高中物理第一章电磁感应1电磁感应的发现2感应电流产生的条件课件-63张

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第一章　电 磁 感 应 1. 电磁感应的发现 2. 感应电流产生的条件 一、电磁感应的发现 1.“ 电生磁”的发现 :1820 年 ,_______ 发现了电流的磁 效应。 2.“ 磁生电”的发现 :1831 年 ,_______ 发现了电磁感应 现象。 奥斯特 法拉第 3. 法拉第的分类 : 这些现象叫 _________, 由电磁感应现象产生的电流叫 _________ 。 电磁感应 感应电流 4. 电磁感应规律发现的意义 : (1) 电磁感应的发现 , 使人们发明了 _______, 把机械能 转化成电能 ; 同时又使人们发明了 _______, 解决了电能 远距离传输中能量大量损耗的问题。 (2) 使人们制造出了结构简单的感应电动机反过来把 _____ 转化成 _______ 。使人类迈进了电气化时代。 发电机 变压器 电能 机械能 (3) 电磁感应的发现不仅对物理学和现代技术的发展做 出了 _________ 贡献 , 而且对整个现代文明的发展有着 深刻的影响。 划时代的 二、探究感应电流产生的条件 【 实验演示型 】 1. 导体在磁场中做切割磁感线的运动 ( 图见实验演示型左图 ): 实验操作 实验现象 ( 指针是否摆动 ) 分析论证 导体棒静止 _______ 当闭合电路的 ___ _________ 在磁场 中做 _____ 磁感线运 动时 , 电路中有感应电流产生 导体棒平行 磁感线运动 _______ 导体棒切割 磁感线运动 _____ 不摆动 不摆动 摆动 一 部分导体 切割 2. 通过闭合回路的磁场发生变化 ( 电路图见实验演示型右图 ): 实验操作 电流计指针摆动情况 分析论证 螺线管 B 匝数少 螺线管 B 匝数多 开关接通瞬间 _____ _____ 线圈 B 中 _______ 变化 时有感应电流产生 , 磁通量变化越快 , 摆角 _____, 电流 _____, 线 圈 B 的匝数越多 , 摆动 时角度越大 , 电流 _____ 电流稳定 _______ _______ 开关断 开瞬间 _____ _____ 摆动 摆动 不摆动 不摆动 摆动 摆动 磁通量 越大 越大 越大 实验操作 电流计指针摆动情况 分析论证 螺线管 B 匝数少 螺线管 B 匝数多 A 、 B 螺线管 相对运动 _____ _____ 线圈 B 中 _______ 变化时有感应电 流产生 , 磁通量变化越快 , 摆角 _____, 电流 _____, 线圈 B 的匝数越多 , 摆动 时角度越大 , 电流 _____ 滑片快速推动 _____ _____ 滑片缓慢推动 _____ _____ 摆动 摆动 摆动 摆动 摆动 摆动 磁通量 越大 越大 越大 3. 感应电流产生的条件 : 大量实验证实 , 穿过 _________ 的磁通量 _________ 时 , 这个闭合电路中就有感应电流 产生。 闭合电路 发生变化 【 思考辨析 】 (1) 闭合回路在磁场中运动时一定能产生感应电流。 ( 　　 ) (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。 ( 　　 ) (4) 奥斯特发现了电磁感应现象。 ( 　　 ) (5) 电磁感应现象中伴随着能量的转化。 ( 　　 ) 提示 : (1)× 。根据磁通量是否发生变化判定感应电流的产生。 (2)× 。产生感应电流的条件 : 一是电路闭合 , 二是磁通量变化。有磁通量而不变化是不会产生感应电流的。 (3)× 。磁通量发生变化 , 若螺线管不是闭合回路 , 就不会产生感应电流。 (4)× 。法拉第发现的电磁感应现象。 (5)√ 。电磁感应现象中机械能转化为电能。 一　磁通量和磁通量的变化 【 典例 】 如图所示 , 一个垂直纸面向里的 匀强磁场 , 磁感应强度 B 1 =0.8 T, 磁场有明 显的圆形边界 , 圆心为 O, 半径为 2 cm 。现于纸面内先后 放上圆线圈 , 圆心均在 O 处 ,A 线圈半径为 1 cm,10 匝 ,B 线 圈半径为 0.5 cm,20 匝。则 : (1) 在磁感应强度减为 B 2 =0.4 T 的过程中 ,A 线圈中的磁通量改变多少 ? (2) 当磁场转过 30° 角的过程中 ,B 线圈中磁通量改变多少 ? 【 解题探究 】 (1)B 变化 ,S 不变化 , 磁通量变化为 ΔΦ=_____ 。 (2)B 不变 ,S 不变 ,θ 变化 (θ 为闭合回路与磁场方向的 夹角 ), 磁通量变化为 ΔΦ= _________________ 。 ΔBS BS(sinθ 2 -sinθ 1 ) 【 正确解答 】 (1) 对 A 线圈 :Φ 1A =B 1 π , Φ 2A =B 2 π 。 磁通量改变量 ΔΦ A =|Φ 2A -Φ 1A | =(0.8-0.4)×3.14×10 -4 Wb =1.256×10 -4 Wb 。 (2) 对 B 线圈 :Φ 1B =Bπr 2 , 磁场转过 30°, 线圈面积在垂直磁场方向的投影为 πr 2 sin60°, 则 Φ 2B =Bπr 2 sin60°, 磁通量改变量 ΔΦ B =|Φ 2B -Φ 1B |=Bπr 2 (1-sin60°) =0.8×3.14×(5×10 -3 ) 2 ×(1-0.866) Wb =8.415×10 -6 Wb 。 答案 : (1)1.256×10 -4 Wb 　 (2)8.415×10 -6 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。 (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。 (3) 某面积内有相反方向的磁场时 , 分别计算不同方向的磁场的磁通量 , 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。 2. 磁通量的计算 : (1)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 ( 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。也可写为 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。 情况 图示举例 磁通量变化 B 不变 ,S 变化 ΔΦ=BΔS B 变化 ,S 不变化 ΔΦ=ΔBS 3. 磁通量变化的四种情况 : 情况 图示举例 磁通量变化 B 变化 ,S 也变化 ΔΦ=B 2 S 2 -B 1 S 1 情况 图示举例 磁通量变化 B 不变 ,S 不变 ,θ 变化 ΔΦ=BS(sinθ 2 -sinθ 1 )(θ 为闭合回路与磁场方向的夹角 ) 【 易错提醒 】 应用公式 Φ=BS 的三点注意 : (1) 适用条件 : ① 磁场为匀强磁场。 ② B 与 S 要垂直。如果 B 与 S 不垂直 ,S 投影到与 B 垂直的平面上 ( 投影面积为 S ⊥ ) 或 B 分解为与 S 平行和垂直的分量 B ∥ 、 B ⊥ , 则 Φ=BS ⊥ =B ⊥ S 。 ③S 是指闭合回路中穿过的那部分有效面积 , 而不一定是线圈的面积。 (2) 磁通量与线圈的匝数无关 , 磁通量大小不受线圈匝数的影响。 (3) 磁通量的变化量 ΔΦ=Φ 2 -Φ 1 , 也不受线圈匝数的影响。 【 过关训练 】 1.( 拓展延伸 ) 若将 【 典例 】 中磁感应强度减为 B 2 = 0.4 T 的过程中 ,B 线圈中的磁通量改变多少 ? 【 解析 】 ΔΦ B =|Φ 2B -Φ 1B | =(0.8-0.4)×3.14×(5×10 -3 ) 2 Wb=3.14×10 -5 Wb 答案 : 3.14×10 -5 Wb 2. 如图所示 , 矩形线圈的面积为 0.2 m 2 , 放在磁感应强度为 0.1 T 的匀强磁场中 , 线圈的一边 ab 与磁感线垂直 , 线圈平面与磁场方向成 30° 角。求 : (1) 穿过线圈的磁通量是多大 ? (2) 当线圈从图示位置绕 ab 边转过 60° 的过程中 , 穿过线圈的磁通量变化了多少 ? 【 解析 】 图中穿过线框的磁通量为 : Φ=BSsin 30°=0.1×0.2× =0.01 Wb; 逆时针方向 转过 60° 时的磁通量 ,Φ′=BS=0.02 Wb; 那么 ΔΦ=Φ′ -Φ=0.01 Wb; 顺时针方向转过 60° 时的磁通量 ,Φ′= -BSsin 30°=-0.01 Wb; 那么 ΔΦ=|Φ′-Φ|=0.02 Wb 。 答案 : (1)0.01 Wb 　 (2)0.01 Wb 或 0.02 Wb 【 补偿训练 】 1. 一磁感应强度为 B 的匀强磁场 , 方向水 平向右 , 一面积为 S 的矩形线圈 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 变化量为 ( 　　 ) A.0 　　　 B.2BS C.2BScosθ D.2BSsinθ 【 解析 】 选 C 。开始时穿过线圈平面的磁通量为 Φ 1 =BScosθ, 后来穿过线圈平面的磁通量为 Φ 2 =-BScosθ, 则磁通量的变化量为 ΔΦ=|Φ 2 -Φ 1 |=2BScosθ 。 2. 如图所示 , 通有恒定电流的导线 MN 与闭合金属框共面 , 第一次将金属框由 Ⅰ 平移到 Ⅱ, 第二次将金属框绕 cd 边翻转到 Ⅱ, 设先后两次通过金属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. 不能判断 【 解析 】 选 C 。将金属框从 Ⅰ 平移到 Ⅱ, 磁感线是从金属框的同一面穿过的 , 所以 ΔΦ Ⅰ =|Φ Ⅱ -Φ Ⅰ |=Φ Ⅰ -Φ Ⅱ ; 将金属框从 Ⅰ 绕 cd 边转到 Ⅱ, 磁感线分别是从金属框的正、反两面穿过的 , 所以 ΔΦ 2 =|-Φ Ⅱ -Φ Ⅰ | =Φ Ⅰ +Φ Ⅱ ( 以原来穿过的为正 , 则后来从另一面穿过的为负 ) 。 二　感应电流的产生条件 【 典例 】 如图所示，固定于水平面上的金属架 CDEF 处 在竖直向下的匀强磁场中，金属棒沿框架 以速度 v 向右 做匀速直线运动 ① 。 t=0 时，磁感应强度为 B 0 ，此时 MN 到达的位置恰好使 MDEN 构成一个边长为 l 的正方形 ② 。 为使 MN 棒中不产生感应电流 ③ ，从 t=0 开始，求磁感应 强度 B 应随时间 t 变化的关系式。 【 审题关键 】 序号 信息提取 ① 经过时间 t 扫过的面积为 l vt ② t=0 时 , 闭合回路的磁通量为 B 0 l 2 ③ MDEN 构成的闭合回路的磁通量不变 【 正确解答 】 t=0 时 , 闭合回路的磁通量 Φ 1 =B 0 l 2 , 经过时间 t, 闭合回路的面积为 S= l 2 + l vt, 此时闭合回路的磁通量 Φ 2 =BS=B( l 2 + l vt) 为使 MN 棒中不产生感应电流 ,MDEN 构成的闭合回路的 磁通量不变 ,Φ 1 =Φ 2 , 即 B 0 l 2 =B( l 2 + l vt), 解得 :B= 答案 : B= 【 核心归纳 】 1. 感应电流产生条件的理解 : (1) 不论什么情况 , 只要满足电路闭合和磁通量发生变化这两个条件 , 就必然产生感应电流。 (2) 只要产生了感应电流 , 那么电路一定是闭合的 , 穿过该电路的磁通量也一定发生了变化。 2. 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. 关于产生感应电流的条件 , 以下说法中正确的是 ( 　　 ) A. 导体在磁场中运动 , 导体中就一定有感应电流 B. 导体做切割磁感线运动 , 导体中就一定有感应电流 C. 穿过闭合电路的磁通量不为零 , 闭合电路中就一定产生感应电流 D. 无论什么方法 , 只要穿过闭合回路的磁通量发生变化 , 闭合电路中就一定产生感应电流 【 解析 】 选 D 。导体在磁场中运动时 , 不一定有闭合回 路 , 同时回路中磁通量不一定发生变化 , 故导体中不一 定有感应电流 , 故 A 错误 ; 导体在磁场中做切割磁感线运 动 , 磁通量不一定发生变化 , 不一定产生感应电流 , 故 B 错误 ; 根据感应电流产生的条件 , 不管用什么方法 , 只要 穿过闭合电路的磁通量发生变化 , 闭合电路中就有感应 电流 , 闭合电路放在磁场中 , 或在磁场中运动 , 磁通量不一定发生变化 , 不一定会产生感应电流 , 故 C 错误 ,D 正确。所以 D 正确 ,A 、 B 、 C 错误。 2.(2019· 成都高二检测 ) 金属线框在下列四种情况中能产生感应电流的是 ( 　　 ) A. 甲图中 , 线框在匀强磁场中加速运动 , 线框平面始终和磁场方向平行 B. 乙图中 , 线框和通电长直导线都在竖直平面内 , 线框以直导线为轴转动 C. 丙图中 , 线框 abcd 与匀强磁场方向垂直 , 且一半在磁场内 , 另一半在磁场外 , 线框从图示位置开始以 cd 边为轴转动 , 转动角度小于 60° D. 丁图中 , 条形磁铁竖直向下穿过水平放置的线框 【 解析 】 选 D 。甲图中 , 保持线框平面始终与磁感线平 行 , 线框在磁场中平行于磁场运动 , 磁通量一直为零 , 故 磁通量不变 , 无感应电流 , 故 A 错误 ; 乙图中 , 线框和通电 长直导线都在竖直平面内 , 线框以直导线为轴转动 , 故 磁通量不变 , 无感应电流 , 故 B 错误 ; 丙图中 , 线框从图示 位置开始以 cd 边为轴转动 , 转动角度小于 60°, 磁通量 没有发生变化 , 没有感应电流 , 故 C 错误 ; 丁图中 , 条形磁铁竖直向下穿过水平放置的线框的过程中 , 穿过线框的磁通量先增大后减小 , 磁通量发生了变化 , 所以能产生感应电流 , 故 D 正确 ; 故选 D 。 3. 如图所示的匀强磁场中有一个矩形闭合导线框 , 在下列四种情况下 , 线框中会产生感应电流的是 A. 线框平面始终与磁感线平行 , 线框在磁场中左右运动 B. 线框平面始终与磁感线平行 , 线框在磁场中上下运动 C. 线框绕位于线框平面内且与磁感线垂直的轴线 AB 转动 D. 线框绕位于线框平面内且与磁感线平行的轴线 CD 转动 【 解析 】 选 C 。四种情况中初始位置线框均与磁感线平行 , 磁通量为零 , 线框按 A 、 B 、 D 三种情况移动后 , 线框仍与磁感线平行 , 磁通量保持为零不变 , 线框中不产生感应电流 , 故选项 A 、 B 、 D 错误 ;C 中线框转动后 , 穿过线框的磁通量不断发生变化 , 所以产生感应电流 , 故选项 C 正确。 【 补偿训练 】 　　 1.(2014· 全国卷 Ⅰ) 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 , 然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 【 解析 】 选 D 。电路闭合和穿过电路的磁通量发生变化 , 同时满足 , 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 , 会引起闭合电路磁通量发生变化 , 产生感应电流 , 因此 D 项正确。 2.( 多选 )1824 年 , 法国科学家阿拉果完 成了著名的“圆盘实验”。实验中将 一铜圆盘水平放置 , 在其中心正上方用 柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针 , 如图所示。实 验中发现 , 当圆盘在磁针的磁场中绕着圆盘中心的竖直 轴旋转时 , 磁针也随着一起转动起来 , 但略有滞后。下 列说法正确的是 ( 　　 ) A. 圆盘上产生了感应电流 B. 圆盘内的感应电流产生的磁场导致磁针转动 C. 在圆盘转动的过程中 , 磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化 D. 圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流 , 此电流产生的磁场导致磁针转动 【 解析 】 选 A 、 B 。由于磁针位于圆盘中心的正上方 , 所以穿过圆盘的磁通量始终为零 , 故 C 错误 ; 如果将圆盘看成由沿半径方向的“辐条”组成 , 则圆盘在转动过程中 ,“ 辐条”会切割磁感线在圆盘中产生感应电流 , 感应电流产生的磁场导致磁针转动 , 故 A 、 B 正确 ; 圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成的电流的磁场方向沿圆盘的轴线方向 , 会使磁针沿轴线方向偏转 , 故 D 错误。 【 拓展例题 】 考查内容 : 感应电流产生条件的实验探究 【 典例 】 一位同学按照如图所示连接电路 , 演示如下操作 , 并观察电流表指针的位置变化情况 , 根据所学知识 , 你来分析一下电流表指针位置的变化情况以及发生这种情况的原因。 (1) 让插有软铁芯的螺线管 A 的轴线与线圈 C 的平面共面 , 闭合开关。 (2) 让螺线管 A 的轴线和线圈 C 的平面垂直 , 闭合开关。 【 正确解答 】 (1) 中的闭合线圈 , 虽然磁场发生了变化 , 但是磁通量在开关闭合前后没有发生变化 , 大小都是零 , 所以没有感应电流产生。 (2) 中磁场发生了变化 , 线圈 C 中的磁通量在开关闭合前后发生变化 , 故有感应电流产生。 答案 : 见正确解答