2018版高中物理 第1章 電磁感應 1.1 磁生電的探索學案 魯科版選修3-2.docx

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第1講　磁生電的探索 [目標定位]　1.知道奧斯特實驗、電磁感應現象，了解電生磁和磁生電的發(fā)現過程.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、電磁感應的探索歷程 1．電生磁：1820年，丹麥物理學家奧斯特發(fā)現了電流的磁效應． 2．磁生電：1821年，法拉第開始了磁生電的研究.1831年，他終于悟出了磁生電的基本原理，進一步揭示了電和磁的內在聯系． 二、科學探究——感應電流產生的條件 1．導體棒在磁場中運動 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．實驗操作及現象如下： 圖1 實驗操作 實驗現象 (有無電流) 實驗探究結論 導體棒靜止 無 導體AB切割磁感線，改變了回路在磁場中的面積，通過閉合回路的磁通量發(fā)生變化，產生了感應電流 導體棒平行磁感線運動 無 導體棒切割磁感線運動 有 2.磁鐵在螺線管中運動 如圖2所示，將螺線管與電流表組成閉合回路，把條形磁鐵插入或拔出螺線管．實驗操作及現象如下： 圖2 實驗操作 實驗現象 (有無電流) 實驗探究結論 N極插入線圈 有 將磁鐵插入或拔出螺線管時，通過螺線管閉合回路的磁場發(fā)生變化，引起磁通量發(fā)生變化，有感應電流產生 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.如圖3所示，線圈A通過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．實驗操作及現象如下： 圖3 實驗操作 實驗現象(線圈B中有無電流) 實驗探究結論 開關閉合瞬間 有 導體、磁場都沒有發(fā)生相對運動，但螺線管A中的電流發(fā)生變化時，引起穿過螺線管B的磁通量發(fā)生變化，閉合螺線管B中有感應電流產生 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.思考以上幾個產生感應電流的實例： (1)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？ (2)產生感應電流的條件都跟哪個物理量有關？ 答案　(1)等效磁鐵；(2)磁通量以及磁通量的變化． 想一想　2.哪些情況可以引起磁通量Φ的變化？ 答案　由Φ＝BS可知，磁通量的變化有三種情況：①磁感應強度B不變，有效面積S變化；②磁感應強度B變化，有效面積S不變；③磁感應強度B和有效面積S同時發(fā)生變化． 4．實驗結論：只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就有感應電流產生． 5．因磁通量的變化產生電流的現象叫電磁感應，所產生的電流叫做感應電流. 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和． 3.磁通量變化的四種情況： 情況 圖示舉例 磁通量變化 B不變， S變化 ΔΦ＝BΔS B變化， S不變化 ΔΦ＝ΔBS B變化， S也變化 ΔΦ＝B2S2－B1S1 B不變， S不變， θ變化 ΔΦ＝BS(sin θ2－sin θ1) (θ為閉合回路與磁場方向的夾角) 4.用磁感線的條數表示磁通量．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，即指不同方向的磁感線的條數差． 例1　如圖5所示，虛線框內有勻強磁場，a，b為垂直磁場放置的兩個圓環(huán)，分別用Φa和Φb表示穿過兩個圓環(huán)的磁通量，則下列表述正確的是(　　) 圖5 A．Φa>Φb B．Φa＝Φb C．Φa<Φb D．無法確定 解析　本題利用公式Φ＝BS進行計算，在計算時注意S為垂直磁場方向所圍磁場的有效面積，不一定是線圈的面積，同時注意磁通量與線圈的匝數無關．由于磁場在圓環(huán)a、b中的面積相等，所以穿過兩個圓環(huán)的磁通量是相等的，則Φa＝Φb，B正確．故選B. 答案　B 例2　如圖6所示，有一個垂直紙面向里的有界勻強磁場，B1＝0.8 T，磁場的邊界為圓形，圓心為O，半徑為1 cm.現于紙面內先后放上三個圓線圈，圓心均在O處，A線圈半徑為1 cm,10 匝；B線圈半徑為2 cm，1 匝；C線圈半徑為0.5 cm,1 匝．求： 圖6 (1)在B1減至0.4 T的過程中，A和B中磁通量各改變了多少． (2)在磁場轉過30角的過程中，C中磁通量改變了多少． 解析　本題主要考查磁通量改變量的求解，可由ΔΦ＝Φ2－Φ1來求．注意Φ＝BS中的S為對磁通量有貢獻的有效面積． (1)對A線圈： Φ1＝B1πR2，Φ2＝B2πR2. 磁通量改變量ΔΦA＝|Φ2－Φ1|＝(0.8－0.4)3.14(110－2)2Wb＝1.25610－4Wb. 對B線圈： ΔΦB＝|Φ2－Φ1|＝(0.8－0.4)3.14(110－2)2Wb＝1.25610－4Wb. (2)對C線圈： Φ1′＝B1πr2，在磁場轉過30角的過程中，Φ2′＝B1πr2cos 30. 磁通量改變量ΔΦC＝|Φ2′－Φ1′|＝B1πr2(1－cos 30)＝0.83.14(510－3)2(1－0.866)Wb≈8.410－6Wb. 針對訓練1　如圖7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水平移動，逐漸移動到虛線位置，穿過線框的磁通量如何變化？ 圖7 答案　線框的水平移動，可分為三個階段．第一階段，從實線位置開始至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開始至線框抵達虛線位置為止，穿過線框的磁通量逐漸減少． 解析　直線電流I產生的磁場的磁感線的形狀是以導線上的點為圓心的在豎直平面內的一組組同心圓，在電流I的右邊磁感線的方向垂直水平面向里，在電流I的左邊磁感線的方向垂直水平面向外．磁感線的疏密分布是越靠近導線磁感線越密，離導線越遠磁感線越稀疏． 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． 如果回路不閉合，不會產生感應電流，但仍會產生感應電動勢，就好比直流電路一樣，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面的磁感線的“凈”條數． (2)磁通量是指穿過某面的合磁通量． 例3　下圖中能產生感應電流的是(　　) 答案　B 解析　根據產生感應電流的條件：A中，電路沒閉合，無感應電流；B中，面積增大，閉合電路的磁通量增大，有感應電流；C中，穿過線圈的磁感線相互抵消，Φ恒為零，無感應電流；D中，磁通量不發(fā)生變化，無感應電流． 針對訓練2　在一長直導線中通以如圖8所示的恒定電流時，套在長直導線上的閉合線環(huán)(環(huán)面與導線垂直，長直導線通過環(huán)的中心)，當發(fā)生以下變化時，肯定能產生感應電流的是(　　) 圖8 A．保持電流不變，使導線環(huán)上下移動 B．保持導線環(huán)不變，使長直導線中的電流增大或減小 C．保持電流不變，使導線在豎直平面內順時針(或逆時針)轉動 D．保持電流不變，環(huán)在與導線垂直的水平面內左右水平移動 答案　C 解析　產生感應電流的條件是磁通量發(fā)生改變，題圖所示位置環(huán)中沒有磁通量，A、B、D沒有使磁通量發(fā)生改變，所以都錯．只有C在轉動中使得環(huán)中磁通量發(fā)生改變，選C. 對磁通量及其變化的理解 1．關于磁通量的概念，以下說法中正確的是(　　) A．磁感應強度越大，穿過閉合回路的磁通量也越大 B．磁感應強度越大，線圈面積越大，則磁通量也越大 C．穿過線圈的磁通量為零，但磁感應強度不一定為零 D．磁通量發(fā)生變化，一定是磁場發(fā)生變化引起的 答案　C 解析　穿過閉合回路的磁通量大小取決于磁感應強度、回路所圍面積以及兩者夾角三個因素，所以只了解其中一個或兩個因素無法確定磁通量的變化情況，A、B項錯誤；同樣由磁通量的特點，也無法判斷其中一個因素的情況，C項正確，D項錯誤． 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 產生感應電流的條件 3．金屬矩形線圈abcd在勻強磁場中做如圖所示的運動，線圈中有感應電流的是(　　) 答案　A 解析　在選項B、C中，線圈中的磁通量始終為零，不產生感應電流；選項D中磁通量始終最大，保持不變，不發(fā)生變化，也沒有感應電流；選項A中，在線圈轉動過程中，磁通量做周期性變化，產生感應電流，故A正確． 4．如圖9，A、B兩回路中各有一開關S1、S2，且回路A中接有電源，回路B中接有靈敏電流計，下列操作及相應的結果可能實現的是(　　) 圖9 A．先閉合S2，后閉合S1的瞬間，電流計指針偏轉 B．S1、S2閉合后，再斷開S2的瞬間，電流計指針偏轉 C．先閉合S1，后閉合S2的瞬間，電流計指針偏轉 D．S1、S2閉合后，再斷開S1的瞬間，電流計指針偏轉 答案　AD 解析　S2閉合時，構成閉合回路，再閉合或斷開S1的瞬間，通過A的電流變化，導致穿過線圈B的磁通量發(fā)生變化，從而產生感應電流，則指針偏轉，故A、D正確；若S1保持閉合狀態(tài)，則通過A的電流不變，通過線圈B的磁通量不變，無論S2閉合或打開，都不會有感應電流產生，B、C錯誤.