【物理】2020届一轮复习人教版划时代的发现探究感应电流的产生条件学案 13页

2020 届一轮复习人教版 划时代的发现探究感应电流的产生条件 学案 知识内容 选考要求 课时要求 电磁感应现象 b 1.知道奥斯特发现了电流的磁效应、法拉第发现了电磁感应 现象. 2.知道磁通量和磁通量变化量的含义. 3.理解什么是电磁感应现象及感应电流的产生条件. 一、划时代的发现 1.丹麦物理学家奥斯特发现载流导体能使小磁针转动，这种作用称为电流的磁效应，揭示了电现象与磁现 象之间存在密切联系. 2.英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象，即“磁生电”现象，他把这种现象命名为电磁感应.产生的电 流叫做感应电流. 二、感应电流的产生条件 只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，闭合导体回路中就有感应电流. 1.判断下列说法的正误. (1)若把导线东西放置，当接通电源时，导线下面的小磁针一定会发生转动.( × ) (2)奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第发现了电磁感应现象.( √ ) (3)小磁针在通电导线附近发生偏转的现象是电磁感应现象.( × ) (4)通电线圈在磁场中转动的现象是电流的磁效应.( × ) 2.如图 1 所示，条形磁铁 A 沿竖直方向插入线圈 B 的过程中，电流表 G 的指针________(填“不偏转”或“偏 转”)；若条形磁铁 A 在线圈 B 中保持不动，电流表 G 的指针________(填“不偏转”或“偏转”). 图 1 答案 偏转 不偏转 一、磁通量及其变化 如图所示，闭合导线框架的面积为 S，匀强磁场的磁感应强度为 B. (1)分别求出 B⊥S(图示位置)和 B∥S(线框绕 OO′转 90°)时，穿过闭合导线框架平面的磁通量. (2)由图示位置绕 OO′转过 60°时，穿过框架平面的磁通量为多少？这个过程中磁通量变化了多少？ 答案 (1)BS 0 (2)1 2 BS 减少了 1 2 BS 1.对磁通量的理解 (1)磁通量表示穿过某一面积的磁感线净条数的多少，与线圈匝数无关. (2)磁通量是标量，但有正、负，其正、负分别表示与规定的穿入方向相同、相反. 2.匀强磁场中磁通量的计算 (1)B 与 S 垂直时，Φ＝BS. (2)B 与 S 不垂直时，Φ＝BS⊥(S⊥为线圈在垂直磁场方向上的投影面积)或Φ＝B⊥S(B⊥为 B 垂直于线圈平面的 分量).如图 2 所示，Φ＝BSsinθ. 图 2 3.磁通量的变化 大致可分为以下几种情况： (1)磁感应强度 B 不变，有效面积 S 发生变化.如图 3(a)所示. (2)有效面积 S 不变，磁感应强度 B 发生变化.如图(b)所示. (3)磁感应强度 B 和有效面积 S 都不变，它们之间的夹角发生变化.如图(c)所示. 图 3 例 1 如图 4 所示，有一垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为 B，磁场有明显的圆形边界，圆心为 O， 半径为 r.现于纸面内先后放上圆形线圈 A、B、C，圆心均处于 O 处，线圈 A 的半径为 r，10 匝；线圈 B 的 半径为 2r,1 匝；线圈 C 的半径为r 2 ，1 匝. 图 4 (1)在磁感应强度 B 减为B 2 的过程中，线圈 A 和线圈 B 中的磁通量变化了多少？ (2)在磁场转过 90°角的过程中，线圈 C 中的磁通量变化了多少？转过 180°角呢？ 答案 (1)A、B 线圈的磁通量均减少了Bπr2 2 (2)减少了 1 4 Bπr2 减少了 1 2 Bπr2 解析 (1)A、B 线圈中的磁通量始终一样，故它们的变化量也一样. ΔΦ＝(B 2 －B)·πr2＝－Bπr2 2 即 A、B 线圈中的磁通量都减少了Bπr2 2 (2)对线圈 C，Φ1＝Bπr′2＝1 4 Bπr2 当磁场转过 90°时，Φ2＝0， 故ΔΦ1＝Φ2－Φ1＝－1 4 Bπr2 当转过 180°时，磁感线从另一侧穿过线圈，若取Φ1 为正，则Φ3 为负， 有Φ3＝－1 4 Bπr2，故ΔΦ2＝Φ3－Φ1＝－1 2 Bπr2. 例 2 磁通量是研究电磁感应现象的重要物理量，如图 5 所示，通有恒定电流的长直导线 MN 与闭合线框 共面，第一次将线框由位置 1 平移到位置 2，第二次将线框由位置 1 绕 cd 边翻转到位置 2，设先后两次通 过线框的磁通量变化量的大小分别为ΔΦ1 和ΔΦ2，则( ) 图 5 A.ΔΦ1>ΔΦ2 B.ΔΦ1＝ΔΦ2 C.ΔΦ1<ΔΦ2 D.无法确定 答案 C 解析 设闭合线框在位置 1 时穿过闭合线框的磁通量为Φ1，平移到位置 2 时穿过闭合线框的磁通量为Φ2， 导线 MN 中的电流产生的磁场在位置 1 处的磁感应强度比在位置 2 处要强，故Φ1>Φ2. 设以原来磁感线穿过的方向为正方向，则从另一面穿过的方向为负方向，将闭合线框从位置 1 平移到位置 2，穿过闭合线框的磁感线方向不变，所以ΔΦ1＝|Φ2－Φ1|＝Φ1－Φ2；将闭合线框从位置 1 绕 cd 边翻 转到位置 2，穿过闭合线框的磁感线反向，所以ΔФ2＝|(－Φ2)－Φ1|＝Φ1＋Φ2，故正确选项为 C. 二、感应电流产生的条件 1.实验：探究感应电流产生的条件 (1)如图 6 所示，导体 AB 做切割磁感线运动时，线路中________电流产生，而导体 AB 顺着磁感线运动时， 线路中________电流产生.(均填“有”或“无”) 图 6 (2)如图 7 所示，当条形磁铁插入或拔出线圈时，线圈中________电流产生，但条形磁铁在线圈中静止不动 时，线圈中________电流产生.(均填“有”或“无”) 图 7 (3)如图 8 所示，将小螺线管 A 插入大螺线管 B 中不动，当开关 S 闭合或断开时，电流表中________电流通 过；若开关 S 一直闭合，当改变滑动变阻器的阻值时，电流表中________电流通过；而开关一直闭合，滑 动变阻器的滑动触头不动时，电流表中________电流通过.(均填“有”或“无”) 图 8 (4)归纳总结： 实验一中：导体棒切割磁感线运动，回路面积发生变化，从而引起了磁通量的变化，产生了感应电流. 实验二中：磁铁插入或拔出线圈时，线圈中的磁场发生变化，从而引起了磁通量的变化，产生了感应电流. 实验三中：开关闭合、断开、滑动变阻器的滑动触头移动时，A 线圈中电流变化，从而引起穿过 B 的磁通 量变化，产生了感应电流. 三个实验共同特点是：产生感应电流时闭合回路的磁通量都发生了变化. 答案 (1)有 无 (2)有 无 (3)有 有 无 2.感应电流产生条件的理解 不论什么情况，只要满足电路闭合和磁通量发生变化这两个条件，就必然产生感应电流；反之，只要产生 了感应电流，那么电路一定是闭合的，且穿过该电路的磁通量也一定发生了变化. 3.区别ΔΦ与Φ 感应电流的产生与Φ无关，只取决于Φ的变化，即与ΔΦ有关.ΔΦ与Φ的大小没有必然的联系. 例 3 (多选)下图中能产生感应电流的是( ) 答案 BD 解析 A 选项中，电路没有闭合，无感应电流；B 选项中，面积增大，通过闭合电路的磁通量增大，有感 应电流；C 选项中，穿过圆环的磁感线相互抵消，磁通量恒为零，无感应电流；D 选项中，穿过闭合电路 的磁通量减小，有感应电流. [学科素养] 本题通过分析四种情况是否有感应电流的产生，加深了学生对磁通量概念、磁通量的变化的 理解，进一步掌握感应电流产生的两个条件：(1)闭合电路；(2)磁通量发生变化，二者缺一不可.通过这样 的训练锻炼了学生的归纳思维能力，较好地体现了“物理观念”和“科学思维”的学科素养. 例 4 (2018·温州中学高二上学期期中)金属矩形线圈 abcd 在匀强磁场中做如图所示的运动，线圈中有感 应电流的是( ) 答案 A 解析 在选项 B、C 中，线圈中的磁通量始终为零，不产生感应电流；选项 D 中磁通量始终最大，保持不 变，也没有感应电流；选项 A 中，在线圈转动过程中，磁通量做周期性变化，产生感应电流，故 A 正确. 判断部分导体做切割磁感线运动产生感应电流时应注意： 1导体是否将磁感线“割断”，如果没有“割断”就不能说切割.如例 4 中，A 图是真“切割”，B、C 图 中没有切断，是假“切割”. 2是否仅是闭合电路的一部分导体在磁场内做切割磁感线运动，如例 4D 图中 ad、bc 边都切割磁感线，由 切割不容易判断，则要回归到磁通量是否变化上去. 1.(产生感应电流条件的理解)(2018·台州中学高二统考)关于感应电流，下列说法中正确的是( ) A.只要穿过线圈的磁通量发生变化，线圈中就一定有感应电流 B.只要闭合导线做切割磁感线运动，导线中就一定有感应电流 C.穿过某闭合线圈的磁通量为零时，线圈电路中一定没有感应电流 D.当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，闭合电路中一定有感应电流 答案 D 解析 产生感应电流的条件：回路闭合、磁通量变化，即使某时刻穿过闭合电路的磁通量为 0，但只要磁 通量在变化，电路中就有感应电流，故选项 A、B、C 错误，D 正确. 2.(磁通量的理解)(多选)(2018·菱湖中学高二上学期期中)如图 9 所示，面积大小为 S 的矩形线圈 abcd，放 在磁感应强度为 B 的匀强磁场中，线圈可以绕垂直磁场方向的轴 O1O2 转动.下列说法中正确的是( ) 图 9 A.当线圈在图示位置时，穿过线圈的磁通量大小Φ＝BS B.当线圈从图示位置转过 90°时，穿过线圈的磁通量大小Φ＝0 C.当线圈从图示位置转过 180°的过程中，穿过线圈的磁通量的变化量大小ΔΦ＝0 D.当线圈从图示位置转过 360°的过程中，穿过线圈的磁通量的变化量大小ΔΦ＝BS 答案 AB 解析 矩形线圈 abcd 垂直于磁场放置，则穿过矩形线圈的磁通量是Φ1＝BS，故 A 正确；当线圈绕转轴转 过 90°时，线圈平面与磁场方向平行，穿过线圈的磁通量Φ2＝0，故 B 正确；当线圈从图示位置转过 180°， 则穿过矩形线圈的磁通量是Φ3＝－BS，穿过线圈的磁通量的变化量大小ΔΦ＝2BS，故 C 错误；当线圈从 图示位置转过 360°的过程中，穿过线圈的磁通量的变化量大小ΔΦ＝0，故 D 错误. 3.(磁通量的理解)如图 10 所示，a、b 是两个同平面、同心放置的金属圆环，条形磁铁穿过圆环且与两环平 面垂直，则穿过两圆环的磁通量Φa、Φb 的大小关系为( ) 图 10 A.Φa>Φb B.Φa<Φb C.Φa＝Φb D.不能比较 答案 A 解析 条形磁铁磁场的磁感线的分布特点是：①磁铁内、外磁感线的条数相同；②磁铁内、外磁感线的方 向相反；③磁铁外部磁感线的分布是两端密、中间疏.两个同心放置的同平面的金属圆环与磁铁垂直且磁铁 在中央时，通过其中一个圆环的磁感线的俯视图如图所示，穿过该圆环的磁通量Φ＝Φ进－Φ出，由于两圆 环面积 Sa＜Sb，两圆环的Φ进相同，而Φ出 a＜Φ出 b，所以穿过两圆环的有效磁通量Φa＞Φb，故 A 正确. 4.(产生感应电流的判断)(多选)如图 11 所示装置，在下列各种情况中，能使悬挂在螺线管附近的铜质闭合 线圈 A 中产生感应电流的是( ) 图 11 A.开关 S 闭合的瞬间 B.开关 S 闭合后，电路中电流稳定时 C.开关 S 闭合后，滑动变阻器触头滑动的瞬间 D.开关 S 断开的瞬间 答案 ACD 一、选择题 考点一 电磁感应现象的发现与认识 1.(2018·浙江 11 月选考)发现电流磁效应的物理学家是( ) A.法拉第 B.奥斯特 C.库仑 D.安培 答案 B 2.下列现象中，属于电磁感应现象的是( ) A.通电线圈在磁场中转动 B.因闭合线圈在磁场中运动而产生电流 C.磁铁吸引小磁针 D.小磁针在通电导线附近发生偏转 答案 B 解析 线圈在磁场中由于磁通量的变化而产生电流的现象叫电磁感应现象，B 正确.A 中通电线圈在磁场中 转动是因为受安培力作用，A 错误.D 是电流的磁效应，D 错误.C 中磁铁吸引小磁针是磁场的作用，C 错误. 3.如图 1 所示，磁带录放机既可用作录音，也可用作放音，其主要部件为匀速行进的磁带 a 和绕有线圈的 磁头 b，不论是录音过程还是放音过程，磁带或磁头软铁都会存在磁化现象.下面是对于它们在录音、放音 过程中主要工作原理的描述，正确的是( ) 图 1 A.放音的主要原理是电磁感应，录音的主要原理是电流的磁效应 B.录音的主要原理是电磁感应，放音的主要原理是电流的磁效应 C.放音和录音的主要原理都是磁场对电流的作用 D.录音和放音的主要原理都是电磁感应 答案 A 解析 在使用录放机进行放音和录音时，录音过程是由电信号转变为磁信号，而放音过程是把磁带上的磁 信号转变为电信号，故放音过程磁生电是电磁感应，录音过程电生磁是电流的磁效应，A 正确. 考点二 磁通量及其变化的分析 4.如图 2 所示，仅在虚线框内有匀强磁场，大环和小环是垂直于磁场方向放置的两个圆环，分别用Φ1 和 Φ2 表示穿过大、小两环的磁通量，则有( ) 图 2 A.Φ1>Φ2 B.Φ1<Φ2 C.Φ1＝Φ2 D.无法确定 答案 C 解析 对于大环和小环来说，磁感线的净条数相等，所以选 C. 5.(2018·温州中学高二上学期期中)如图 3 所示，半径为 R 的圆形线圈共有 n 匝，其中心位置处半径为 r(r ＜R)的范围内有匀强磁场，磁场方向垂直线圈平面，若磁感应强度为 B，则穿过线圈的磁通量为 ( ) 图 3 A.πBR2 B.πBr2 C.nπBR2 D.nπBr2 答案 B 解析 由磁通量的定义式知Φ＝BS＝πBr2，故 B 正确. 6.如图 4 所示，线圈 ABCO 的面积为 0.4m2，匀强磁场的磁感应强度 B＝0.1T，方向为 x 轴正方向.在线圈由 图示位置绕 z 轴向下转过 60°的过程中，通过线圈的磁通量改变量为( ) 图 4 A.3.46×10－2Wb B.2×10－2Wb C.0 D.4×10－2Wb 答案 A 解析 在题图实线位置时，线圈平面与磁场方向平行，通过线圈的磁通量Φ1＝0；当线圈由题图所示位置 绕 z 轴向下转过 60°时，磁通量为Φ2＝BSsin 60°＝0.1×0.4× 3 2 Wb≈3.46×10－2 Wb，则通过线圈的磁通量 改变量为ΔΦ＝Φ2－Φ1＝3.46×10－2Wb，A 正确. 7.如图 5 所示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经过中间位置Ⅱ到达位置Ⅲ时，穿过线框的磁通量变化情 况为( ) 图 5 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 答案 B 解析 条形磁铁的磁感线分布如图所示，两端磁感线分布密集，中间磁感线分布稀疏，线框在位置Ⅱ时磁 通量最小，故从Ⅰ经Ⅱ到Ⅲ，磁通量先减少后增加，选项 B 正确. 考点三 有无感应电流的判断 8.(多选)某实验小组利用如图 6 所示装置，探究感应电流的产生条件.图中 A 是螺线管，条形磁铁的 S 极置 于螺线管内，磁铁保持静止状态，B 为灵敏电流计，开关 K 处于断开状态，电路连接和各仪器均正常.下列 关于实验现象的说法正确的是( ) 图 6 A.K 闭合前，通过螺线管的磁通量为零 B.K 闭合瞬间，通过螺线管的磁通量不变 C.K 闭合瞬间，灵敏电流计指针不发生偏转 D.K 闭合，抽出磁铁过程中，灵敏电流计指针发生偏转 答案 BCD 9.(多选)(2018·西湖高级中学高二上学期期中)如图 7 所示，竖直放置的长直导线通以恒定电流，有一矩形 线圈与导线在同一平面内，在下列状况中线框中不能产生感应电流的是( ) 图 7 A.线框向右平动 B.线框以导线为轴转动 C.线框向下平行于导线移动 D.线框以 ad 边为轴转动 答案 BC 10.如图所示，矩形线框在足够大的匀强磁场中做的各种运动中，能够产生感应电流的是( ) 答案 B 解析 矩形线框中磁通量变化的只有 B 图，因此只有 B 图能产生感应电流，故选 B. 11.(多选)如图 8 所示，线圈 abcd 在磁场区域 ABCD 中，下列哪种情况下线圈中有感应电流产生( ) 图 8 A.把线圈变成圆形(周长不变) B.使线圈在磁场中加速平移 C.使磁场增强或减弱 D.使线圈以过 ab 的直线为轴旋转 答案 ACD 解析 把线圈变成圆形(周长不变)，线圈面积变大，通过线圈的磁通量增大，线圈中有感应电流产生，A 正确；使线圈在磁场中加速平移，通过线圈的磁通量不变，线圈中没有感应电流产生，B 错误；使磁场增 强或减弱，通过线圈的磁通量增大或减小，线圈中有感应电流产生，C 正确；使线圈以过 ab 的直线为轴旋 转，线圈在磁场中的有效面积发生变化，线圈中磁通量发生变化，线圈中有感应电流产生，D 正确. 12.(多选)如图 9 所示，在匀强磁场中有两条平行的金属导轨，磁场方向与导轨平面垂直.导轨上有两条可沿 导轨自由移动的金属棒 ab、cd，与导轨接触良好.这两条金属棒 ab、cd 的运动速度分别是 v1、v2，若井字 形回路中有感应电流通过，则可能( ) 图 9 A.v1>v2 B.v1