高二物理电磁感应现象问题归纳粤教版知识精讲

高二物理电磁感应现象问题归纳粤教版 本讲教育信息本讲教育信息 一 教学内容 电磁感应现象问题归纳 二 学习目标 1 加深对于磁通量及磁能量变化等概念的理解 2 理解感应电流及感应电动势的产生条件 3 重点掌握左手定则 右手定则及楞次定律的综合应用问题 三 考点地位 电磁感应现象问题是近几年高考的考查热点和难点 突出考查对于产生电磁感应现象 条件的理解 感应电流及感应电动势方向的判断 从出题形式上常以选择题的形式出现 如 2006 年广东卷第 10 题 2006 年四川卷的第 17 题 2004 年全国高考理综 第 19 题都突 出了对于这类问题的考查 四 重点 难点解析 1 磁通量 1 概念 穿过某一面积的磁感线条数叫做穿过这一面积的磁通量 磁通量简称磁通 用符号表示 说明 磁通量是对某一特定的 面 而言的 是 面 的特征量 不是磁场的特征量 没有特定的面 就无磁通量 2 磁通量的计算 公式 BS 此式的适用条件是 a 匀强磁场 b 磁感线与平面垂直 如图所示 在匀强磁场 B 中 若磁感线与平面不垂直 公式中的 S 应为平面在垂直于BS 磁感线方向上的投影面积 如图所示 在水平方向的匀强磁场中 平面 abcd 与垂直于磁感线方向的平面的夹角为 则穿过面积 abcd 的磁通量应为 cosSB 即为面积 S 在垂直于磁感线方向的投影 我们称之为 有效面积 cosS 若磁感线沿相反方向穿过同一平面 且正向磁感线条数为 反向磁感线条数为 1 2 则磁通量等于穿过平面的磁感线的净条数 磁通量的代数和 即 21 磁通量的变化 其数值等于初末态穿过某个平面磁通量的差值 12 3 磁通量的 正 负 号 磁通量是通过闭合线圈的磁感线的条数 它是标量 但是磁通量也有 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的贯穿方向 一般来说 如 果磁感线从线圈的正面穿过线圈 线圈的磁通量就为 那么磁感线从线圈的反面穿过 线圈 线圈的磁通量就为 反之亦然 2 电磁感应现象 1 部分电路的一部分导体做切割磁感线运动 如图所示 导体 AB 做切割磁感线运动时 线路中有电流产生 而导体 AB 顺着磁感 线运动时 线路中无电流产生 2 磁铁在线圈中运动 如图所示 条形磁铁插入或拔出线圈时 线圈中有电流产生 但磁铁在线圈中静止不 动时 线路中无电流产生 3 改变螺线管 AB 中的电流 如图所示 将小螺线管 AB 插入大螺线管 CD 中不动 当开关 S 接通或断开时 电流 表中有电流通过 若开关 S 一直接通 当改变滑动变阻器的阻值时 电流表中也有电流通 过 结论 产生感应电流的条件 只要穿过闭合电路的磁通量发生变化 闭合电路中就会产生感应电流 说明 实验一是通过导体运动改变磁通量 实验二是磁体即磁场运动改变磁通量 实 验三通过改变电流从而改变磁场强弱 进而改变磁通量 所以可以将产生感应电流的条件 描述为 不论用什么方法 只要穿过闭合电路的磁通量发生变化 闭合电路中就会产生感 应电流 说明 不论用什么方法 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 其条件可以归纳为两个 一个是电路本身的属性 即电路必须是闭合电路 另一个是 穿过电路本身的磁通量发生变化 其主要内涵是体现在 变化 二字上 电路中有没有磁 通不是产生感应电流的条件 如果穿过电路的磁通量尽管很大但不变化 那么不论有多大 也不会产生感应电流 能使穿过闭合电路的磁通量发生变化 大致有如下几种情况 1 磁感强度 B 不变 闭合电路面积 S 发生变化 SS BSB 12 2 闭合电路的面积 S 不变 而闭合回路在非匀强磁场中运动而位置发生变化 引 起回路所在处的磁感强度不同 3 闭合电路的面积不变 但相对匀强磁场的位置发生变化 面积 S 与 B 的夹角改 变 而引起磁通变化 4 闭合电路的面积不变 而磁感应强度随时间 t 发生变化 等等 3 楞次定律 1 内容 感应电流具有这样的方向 即感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的 磁通量的变化 2 说明 楞次定律含有两层意义 因果关系 闭合导体回路中磁通量的变化是产生感应电流的原因 而感应电流的磁 场的出现是感应电流存在的结果 简要地说 只有当闭合导体回路中的磁通量发生变化时 才会有感应电流的磁场出现 符合能量守恒定律 感应电流的磁场对闭合导体回路中磁通量的变化起着阻碍作用 这种作用正是能量守恒这一普遍定律在电磁感应现象中的体现 3 注意 明确各个物理量之间的关系 当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时 闭合回路中会产生感应电流 而感应电流与其他电流一样 也会产生磁场 即感应电流的 磁场 这样回路中就存在两个磁场 原来的磁场 产生感应电流的磁场 和感应电流的 磁场 楞次定律也可以理解为 阻碍原磁通量的变化或原磁场的变化 阻碍相对运动 可理解为 来斥去吸 使线圈面积有扩大或缩小的趋势 阻碍原电流的变化 自感现象 2 右手定则 伸开右手让拇指跟其余四指垂直 并且都跟手掌在一个平面内 让磁感线垂直从手心 进入 拇指指向导体运动的方向 其余四指指的就是感应电流的方向 说明 右手定则是楞次定律的一种特殊情况 这种方法对于闭合电路的一部分导体切 割磁感线时感应电流方向的判定非常方便 典型例题典型例题 问题 1 磁通量及磁通量的变化的求解 例 1 如图 有一个 100 匝的线圈 其横截面是边长为 L 0 20m 的正方形 放在磁感应 强度为 B 0 50T 的匀强磁场中 线圈平面与磁场垂直 若将这个线圈横截面的形状由正方 形改变成圆形 横截面的周长不变 在这一过程中穿过线圈的磁通量改变了多少 解析 解析 线圈横截面是正方形时的面积 22222 1 m100 4m 20 0 LS 穿过线圈的磁通量 Wb100 2Wb100 450 0 BS 22 11 截面形状为圆形时 其半径 L22 L4r 截面积大小 22 2 m100 16 L2 S 穿过线圈的磁通量 Wb1055 2 Wb100 1650 0 BS 2 22 所以 磁通量的变化 Wb105 5Wb10 0 255 2 32 12 点评 点评 磁通量的计算有几点要注意 BS 1 S 是指闭合回路中包含磁场的那部分有效面积 如图所示 若闭合电路 abcd 和 ABCD 所在平面均与匀强磁场 B 垂直 面积分别为 和 且 但磁场区域恰好只有 ABCD 那么大 穿过和的磁通量是相同的 1 S 2 S 21 SS 1 S 2 S 因此 中的 S 应是指闭合回路中包含磁场的那部分有效面积 BS 2 磁通量与线圈的匝数无关 也就是磁通量大小不受线圈匝数的影响 同理 磁通 量的变化量也不受线圈匝数的影响 所以 直接用公式求 时 不必 12 去考虑线圈匝数 n 例 2 面积为 S 的矩形线框 abcd 处在磁感应强度为 B 的匀强磁场中 磁场方向与线框 面成角 见图 当线框以 ab 为轴顺时针转 90 时 穿过 abcd 面的磁通量变化量 解析 解析 磁通量由磁感应强度矢量在垂直于线框面方向上的分量决定 开始时 B 与线框面成角 磁通量为 线框面按题意方向转动时 磁通 sinBS 1 量减少 当转动 90 时 磁通量变为 负 值 可见 磁通量的变化量为 cosBS 2 sin cosBSsinBScosBS 12 问题 2 对感应电流或感应电动势产生条件的理解 例 3 如图所示 正方形线圈在通电长直导线的磁场中运动 A 向右平动 B 向下平动 C 绕轴转动 ad 边向外 D 从纸面向纸外作平动 E 向上平动 E 线圈有个缺口 判断 线圈中有没有感应电流 AB C DE 解析 解析 在直导线电流磁场中的五个线圈 原来磁通量都是垂直纸面向里的 对直线电 流来说 离电流越远 磁场就越弱 A 向右平动 穿过线圈的磁通量没有变化 故 A 线圈中没有感应电流 B 向下平动 穿过线圈的磁通量减少 必产生感应电动势和感应电流 C 绕轴转动 穿过线圈的磁通量变化 必产生感应电动势和感应电流 D 离纸面向外 线圈中磁通量减少 故情况同 B C E 向上平移 穿过线圈的磁通量增加 故产生感应电动势 但由于线圈没有闭合回路 因此无感应电流 例 4 如图所示 金属裸导线框 abcd 放在水平光滑金属导轨上 在磁场中向右运动 匀 强磁场垂直水平面向下则 A 表的指针发生偏转 1 G B 表的指针发生偏转 2 G C 表的指针不发生偏转 1 G D 表的指针不发生偏转 2 G 例 5 2006 南通 如图所示 a b 是平行金属导轨 匀强磁场垂直导轨平面 c d 为分别串有电流表和电压表的金属棒 它们与导轨接触良好 当 c d 以相同速度向右运动 时 下列说法正确的是 A 两表均无读数 B 两表均有读数 C 电压表有读数 安培表无读数 D 电压表无读数 安培表有读数 答案 答案 A 问题 3 安培定则 左手定则 右手定则及楞次定律的综合应用 例 6 2006 黄冈三模 如图所示 两个线圈套在同一个铁芯上 线圈的绕向在图中已 经表示 在线圈连着平行导轨 M 和 N 导轨电阻不计 在导轨垂直方向上放着金属棒 ab 金属棒处于垂直纸面向外的匀强磁场中 下列说法中正确的是 A 当金属棒向右匀速运动时 a 点电势高于 b 点 c 点电势高于 d 点 B 当金属棒向右匀速运动时 b 点电势高于 a 点 c 点与 d 点为等电势 C 当金属棒向右加速运动时 b 点电势高于 a 点 c 点电势高于 d 点 D 当金属棒向右加速运动时 b 点电势高于 a 点 d 点电势高于 c 点 答案 答案 BD 例 7 2007 中山 如图所示 水平放置的两条光滑轨道上有可自由移动的金属棒 PQ MN 当 PQ 在外力的作用下运动时 MN 在磁场力的作用下向右运动 则 PQ 所做的运 动可能是 A 向右加速运动B 向左加速运动 C 向右减速运动D 向左减速运动 答案 答案 BC 例 8 2006 年广东 如图所示 用一根长为 L 质量不计的细杆与一个上弧长为 下 0 l 弧长为的金属线框的中点联结并悬挂于 O 点 悬点正下方存在一个上弧长为 下弧 0 d 0 l 2 长为的方向垂直纸面向里的匀强磁场 且 先将线框拉开到如图所示位置 0 d2Ld0 松手后让线框进入磁场 忽略空气阻力和摩擦力 下列说法正确的是 A 金属线框进入磁场时感应电流的方向为adcba B 金属线框离开磁场时感应电流的方向为abcda C 金属线框 dc 边进入磁场与 ab 边离开磁场的速度大小总是相等 D 金属线框最终将在磁场内做简谐运动 答案 答案 D 例 9 如图所示 当条形磁铁突然向铜环运动时 铜环的运动情况是 A 向右摆动B 向左摆动 C 静止D 不能确定 解法一 解法一 微元分析法 画出线圈所在处条形磁铁的磁场分布示意图 由楞次定律判断 出环中感应电流方向 如图 b 所示 将环等效为多段微小直线电流元 取上 下小段电 流研究 由左手定则判断出它们的受力如图 b 由此可知 整个铜环受的合力向右 且 环有向内收缩趋势 正确答案为 A 解法二 解法二 效应分析法 磁铁向右运动 使铜环中的磁通量增加而产生感应电流 由楞 次定律可知 铜环为了阻碍原磁通增加 必向磁感线较疏的右方运动 即往躲开磁通量增 加的方向运动 故 A 正确 解法三 解法三 等效法 磁铁向右运动 使铜环产生感应电流后可等效为一条形磁铁 如图 c 所示 则两磁铁有排斥作用 故 A 正确 解法四 解法四 阻碍相对运动法 磁铁向右运动时 由楞次定律的另一种表述可知 铜环产 生的感应电流总是阻碍导体间的相对运动 对磁铁跟铜环之间有排斥作用 故 A 正确 模拟试题模拟试题 1 恒定的匀强磁场中有一圆形的闭合导体线圈 线圈平面垂直于磁场方向 当线圈在此 磁场中做下列哪种运动时 线圈中能产生感应电流 A 线圈沿自身所在的平面做匀速运动 B 线圈沿自身所在平面做加速运动 C 线圈绕任意一条直径做匀速转动 D 线圈绕任意一条直径做变速转动 2 如图所示 矩形线框 abcd 放置在水平面内 磁场方向与水平方向成角 已知 回路面积为 S 磁感强度为 B 则通过线框的磁通量为 5 4 sin A BSB 4BS 5C 3BS 5D 3BS 4 3 如图所示 若想电流计中有电流流过 则条形磁铁的运动是 A 向上运动B 向右运动C 向纸外运动D 绕 N 极转动 4 如图所示 一闭合矩形线框从左向右匀速地通过垂直与运动方向的匀强有界磁场 关 于线框中感应电流的说法中正确的是 A 线框进入磁场时感应电流为顺时针方向 B 线框进入磁场时感应电流为逆时针方向 C 线框出磁场时感应电流为顺时针方向 D 从线框左边进入磁场到右边出磁场前没有感应电流 5 如图所示 下列几种运动中 可使线圈 A 中产生感应电流的是 A ab 杆向右匀速运动B ab 杆向右匀加速运动 C ab 杆向右匀减速运动D ab 杆由静止开始向右运动的瞬间 6 如图所示的条形磁铁的上方 放置一矩形线框 线框平面水平且与条形磁铁平行 则 线框在由 N 端匀速平移到 S 端的过程中 线框中的感应电流的情况是 A 线框中始终无感应电流 B 线框中始终有感应电流 C 线框中开始有感应电流 当线框运动到磁铁上方中部时无感应电流 以后又有了感 应电流 D 开始无电流 当运动到磁铁中部的上方时有感应电流 后来又没有感应电流 7 如图所示 在匀强磁场中的 U 形导轨上 有两根等长的平行导线 ab 和 cd 以相同的 速度 v 匀速向右滑动 为使 ab 中有感应电流产生 对开关 S 来说 A 打开和闭合都可以B 应打开 C 打开和闭合都不行D 应闭合 8 通电直导线穿过闭合线圈 L 如图所示 则 A 当电流 I 增大时 线圈 L 中有感应电流 B 当 L 左右平动时 L 中有感应电流 C 当 L 上下平动时 L 中有感应电流 D 以上各种情况下都不会产生感应电流 试题答案试题答案 1 C D 提示 A B 两种情况下