2019年高中物理第1章第1节磁生电的探索讲义（含解析）鲁科版 8页

磁生电的探索1．电磁感应的探索历程(1)“电生磁”1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应。(2)“磁生电”1831年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象。奥斯特发现了电流的磁效应后，很多科学家开始了磁生电的研究，为什么只有法拉第成功了，而其他科学家没有成功？解析：很多科学家在实验中没有注意到磁场的变化、导体与磁场之间的相对运动等环节，只想把导体放入磁场中来获得电流，这实际上违背了能量转化与守恒定律。2．探究感应电流产生的条件(1)实验探究探究1：如图所示。实验操作有无电流产生实验探究结论导体AB与磁场相对静止无导体AB切割磁感线，通过闭合回路的磁通量发生变化，有感应电流产生导体AB平行于磁感线运动(与导轨不分离)无导体AB做切割磁感线运动(与导轨不分离)有探究2：如图所示。n实验操作有无电流产生实验探究结论将磁铁插入螺线管有将磁铁插入或拔出螺线管时，通过螺线管闭合回路的磁通量发生变化，有感应电流产生磁铁静止在螺线管中无将磁铁拔出螺线管有探究3：如图所示，螺线管A放在螺线管B内。实验操作有无电流产生实验探究结论闭合开关的瞬间有导体和磁场间并没有发生相对运动，当螺线管A中的电流发生变化时，螺线管B所处的磁场发生变化，从而引起了穿过螺线管B的磁通量发生变化，螺线管B所在的闭合回路中有感应电流产生闭合开关，A中电流稳定后，滑动变阻器电阻变大有闭合开关，A中电流稳定后，滑动变阻器电阻不变无闭合开关，A中电流稳定后，滑动变阻器电阻变小有断开开关的瞬间有(2)实验结论通过对以上三个实验的探究得出：只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有感应电流产生。1．位于磁场中的闭合线圈，一定能产生电流(×)2．闭合线圈做切割磁感线运动，一定能产生感应电流(×)3．穿过闭合线圈的磁感线条数发生变化，一定能产生感应电流(√)解析：1.位于磁场中的闭合线圈，通过其磁通量变化时才产生感应电流，1错误。2．闭合线圈做切割磁感线运动，若穿过线圈的磁通量不发生变化，则无感应电流产生，2错误。3．穿过闭合线圈的磁感线条数发生变化，即磁通量发生变化，一定产生感应电流，3正确。3．电磁感应n(1)电磁感应因磁通量变化而产生电流的现象。(2)感应电流电磁感应所产生的电流。“磁生电”与“电生磁”有什么联系和区别？解析：电流的磁效应是指电流周围存在着磁场，是原因，即“电生磁”；而磁生电现象中产生的电流是结果，即“磁生电”，这是两种因果关系相反的现象，区别这两种现象的关键是要看电流是条件还是结果。电流的磁效应和磁生电现象都揭示了电和磁的内在联系。磁通量Φ磁通量的变化量ΔΦ物理意义某时刻穿过磁场中某个面的磁感线条数穿过某个面的磁通量的差值大小计算Φ＝B·S，S为与B垂直的面积，不垂直时，取S在与B垂直方向上的投影ΔΦ＝Φ2－Φ1＝B2S2－B1S1或ΔΦ＝B·ΔS(B不变)或ΔΦ＝S·ΔB(S不变)说明穿过某个面有方向相反的磁场，则不能直接用Φ＝B·S，应考虑相反方向的磁通量抵消以后所剩余的磁通量与磁场垂直的平面，开始时和转过180°时穿过平面的磁通量是不同的，一正一负，|ΔΦ|＝2BS而不是零[典例1]　如图所示，一个垂直纸面向里的匀强磁场，B＝0.8T，磁场有明显的圆形边界，圆心为O，半径为2cm。现于纸面内先后放上圆线圈，圆心均在O处，A线圈半径为1cm,10匝；B线圈半径为2cm,1匝；C线圈半径为0.5cm,1匝。问：(1)在磁感应强度减为0.4T的过程中，A、B线圈中的磁通量减少多少？(2)当磁场转过30°角的过程中，C线圈中磁通量减少多少？[思路探究](1)磁通量的大小是否与线圈匝数有关？n提示：无关。(2)当线圈与磁场不垂直时，公式Φ＝BS中的S应如何理解？提示：S表示线圈的面积在与B垂直方向上的投影。[解析]　(1)对A线圈，Φ1A＝B1πr，Φ2A＝B2πr磁通量减少量|Φ2A－Φ1A|≈(0.8－0.4)×3.14×10－4Wb＝1.256×10－4Wb对B线圈，|Φ2B－Φ1B|≈(0.8－0.4)×3.14×(2×10－2)2Wb＝5.024×10－4Wb(2)对C线圈，Φ1C＝Bπr2，磁场转过30°，线圈面积在垂直磁场方向的投影为πr2cos30°，则Φ2C＝Bπr2cos30°磁通量减少量|Φ2C－Φ1C|＝Bπr2(1－cos30°)≈0.8×3.14×(5×10－3)2×(1－0.866)Wb＝8.4152×10－6Wb[答案]　(1)1.256×10－4Wb　5.024×10－4Wb(2)8.4152×10－6Wb[总结提能]用磁通量计算公式Φ＝BS计算时要注意三点(1)S是指闭合回路中包含磁场部分的有效面积，且S必须与磁场方向垂直。(2)磁通量虽是标量但有正、负之分，计算时要按代数和的方法求总磁通量。(3)磁通量及磁通量的变化量不受线圈匝数的影响。1．边长L＝10cm的正方形框，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，磁感应强度随时间变化的规律为B＝(2＋3t)T，则第3s内穿过线框的磁通量的变化量ΔΦ为多少？解析：闭合导体回路的面积S不变，B变化，只要求出第3s始末的磁通量Φ，即可求出ΔΦ。第3s内就是从2s末到3s末，2s末的磁感应强度为B1＝(2＋3×2)T＝8T3s末的磁感应强度为B2＝(2＋3×3)T＝11T磁通量变化量为ΔΦ＝ΔBSsinθ＝1.5×10－2Wb答案：1.5×10－2Wbn1．感应电流产生的条件2．对产生感应电流条件的理解(1)分析是否产生感应电流，关键是分析穿过闭合线圈的磁通量是否变化，而分析磁通量是否有变化，关键是分清磁感线的分布，即分清磁感线的疏密变化和磁感线方向的变化及有效磁场面积的变化。(2)导体切割磁感线，不是产生感应电流的充要条件，归根结底还得看穿过闭合回路的磁通量是否发生变化。即使是闭合回路的部分导体做切割磁感线运动，也不能保证一定存在感应电流，如图所示，abcd线框的一部分在匀强磁场中向上运动，尽管是部分切割，但同样没有感应电流。[典例2]　如图所示的匀强磁场中有一个矩形闭合导线框，在下列四种情况下，线框中会产生感应电流的是(　　)A．线框平面始终与磁感线平行，线框在磁场中左右运动B．线框平面始终与磁感线平行，线框在磁场中上下运动C．线框绕位于线框平面内且与磁感线垂直的轴线AB转动D．线框绕位于线框平面内且与磁感线平行的轴线CD转动[思路探究]→→[解析]　四种情况中初始位置线框均与磁感线平行，磁通量为零，线圈按A、B、D三种情况移动后，线框仍与磁感线平行，磁通量保持为零不变，线框中不产生感应电流；C中线圈转动后，穿过线框的磁通量不断发生变化，所以产生感应电流，C正确。n[答案]　C2．(北京高考)物理课上，老师做了一个奇妙的“跳环实验”。如图所示，她把一个带铁芯的线圈L、开关S和电源用导线连接起来后，将一金属套环置于线圈L上，且使铁芯穿过套环。闭合开关S的瞬间，套环立刻跳起。某同学另找来器材再探究此实验。他连接好电路，经重复试验，线圈上的套环均未动。对比老师演示的实验，下列四个选项中，导致套环未动的原因可能是(　　)A．线圈接在了直流电源上B．电源电压过高C．所选线圈的匝数过多D．所用套环的材料与老师的不同解析：选D　金属套环跳起的原因是开关S闭合时，套环上产生的感应电流与通电线圈上的电流相互作用而引起的。无论实验用交流电还是直流电，闭合开关S瞬间，金属套环都会跳起。如果套环是塑料材料做的，则不能产生感应电流，也就不会受安培力作用而跳起，D正确。1．(海南高考)[多选]自然界的电、热和磁等现象都是相互联系的，很多物理学家为寻找它们之间的联系做出了贡献。下列说法正确的是(　　)A．奥斯特发现了电流的磁效应，提示了电现象和磁现象之间的联系B．欧姆发现了欧姆定律，说明了热现象和电现象之间存在联系C．法拉第发现了电磁感应现象，提示了磁现象和电现象之间的联系D．焦耳发现了电流的热效应，定量给出了电能和热能之间的转换关系解析：选ACD　由物理学史可知，奥斯特发现了电流的磁效应，揭示了电现象和磁现象之间的联系；法拉第发现了电磁感应现象，揭示了磁现象和电现象之间的联系，A、C正确；欧姆发现了闭合电路中的电流和电压之间的关系，即欧姆定律，而热现象和电现象的联系是焦耳发现的，B错误，D正确。n2．用导线将灵敏电流表与金属棒连接成一个磁生电的实验电路，如图所示，则下列哪种操作能使指针偏转(　　)A．使导体ab向左(或向右)移动B．使导体ab向上(或向下)移动C．使导体ab沿a→b的方向移动D．使导体ab沿b→a的方向移动解析：选A　要使闭合回路中产生感应电流，导体棒需切割磁感线，选项B、C、D中导体棒在磁场中运动，但没有切割磁感线，B、C、D错误，A正确。3．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，它们的磁通量分别为Φa、Φb、Φc，下列说法中正确的是(　　)A．Φa<Φb<Φc　　B．Φa>Φb>ΦcC．Φa<Φc<ΦbD．Φa>Φc>Φb解析：选B　当a中有电流通过时，穿过a、b、c三个闭合线圈的向里的磁感线条数一样多，向外的磁感线的条数c最多，其次是b，a中没有向外的磁感线，因此，根据合磁通量的计算，应该是Φa>Φb>Φc，B正确。4．[多选]如图所示，矩形线圈与磁场垂直，且一半在匀强磁场内一半在匀强磁场外。下述过程中能使线圈产生感应电流的是(　　)A．以bc为轴转动45°B．以ad为轴转动45°C．将线圈上下平移D．将线圈左右平移解析：选BD　线圈有没有产生感应电流关键看磁通量是否变化或磁感线条数是否改变，以bc为轴转动45°，磁通量不发生变化，无感应电流，A错误；同理B正确；将线圈向上、向下平移时线圈的磁通量也不发生变化，也无感应电流，C错误；线圈左右平移时通过线圈的磁通量发生变化，有感应电流产生，D正确。n5．匀强磁场的磁感应强度B＝0.8T，矩形线圈abcd的面积S＝0.5m2，共10匝。开始时，B与S垂直，且线圈有一半在磁场中，如图所示，(1)当线圈绕ab边转过60°角时，求线圈中的磁通量以及此过程中磁通量的变化量的大小；(2)当线圈绕dc边转过60°角时，求线圈中的磁通量以及此过程中磁通量的变化量的大小。解析：(1)当线圈由图所示位置绕ab边转过60°时，Φ2＝BScos60°＝0.8×0.5×Wb＝0.2Wb而开始时Φ1＝BS＝×0.8×0.5Wb＝0.2Wb故ΔΦ＝Φ2－Φ1＝0(2)当线圈绕dc边转过60°角时。穿过线框的磁通量为Φ＝0故ΔΦ′＝0－BS＝－0.2Wb即磁通量减少了0.2Wb答案：(1)0.2Wb　0　(2)0　0.2Wb