高中物理第1章电磁感应1磁生电的探索课件鲁科版选修3_2-71张 71页

第 1 章　电 磁 感 应 第 1 节　磁生电的探索 　 一、电磁感应的探索历程 事件 意义 电生磁 1820 年 , 奥斯特发现了电流的磁效应 拉开了研究电与磁相互关系的序幕 磁生电 菲涅耳、安培、科拉顿、亨利等致力于磁 生电的研究 科学探索是曲折的 , 真理追求是执着的 1831 年 ,_______ 发现 了电磁感应现象 揭示了电和磁的内在联系 , 引领人类进入电气时代 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 ): 实验操作 实验现象 ( 有无电流 ) 分析论证 导体棒静止 无 闭合电路包围的 面积变化时 , 电路 中 ___ 电流产生 ; 闭合电路包围的 面积不变时 , 电路 中 ___ 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 有 无 2. 探究磁铁在通电螺线管中运动是否产生电流 ( 如图 ): 实验操作 实验现象 ( 有无电流 ) 分析论证 N 极插入线圈 有 线圈中的磁场变 化时 , 线圈中有感 应电流 ; 线圈中的 磁场 _____ 时 , 线 圈中无感应电流 N 极停在线圈中 无 N 极从线圈中抽出 有 S 极插入线圈 有 S 极停在线圈中 无 S 极从线圈中抽出 有 不变 3. 模拟法拉第的实验 ( 如图 ): 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 有 线圈 B 中磁场 ___ ___ 时 , 线圈 B 中有 感应电流 ; 磁场 _____ 时 , 线圈 B 中无感应电流 开关断开瞬间 有 开关保持闭合 , 滑 动变阻器滑片不动 无 开关保持闭合 , 迅速移 动滑动变阻器的滑片 有 变 化 不变 4. 实验结论 : 利用磁场产生电流的条件 : 只要穿过 _____ 电路的 ___ _____ 发生 _____, 闭合电路中就会产生电流。 闭合 磁 通量 变化 【 思考辨析 】 (1) 奥斯特发现了“电生磁”的现象之后 , 激发人们去探索“磁生电”的方法。 ( 　　 ) (2) 法拉第不但发现了电流的磁效应 , 还发现了电磁感应现象。 ( 　　 ) (3) 磁通量有正、负之分 , 所以磁通量是矢量。 ( 　　 ) (4) 电路中的磁通量发生变化就会产生感应电流。 ( 　　 ) (5) 穿过闭合线圈的磁通量发生变化 , 一定能产生感应电流。 ( 　　 ) (6) 闭合线圈做切割磁感线运动 , 一定能产生感应电流。 ( 　　 ) 提示 : (1)√ 。根据物理学史 ,(1) 正确。 (2)× 。电流的磁效应是奥斯特发现的。 (3)× 。磁通量是标量。 (4)× 。根据感应电流的产生条件 (4) 错。 (5)√ 。根据感应电流的产生条件 (5) 对。 (6)× 。闭合线圈做切割磁感线运动 , 若磁通量不变 , 也不能产生感应电流。 一　磁通量及磁通量的变化 【 典例 】 (2019· 厦门高二检测 ) 如图所示 , 下列各种情况中 , 穿过回路的磁通量增大的有 ( 　　 ) A. 图 ( 甲 ) 所示 , 在匀强磁场中 , 先把由弹簧状导线组成的回路撑开 , 而后放手 , 到恢复原状的过程中 B. 图 ( 乙 ) 所示 , 裸铜线 ab 在裸金属导轨上向右匀速运动过程中 C. 图 ( 丙 ) 所示 , 条形磁铁拔出线圈的过程中 D. 图 ( 丁 ) 所示 , 闭合线框远离与它在同一平面内通电直导线的过程中 【 解题探究 】 (1) 磁通量的公式为 __________________________ (2) 改变磁通量的方法 :_____________ 。 Φ=BSsinθ 或 Φ=BScosθ 。  改变 B 、 S 或 θ 【 解析 】 选 B 。由 Φ=BS 得 , 题图 ( 甲 ) 穿过回路的磁通量随闭合回路面积的减小而减小 ; 题图 ( 乙 ) 穿过回路的磁通量随闭合回路面积的增大而增加 ; 题图 ( 丙 ) 穿过线圈的磁通量随磁极的远离而减小 ; 题图 ( 丁 ) 离通电直导线越远 , 磁场越弱 ; 穿过线框的磁通量越小 , 故选项 B 正确。 【 核心归纳 】 1. 磁通量 Φ 与其变化量 ΔΦ 的区别 : 磁通量 Φ 磁通量的变化量 ΔΦ 物理意义 某时刻穿过某个面的磁感线条数 始末时刻穿过某个面的磁通量的差值 大小计算 Φ=B·S,S 为闭合回路线圈在垂直于磁场方向上的有效面积 ΔΦ=Φ 2 -Φ 1 ΔΦ=B·ΔS(B 不变 ) 或 ΔΦ=S·ΔB(S 不变 ) 磁通量 Φ 磁通量的变化量 ΔΦ 说明 穿过某个面有方向相反的磁场 , 则不能直接用 Φ=B·S, 应考虑方向相反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=-2B·S, 而不是零 2. 磁通量的变化 : (1) 由于磁场变化而引起闭合电路的磁通量的变化 ①由于磁场和闭合回路的相对运动改变磁场 , 如图甲所示 , 当磁铁向下移动时 , 通过线圈的磁通量增加。 ② 由于电流改变而改变磁场 , 如图乙所示 , 当直线电流 I 增大时 , 线圈 abcd 中的磁通量增加。 (2) 磁场不变 , 由于处在磁场中的闭合电路的面积 S 发生变化而引起磁通量的变化 ①闭合回路与磁场的夹角保持不变 , 改变闭合回路的面积 , 如图甲所示。用力将闭合金属弹簧圈拉大的过程 , 线圈磁通量减小。 ② 闭合回路的一部分导体做切割磁感线运动而使闭合回路磁通量改变 , 如图乙所示。当导体棒 ab 向右运动时 , 闭合回路的磁通量减小。 ③ 由于闭合回路和磁场的夹角改变从而改变有效面积 , 如图丙所示 , 线框 abcd 绕 OO′ 轴转动。 ④ 由于磁场和处在磁场中闭合回路面积都发生变化时 , 引起穿过闭合回路的磁通量发生变化。 【 易错提醒 】 (1) 磁通量是标量 , 但有“正、负” , 磁通量的正、负号并不表示磁通量的方向 , 它的符号仅表示磁感线贯穿的方向。 (2) 线圈为多匝时 , 磁通量计算不受影响 , 因为穿过线圈的磁感线的条数不受匝数影响。 【 过关训练 】 1.(2019· 南平高二检测 ) 如图所示 ,ab 是水平面上一个圆的直径 , 在过 ab 的竖直平面内有一根通电导线 ef 。已知 ef 平行于 ab, 当 ef 竖直向上平移时 , 穿过圆面积的磁通量将 ( 　　 ) A. 逐渐增大 B. 逐渐减小 C. 始终为零 D. 不为零 , 但保持不变 【 解析 】 选 C 。利用安培定则判断直线电流产生的磁场 , 作出俯视图 , 如图所示。考虑到磁场具有对称性 , 可以知道穿入圆面积的磁感线的条数与穿出圆面积的磁感线的条数是相等的 , 故选 C 。 2.(2019· 莆田高二检测 ) 如图所示 ,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 , 则通过两圆环的磁通量 Φ a 、 Φ b ( 　　 ) A.Φ a >Φ b 　 B.Φ a <Φ b C.Φ a =Φ b D. 无法比较 【 解析 】 选 A 。 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 , 通过其中的磁感线的俯视图如图所示 , 穿过圆环的磁通量 Φ=Φ 进 -Φ 出 , 由于两圆环面积 S a Φ b , 故 A 正确。 3. 磁通量是研究电磁感应现象的重要物理量 , 如图所示 , 通有恒定电流的直导线 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, 设前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 。第一次将线框由位置 1 平移到位置 2, 磁感线从线框的同一侧穿入 ,ΔΦ 1 为前后两位置磁通量的绝对值之差 ; 第二次将线框由位置 1 绕 cd 边翻转到位置 2, 磁感线从线框的不同侧穿入 ,ΔΦ 2 为前后两位置磁通量的绝对值之和 , 故 ΔΦ 1 <ΔΦ 2 。选项 C 正确。 【 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 。 二　感应电流是否产生的判断 【 典例 】 ( 多选 ) (2019· 福州高二检测 ) 某一实验装置如图所示 , 在铁芯 P 上绕着两个线圈 A 和 B, 如果线圈 A 中的电流 I 和时间 t 的关系有下列 A 、 B 、 C 、 D 四种情况 , 则在 t 1 ～ t 2 这段时间内 , 线圈 B 中有感应电流的是 ( 　　 ) 【 解析 】 选 B 、 C 、 D 。线圈 A 中通有电流时 , 螺线管会产生磁场 , 当电流发生变化时会引起磁场的变化 , 从而使线圈 B 中的磁通量发生变化 , 线圈 B 中将产生感应电流 , 所以选项 B 、 C 、 D 正确。 【 核心归纳 】 1. 对感应电流产生条件的理解 : (1) 两个条件均为必要条件 , 缺一不可。 (2) 闭合电路中是否产生感应电流 , 取决于穿过回路的磁通量是否发生变化。 2. 判断有无感应电流的基本步骤 : (1) 明确所研究的电路是否为闭合电路。 (2) 分析最初状态穿过电路的磁通量情况。 (3) 根据相关量变化的情况分析穿过闭合电路的磁通量是否发生变化。常见的情况有以下几种 : ① 磁感应强度 B 不变 , 线圈面积 S 发生变化 , 例如闭合电路的一部分导体切割磁感线时。 ②线圈面积 S 不变 , 磁感应强度 B 发生变化 , 例如线圈与磁体之间发生相对运动时或者磁场是由通电螺线管产生而螺线管中的电流变化时。 ③ 磁感应强度 B 和线圈面积 S 同时发生变化 , 此时可由 ΔΦ=Φ 1 -Φ 0 计算并判断磁通量是否发生变化。 ④线圈面积 S 不变 , 磁感应强度 B 也不变 , 但二者之间的夹角发生变化 , 例如线圈在磁场中转动时。 【 易错提醒 】 (1) 在闭合回路中是否产生感应电流 , 取决于穿过回路的磁通量是否发生变化 , 而不是取决于回路有无磁通量。 (2) 闭合回路的部分导体做切割磁感线运动是引起回路磁通量变化的具体形式之一 ; 闭合回路的部分导体做切割磁感线运动时 , 不一定总会引起闭合回路的磁通量变化。 【 过关训练 】 1. 下列现象中 , 属于电磁感应现象的是 ( 　　 ) A. 接入电路后的电流表指针发生了偏转 B. 变化的磁场使闭合电路产生感应电流 C. 插入通电螺线管中的软铁棒被磁化 D. 接通电源后的电铃不断发出响声 【 解析 】 选 B 。 A 中指针偏转是靠磁场对电流的作用 ,A 错 ;B 中变化的磁场引起闭合回路磁通量的变化 , 产生感应电流 , 属于电磁感应现象 ,B 对 ;C 中软铁棒被磁化是磁现象 ,C 错 ; 通电的电铃不断发出铃声是利用了电流的磁效应 ,D 错。 2.(2019· 三明高二检测 ) 某同学做观察电磁感应现象的实验 , 将电流表、线圈 A 和 B 、蓄电池、开关用导线连接成如图所示的实验电路 , 当他接通、断开开关时 , 电流表的指针都没有偏转 , 其原因是 ( 　　 ) A. 开关位置接错 B. 电流表的正、负极接反 C. 线圈 B 的接头 3 、 4 接反 D. 蓄电池的正、负极接反 【 解析 】 选 A 。题图中所示连接的开关不能控制含有电源的电路中电流的通断 , 而本实验的内容之一就是研究在开关通断瞬间 , 电流的有无导致磁场变化 , 进而产生感应电流的情况 , 但图中的接法却达不到目的。 3. 探究产生感应电流条件的实验步骤如图甲、乙、丙所示。 (1) 本实验中 , 我们通过观察 ________ 来判断电路中是否有感应电流。  (2) 通过比较图甲和丙可知 , 产生感应电流的一个条件是电路要 ________; 通过比较图 ________ 可知 , 产生感应电流的另一个条件是导体要在磁场中做切割磁感线运动。  (3) 若图甲中 AB 棒不动 , 磁铁左右水平运动 , 电路 ________( 选填“有”或“无” ) 感应电流。  (4) 在产生感应电流的实验中 , 将 ________ 能转化为电能 , 生活中的 ________ 机就是根据上述原理工作的。  【 解析 】 (1) 实验时 , 通过观察电流表的指针是否偏转 , 来确定电路中是否产生感应电流。 (2) 甲电路是闭合电路 , 电流表的指针发生偏转 , 说明电 路中产生了感应电流。丙电路是断开的 , 电流表的指针 没有偏转 , 说明电路中没有产生感应电流。由此可知 , 产生感应电流的一个条件是电路要闭合。要得出产生 感应电流的另一个条件是导体要在磁场中做切割磁感线运动 , 这两次实验只有一次实验导体在磁场中做切割磁感线运动 , 一次实验导体在磁场中不做切割磁感线运动。由此比较可以确定要选用甲图和乙图。 (3) 在甲图中 , 电路是闭合的 ; 若 AB 棒不动 , 磁体运动 , 利用运动和静止的相对性可以确定 ,AB 棒也做切割磁感线运动。具备了感应电流产生的两个条件 , 所以电路中有电流产生。 (4) 电磁感应现象中 , 消耗了机械能 , 得到了电能。利用电磁感应现象制成了发电机。 答案 : (1) 电流表指针是否偏转　 (2) 闭合　甲和乙　 (3) 有　 (4) 机械　发电 【 补偿训练 】 如图所示 , 各导体框在匀强磁场中的运动方向图中已标出 , 能产生感应电流的是 ( 　　 ) 【 解析 】 选 D 。 A 图中 , 回路不闭合 , 回路中无感应电流。 B 、 C 中虽有切割且回路闭合 , 但磁通量不发生变化 , 回路中无感应电流。 【 拓展例题 】 考查内容 : 感应电流产生条件的探究 【 典例 】 现将电池组、滑动变阻器、带铁芯的线圈 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 中铁芯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 中铁芯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 。