2020版高中物理 第1章 电磁感应与现代生活 1

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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
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