高中物理第1章电磁感应与现代生活1电磁感应——划时代的发现课件-71张 70页

第 1 章　电磁感应与现代生活 　 1.1 　电磁感应 —— 划时代的发现 一、法拉第发现电磁感应的艰难历程 1.1820 年 , 丹麦物理学家 _______ 发现了电流的磁效 应。 2.1831 年 , 英国物理学家 _______ 发现了电磁感应现 象。 奥斯特 法拉第 3. 法拉第的概括 : 这些现象叫 _________, 产生的电流叫 _________ 。 电磁感应 感应电流 【 思考辨析 】 (1) 如图所示 , 把一条导线平行地放在磁针的上方附近 , 当导线中有电流通过时 , 磁针会发生偏转 , 首先观察到这个实验现象的物理学家是安培。 ( 　　 ) (2)“ 磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。 ( 　　 ) (3) 首先发现电磁感应现象的科学家是奥斯特。 ( 　　 ) 提示 : (1)× 。首先发现磁生电现象的物理学家是奥斯特。 (2)√ 。“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。 (3)× 。首先发现电磁感应现象的科学家是法拉第。 二、探究感应电流的产生条件 1. 探究导体棒在磁场中运动是否产生电流 ( 如图所示 ): 实验操作 实验现象 ( 有无电流 ) 分析论证 导体棒静止 无 闭合回路包围的面积 __ (A. 变化 　 B. 不变 ) 时 , 回路中有电流产生 ; 包围的面积 __(A. 变化　 B. 不变 ) 时 , 电路中无电流产生 导体棒平行 磁感线运动 无 导体棒切割 磁感线运动 有 A B 2. 探究磁铁在通电螺线管中运动是否产生电流 ( 如图所示 ): 实验操作 实验现象 ( 有无电流 ) 实验操作 实验现象 ( 有无电流 ) N 极插入线圈 ___ S 极插入线圈 ___ N 极停在线圈中 ___ S 极停在线圈中 ___ N 极从线圈中拔出 ___ S 极从线圈中拔出 ___ 有 有 无 无 有 有 3. 模拟法拉第的实验 —— 改变线圈 A 中的电流 , 线圈 B 中是否产生感应电流 实验操作 实验现象 ( 线圈 B 中有无电流 ) 分析论证 开关闭合瞬间 ___ 线圈 B 中磁场 __ 时 , 线圈 B 中有 感应电流 ; 线圈 B 中磁场 __ 时 , 线圈 B 中无感应 电流 (A. 变化　 B. 不变 ) 开关断开瞬间 ___ 开关保持闭合 , 滑动变阻器滑片不动 ___ 开关保持闭合 , 迅速移动滑动变阻器的滑片 ___ 有 有 无 有 A B 4. 感应电流产生的条件 : 只要穿过闭合导体回路的 ___ _____ 发生变化 , 闭合导体回路中就会产生感应电流。 磁 通量 【 思考辨析 】 (1) 闭合回路在磁场中运动时必能产生感应电流。 ( 　　 ) (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。 ( 　　 ) 提示 : (1)× 。闭合回路在磁场中运动时不一定能产生感应电流。 (2)× 。根据磁通量是否发生变化判定感应电流的产生。 (3)× 。产生感应电流的条件 : 一是电路闭合 , 二是磁通量变化。有磁通量变化而不是闭合回路是不会产生感应电流的。 一　磁通量和磁通量的变化 考查角度 1 磁通量概念的理解及计算 【 典例 1】 边长 l =10 cm 的正方形线框 有 10 匝 , 固定在匀强磁场中 , 磁场方向 与线框平面间的夹角 θ=30°, 如图所 示 , 磁感应强度随时间的变化规律为 B=2+3t(T), 求 : 2 s 末穿过线框的磁通量。 【 解析 】 2 s 末穿过线框的磁感应强度 B 2 =(2+3×2)T =8 T, 由 Φ=BSsinθ 知 ,2 s 末穿过线框的磁通量 Φ=B 2 Ssinθ=8×(0.1) 2 ×sin30°Wb=4×10 -2 Wb 。 答案 : 4×10 -2 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 , 与匝数无关。 (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。 2. 磁通量的计算 : (1)B 与 S 垂直时 Φ 的计算方法 :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 Φ 的计算方法 :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。或者 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。两者磁通量相等 ,Φ=BSsinθ 。 (3) 有不同方向磁场时 Φ 的计算方法 : 应分别计算不同方向的磁通量 , 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。 如图甲所示 , 有两个环 A 和 B, 其面积 S A Φ B , 由此可知 , 在求磁通量时要按求代数和的方法求总的磁通量。 (4) 非匀强磁场中磁通量的分析 : 条形磁铁、通电线圈周围的磁场都是非匀强磁场 , 通常只对穿过其中的线圈的磁通量进行定性分析 , 分析时应兼顾磁场强弱、线圈面积和磁场与线圈的夹角等因素 , 并充分利用磁感线来判断 , 即磁通量的大小对应穿过线圈的磁感线的条数。 考查角度 2 磁通量的变化 【 典例 2】 如图所示 , 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. 无法确定 【 解析 】 选 C 。设闭合线框在位置 1 时的磁通量为 Φ 1 , 在位置 2 时的磁通量为 Φ 2 , 直线电流产生的磁场在位置 1 处比在位置 2 处强 , 故 Φ 1 >Φ 2 。 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 ΔΦ 1 =|Φ 2 -Φ 1 |=Φ 1 -Φ 2 ; 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 ΔΦ 2 =|(-Φ 2 )-Φ 1 |=Φ 1 +Φ 2 ( 以原来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 。 情形 分析 图示 B 不变化 ,S 变化 磁感应强度 B 不变 , 有效面积 S 变化 , 则 ΔΦ=Φ 1 -Φ 0 =B·ΔS 。如图甲所示 , 闭合电路的一部分导体切割磁感线 , 此时穿过 abcd 面的磁通量的变化量可用此公式计算。 【 核心归纳 】 磁通量发生变化的四种情形 情形 分析 图示 B 变化 ,S 不变化 磁感应强度 B 变化 , 磁感线穿过的有效面积 S 不变 , 则 ΔΦ=Φ 1 -Φ 0 =ΔB·S, 如图乙所示 , 通电直导线下边有一个矩形线框 , 若使线框逐渐远离 ( 平动 ) 通电导线 , 此时穿过线框的磁通量的变化量可用此公式计算。 θ 变化 ,B 、 S 不变化 线圈平面与磁场方向的夹角 θ 发生变化时 , 线圈在垂直于磁场方向的投影面积 S ⊥ = Ssinθ 发生变化 , 从而引起穿过线圈的磁通量发生变化 , 即 B 、 S 不变 ,θ 变化。此时可由 ΔΦ=Φ 1 -Φ 0 =BS(sinθ 2 -sinθ 1 ) 计算并判断磁通量的变化。如图丙所示 , 当线框以 ab 为轴顺时针转动时 , 此时穿过 abcd 面的磁通量的变化量可用此公式计算。 情形 分析 图示 B 、 S 同时变化 若磁感应强度 B 和回路面积 S 同时发生变化 , 则 ΔΦ=Φ 1 -Φ 0 ≠ΔB·ΔS 。如图丁所示 , 若导线 CD 向右滑动 , 回路面积从 S 1 =8 m 2 变到 S 2 =18 m 2 , 磁感应强度 B 从 B 1 =1 T 变到 B 2 =0.5 T, 则回路中磁通量的变化 ΔΦ=Φ 2 -Φ 1 =B 2 S 2 -B 1 S 1 =1 Wb 。若按 ΔΦ=ΔB·ΔS=(B 2 -B 1 )×(S 2 -S 1 )=-5 Wb 就错了。 【 过关训练 】 1. 如图所示 ,a 、 b 、 c 三个闭合线圈放在同一平面内 , 当线圈 a 中有电流 I 通过时 , 穿过它们的磁通量分别为 Φ a 、 Φ b 、 Φ c , 下列说法中正确的是 ( 　　 ) A.Φ a <Φ b <Φ c B.Φ a >Φ b >Φ c C.Φ a <Φ c <Φ b D.Φ a >Φ c >Φ b 【 解析 】 选 B 。当线圈 a 中有电流通过时 , 穿过 a 、 b 、 c 三个闭合线圈垂直纸面向里的磁感线条线一样多 , 向外的磁感线条数线圈 c 最多 , 其次是线圈 b, 线圈 a 中没有向外的磁感线 , 因此穿过闭合线圈的净磁感线条数线圈 a 最多 , 线圈 b 次之 , 线圈 c 最少 , 即 Φ a >Φ b >Φ c , 故选项 B 正确。 2. 如图所示 , 有一 n 匝矩形线圈 abcd 放置在水平面内 , 磁场方向与水平方向成 α 角 , 已知 sinα=0.8, 回路面积为 S, 磁感应强度为 B, 则通过线圈的磁通量为 ( 　　 ) A.nBS 　　　 B.0.8nBS 　　　 C.BS 　　　 D.0.8BS 【 解析 】 选 D 。 Φ=BSsinα=0.8BS, 故选 D 。 【 补偿训练 】 1. 关于磁通量 , 下列叙述正确的是 ( 　　 ) A. 同一线圈放在磁感应强度较大处 , 穿过线圈的磁通量不一定大 B. 在同一匀强磁场中 , 线圈的面积越大 , 则穿过线圈的磁通量一定越大 C. 把一个线圈放在不同的两处 , 穿过线圈的磁通量越大的地方 , 磁感应强度一定越大 D. 匀强磁场中 , 穿过一个面的磁通量等于磁感应强度与该面面积的乘积 【 解析 】 选 A 。同一线圈放在磁感应强度较大处 , 当两 者平行时 , 穿过线圈的磁通量为零 ,A 正确 ; 把一个线圈 放在同一匀强磁场中 , 由于线圈与磁场方向之间的夹角 不知道 , 所以不能判断穿过线圈的磁通量的大小 ,B 错误 ; 把一个线圈放在 M 、 N 两处 , 若放在 M 处时穿过线圈的磁 通量比放在 N 处时大 , 由于线圈在 M 、 N 两处与磁场的方 向之间的夹角不知道 , 所以不能判断出两处的磁感应强 度的大小 ,C 错误 ; 在匀强磁场中 , 只有线圈与磁场垂直时 , 磁通量才等于磁感应强度与线圈面积的乘积 ,D 错误。 2. 一磁感应强度为 B 的匀强磁场方向水平向右 , 一面积为 S 的矩形线框 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是 ( 　　 ) A.0 　　　 B.2BS 　　　 C.2BScosθ 　　　 D.2BSsinθ 【 解析 】 选 C 。开始时穿过线框平面的磁通量为 Φ 1 = BScosθ 。则后来穿过线框平面的磁通量为 Φ 2 = -BScosθ 。则磁通量的变化量为 ΔΦ=|Φ 2 -Φ 1 | =2BScosθ 。 3. 如图为一水平放置的条形磁铁 , 一闭合线框 abcd 位于磁铁的左端 , 线框平面始终与磁铁的上表面垂直 , 并与磁铁的端面平齐 , 当线框由图中位置 Ⅰ 经过位置 Ⅱ 到达位置 Ⅲ 时 , 线框内磁通量变化情况为 ( 　　 ) A. 不发生变化　　　　　　 B. 先减少后增加 C. 先增加后减少 D. 不能确定 【 解析 】 选 B 。条形磁铁的磁感线分布如图所示 , 两端磁感线分布密集 , 中央磁感线分布稀疏 , 当线框从左向右运动过程中 ,Ⅱ 位置磁通量最小 , 故从 Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ, 磁通量先减少后增加 ,B 正确。 4. 如图所示 , 在范围足够大的匀强磁场中有一闭合线圈 , 线圈平面与磁场方向垂直 , 线圈在磁场内运动。在下列运动中 , 穿过线圈的磁通量发生变化的是 ( 　　 ) A. 向上平移 B. 向右平移 C. 沿磁场方向平移 D. 绕 ab 轴转动 【 解析 】 选 D 。根据公式 Φ=BS,B 不变 , 线圈沿纸面向上、向右平移 , 只要不出磁场 , 有效面积 S 不变 , 所以磁通量不变 ; 线圈沿磁场方向平移 ,S 不变 , 所以磁通量也不变 ; 线圈绕 ab 轴转动时 , 有效面积 S 变化 , 磁通量变化 , 故 A 、 B 、 C 错误 ,D 正确。 二　感应电流的产生条件 【 典例 】 如图所示 , 开始时矩形线框与匀强磁场的方向垂直 , 且一半在磁场内 , 一半在磁场外 , 若要使线框中产生感应电流 , 下列办法中不可行的是 ( 　　 ) A. 将线框向左拉出磁场 B. 以 ab 边为轴转动 ( 小于 90°) C. 以 ad 边为轴转动 ( 小于 60°) D. 以 bc 边为轴转动 ( 小于 60°) 【 解题探究 】 (1) 产生感应电流的条件是什么 ? 提示 : ① 闭合电路 ;② 磁通量发生变化。这两个条件必须同时满足 , 才有感应电流产生。 (2) 引起磁通量变化的原因有哪些 ? 提示 : 磁感应强度 B 的变化和线圈有效面积 S 的变化。 【 解析 】 选 D 。将线框向左拉出磁场的过程中 , 线框的 bc 边做切割磁感线的运动 , 或者说穿过线框的磁通量减 少 , 所以线框中将产生感应电流 ,A 项是可行的。 当线框以 ab 边为轴转动时 , 线框的 cd 边的右半段做切割 磁感线的运动 , 或者说穿过线框的磁通量发生变化 , 所 以线框中将产生感应电流 ,B 项是可行的。 当线框以 ad 边为轴转动 ( 小于 60°) 时 , 穿过线框的磁通 量在减小 , 所以线框中会产生感应电流 ; 如果转过的角 度超过 60°,bc 边将进入无磁场区 , 那么线框中将不产生感应电流 (60° ～ 300°),C 项是可行的。 当线框以 bc 边为轴转动时 , 如果转动的角度小于 60°, 则穿过线框的磁通量始终保持不变 ( 其值为磁感应强度与矩形面积的一半的乘积 ),D 项是不可行的。 【 核心归纳 】 1. 感应电流产生的条件 : 穿过闭合电路的磁通量发生变化。 2. 磁通量变化的四种情况 : (1) 闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动。 (2) 线圈与磁体之间发生相对运动 , 或者磁场是由通电螺线管产生 , 而螺线管中的电流发生变化。 (3) 磁感应强度 B 和线圈面积 S 同时发生变化。 (4) 磁感应强度 B 和线圈之间夹角发生变化 , 如线圈在磁场中转动等。 3. 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. 如图所示 , 矩形线圈在匀强磁场内做的各种运动中 , 能够产生感应电流的是 ( 　　 ) 【 解析 】 选 D 。产生感应电流的条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化 , 而选项 A 、 B 、 C 中线圈的磁通量均没有变化 , 只有选项 D 中线圈的磁通量发生了变化 , 所以只有选项 D 中的线圈能够产生感应电流 , 故选 D 。 2. 如图所示匀强磁场区域宽为 d, 一正方形线框 abcd 的边长为 l , 且 l >d, 线框以速度 v 通过磁场区域 , 如图所示 , 从线框进入到完全离开磁场的时间内 , 线框中没有感应电流的时间为 ( 　　 ) A. 　　　　 B. 　　　　 C. 　　　　 D. 【 解析 】 选 B 。 ad 边和 bc 边都在磁场外时 , 穿过线框中 的磁通量不变 , 没有感应电流 , 所以线圈中没有感应电 流的时间为 t= 。 【 补偿训练 】 1. 闭合电路的一部分导线 ab 处于匀强磁场中 , 如图所示 , 各情况下导线都在纸面内运动 , 那么下列判断中正确的是 ( 　　 ) A. 都会产生感应电流 B. 都不会产生感应电流 C. 甲、丙会产生感应电流 , 乙、丁不会产生感应电流 D. 甲、乙不会产生感应电流 , 丙、丁会产生感应电流 【 解析 】 选 C 。甲、丙两图中导线 ab 都在垂直切割磁感线 , 又因电路闭合 , 故产生感应电流 ; 乙、丁两图中导线不切割磁感线 , 不会产生感应电流。故 C 项正确。 2. 在纸面内放有一条形磁铁和一个位于磁铁正上方的圆形线圈 ( 如图所示 ), 下列情况中能使线圈中产生感应电流的是 ( 　　 ) A. 将磁铁在纸面内向上平移 B. 将磁铁在纸面内向右平移 C. 将磁铁绕垂直纸面的轴转动 D. 将磁铁的 N 极向纸外转 ,S 极向纸内转 【 解析 】 选 D 。将磁铁向上平移、向右平移或绕垂直纸面的轴转动 , 线圈始终与磁感线平行 , 磁通量始终为零 , 没有变化 , 不产生感应电流。所以 A 、 B 、 C 均不正确 ; 将磁铁的 N 极向纸外转 ,S 极向纸内转 , 穿过线圈的磁通量增加 , 线圈中产生感应电流 , 所以 D 项正确。 3. 若有一宇航员登月后 , 想探测一下月球表面是否有磁场 , 他手边有一只灵敏电流表和一个小线圈 , 则下列推断正确的是 ( 　　 ) A. 直接将电流表放于月球表面 , 根据电流表有无示数来判断磁场的有无 B. 将电流表与线圈连成闭合回路 , 使线圈沿某一方向运动 , 若电流表无示数 , 则可以判断月球表面无磁场 C. 将电流表与线圈连成闭合回路 , 使线圈沿某一方向运动 , 若电流表有示数 , 则可以判断月球表面有磁场 D. 将电流表与线圈连成闭合回路 , 使线圈在某一平面内沿各个方向运动 , 若电流表无示数 , 则可以判断月球表面无磁场 【 解析 】 选 C 。由感应电流产生的条件可知 :A 选项中无闭合回路 , 电流表无示数 ,A 选项错误 ;B 选项中若线圈平面运动方向与磁场方向平行 , 月球上即使有磁场 , 线圈中的磁通量也始终不变化 , 不会产生感应电流 ,B 选项错误 , 同理 D 选项错误 ;C 选项中若线圈沿某一方向运动 , 电流表有示数 , 则知发生电磁感应 , 月球表面有磁场 ,C 选项正确。 【 拓展例题 】 考查内容 : 电磁感应的产生条件 【 典例 】 现将电池组、滑动变阻器、带铁心的线圈 A 、线圈 B 、电流计及开关按如图所示连接。在开关闭合、线圈 A 放在线圈 B 中的情况下 , 某同学发现当他将滑动变阻器的滑片 P 向左加速滑动时 , 电流计指针向右偏转 , 由此可以推断 ( 　　 ) A. 线圈 A 向上移动或滑动变阻器的滑片 P 向右加速滑动 , 都能引起电流计指针向左偏转 B. 线圈 A 中铁心向上拔出或断开开关 , 都能引起电流计指针向右偏转 C. 滑动变阻器的滑片 P 匀速向左或匀速向右滑动 , 都能使电流计指针静止在中央 D. 因为线圈 A 、线圈 B 绕线方向未知 , 故无法判断电流计指针偏转的方向 【 解析 】 选 B 。当 P 向左滑动时 , 电阻变大 , 通过 A 线圈的 电流变小 , 则线圈 B 中的原磁场减弱 , 磁通量减少 , 线圈 B 中有使电流计指针向右偏转的感应电流通过。当线圈 A 向上移动、线圈 A 中铁心向上拔出或断开开关时 , 则线 圈 B 中的原磁场也减弱 , 磁通量也减少 , 所以线圈 B 中也 有使电流计指针向右偏转的感应电流通过 ,A 错 ,B 对 ; 滑 动变阻器的滑片 P 向右移动 , 则线圈 B 中的原磁场增强 , 磁通量也增加 , 所以线圈 B 中有使电流计指针向左偏转的感应电流通过 ,C 、 D 错。故正确选项为 B 。