条件
【
典例
】
如图所示
,
开始时矩形线框与匀强磁场的方向垂直
,
且一半在磁场内
,
一半在磁场外
,
若要使线框中产生感应电流
,
下列办法中不可行的是
(
)
A.
将线框向左拉出磁场
B.
以
ab
边为轴转动
(
小于
90°)
C.
以
ad
边为轴转动
(
小于
60°)
D.
以
bc
边为轴转动
(
小于
60°)
【
解题探究
】
(1)
产生感应电流的条件是什么
?
提示
:
①
闭合电路
;②
磁通量发生变化。这两个条件必须同时满足
,
才有感应电流产生。
(2)
引起磁通量变化的原因有哪些
?
提示
:
磁感应强度
B
的变化和线圈有效面积
S
的变化。
【
解析
】
选
D
。将线框向左拉出磁场的过程中
,
线框的
bc
边做切割磁感线的运动
,
或者说穿过线框的磁通量减
少
,
所以线框中将产生感应电流
,A
项是可行的。
当线框以
ab
边为轴转动时
,
线框的
cd
边的右半段做切割
磁感线的运动
,
或者说穿过线框的磁通量发生变化
,
所
以线框中将产生感应电流
,B
项是可行的。
当线框以
ad
边为轴转动
(
小于
60°)
时
,
穿过线框的磁通
量在减小
,
所以线框中会产生感应电流
;
如果转过的角
度超过
60°,bc
边将进入无磁场区
,
那么线框中将不产生感应电流
(60°
～
300°),C
项是可行的。
当线框以
bc
边为轴转动时
,
如果转动的角度小于
60°,
则穿过线框的磁通量始终保持不变
(
其值为磁感应强度与矩形面积的一半的乘积
),D
项是不可行的。
【
核心归纳
】
1.
感应电流产生的条件
:
穿过闭合电路的磁通量发生变化。
2.
磁通量变化的四种情况
:
(1)
闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动。
(2)
线圈与磁体之间发生相对运动
,
或者磁场是由通电螺线管产生
,
而螺线管中的电流发生变化。
(3)
磁感应强度
B
和线圈面积
S
同时发生变化。
(4)
磁感应强度
B
和线圈之间夹角发生变化
,
如线圈在磁场中转动等。
3.
判断感应电流有无的方法
(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
。
【
过关训练
】
1.
如图所示
,
矩形线圈在匀强磁场内做的各种运动中
,
能够产生感应电流的是
(
)
【
解析
】
选
D
。产生感应电流的条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化
,
而选项
A
、
B
、
C
中线圈的磁通量均没有变化
,
只有选项
D
中线圈的磁通量发生了变化
,
所以只有选项
D
中的线圈能够产生感应电流
,
故选
D
。
2.
如图所示匀强磁场区域宽为
d,
一正方形线框
abcd
的边长为
l
,
且
l
>d,
线框以速度
v
通过磁场区域
,
如图所示
,
从线框进入到完全离开磁场的时间内
,
线框中没有感应电流的时间为
(
)
A.
B.
C.
D.
【
解析
】
选
B
。
ad
边和
bc
边都在磁场外时
,
穿过线框中
的磁通量不变
,
没有感应电流
,
所以线圈中没有感应电
流的时间为
t=
。
【
补偿训练
】
1.
闭合电路的一部分导线
ab
处于匀强磁场中
,
如图所示
,
各情况下导线都在纸面内运动
,
那么下列判断中正确的是
(
)
A.
都会产生感应电流
B.
都不会产生感应电流
C.
甲、丙会产生感应电流
,
乙、丁不会产生感应电流
D.
甲、乙不会产生感应电流
,
丙、丁会产生感应电流
【
解析
】
选
C
。甲、丙两图中导线
ab
都在垂直切割磁感线
,
又因电路闭合
,
故产生感应电流
;
乙、丁两图中导线不切割磁感线
,
不会产生感应电流。故
C
项正确。
2.
在纸面内放有一条形磁铁和一个位于磁铁正上方的圆形线圈
(
如图所示
),
下列情况中能使线圈中产生感应电流的是
(
)
A.
将磁铁在纸面内向上平移
B.
将磁铁在纸面内向右平移
C.
将磁铁绕垂直纸面的轴转动
D.
将磁铁的
N
极向纸外转
,S
极向纸内转
【
解析
】
选
D
。将磁铁向上平移、向右平移或绕垂直纸面的轴转动
,
线圈始终与磁感线平行
,
磁通量始终为零
,
没有变化
,
不产生感应电流。所以
A
、
B
、
C
均不正确
;
将磁铁的
N
极向纸外转
,S
极向纸内转
,
穿过线圈的磁通量增加
,
线圈中产生感应电流
,
所以
D
项正确。
3.
若有一宇航员登月后
,
想探测一下月球表面是否有磁场
,
他手边有一只灵敏电流表和一个小线圈
,
则下列推断正确的是
(
)
A.
直接将电流表放于月球表面
,
根据电流表有无示数来判断磁场的有无
B.
将电流表与线圈连成闭合回路
,
使线圈沿某一方向运动
,
若电流表无示数
,
则可以判断月球表面无磁场
C.
将电流表与线圈连成闭合回路
,
使线圈沿某一方向运动
,
若电流表有示数
,
则可以判断月球表面有磁场
D.
将电流表与线圈连成闭合回路
,
使线圈在某一平面内沿各个方向运动
,
若电流表无示数
,
则可以判断月球表面无磁场
【
解析
】
选
C
。由感应电流产生的条件可知
:A
选项中无闭合回路
,
电流表无示数
,A
选项错误
;B
选项中若线圈平面运动方向与磁场方向平行
,
月球上即使有磁场
,
线圈中的磁通量也始终不变化
,
不会产生感应电流
,B
选项错误
,
同理
D
选项错误
;C
选项中若线圈沿某一方向运动
,
电流表有示数
,
则知发生电磁感应
,
月球表面有磁场
,C
选项正确。
【
拓展例题
】
考查内容
:
电磁感应的产生条件
【
典例
】
现将电池组、滑动变阻器、带铁心的线圈
A
、线圈
B
、电流计及开关按如图所示连接。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动变阻器的滑片
P
向左加速滑动时
,
电流计指针向右偏转
,
由此可以推断
(
)
A.
线圈
A
向上移动或滑动变阻器的滑片
P
向右加速滑动
,
都能引起电流计指针向左偏转
B.
线圈
A
中铁心向上拔出或断开开关
,
都能引起电流计指针向右偏转
C.
滑动变阻器的滑片
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
绕线方向未知
,
故无法判断电流计指针偏转的方向
【
解析
】
选
B
。当
P
向左滑动时
,
电阻变大
,
通过
A
线圈的
电流变小
,
则线圈
B
中的原磁场减弱
,
磁通量减少
,
线圈
B
中有使电流计指针向右偏转的感应电流通过。当线圈
A
向上移动、线圈
A
中铁心向上拔出或断开开关时
,
则线
圈
B
中的原磁场也减弱
,
磁通量也减少
,
所以线圈
B
中也
有使电流计指针向右偏转的感应电流通过
,A
错
,B
对
;
滑
动变阻器的滑片
P
向右移动
,
则线圈
B
中的原磁场增强
,
磁通量也增加
,
所以线圈
B
中有使电流计指针向左偏转的感应电流通过
,C
、
D
错。故正确选项为
B
。
