高中物理 第一章 电磁感应 第一节 电磁感应现象素材 粤教版选修3-2

高中物理 第一章 电磁感应 第一节 电磁感应现象素材 粤教版选修3-2

第一节 电磁感应现象 ‎ ‎【思维激活】‎ ‎1.1820年奥斯特发现电流的磁效应.这个发现受到科学界的关注，促进了科学的发展，1821年美国《哲学年鉴》的主编约请戴维撰写一篇文章，评述奥斯特发现电流的磁效应以来电磁学实验的理论发展概况.戴维把这一工作交给了法拉第，法拉第在收集资料的过程中，对电磁现象的研究产生了极大的热情，并开始转向电磁学的研究，他细细地分析了电流的磁效应等现象，认为既然电流能产生磁，磁能否产生电呢？1822年他在日记中写下了自己的思想：“磁能转化成电”.他在这方面进行了系统的研究.起初，他试图用强磁铁靠近闭合导线或用强电流使另一闭合导线中产生电流，做了大量的实验，都失败了.经过历时十年的失败、再试验，直到‎1831年8月29日才取得成功.‎ 法拉第（1791-1867）‎ 你知道磁是怎样生电的吗？‎ 提示：穿过闭合回路的磁通量发生变化是磁生电的根本.‎ ‎【自主整理】‎ ‎1.电流的磁效应显示了载流导体对 磁体 的作用力，揭示了电现象与磁现象之间的联系？‎ ‎2.应用电流的磁效应使人们发明了电磁铁、电磁铁的应用非常广泛，电磁铁在科学技术中有应用实例有电磁继电器、电磁炉、电磁打点计时器、变压器等。‎ ‎3.著名哲学家康德提出了哲学思想是：各种自然现象之间相互影响和相互制约。‎ ‎4.“磁有电”是一种在变化电流过程中才出现的效应，法拉第把引起电流的原因概括为五类，它们都与变化和运动相联系，这就是变化着的电流、变化的磁场，运动的稳恒电流，运动的磁体，在磁场中运动的身体，把这些现象定名为电磁感应现象，产生的电流称为感应电流。‎ ‎5.电磁感应现象的发现把机械能变为电能，使现代社会用到廉价的电能。‎ ‎【高手笔记】‎ 磁通量 ‎（1）磁通量的计算式Φ=BS的理解：公式中的B应是匀强磁场的磁感应强度，S是磁场方向垂直的面积，因此可以理解为Φ=BS⊥，如果平面与磁场方向不垂直，应把面积S投影到磁场垂直方向上，求出投影面积S⊥，代入到Φ=BS⊥中计算。‎ ‎（2）磁通量的意义可以用磁感线形象地说明，磁通量所表示的就是穿过磁场中某个面的磁感线条数。‎ ‎（3）当有相反方向的磁场（磁感应强度分别为B和B′）穿过同一个平面，（与磁场方向垂直的面积S）时，按照磁感应强度的定义，B和B′的矢量的大小为|B-B′|，穿过平面S的磁通量为|B-B′|S=|BS-B′S|=|Φ-Φ′|，磁通量的意义可以用磁感线的条数形象地说明，所以穿过平面S的磁通量|Φ-Φ′|可以理解为向相反方向穿过平面S的磁感线相抵消之后剩余的磁感线条数。‎ ‎【名师解惑】‎ 磁通量是标量，那么如何理解Φ的正、负。‎ 剖析：磁通量有正负之分，其正负是这样规定的：任何一个面都有正反两面，某规定磁感线从正面穿入磁通量，则磁感线从反面穿入时磁通量为负。‎ 若磁感线沿相反方向穿过同一平面，是正向磁感线条数为Φ1，反身磁感线条数为Φ2，则磁通量等于穿过平面的磁感线的净条数（磁通量的代数和），即Φ=Φ1-Φ2。‎ 说明：磁通量的正负既不表示大小，也不表示方向，仅是为了计算方便而引入的。‎ ‎【讲练互动】‎ 例1.如图‎1-1-1‎所示，关于闭合导线框中产生感应电流的下列说法中正确的是（ ）‎ 图‎1-1-1‎ A.只要闭合导线框在磁场中做切割磁感线运动，线框中就会有感应电流产生 B.只要闭合导线框处于变化的磁场中线框中就会产生感应电流 C.图‎1-1-1‎中的矩形框以其任何一条边为轴在磁场中旋转，都可以产生感应电流 D. 闭合线框以其对称轴OO′在磁场中转动，当穿过线圈的磁通量最大时，线框内不产生感应电流；当穿过线框内的磁通量为零时，线框中有感应电流 解析：线框在磁场中切割磁感线，但两边产生相反方向的感应电动势，电路里并不产生感应电流，也就是回路的磁通量并没有变化，例如线框从图示位置沿垂直纸面方向运动时不产生感应电流，所以A不正确。‎ 在图示的情况下，磁场的磁感应强度B的大小发生变化时，线框的磁通量并不变化，也不产生感应电流，所以选项B不正确。‎ 在图示的情况下，线框以ad为轴旋转时，线框中磁通量也不变化，所以选项C不正确。‎ 如果以OO′为旋转，线框在图示位置时磁通量为零，但磁通量的变化率大，感应电流也最大，当转到线框平面垂直磁感线时，磁通量大，但变化率为零，不产生感应电流，所以选项D正确。‎ 答案：D ‎【绿色通道】‎ ‎（1）电磁感应现象是指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；（2）穿过闭合电路的磁通量发生变化时，闭合电路中有感应电流，也就说明闭合电路中产生了感应电动势。电路断开时，无法产生感应电流，但电路中有感应电动势，这也叫电磁感应现象；（3）闭合电路的一部分导线在磁场中切割磁感线时，闭合电路中产生的感应电动势和感应电流；当一根导线在磁场中切割磁感线时，导线两端有电势差（电压），表明导线中产生了电动势，这也叫做电磁感应现象。‎ ‎【变式训练一】‎ ‎1.以下说法中正确的是（ ）‎ A.闭合电路中的导体做功割磁感线运动，电路中就一定有感应电流 B.整个闭合回路从磁场中出来时，闭合回路中就一定有感应电流 C.穿过闭合回路的磁通量越大，越容易产生感应电流 D.穿过闭合回路的磁感线条数不变，但全部反向，在这个变化的瞬间有感应电流 答案：D 例2.如图‎1-1-2‎所示线圈平面与水平方向成θ角，磁感线竖直向下，设磁感应强度为B，线圈面积为S，则穿过线圈的磁通量Φ=________。‎ 图‎1-1-2‎ 解析：此题的线圈abcd与磁感线强度B的方向不垂直，故把S投影到与B垂直的方向即水平方向（如图中的a′b′cd），S⊥Scosθ，故Φ=BS⊥=BScosθ。‎ 答案：BScosθ 例3.如图‎1-1-3‎所示，闭合金属环从高h处的曲面左侧自由滑下，又滑上曲面的右侧，环平面与运动方向均垂直于非匀强磁场，环在运动过程中，摩擦阻力不计，则（ ）‎ 图‎1-1-3‎ A.环滑上曲面右侧上升的高度小于h B.环滑上曲面右侧上升的高度等于h C.运动过程中环内有感应电流 D.运动过程中磁场力对环做负功 解析：闭合金属环在非匀强磁场中运动，穿过闭合金属环的磁通量发生了变化。闭合金属环中产生了感应电流，闭合金属环产生的电能由金属环损失的机械能转化而来，所以金属环在右侧最大高度处的机械能应小于右侧初始位置处的机械能。‎ 答案：ACD ‎【绿色通道】‎ 环形电流各小段所在的磁感应强度不相同，各小段受安培力也大小不同，故环受到的安培力合力不为零，且一定是阻力。如果安培力做正功的话，则是违背能量转化守恒定律的。‎ ‎【变式训练二】‎ ‎1.如图‎1-1-4‎所示，有一个垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度B=0.8T，磁场有明显的圆形边界，圆心为O半径为‎1cm，现于纸面内先后放上圆线圈，圆心均在O处，A线圈半径为‎1.0cm，10匝；B线圈半径为‎2cm，1匝；C线圈半径为‎0.5cm，1匝，问：‎ 图‎1-1-4‎ ‎（1）在B减为0.4T的过程中，A和B中磁通量各改变多少？‎ ‎（2）当磁场方向转过30°角的过程中，C中的磁通量改变多少？‎ 解析：（1）设圆形磁场区域的半径为R，对线圈A，Φ1=B1πR2，Φ2=B2πR2‎ 磁通量的改变量ΔΦ=|Φ2-Φ1|‎ ‎=（0.8-0.4）×3.14×（10-2）2Wb ‎=1.256×10-4Wb 对线圈B，ΔΦ=|Φ2-Φ1|=（0.8-0.4）×3.14×（10-2）2Wb=1.256×10-4Wb ‎（2）对线圈C：设C线圈的半径为r Φ1=Bπr2sinθ1，Φ2=Bπr2sinθ2‎ 磁通量的改变量：‎ ΔΦ=|Φ2-Φ1|=Bπr2（sin90°-sin60°）‎ ‎=0.8×3.14×（5×10-3）2×（1-0.866）Wb ‎=8.4×10-6Wb ‎【体验探究】‎ ‎【问题】磁现象在科技生活中极为广泛，磁带录音就是应用磁性材料工作的，清查阅资料探究普通磁带录音机录音和放音的原理.‎ ‎【导思】普通磁带录音机是用同一个磁头来录音和放音的，磁头结构如图‎1-1-5‎所示，在一个环形铁芯上绕着一个线圈，铁芯有个缝隙，工作时磁带就贴着这个缝隙移动，录音时，磁头线圈跟微音器相连，放音时，磁头线圈改为跟扬声器相连，磁带上涂有一层磁粉，磁粉能被磁化并且留下剩磁，微音器的作用是把声音的变化转变为电流的变化，扬声器的作用是把电流的变化转化为声音的变化.‎ 图‎1-1-5‎ ‎【探究】工作原理：录音时，声音使微音器中产生随声音而变化的感应电流，电流经放大电路放大后，进入录音磁头的线圈中，在磁头的缝隙处产生随电流变化的磁场.磁带紧贴着磁头缝隙移动，磁带上的磁粉层被磁化，在磁带上就记录下声音的磁信号.‎ 放音是录音的逆过程，放音时，磁带紧贴着放音磁头的缝隙通过磁带上变化的磁场使放音磁头线圈中产生感应电流，感应电流的变化跟记录下的磁信号相同.所以线圈中产生的电流经放大电路放大后，送到扬声器还原成声音.‎ 结论：磁带录音是利用电磁效应原理，由电流生成磁信号；放音是利用“磁生电”效应原理，即电磁信号转变成电信号.‎