2019-2020年高中物理 4.1-4.2 劃時代的發(fā)現(xiàn) 探究感應電流的產生條件學案 新人教版選修3-2.doc
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2019-2020年高中物理 4.1-4.2 劃時代的發(fā)現(xiàn) 探究感應電流的產生條件學案 新人教版選修3-2 [目標定位] 1.知道奧斯特實驗、電磁感應現(xiàn)象，了解電生磁和磁生電的發(fā)現(xiàn)過程.2.通過實驗觀察和實驗探究，理解感應電流的產生條件.3.能說出磁通量變化的含義，會利用電磁感應產生的條件解決實際問題． 一、奧斯特夢圓“電生磁” 1820年，丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)載流導線能使小磁針發(fā)生偏轉，這種作用稱為電流的磁效應． 二、法拉第心系“磁生電” 1831年英國科學家法拉第發(fā)現(xiàn)了磁生電的基本原理．變化的電流、變化的磁場、運動的恒定電流、運動的磁鐵、在磁場中運動的導體，它們都能引起電流的產生，我們把這些現(xiàn)象稱為電磁感應，產生的電流叫做感應電流． 三、探究感應電流的產生條件 1．導體棒在磁場中運動是否產生電流 如圖1所示，將可移動導體AB放置在磁場中，并和電流表組成閉合回路．實驗(1)操作及現(xiàn)象如下： 圖1 實驗操作 實驗現(xiàn)象(有無電流) 導體棒靜止 無 導體棒平行磁感線上、下運動 無 導體棒垂直磁感線左、右運動 有 2.磁鐵在螺線管中運動是否產生電流 如圖2所示，將螺線管與電流表組成閉合回路，把條形磁鐵插入或抽出螺線管．實驗(2)操作及現(xiàn)象如下： 圖2 實驗操作 實驗現(xiàn)象(有無電流) N極插入線圈 有 N極停在線圈中 無 N極從線圈中抽出 有 S極插入線圈 有 S極停在線圈中 無 S極從線圈中抽出 有 3.模擬法拉第的實驗 如圖3所示，線圈A通過滑動變阻器和開關連接到電源上，線圈B的兩端連到電流表上，把線圈A裝在線圈B的里面．實驗(3)操作及現(xiàn)象如下： 圖3 實驗操作 實驗現(xiàn)象(線圈 B中有無電流) 開關閉合瞬間 有 開關斷開瞬間 有 開關閉合時，滑動變阻器不動 無 開關閉合時，迅速移動滑動變阻器的滑片 有 想一想 1.從磁通量的角度思考以上幾個產生感應電流的實例 (1)實驗(1)中引起感應電流的原因是什么？ (2)實驗(2)中引起感應電流的原因是什么？ (3)實驗(3)中，線圈沒有動，回路也沒有動，引起感應電流的原因是什么？將實驗(3)和實驗(2)比較，實驗(3)中的螺線管A的作用是什么？ (4)產生感應電流的條件都跟哪個物理量有關？ 答案 (1)面積變化引起磁通量的變化；(2)磁場變化引起磁通量的變化；(3)電流引起的磁場變化引起磁通量的變化，等效磁鐵；(4)磁通量的變化． 4．歸納結論 產生感應電流的條件：只要穿過閉合導體回路的磁通量發(fā)生變化，閉合導體回路中就有感應電流． 想一想 2.哪些情況可以引起磁通量Φ的變化？ 答案 磁通量的變化有三種情況，由Φ＝BS可知：一種是磁感應強度B不變，有效面積S變化；另一種是磁感應強度B變化，有效面積S不變；還有一種是磁感應強度B和有效面積S同時發(fā)生變化. 一、磁通量的理解及變化分析 1．磁通量的計算 (1)B與S垂直時：Φ＝BS，S為線圈的有效面積．如圖4(a)所示． (2)B與S不垂直時：Φ＝BS⊥＝B⊥S，S⊥為線圈在垂直磁場方向上的投影面積．B⊥為B在垂直于S方向上的分量．如圖(b)、(c)所示． (3)某線圈所圍面積內有不同方向的磁場時，規(guī)定某個方向的磁通量為正，反方向的磁通量為負，求其代數(shù)和，如圖(d)所示． 圖4 2．磁通量是標量，但有正負，其正負表示與規(guī)定的穿入方向相同或相反，穿過某一面的磁通量等于各部分磁通量的代數(shù)和． 3．磁通量的變化 大致可分為以下幾種情況： (1)磁感應強度B不變，有效面積S發(fā)生變化．如圖5(a)所示． (2)有效面積S不變，磁感應強度B發(fā)生變化． 如圖(b)所示． (3)磁感應強度B和有效面積S都不變，它們之間的夾角發(fā)生變化．如圖(c)所示． 圖5 4．用磁感線的條數(shù)表示磁通量．當回路中有不同方向的磁感線穿過時，磁通量是指穿過某一面磁感線的“凈”條數(shù)，即指不同方向的磁感線的條數(shù)差． 例1 圖6 如圖6所示，一根條形磁鐵穿過一個彈性線圈，將線圈面積拉大，放手后穿過線圈的( ) A．磁通量減少且合磁通量向左 B．磁通量增加且合磁通量向左 C．磁通量減少且合磁通量向右 D．磁通量增加且合磁通量向右 解析 放手后線圈的面積將減小，由條形磁鐵磁感線分布特點可知，當彈簧線圈面積減小時，條形磁鐵外部的磁通量減少，條形磁鐵內部的磁通量未發(fā)生變化，合磁通量增加，且合磁通量向左． 答案 B 例2 勻強磁場的磁感應強度B＝0.8 T，矩形線圈abcd的面積S＝0.5 m2，共10匝，開始時B與線圈所在平面垂直且線圈有一半在磁場中，如圖7所示．求： 圖7 (1)當線圈繞ab邊轉過60時，線圈中的磁通量以及此過程中磁通量的改變量； (2)當線圈繞dc邊轉過60時，線圈中的磁通量以及此過程中磁通量的改變量． 解析 (1)當線圈繞ab邊轉過60時，Φ＝BS⊥＝BScos 60＝0.80.5 Wb＝0.2 Wb(此時的線圈正好全部處在磁場中)．在此過程中S⊥沒變，穿過線圈的磁感線條數(shù)沒變，故磁通量變化量ΔΦ＝0. (2)當線圈繞dc邊轉過60時，Φ＝BS⊥，此時沒有磁感線穿過線圈，所以Φ＝0；在圖示位置Φ1＝B＝0.2 Wb，轉過60時Φ2＝0，ΔΦ＝Φ2－Φ1＝－0.2 Wb，故磁通量改變了－0.2 Wb. 答案 (1)0.2 Wb 0 (2)0?。?.2 Wb 針對訓練 圖8 如圖8所示，線框與通電直導線均位于水平面內，當線框abcd由實線位置在水平面內向右平動逐漸移動到虛線位置，穿過線框的磁通量如何變化？ 答案 線框水平平動，可分為三個階段．第一階段，從實線位置開始運動至bc邊到達直導線位置，穿過線框的磁通量逐漸增大．第二階段，從bc邊抵達直導線處開始至ad邊到達直導線為止，由于向外的磁感線逐漸減少，向里的磁感線逐漸增多，所以穿過線框的總磁通量先減少(當ab、dc兩邊中點連線與直導線重合時，磁通量為零)后增大．第三階段，從ad邊離開直導線向右運動至線框抵達虛線位置為止，穿過線框的磁通量逐漸減少． 二、產生感應電流的判斷 1．產生條件 (1)電路閉合； (2)磁通量發(fā)生變化． 如果電路不閉合，不會產生感應電流，但仍會產生感應電動勢，就像直流電路一樣，電路不閉合，沒有電流，但電源仍然存在． 2．注意事項 (1)注意磁感線的反穿情況，磁通量指的是穿過某一面的磁感線的“凈”條數(shù)． (2)磁通量是指穿過某一面的合磁通量． 例3 下圖中能產生感應電流的是( ) 解析 根據產生感應電流的條件：A選項中，電路沒閉合，無感應電流；B選項中，面積增大，閉合電路的磁通量增大，有感應電流；C選項中，穿過線圈的磁感線相互抵消，Φ恒為零，無感應電流；D選項中，磁通量不發(fā)生變化，無感應電流． 答案 B 磁通量 1．如圖9所示，矩形線框abcd放置在水平面內，磁場方向與水平方向成α角，已知sin α＝，回路面積為S，磁感應強度為B，則通過線框的磁通量為( ) 圖9 A．BS B.BS C.BS D.BS 答案 B 解析 根據磁通量的定義可得通過線框的磁通量Φ＝BSsin α，代入解得Φ＝BS，所以B選項正確． 磁通量的變化 2．恒定的勻強磁場中有一個圓形閉合線圈，線圈平面垂直于磁場方向，當線圈在此磁場中做下列哪種運動時，穿過線圈的磁通量發(fā)生了變化( ) A．線圈沿自身所在的平面做勻速運動 B．線圈沿自身所在的平面做加速運動 C．線圈繞任一直徑做勻速轉動 D．線圈繞任一直徑做變速轉動 答案 CD 解析 只要線圈沿自身所在平面做運動，線圈在垂直磁場方向上的投影面積就不發(fā)生變化，即磁通量不發(fā)生變化，A、B選項錯．而C、D中線圈在垂直磁場方向上的投影面積會發(fā)生變化，導致磁通量變化． 產生感應電流的判斷 3．如圖10所示，L為足夠長的通電直導線，M為一金屬環(huán)，L通過M的圓心并與M所在的平面垂直，且通以向上的電流I，則( ) 圖10 A．當L中的I發(fā)生變化時，環(huán)中有感應電流 B．當M左右平移時，環(huán)中有感應電流 C．當M保持水平，在豎直方向上下移動時環(huán)中有感應電流 D．只要L與M保持垂直，則以上幾種情況，環(huán)中均無感應電流 答案 D 解析 由安培定則可知導線L中電流產生的磁場方向與金屬環(huán)面平行，即穿過M的磁通量始終為零，保持不變，故只要L與M保持垂直，A、B、C三種情況均不能產生感應電流． 4．如圖11所示，在紙面內放有一個條形磁鐵和一個圓形線圈(位于磁鐵正中央上方)，下列情況中能使線圈中產生感應電流的是( ) 圖11 A．將磁鐵在紙面內向上平移 B．將磁鐵在紙面內向右平移 C．將磁鐵繞垂直紙面的軸轉動 D．將磁鐵的N極轉向紙外，S極轉向紙內 答案 D 解析 磁鐵在線圈所處位置產生的磁感線與線圈平面平行，穿過線圈的磁通量為零，將磁鐵在紙面內向上平移、向右平移和將磁鐵繞垂直紙面的軸轉動，穿過線圈的磁通量始終都是零，沒有發(fā)生變化，所以不會產生感應電流．將磁鐵的N極轉向紙外，S極轉向紙內時，穿過線圈的磁通量由零開始逐漸增大，磁通量發(fā)生了變化，所以有感應電流產生，D正確，A、B、C錯誤． (時間：60分鐘) 題組一 電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 1．奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應，使整個科學界受到了極大的震驚，通過對電流磁效應的逆向思維，人們提出的問題是( ) A．電流具有熱效應 B．電流具有磁效應 C．磁能生電 D．磁體具有磁化效應 答案 C 2．下面屬于電磁感應現(xiàn)象的是( ) A．通電導體周圍產生磁場 B．磁場對電流產生力的作用 C．閉合電路的一部分導體做切割磁感線運動時，在電路中產生電流的現(xiàn)象 D．電荷在磁場中定向移動形成電流 答案 C 解析 電流能產生磁場，是電流的磁效應現(xiàn)象，不是電磁感應現(xiàn)象，故A錯誤；感應電流在磁場中受到安培力作用，不是電磁感應現(xiàn)象，故B錯誤；閉合電路的一部分導體做切割磁感線運動時，在電路中產生電流的現(xiàn)象是電磁感應現(xiàn)象，故C正確；電荷在磁場中定向移動形成電流，不是電磁感應產生的電流，所以不是電磁感應現(xiàn)象，故D錯誤． 題組二 磁通量及其變化的分析 3．如圖1所示，虛線框內有勻強磁場，大環(huán)和小環(huán)是垂直于磁場方向放置的兩個圓環(huán)，分別用Φ1和Φ2表示穿過大、小兩環(huán)的磁通量，則有( ) 圖1 A．Φ1>Φ2 B．Φ1<Φ2 C．Φ1＝Φ2 D．無法確定 答案 C 解析 對于大環(huán)和小環(huán)來說，磁感線的凈條數(shù)沒有變化，所以選C. 4.如圖2所示，a、b、c三個閉合線圈放在同一平面內，當線圈a中有電流I通過時，穿過它們的磁通量分別為Φa、Φb、Φc，則( ) 圖2 A．Φa＜Φb＜Φc B．Φa＞Φb＞Φc C．Φa＜Φc＜Φb D．Φa＞Φc＞Φb 答案 B 解析 磁通量可以形象地理解為穿過回路的磁感線的條數(shù)，若該回路面積內有磁感線穿進和穿出兩種情況，可把磁通量理解為穿過回路的凈磁感線的條數(shù)．當線圈a中有電流通過時，穿過a、b、c三個閉合線圈垂直紙面向里的磁感線條數(shù)一樣多，向外的磁感線的條數(shù)線圈c最多，其次是線圈b，線圈a中沒有向外的磁感線，因此穿過閉合線圈的凈磁感線條數(shù)線圈a最多，線圈b次之，線圈c最少，即Φa＞Φb＞Φc.選項B正確． 5．磁通量是研究電磁感應現(xiàn)象的一個重要物理量，如圖3所示，通有恒定電流的直導線MN與閉合線框共面，第一次將線框由位置1平移到位置2，第二次將線框由位置1繞cd邊翻轉到位置2，設前后兩次通過線框的磁通量的變化量分別為ΔΦ1和ΔΦ2則( ) 圖3 A．ΔΦ1＞ΔΦ2 B．ΔΦ1＝ΔΦ2 C．ΔΦ1＜ΔΦ2 D．無法確定 答案 C 解析 第一次將線框由位置1平移到位置2，磁感線從線框的同一側穿入，ΔΦ1為前后兩位置磁通量的絕對值之差．第二次將線框由位置1繞cd邊翻轉到位置2，磁感線從線框的不同側穿入，ΔΦ2為前后兩位置磁通量的絕對值之和．故ΔΦ1 ＜ΔΦ2，選項C正確． 題組三 有無感應電流的判斷 6．關于電磁感應現(xiàn)象，下列說法中正確的是( ) A．閉合線圈放在變化的磁場中，必然有感應電流產生 B．閉合正方形線圈在勻強磁場中垂直磁感線運動，必然產生感應電流 C．穿過閉合線圈的磁通量變化時，線圈中有感應電流 D．只要穿過電路的磁通量發(fā)生變化，電路中一定有感應電流產生 答案 C 解析 產生感應電流的條件：(1)閉合電路；(2)磁通量Φ發(fā)生變化，兩個條件缺一不可． 7．下列情況中都是線框在磁場中做切割磁感線運動，其中線框中有感應電流的是( ) 答案 BC 解析 A中雖然導體“切割”了磁感線，但穿過閉合線框的磁通量并沒有發(fā)生變化，沒有感應電流；B中線框的一部分導體“切割”了磁感線，穿過線框的磁感線條數(shù)越來越少，線框中有感應電流；C中雖然與A近似，但由于是非勻強磁場，運動過程中，穿過線框的磁感線條數(shù)增加，線框中有感應電流；D中盡管線框是部分切割，但磁感線條數(shù)不變，無感應電流．故選B、C. 8．下列選項中是用導線做成的圓形或正方形回路，這些回路與一直導線構成幾種位置組合(彼此絕緣)，下列組合中，切斷直導線中的電流時，閉合回路中會有感應電流產生的是( ) 答案 CD 解析 利用安培定則判斷直線電流產生的磁場，其磁感線是一些以直導線為軸的無數(shù)組同心圓，即磁感線所在平面均垂直于導線，且直線電流產生的磁場分布情況是：靠近直導線處磁場強，遠離直導線處磁場弱．所以，A中穿過圓形線圈的磁場如圖甲所示，其有效磁通量為ΦA＝Φ出－Φ進＝0，且始終為0，即使切斷導線中的電流，ΦA也始終為0，A中不可能產生感應電流；B中線圈平面與導線的磁場平行，穿過線圈的磁通量始終為0，B中不可能產生感應電流；C中穿過線圈的磁通量如圖乙所示，Φ進>Φ出，即ΦC≠0，當切斷導線中電流后，穿過線圈的磁通量ΦC減小為0，所以C中有感應電流產生；D中線圈的磁通量ΦD不為0，當電流切斷后，ΦD也減小為0，所以D中也有感應電流產生． 9.如圖4所示，在勻強磁場中有兩條平行的金屬導軌，磁場方向與導軌平面垂直．導軌上有兩條可沿導軌自由移動的金屬棒ab、cd，與導軌接觸良好．這兩條金屬棒ab、cd的運動速度分別是v1、v2，若井字形回路中有感應電流通過，則可能( ) 圖4 A．v1>v2 B．v1
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