2021届高考物理一轮复习10第1讲电磁感应现象楞次定律练习含解析 14页

第1讲 电磁感应现象 楞次定律 考点一　电磁感应现象的理解和判断 ‎【典例1】在法拉第时代，下列验证“由磁产生电”设想的实验中，能观察到感应电流的是 (　　)‎ A.将绕在磁铁上的线圈与电流表组成一闭合回路，然后观察电流表的变化 B.在一通电线圈旁放置一连有电流表的闭合线圈，然后观察电流表的变化 C.将一房间内的线圈两端与相邻房间的电流表连接，往线圈中插入条形磁铁后，再到相邻房间去观察电流表的变化 D.绕在同一铁环上的两个线圈，分别接电源和电流表，在给线圈通电或断电的瞬间，观察电流表的变化 ‎【通型通法】‎ ‎1.题型特征：电磁感应现象的判断。‎ ‎2.思维导引：‎ 判断是否产生感应电流的流程：‎ ‎(1)确定要研究的回路。‎ ‎(2)弄清楚回路内的原磁场分布，并确定穿过该回路的磁通量Φ。‎ ‎(3)Φ不变→无感应电流 Φ变化→‎ ‎【解析】选D。本题以验证“由磁产生电”设想的实验为背景，主要考查电磁感应现象。产生感应电流必须满足的条件：①电路闭合；②穿过闭合电路的磁通量要发生变化。选项A、B电路闭合，但磁通量不变，不能产生感应电流，故选项A、B不能观察到电流表的变化；选项C满足产生感应电流的条件，也能产生感应电流，但是等我们从一个房间到另一个房间后，电流表中已没有电流，故选项C也不能观察到电流表的变化；选项D满足产生感应电流的条件，能产生感应电流，可以观察到电流表的变化，所以选项D正确。‎ ‎【多维训练1】现将电池组、滑动变阻器、带铁芯的线圈A、线圈B、灵敏电流计及开关按如图所示连接。下列说法中正确的是 (　　)‎ 14‎ A.开关闭合后，线圈A插入或拔出线圈B都会引起灵敏电流计指针偏转 B.线圈A插入线圈B中后，开关闭合和断开的瞬间灵敏电流计指针均不会偏转 C.开关闭合后，滑动变阻器的滑片P匀速滑动，会使灵敏电流计指针静止在中央零刻度 D.开关闭合后，只有滑动变阻器的滑片P加速滑动，灵敏电流计指针才能偏转 ‎【解析】选A。开关闭合后，线圈A插入或拔出线圈B都会引起穿过线圈B的磁通量的变化，从而使灵敏电流计指针偏转，选项A正确；线圈A插入线圈B中后，开关闭合和断开的瞬间，线圈B的磁通量会发生变化，灵敏电流计指针会偏转，选项B错误；开关闭合后，滑动变阻器的滑片P无论匀速滑动还是加速滑动，都会导致线圈A的电流变化，使线圈B的磁通量变化，灵敏电流计指针都会发生偏转，选项C、D错误。‎ ‎【多维训练2】如图所示，一个U形金属导轨水平放置，其上放有一个金属导体棒ab，有一磁感应强度为B的匀强磁场斜向上穿过导轨平面，且与竖直方向的夹角为θ。在下列各过程中，一定能在导轨回路里产生感应电流的是 ‎(　　)‎ A.ab向右运动，同时使θ减小 B.使磁感应强度B减小，θ同时也减小 C.ab向左运动，同时增大磁感应强度B D.ab向右运动，同时增大磁感应强度B和θ(0°<θ<90°)‎ ‎【解析】选A。设此时回路面积为S，据题意，磁通量Φ=BScosθ，ab向右运动，S增大，θ减小，cosθ增大，则Φ增大，选项A正确；B减小，θ减小，cosθ增大，Φ可能不变，选项B错误；ab向左运动，S减小，B增大，Φ可能不变，选项C错误；ab向右运动，S增大，B增大，θ增大，cosθ减小，Φ可能不变，选项D错误。‎ 14‎ ‎1.判断能否产生电磁感应现象，关键是看回路的磁通量是否发生了变化。磁通量的变化量ΔΦ=Φ2-Φ1有多种形式，主要有：‎ ‎(1)S、θ不变，B改变，这时ΔΦ=ΔB·Ssinθ；‎ ‎(2)B、θ不变，S改变，这时ΔΦ=ΔS·Bsinθ；‎ ‎(3)B、S不变，θ改变，这时ΔΦ=BS(sinθ2-sinθ1)。‎ ‎(4)B、θ、S都变，这时ΔΦ=B2S2sinθ2-B1S1sinθ1。‎ ‎2.常见的产生感应电流的三种情况：‎ 考点二　判断感应电流方向的两种方法 由楞次定律判断感应电流的方向 ‎【典例2】现代汽车中有一种防抱死系统(简称ABS)，该系统有一个自动检测车速的装置，用来控制车轮的转动，其原理如图所示：铁质齿轮P与车轮同步转动，右侧紧靠有一个绕有线圈的条形磁体，磁体的左端是S极，右端是N极，M是一个电流检测器。当车轮带动齿轮转动时，这时由于铁齿靠近或离开线圈时，使穿过线圈的磁通量发生变化，导致线圈中产生了感应电流。这个脉冲电流信号经放大后去控制制动机构，可有效地防止车轮制动时被抱死。在齿A从图中所示位置顺时针转到虚线位置的过程中，M中的感应电流方向为 (　　)‎ A.—直从右向左 B.—直从左向右 C.先从右向左，后从左向右 14‎ D.先从左向右，后从右向左 ‎【通型通法】‎ ‎1.题型特征：磁场变化产生感应电流。‎ ‎2.思维导引：‎ ‎(1)先判断原磁场的方向和变化情况；‎ ‎(2)确定感应电流的磁场方向；‎ ‎(3)根据楞次定律判断感应电流的方向。‎ ‎【解析】选D。当铁齿靠近磁体时被磁化，其产生的磁场使通过线圈的磁通量增大，先是齿A下面的铁齿离开，穿过线圈的磁通量向右减小，接着齿A靠近，穿过线圈的磁通量向右增加，所以感应电流磁场先向右再向左，根据右手螺旋定则判断M中的感应电流方向先从左向右，后从右向左，故本题答案为选项D。‎ ‎【多维训练】M和N是绕在一个环形铁芯上的两个线圈，绕法和线路如图所示。现将变阻器R1的滑片从a端逐渐向b端移动的过程中，对通过电阻R2的电流分析正确的是 (　　)‎ A.R2中有电流，方向由c流向d B.R2中有电流，方向由d流向c C.R2中无电流，原因是R2回路没有接外电源 D.R2中无电流，原因是N线圈没有切割磁感线 ‎【解析】选A。根据右手螺旋定则可知，线圈M左端是S极，右端是N极。现将变阻器R1的滑片从a端逐渐向b端移动的过程中，电阻减小，电流增大，磁场增强，导致向左穿过线圈N的磁通量增大，则由楞次定律可得：R2中有电流，方向由c流向d，故本题答案为选项A。‎ 由右手定则判断感应电流的方向 ‎【典例3】(2019·黄山模拟)两根相互平行的金属导轨水平放置于如图所示的匀强磁场中，在导轨上与导轨接触良好的导体棒AB和CD可以自由滑动。当AB在外力F作用下向右运动时，下列说法中正确的是 (　　)‎ 14‎ A.导体棒CD内有电流通过，方向是D→C B.导体棒CD内有电流通过，方向是C→D C.磁场对导体棒CD的作用力向左 D.磁场对导体棒AB的作用力向右 ‎【通型通法】‎ ‎1.题型特征：导体棒切割磁感线产生感应电流。‎ ‎2.思维导引：判断时注意掌心、拇指、四指的方向：掌心——磁感线垂直穿入；拇指——指向导体运动的方向；四指——指向感应电流的方向。‎ ‎【解析】选B。两个导体棒与两根金属导轨构成闭合回路，当AB向右运动时，由右手定则判定导体棒AB中感应电流的方向是B→A，则导体棒CD中的电流方向为C→D，选项A错误、选项B正确；再根据左手定则，判定导体棒CD受到的磁场力向右、导体棒AB受到的磁场力向左，选项C、D错误。‎ ‎【多维训练】MN、GH为光滑的水平平行金属导轨，ab、cd为跨在导轨上的两根金属杆，匀强磁场垂直穿过MN、GH所在的平面，如图所示，则 (　　)‎ A.若固定ab，使cd向右滑动，则abdc回路有电流，电流方向由a到b到d到c B.若ab、cd以相同的速度一起向右滑动，则abdc回路有电流，电流方向由c到d到b到a C.若ab向左、cd向右同时运动，则abdc回路电流为0‎ D.若ab、cd都向右运动，且两棒速度vc d>va b，则abdc回路有电流，电流方向由c到d到b到a ‎【解析】选D。若固定ab，使cd向右滑动，由右手定则知应产生顺时针方向的电流，选项A错误；若ab、cd同向运动且速度大小相同，ab、cd所围的面积不变，磁通量不变，不产生感应电流，选项B错误；若ab向左、cd向右同时运动，则abdc回路中有顺时针方向的电流，选项C错误；若ab、cd都向右运动，且vcd>vab，则ab、cd所围的面积增大，磁通量也增加，故由楞次定律可判断出产生由c到d到b到a的电流，选项D正确。‎ 14‎ 1.判断感应电流的方法：‎ ‎(1)楞次定律；‎ ‎(2)右手定则。‎ ‎2.用楞次定律判断感应电流方向的“四步法”‎ ‎3.楞次定律中“阻碍”的含义 考点三　楞次定律的推广应用 来拒去留 ‎【典例4】如图所示，弹簧上端固定，下端悬挂一个磁铁。如果在磁铁的下端的水平桌面上放一个固定的闭合线圈，并使磁极上下振动。磁铁在向下运动的过程中，下列说法正确的是 (　　)‎ A.线圈给它的磁场力始终向上 B.线圈给它的磁场力先向上再向下 14‎ C.线圈给它的磁场力始终向下 D.线圈给它的磁场力先向下再向上 ‎【解析】选A。根据楞次定律的“来拒去留”，则当磁铁在向下运动的过程中，线圈产生感应电流，形成感应磁场，从而阻碍磁铁的向下运动，则线圈给它的磁场力始终向上，故本题答案为选项A。‎ 增反减同 ‎【典例5】如图所示，一个N极朝下的条形磁铁竖直下落，恰能穿过水平放置的固定矩形导线框，则 (　　)‎ A.磁铁经过位置①时，线框中感应电流沿abcd方向；经过位置②时，线框中感应电流沿adcb方向 B.磁铁经过位置①时，线框中感应电流沿adcb方向；经过位置②时，线框中感应电流沿abcd方向 C.磁铁经过位置①和②时，线框中的感应电流都沿abcd方向 D.磁铁经过位置①和②时，线框中感应电流都沿adcb方向 ‎【通型通法】‎ ‎1.题型特征：增反减同。‎ ‎2.思维导引：‎ ‎(1)当原磁场的磁通量增加时感应电流的磁场与原磁场方向相反。‎ ‎(2)当原磁场的磁通量减小时感应电流的磁场与原磁场方向相同。‎ ‎【解析】选A。当磁铁经过位置①时，穿过线框的磁通量向下且不断增加，由增反减同可确定感应电流的磁场方向向上，阻碍磁通量的增加，根据右手螺旋定则可判定感应电流应沿abcd方向；当磁铁经过位置②时，穿过线框的磁通量向下且不断减少，由增反减同可确定感应电流的磁场方向向下，阻碍磁通量的减少，根据右手螺旋定则可判定感应电流沿adcb方向，故本题答案为选项A。‎ 14‎ ‎【多维训练】(多选)如图所示，两个条形磁铁的N极和S极相向水平放置，一竖直放置的矩形线框从两个磁铁之间正上方由静止落下，并从两磁铁中间穿过。下列关于线框受到的安培力及从右向左看感应电流的方向说法正确的是 ‎(　　)‎ A.感应电流方向先沿逆时针方向，后沿顺时针方向 B.感应电流方向先沿顺时针方向，后沿逆时针方向 C.安培力方向一直竖直向上 D.安培力方向先竖直向上，后竖直向下 ‎【解析】选B、C。由题图可知，中间磁感应强度最大，而向上或向下磁感应强度均越来越小，故在线框从高处下落的过程中，穿过线框的磁通量一直向右，且先增大后减小，根据增反减同知，感应电流的磁场方向先向左后向右，由右手螺旋定则知感应电流方向从右向左看先沿顺时针方向后沿逆时针方向，选项A错误、选项B正确；根据来拒去留知，产生的感应电流一直阻碍物体间的相对运动，则安培力方向一直竖直向上，选项C正确、选项D错误。‎ 增缩减扩 ‎【典例6】如图所示，圆环形导体线圈a平放在水平桌面上，在a的正上方固定一竖直螺线管b，二者轴线重合，螺线管与电源和滑动变阻器连接成如图所示的电路。若将滑动变阻器的滑片P向下滑动，下列表述正确的是 (　　)‎ A.俯视时线圈a中将产生顺时针方向的感应电流 B.穿过线圈a的磁通量减小 C.线圈a有扩张的趋势 D.线圈a对水平桌面的压力N将增大 ‎【通型通法】‎ 14‎ ‎1.题型特征：增缩减扩。‎ ‎2.思维导引：‎ ‎(1)当原磁场的磁通量增加时闭合回路的面积有缩小的趋势，以阻碍磁通量的增大。‎ ‎(2)当原磁场的磁通量减小时闭合回路的面积有扩大的趋势，以阻碍磁通量的减小。‎ ‎【解析】选D。根据右手螺旋定则判断出螺线管b所产生的磁场方向，滑片P向下滑动，滑动变阻器接入电路的电阻减小，电路中电流增大，所产生的磁场的磁感应强度增强，穿过线圈a的磁通量增大，选项B错误；根据增反减同可知，线圈a中所产生的感应电流的磁场方向与螺线管b的磁场方向相反，再由右手螺旋定则可得线圈a中的电流方向为俯视逆时针方向，选项A错误；根据增缩减扩可知，线圈a有缩小的趋势，选项C错误；为阻碍磁通量的增加，线圈a还有远离螺线管的趋势，对水平桌面的压力将增大，选项D正确。‎ ‎【多维训练】(多选)如图甲所示，在一螺线管内部中点处放置一小铜环；如图乙所示，在一螺线管外部放置一大铜环，闭合开关的瞬间，下列说法正确的是 ‎(　　)‎ A.从左往右看，两个铜环中都有沿顺时针方向的感应电流 B.从左往右看，小铜环中有顺时针方向的感应电流，大铜环中有逆时针方向的感应电流 C.两个铜环都有收缩的趋势 D.小铜环有收缩的趋势，大铜环有扩张的趋势 ‎【解析】选A、D。题图甲中通过小铜环的是螺线管内部的部分磁感线，题图乙中通过大铜环的是螺线管内部的所有磁感线与螺线管外部的部分磁感线的差值。闭合开关瞬间，穿过两铜环的磁通量均向左增大，根据楞次定律，则铜环中的感应电流的磁场的方向向右，从左往右看，铜环中感应电流沿顺时针方向，选项A正确、选项B错误；闭合开关的瞬间，穿过铜环的磁通量向左增大，根据增缩减扩可知，题图甲中小铜环有收缩的趋势，题图乙中大铜环有扩张的趋势，选项C错误、选项D正确。‎ 14‎ 楞次定律中“阻碍”的含义可以推广为：感应电流的效果总是阻碍引起感应电流的原因。列表说明如下：‎ ‎【加固训练】‎ 如图所示，两个相互绝缘的闭合圆形线圈P、Q放在同一水平面内。当线圈P中通有不断增大的顺时针方向的电流时，下列说法中正确的是 (　　)‎ A.线圈Q内有顺时针方向的电流且有收缩的趋势 B.线圈Q内有顺时针方向的电流且有扩张的趋势 C.线圈Q内有逆时针方向的电流且有收缩的趋势 14‎ D.线圈Q内有逆时针方向的电流且有扩张的趋势 ‎【解析】选D。当线圈P中通有不断增大的顺时针方向的电流时，知穿过线圈Q的磁通量垂直向里且不断增大，根据楞次定律知，线圈Q产生逆时针方向的电流，根据增缩减扩可知，线圈Q有扩张的趋势，以阻碍磁通量的增大。故本题答案为选项D。‎ 考点四　三定则一定律的综合应用 一次感应 ‎【典例7】(多选)(2018·全国卷Ⅰ) 如图，两个线圈绕在同一根铁芯上，其中一线圈通过开关与电源连接，另一线圈与远处沿南北方向水平放置在纸面内的直导线连接成回路。将一小磁针悬挂在直导线正上方，开关未闭合时小磁针处于静止状态。下列说法正确的是 (　　)‎ A.开关闭合后的瞬间，小磁针的N极朝垂直纸面向里的方向转动 B.开关闭合后并保持一段时间后，小磁针的N极指向垂直纸面向里的方向 C.开关闭合后并保持一段时间后，小磁针的N极指向垂直纸面向外的方向 D.开关闭合后并保持一段时间再断开后的瞬间，小磁针的N极朝垂直纸面向外的方向转动 ‎【通型通法】‎ ‎1.题型特征：一次感应。‎ ‎2.题型解码：‎ ‎(1)干电池通电或断开的瞬间，根据楞次定律判断出感应电流的方向。‎ ‎(2)结合安培定则得出通电直导线周围磁场的方向，从而确定指南针的偏转方向。‎ ‎(3)需判断安培力的方向时要用左手定则确定安培力方向，有时也可以直接用楞次定律的推广应用确定。‎ ‎【解析】选A、D。开关闭合后的瞬间，根据安培定则可知，两线圈内的磁场方向水平向右。因为线圈内的磁通量增加，根据楞次定律可判断直导线内的电流方向由南到北，再根据安培定则可知直导线内的电流在正上方产生的磁场方向垂直纸面向里，则小磁针的N极朝垂直纸面向里的方向转动，故选项A正确；开关闭合后并保持一段时间后，与直导线相连的线圈内磁通量不变，则直导线没有感应电流，故小磁针不动，故选项B、C错误；‎ 14‎ 开关闭合后并保持一段时间再断开后的瞬间，与直导线相连的线圈内磁通量减少，根据楞次定律可判断直导线内的电流方向由北到南，小磁针的N极朝垂直纸面向外的方向转动，故选项D正确。‎ 二次感应 ‎【典例8】(2017·全国卷Ⅲ)如图，在方向垂直于纸面向里的匀强磁场中有一U形金属导轨，导轨平面与磁场垂直。金属杆PQ置于导轨上并与导轨形成闭合回路PQRS，一圆环形金属线框T位于回路围成的区域内，线框与导轨共面。现让金属杆PQ突然向右运动，在运动开始的瞬间，关于感应电流的方向，下列说法正确的是 (　　)‎ A.PQRS中沿顺时针方向，T中沿逆时针方向 B.PQRS中沿顺时针方向，T中沿顺时针方向 C.PQRS中沿逆时针方向，T中沿逆时针方向 D.PQRS中沿逆时针方向，T中沿顺时针方向 ‎【通型通法】‎ ‎1.题型特征：二次感应。‎ ‎2.思维导引：‎ ‎(1)PQ突然向右运动使PQRS中产生感应电流，为一次电磁感应，PQRS中的电流导致线框T中再产生感应电流，为二次电磁感应。‎ ‎(2)PQRS中感应电流方向的判断既可用楞次定律，也可用右手定则。‎ ‎(3)线框T中感应电流方向的判断只能用右手定则。‎ ‎【解析】选D。因为PQ突然向右运动，由右手定则可知，PQRS中的感应电流方向为逆时针，穿过T中的磁通量减小，由楞次定律可知，T中的感应电流方向为顺时针，故A、B、C错误，D正确。‎ ‎1.“三个定则、一个定律”的应用对比：‎ 名　称 基本现象 应用的定则 或定律 14‎ 电流的磁 效应 运动电荷、‎ 电流产生磁场 右手螺旋定则 洛伦兹力、‎ 安培力 磁场对运动电荷、‎ 电流有作用力 左手定则 电磁感应 部分导体做切 割磁感线运动 右手定则 闭合回路磁 通量变化 楞次定律 2.三个定则一个定律的应用技巧：‎ ‎(1)应用楞次定律时，一般要用到右手螺旋定则。‎ ‎(2)研究感应电流受到的安培力时，一般先用右手定则确定感应电流方向，再用左手定则确定安培力方向，有时也可以直接用楞次定律的推广应用确定。‎ ‎3.利用程序法和逆向推理法分析二次感应问题：‎ 如果要判断二次感应后的现象或结果，选择程序法；如果已知二次感应后的结果，要判断导体棒的运动情况或磁场的变化，需选择逆向推理法。‎ ‎(1)程序法(正向推理法) ：‎ ‎(2)逆向推理法：‎ ‎①依据二次感应产生的效应，判断二次感应电流的方向。‎ ‎②依据二次感应电流的方向，应用右手螺旋定则，判定第二次感应电流产生的磁通量方向，明确它是阻碍第一个感应磁场变化的。‎ ‎③依据楞次定律，得出第一个感应磁场的方向及相应的变化的可能情况，从而得到引起磁场变化的电流的方向与变化。‎ ‎④依据电流的方向，判断导体切割磁感线运动的方向与速度。‎ ‎【加固训练】‎ ‎(2019·西城区模拟)如图所示，在水平面上有一个U形金属框架和一条跨接其上的金属杆ab，二者构成闭合回路且处于静止状态，在框架所在的空间内存在匀强磁场(图中未画出)。下面说法正确的是 (　　)‎ 14‎ A.若磁场方向水平向右，当磁场增强时，杆ab受安培力向上 B.若磁场方向水平向右，当磁场减弱时，杆ab受安培力向上 C.若磁场方向竖直向上，当磁场增强时，杆ab受安培力向左 D.若磁场方向竖直向上，当磁场减弱时，杆ab受安培力向左 ‎【解析】选C。磁场方向水平向右时，穿过框架的磁通量为零，故不能产生感生电动势，也就没有感应电流，则棒ab不受安培力，选项A、B错误；若磁场方向竖直向上，并且磁感应强度增大时，根据楞次定律知，感应电流的方向为a→b，根据左手定则，杆ab所受的安培力方向向左，选项C正确；若磁场方向竖直向上，并且磁感应强度减小时，根据楞次定律，感应电流的方向为b→a，根据左手定则，杆ab所受的安培力方向向右，选项D错误。‎ 14‎