2020版高中物理 第1章 电磁感应与现代生活 1

2020版高中物理 第1章 电磁感应与现代生活 1

‎1.1　电磁感应——划时代的发现 ‎[目标定位] 1.知道奥斯特发现了电流磁效应、法拉第发现了电磁感应现象.2.知道磁通量和磁通量变化量的含义.3.知道感应电流的产生条件.‎ 一、划时代的发现 传统的英格兰科学研究方法中有一种叫做对称思维的方法.在奥斯特发现电流磁效应之后，学术界提出了什么新课题？‎ 答案　根据对称思维的方法，学术界开始了对“把磁转变为电”的研究.‎ ‎[要点总结]‎ ‎1.新课题的提出：奥斯特发现了电流的磁效应，即“电能转化为磁”.根据对称思维的方法，法拉第在1822年提出了自己的新课题：“把磁转变为电”.‎ ‎2.深入探究得真谛：法拉第把这种由磁得到电的现象叫做电磁感应现象.产生的电流叫做感应电流.他把引起电流的原因概括为：变化的电流、变化的磁场、运动的磁铁、在磁场中运动的导体等.‎ 二、磁通量及其变化 如图1所示，框架的面积为S，匀强磁场的磁感应强度为B.试求：‎ 图1‎ ‎(1)框架平面与磁感应强度B垂直时，穿过框架平面的磁通量为多少？‎ ‎(2)若框架绕OO′转过60°，则穿过框架平面的磁通量为多少？‎ ‎(3)若从图示位置转过90°，则穿过框架平面的磁通量的变化量为多少？‎ ‎(4)若从图示位置转过180°，则穿过框架平面的磁通量的变化量为多少？‎ 答案　(1)BS　(2)BS　(3)－BS　(4)－2BS ‎[要点总结]‎ ‎1.磁通量 ‎(1)定义：闭合导体回路的面积与垂直穿过它的磁感应强度的乘积叫磁通量，符号为Φ 8‎ ‎.在数值上等于穿过投影面的磁感线的条数.‎ ‎(2)公式：Ф＝BS.其中S为回路平面在垂直磁场方向上的投影面积，也称为有效面积.所以当回路平面与磁场方向之间的夹角为θ时，磁通量Φ＝BSsin_θ，如图2所示.‎ 图2‎ ‎(3)单位：韦伯，简称韦，符号是Wb.‎ ‎(4)注意：①磁通量是标量，但有正、负之分.一般来说，如果磁感线从线圈的正面穿入，线圈的磁通量就为“＋”，磁感线从线圈的反面穿入，线圈的磁通量就为“－”.②磁通量与线圈的匝数无关(填“有关”或“无关”).‎ ‎2.磁通量的变化量ΔΦ ‎(1)当B不变，有效面积S变化时，ΔΦ＝B·ΔS.‎ ‎(2)当B变化，S不变时，ΔΦ＝ΔB·S.‎ ‎(3)B和S同时变化，则ΔΦ＝Φ2－Φ1，但此时ΔΦ≠ΔB·ΔS.‎ 特别提醒：计算穿过某平面的磁通量变化量时，要注意前、后磁通量的正、负值，如原磁通量Φ1＝BS，当平面转过180°后，磁通量Φ2＝－BS，磁通量的变化量ΔΦ＝－2BS.‎ 例1　如图3所示，有一垂直纸面向里的匀强磁场，B＝0.8 T，磁场有明显的圆形边界，圆心为O，半径为‎1 cm.现于纸面内先后放上圆线圈A、B、C，圆心均处于O处.线圈A的半径为‎1 cm，10匝；线圈B的半径为‎2 cm,1匝；线圈C的半径为‎0.5 cm,1匝.问：‎ 图3‎ ‎(1)在B减为0.4 T的过程中，线圈A和线圈B中的磁通量变化多少？‎ ‎(2)在磁场转过90°角的过程中，线圈C中的磁通量变化了多少？转过180°角呢？‎ 答案　(1)A、B线圈的磁通量均减少了1.256×10－4 Wb ‎(2)减少了6.28×10－5 Wb　减少了1.256×10－4 Wb 解析　(1)A、B线圈中的磁通量始终一样，故它们的变化量也一样.ΔΦ＝(B′－B)·πr2＝－1.256×10－4 Wb 即A、B线圈中的磁通量都减少1.256×10－4 Wb ‎(2)对线圈C，Φ1＝Bπr′2＝6.28×10－5 Wb 8‎ 当转过90°时，Φ2＝0，故ΔΦ1＝Φ2－Φ1＝0－6.28×10－5 Wb ‎＝－6.28×10－5 Wb 当转过180°时，磁感线从另一侧穿过线圈，若取Φ1为正，则Φ3为负，有Φ3＝－Bπr′2，‎ 故ΔΦ2＝Φ3－Φ1＝－2Bπr′2＝－1.256×10－4 Wb.‎ 例2　磁通量是研究电磁感应现象的重要物理量，如图4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量分别为ΔΦ1和ΔΦ2，则(　　)‎ 图4‎ A.ΔΦ1>ΔΦ2 B.ΔΦ1＝ΔΦ2‎ C.ΔΦ1<ΔΦ2 D.无法确定 答案　C 解析　设闭合线框在位置1时的磁通量为Φ1，在位置2时的磁通量为Φ2，直线电流产生的磁场在位置1处的磁感应强度比在位置2处要强，故Φ1>Φ2.‎ 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ΔΦ1＝|Φ2－Φ1|＝Φ1－Φ2；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ΔФ2＝|(－Φ2)－Φ1|＝Φ1＋Φ2(以原来磁感线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.‎ 三、感应电流的产生条件 ‎1.实验1：如图5所示，条形磁铁插入或拔出线圈时，线圈中有电流产生，但条形磁铁在线圈中静止不动时，线圈中无电流产生.(填“有”或“无”)‎ 图5‎ ‎2.实验2：如图6所示，导体AB做切割磁感线运动时，线路中有电流产生，而导体AB顺着磁感线运动时，线路中无电流产生(填“有”或“无”).‎ 8‎ 图6‎ ‎3.实验3：如图7所示，将小螺线管A插入大螺线管B中不动，当开关S接通或断开时，电流表中有电流通过；若开关S一直闭合，当改变滑动变阻器的阻值时，电流表中有电流通过；而开关一直闭合，滑动变阻器滑动触头不动时，电流表中无电流产生(填“有”或“无”).‎ 图7‎ ‎4.上述三个实验产生感应电流的情况不同，但其中肯定有某种共同的原因，完成下表并总结产生感应电流的条件.‎ 实验1‎ 闭合电路中磁感应强度B①变化，闭合电路的面积S②不变 共同原因：⑥闭合电路中⑦磁通量发生变化 实验2‎ 闭合电路中磁感应强度B不变，闭合电路的面积S③变化 实验3‎ 闭合电路中磁感应强度B④变化，闭合电路的面积S⑤不变 总结：实验1是磁体即磁场运动改变磁通量；实验2是通过导体相对磁场运动改变磁通量；实验3通过改变电流从而改变磁场强弱，进而改变磁通量，所以可以将产生感应电流的条件描述为“只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就会产生感应电流”.‎ ‎[要点总结]‎ ‎1.产生感应电流的条件：穿过闭合电路的磁通量发生变化.‎ ‎2.例如：闭合电路的一部分导体在磁场内做切割磁感线运动.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”，如果没有“割断”就不能说切割.如图8所示，甲、乙两图中，导线是真“切割”，而图丙中，导体没有切割磁感线.‎ 8‎ 图8‎ ‎(2)是否仅是闭合电路的一部分导体在磁场内做切割磁感线运动，如图丁.如果由切割不容易判断，则要回归到磁通量是否变化上去.‎ 例3　下图中能产生感应电流的是(　　)‎ 答案　B 解析　A选项中，电路没有闭合，无感应电流；B选项中，面积增大，通过闭合电路的磁通量增大，有感应电流；C选项中，穿过线圈的磁感线相互抵消，Φ恒为零，无感应电流；D选项中，磁通量不发生变化，无感应电流.‎ ‎1.电路闭合和磁通量发生变化是产生感应电流的两个条件，二者缺一不可.‎ ‎2.磁通量发生变化，其主要内涵体现在“变化”上，磁通量很大，若没有变化也不会产生感应电流，磁通量虽然是零，但是如果在变化仍然可以产生感应电流.‎ 例4　金属矩形线圈abcd在匀强磁场中做如图所示的运动，线圈中有感应电流的是(　　)‎ 答案　A 8‎ 解析　在选项B、C中，线圈中的磁通量始终为零，不产生感应电流；选项D中磁通量始终最大，保持不变，也没有感应电流；选项A中，在线圈转动过程中，磁通量做周期性变化，产生感应电流，故A正确.‎ ‎1.(电磁感应现象的发现与认识)在法拉第时代，下列验证“由磁产生电”设想的实验中，能观察到感应电流的是(　　)‎ A.将绕在磁铁上的线圈与电流表组成一闭合回路，然后观察电流表的变化 B.在一通电线圈旁放置一连有电流表的闭合线圈，一段时间后观察电流表的变化 C.将一房间内的线圈两端与相邻房间的电流表连接.往线圈中插入条形磁铁后，再到相邻房间去观察电流表的变化 D.绕在同一铁环上的两个线圈，分别接电源和电流表，在给线圈通电或断电的瞬间，观察电流表的变化 答案　D 解析　同时满足电路闭合和穿过电路的磁通量发生变化这两个条件，电路中才会产生感应电流，本题中的A、B选项都不会使得电路中的磁通量发生变化，并不满足产生感应电流的条件，故都不正确.C选项中磁铁插入线圈时，虽有短暂电流产生，但未能及时观察，C项错误.在给线圈通电、断电瞬间，会引起穿过另一线圈的闭合电路磁通量发生变化，产生感应电流，因此D项正确.‎ ‎2.(对磁通量的理解)如图9所示，a、b是两个同平面、同心放置的金属圆环，条形磁铁穿过圆环且与两环平面垂直，则穿过两圆环的磁通量Φa、Φb的大小关系为(　　)‎ 图9‎ A.Φa>Φb B.Φa<Φb C.Φa＝Φb D.不能比较 答案　A 8‎ 解析　条形磁铁磁场的磁感线的分布特点是：①磁铁内、外磁感线的条数相同；②磁铁内、外磁感线的方向相反；③磁铁外部磁感线的分布是两端密、中间疏.两个同心放置的同平面的金属圆环与磁铁垂直且磁铁在中央时，通过圆环的磁感线的俯视图如图所示，穿过圆环的磁通量Φ＝Φ进－Φ出，由于两圆环面积SaΦb，故A正确.‎ ‎3.(感应电流的产生条件)(多选)如图10所示，竖直放置的长直导线通有恒定电流，有一矩形线框与导线在同一平面内，在下列情况中线框产生感应电流的是(　　)‎ 图10‎ A.导线中的电流变大 B.线框向右平动 C.线框向下平动 D.线框以AB边为轴转动 答案　ABD ‎4.(感应电流的产生条件)如图11所示，绕在铁心上的线圈与电源、滑动变阻器和开关组成闭合回路，在铁心的右端套有一个表面绝缘的铜环A，下列各种情况中铜环A中没有感应电流的是(　　)‎ 图11‎ A.线圈中通以恒定的电流 B.通电时，使滑动变阻器的滑片P匀速移动 C.通电时，使滑动变阻器的滑片P加速移动 D.将开关突然断开的瞬间 答案　A 解析　只要通电时滑动变阻器的滑片P移动，电路中电流就会发生变化，变化的电流产生变化的磁场，铜环A 8‎ 中磁通量发生变化，有感应电流；同样，将开关断开瞬间，电路中电流从有到无，仍会在铜环A中产生感应电流.‎ 8‎