高中物理 第一章 电磁感应 第三节 探究感应电流的方向素材 粤教版选修3-2（通用） 8页

第三节 探究感应电流的方向 ‎ ‎【思维激活】‎ 在做感应电流产生条件的实验中，将条形磁铁插入螺线管或从螺线管拔出，我们发现感应电流的方向与螺线管中磁场的方向以及磁体运动方向与在者联系，那么它们究竟存在怎样的关系？‎ 提示：感应电流的方向总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，条形磁铁插入螺线管线圈磁通量增加，取出时减小，故前后感应电流方向相反。‎ ‎【自主整理】‎ ‎1.楞次定律：感应电流具有这样的方向，即感应电流的方向总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。‎ ‎2.对“阻碍的理解”：阻碍并不是相反，而是当磁通量增加时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反；磁通量减少时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同。从磁通量变化的角度来看，感应电流总是要阻碍原磁通量的变化；从导体和磁体的相对运动的角度来看，感应电流总是要阻碍导体与磁体间的相对运动。‎ ‎3.右手定则：伸开右手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一平面内。让磁感线从手心进入，并使拇指指向导体运动的方向，这时四指所指的方向就是感应电流的方向。‎ ‎4.楞次定律的运用范围，磁通量变化而产生感应电流的判定。‎ ‎5.判定步骤 ‎（1）明确闭合电路范围内的原磁场的方向；‎ ‎（2）分析穿过闭合电路的磁通量的变化；‎ ‎（3）根据楞次定律，判定感应电流磁场的方向；‎ ‎（4）利用安培定则，判定感应电流的方向。‎ ‎【高手笔记】‎ ‎1.楞次定律：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流磁通量变化。‎ ‎2.“阻碍”并不是“相反”而是当磁通量增加时，感应电磁场与原磁场方向相反；磁通量减少时，感应电流磁场与原磁场方向相同。‎ ‎3.从磁通量变化的角度来看，感应电流总要阻碍磁通量变化，从导体和磁体的相对运动的角度来看，感应电流总要阻碍相对运动，因此，产生感应电流的过程实质上是能的转化和转移的过程。‎ ‎4.楞次定律的使用步骤 ‎（1）明确所研究的闭合回路中原磁场的方向；‎ ‎（2）确定穿过回路的磁通量如何变化（是增加还是减小）；‎ ‎（3）由楞次定律判定出感应电流磁场方向；‎ ‎（4）根据感应电流的磁场方向，由安培定则判定出感应电流的方向。‎ ‎【名师解惑】‎ ‎1.楞次定律的本质是什么？‎ 剖析：（1）楞次定律中的“阻碍”作用，正是能的转化和守恒定律的反映，在克服这种阻碍的过程中，其他形式的能转化为电能。‎ ‎（2）从能的转化和守恒定律本质上，楞次定律可广义地表述为：感应电流的“效果”总是要反抗（或阻碍）引起感应电流的“原因”，常见的有四种：①阻碍原磁通量的变化；②阻碍导体的相对运动（来拒去留）；③通过改变线圈面积来“反抗”（扩大或缩小）；④阻碍原电流的变化（自感现象）。‎ ‎2.如何判定电势高低？‎ 剖析：判断电磁感应现象中电势高低的方法是：把产生感应电动热的那部分电路当作电源的内电路，再判定该电源的极性（正、负极）。对于一个闭合回路来说，电源内电路的电流是从负极流向正极，电源外电路的电流是从高电势流向低电势。‎ ‎3.一条形磁铁靠近一闭合的铝环或磁铁远离铝环时，会有什么现象产生？‎ 剖析：磁铁吸引铁，但不吸引铝，吸引铁是由于磁铁的磁场将铁磁化后的磁力作用；而磁铁靠近铝环或远离铝环时，也会产生排斥和吸引作用，这种作用是磁铁的磁场感应铝环回路，产生感应电流后的磁场与电流的作用。‎ ‎4.导体切割磁感线产生的感应电动势是否等于导体两端的电压？‎ 剖析：如果切割磁感线的导体是闭合回路的一部分，则该导体相当于电源，其电阻相当于电源的内阻，导体两端的电压为路端电压，由闭合电路欧姆定律U=E-Ir知，当导体中有感应电流通过且考虑导体电阻时，感应电动势不等于导体两端的电压，当导体中无感应电流通过或不计导体电阻时导体产生的感应电动势等于导体两端的电压。‎ ‎【讲练互动】‎ 例1.边长为h的正方形金属导线框，从图‎1-3-1‎所示的位置由静止开始下落，通过一匀强磁场区域，磁场方向水平，且垂直于线框平面，磁场区域宽度为H，上下边界如图中虚线所示，H>h，则线框开始下落到完全穿过磁场区的全过程中（ ）‎ 图‎1-3-1‎ A.线框中总有感应电流存在 B.线框受到磁场力的合力方向有时向上，有时向下 C.线框运动方向始终是向下的 D.线框速度的大小不一定总是在增加 解析：金属线框在进入磁场中，磁通量增加，有感应电流产生。由右手定则，感应电流为逆时针方向；由左手定则可知，线框受磁场力方向向上。开始时刻，磁场力小于重力，加速度向下，线框速度增大，磁场力也随之增大。若磁场力增大到与重力相等时，线框将匀速下落。因为H>h，当线框上边进入磁场，下边未出磁场之前，线框中没有磁通量变化，无感应电流，亦不受磁场力作用，线框以加速度g 向下加速运动，当线框下边穿出磁场，线框中磁通量减少，产生顺时针感应电流，线框上边受到向上磁场力作用。但合力方向向上，向下，为零均有可能。故正确答案为CD。‎ 答案：CD ‎【变式训练一】‎ ‎1.如图‎1-3-2‎ 所示，有一矩形线圈在竖直平面内从静止开始下落，在线圈的下边垂直磁感线方向进入匀强磁场，而上边还未进入匀强磁场的过程中，线圈不可能做的运动是（ ）‎ 图‎1-3-2‎ A.匀速下降 B.加速下降 C.减速下降 D.匀减速下降 答案：D 例2.如图‎1-3-3‎所示，水平放置的金属导轨上连有电阻R，并处在垂直于轨道平面的匀强磁场中。今从静止起用力拉金属棒ab（与轨道垂直），用以下两种方式拉金属棒.若拉力恒定，经时间t1后ab的速度为υ，加速度为a1，最终速度可达2υ；若拉力的功率恒定，经时间t2后ab的速度也是υ，加速度为a2，最终速度可达2υ。求a1和a2满足的关系。‎ 图‎1-3-3‎ 解析：第一种模式拉动时，设恒力为F，由于最终速度为2υ，即匀速，有：F=BI‎1L，I1=，所以F=，当速度是υ时ab棒所受安培力为F1。‎ 同理可得：F1=，此时的加速度为a1，由牛顿第二定律得：F－F1=ma1联立以上各式得a1=.‎ 第二种模式拉动时，设外力的恒定功率为P ‎，最终的速度也是2υ，由能量关系可知：‎ P=I12R=‎ 速度为υ时，ab棒所受的外力为F2，有：P=F2υ，此时的加速度为a2，ab棒所受的安培力仍为F1，根据牛顿第二定律：F2－F1=ma2，联立有关方程可以解得：a2=，所以有a2=‎3a1。‎ 答案：a2=‎3a1‎ ‎【变式训练二】‎ ‎1.图‎1-3-4‎所示为地磁场磁感线的示意图，在北半球地磁场的竖直分量向下，飞机在我国上空匀速巡航，机翼保持水平，飞行高度不变，由于地磁场的作用，金属机翼上有电势差，设飞行员左方机翼末端处的电势为U1，右方机翼末端处的电势为U2，则（ ）‎ 图‎1-3-4‎ A.若飞机从东往西飞，U2比U1高 B.若飞机从西往东飞，U1比U2高 C.若飞机从南往北飞，U1比U2高 D.若飞机从北往南飞，U2比U1高 解析：我国位于地球的北半球，北半球地磁场的竖直分量向下，向右手定则可判定，无论飞机向哪个方向平行地面飞行，均为飞行员左侧机翼电势高，即U1比U2高，故选B、C。‎ 答案：BC 例 ‎3.一根铁芯上绕有一组线圈，a、c是线圈的两端，b为中心抽头。把a、b两端接在平行金属导轨上，在导轨上横置了一根金属棒PQ，导轨处在垂直于导轨平面指向纸内的匀强磁场中，如图‎1-3-5‎所示，当PQ棒沿导轨滑动时，a、b、c任两点间都有电势差出现，若要a、c两点电势都低于b点电势，则PQ棒的运动情况是（ ）‎ 图‎1-3-5‎ A.向右加速运动 B.向右减速运动 C.向左加速运动 D.向左减速运动 解析：本题必须涉及两个电磁感应过程，因PQ的运动而切割磁感线，在PQ上发生电磁感应；PQ的感应电流流过线圈ab，此感应电流一定是变化的，因此变化的电流在ab线圈中会产生变化的磁场，变化的磁场引起bc线圈发生电磁感应。‎ ‎（1）在PQ做切割磁感线运动时，线圈ab是负载，题中要求Ua