高中物理沪科版1第三章划时代的发现 教师用书第3章

法拉第的探索一条来之不易的规律——法拉第电磁感应定律1．(3分)如图3­1­1所示中磁感应强度B，电流I和安培力F之间的方向关系错误的是()图3­1­1【解析】由左手定则不难判定ABC均正确，D选项错误，导线所受安培力方向应向左．故答案为D.【答案】D2．(3分)(多选)如图3­1­2所示，一导体棒放置在处于匀强磁场中的两条平行金属导轨上，并与金属导轨组成闭合回路．当回路中通有电流时，导体棒受到安培力作用，要使安培力增大，可采用的方法有()图3­1­2A．增大磁感应强度B．减小磁感应强度C．增大电流D．减小电流【解析】本题考查安培力的计算，由F＝BIL可知A、C正确．【答案】AC3．(4分)(多选)在真空环境中，原来做匀速直线运动的电子进入到与它运动方向垂直的匀强磁场中，在洛伦兹力的作用下，形成圆弧运动轨迹，下面的说法中正确的是()A．电子所受的洛伦兹力是恒力B．进入磁场后电子动能不变C．进入磁场后电子的速度不变D．电子所受洛伦兹力的方向始终与运动方向垂直【解析】电子所受的洛伦兹力方向总与速度方向垂直，洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小，对电子总不做功，故B、D正确，A、C错．【答案】BD课标导思1.了解电磁感应现象发现的历史过程，体会科学家探索自然规律的科学态度和科学方法．2．通过实验，知道电磁感应现象及其产生的条件．(重点)3．知道法拉第电磁感应定律．会用电磁感应定律计算感应电动势的大小．(难点)一、法拉第的探索1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，它揭示了电现象和磁现象之间存在的某种联系．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，比较著名的物理学家有：安培、科拉顿等，都没有成功或半途而废．英国科学家法拉第始终坚信自然界各种不同现象之间有着联系．一直坚持探索电磁感应现象．前后历时数十年的探索，终于悟出了磁生电的基本原理．磁生电是一种瞬间效应，磁作用对电流的感应是一种动态过程．二、电磁感应定律1．产生感应电流的几种典型情况：正在变化的电流；正在变化着的磁场；运动的恒定电流；运动的磁铁；在磁场中运动的导体．2．法拉第实验(1)闭合电路的部分导体做切割磁感运动时，回路中电流表的指针偏转．如图3­1­3所示．图3­1­3图3­1­4(2)磁铁与螺线管有相对运动时也能产生电流：在条形磁铁插入或拨出螺线管的瞬间，电流表的指针偏转．条形磁铁在螺线管中保持不动时，电流表的指针不偏转．如图3­1­4所示．(3)如图3­1­5，接通或断开开关S，或接通S后移动变阻器的滑片，改变原线圈A中的电流大小，副线圈B中电流表指针发生偏转．图3­1­53．从现象到本质穿过闭合电路的磁通量发生变化，电路中就产生电磁感应现象．电磁感应现象中产生的电流叫感应电流．4．从定性到定量法拉第电磁感应定律(1)内容：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比．(2)公式E＝neq\f(ΔΦ,Δt)，n为线圈的匝数，E、ΔΦ、Δt的单位分别为V、Wb、s.一、对产生感应电流的条件的理解1．感应电流产生的条件：一是电路本身必须闭合，二是穿过回路本身的磁通量发生变化，主要体现在“变化”上，回路中穿过的磁通量大小，是否为零不是产生感应电流的条件，如果穿过回路的磁通量很大但无变化，那么无论多么大，都不会产生感应电流．【特别提醒】产生感应电流的条件与磁通量的变化有关，与磁通量的大小无关.2．产生感应电流的方法(1)闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动如图3­1­6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．图3­1­6(2)磁铁在线圈中运动如图3­1­7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．图3­1­7(3)改变螺线管AB中的电流如图3­1­8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．图3­1­8二、如何区分磁通量Φ、磁通量的变化量ΔΦ，磁通量的变化率eq\f(ΔΦ,Δt)物理量单位物理意义磁通量ΦWb表示某时刻或某位置时穿过某一面积的磁感线条数的多少磁通量的变化量ΔΦWb表示在某一过程中穿过某一面积磁通量变化的多少磁通量的变化率eq\f(ΔΦ,Δt)Wb/s表示穿过某一面积的磁通量变化的快慢1.Φ是状态量，是闭合回路在某时刻(某位置)穿过回路的磁感线的条数，当磁场与回路平面垂直时，Φ＝BS.2．ΔΦ是过程量，是表示闭合回路从某一时刻变化到另一时刻的磁通量的增减，即ΔΦ＝Φ2­Φ1.常见磁通量变化方式有：B不变，S变；S不变，B变；B和S都变，回路在磁场中相对位置改变(如转动等)．总之，只要影响磁通量的因素发生变化，磁通量就会变化．\f(ΔΦ,Δt)表示磁通量的变化快慢，即单位时间内磁通量的变化，又称为磁通量的变化率．【特别提醒】Φ、ΔΦ、eq\f(ΔΦ,Δt)的大小没有直接关系，这一点可与运动学中v、Δv、eq\f(Δv,Δt)三者类比.值得指出的是：Φ很大，eq\f(ΔΦ,Δt)可能很小；Φ很小，eq\f(ΔΦ,Δt)可能很大；Φ＝0，eq\f(ΔΦ,Δt)可能不为零如线圈平面转到与磁感线平行时.当Φ按正弦规律变化时，Φ最大时，eq\f(ΔΦ,Δt)＝0，反之，当Φ为零时，eq\f(ΔΦ,Δt)最大.三、对法拉第电磁感应定律的理解1．感应电动势的大小决定于穿过电路的磁通量的变化率eq\f(ΔΦ,Δt)，与Φ的大小、ΔΦ的大小没有必然的联系，与电路的电阻R也无关，而感应电流的大小与E和R有关．2．公式E＝neq\f(ΔΦ,Δt)适用于回路中磁通量发生变化产生的感应电动势的计算，回路可以闭合，也可以不闭合．感应电动势是整个闭合电路的感应电动势，不是电路中某部分导体的电动势．3．公式只表示感应电动势的大小，不涉及方向；切割磁感线产生的感应电流的方向用右手定则来判断．【深化探究】产生感应电流和产生感应电动势的条件一样吗？提示：不论电路是否闭合，只要穿过回路的磁通量发生变化，回路中就会产生感应电动势，而产生感应电流，还需要电路是闭合的．一、对磁通量变化的认识磁通量是研究电磁感应现象的重要物理量．如图3­1­9所示，通过恒定电流的导线MN与闭合线框共面，第一次将线框由1平移到2，第二次将线框绕cd边翻转到2，设先后两次通过线框的磁通量的变化量分别为ΔΦ1和ΔΦ2，则()图3­1­9A．ΔΦ1>ΔΦ2B．ΔΦ1＝ΔΦ2C．ΔΦ1<ΔΦ2D．无法确定【解析】设线框在位置1时的磁通量为Φ1，在位置2时的磁通量为Φ2，直线电流产生的磁场在1处比在2处要强，若平移线框，则ΔΦ1＝Φ1－Φ2；若转动线框，磁感线是从线框的正反两面穿过的，一正一负，因此ΔΦ2＝Φ1＋Φ2.根据分析知ΔΦ1<ΔΦ2，选项C正确．【答案】C磁通量变化的判断(1)磁通量不是矢量，而是一个双向标量，其正负表示与规定的正方向相同或相反．(2)确定磁通量变化时要注意考虑始末位置磁通量的符号．1.有一根由金属丝绕制成的闭合环套在条形磁铁上，如图3­1­10所示，当闭合环收缩导致它所围的面积减小时：图3­1­10(1)穿过它的磁通量是否有变化？如有变化，怎样变？(2)闭合环中是否存在感应电流，为什么？【解析】条形磁铁内部的磁感线方向由S极到N极，外部从N极到S极；条形磁铁外部向下穿过闭合环的磁通量抵消了一部分内部向上穿过的磁通量，当环收缩时被抵消的部分减少，所以穿过闭合环的磁通量增加，由于穿过环的磁通量有变化，所以在环中产生感应电流．【答案】(1)变化；增加(2)有；因为穿过闭合环的磁通量有变化二、感应电流有无的判断(多选)如图3­1­11所示，竖直放置的长直导线通过恒定电流，有一矩形框与导线在同一平面内，在下列情况中线圈产生感应电流的是()图3­1­11A．导线中电流变大B．线框向右平动C．线框向下平动D．线框以ab边为轴转动E．线框以直导线为轴转动【导析】根据产生感应电流的条件来判断．【解析】分析是否产生感应电流，关键就是分析穿过闭合线框的磁通量是否变化，而分析磁通量是否有变化，就是搞清楚磁感线的分布，亦即搞清楚磁感线的疏密变化和磁感线方向的变化．对A选项，因I增大而引起导线周围的磁场增强，使穿过线框的磁通量增大，故A正确．对B选项，因离开直导线方向越远，磁感线分布越疏，因此线框向右平动时，穿过线框的磁通量变小，故B正确．对C选项，由下图甲可知线框向下平动时穿过线框的磁通量不变，故C错．对D选项，可用一些特殊位置来分析，当线框在图甲图示的位置时，穿过线框的磁通量最大，当线框转过90°时，通过线框的磁通量为零，因此可以判定线框以ab轴转动时磁通量一定变化，故D正确．对E选项，先画出俯视图如下图乙所示，由图可看出线框绕直导线转动时，在任何一个位置穿过线框的磁感线条数均不变，因此无感应电流，故E错．【答案】ABD分析是否产生感应电流，关键是分析穿过闭合线圈的磁通量是否变化，分析磁通量是否变化，可通过分析穿过线圈的磁感线条数是否变化.2．(多选)如图3­1­12所示，线圈M和线圈P绕在同一铁芯上，则()【导学号：22940023】图3­1­12A．当合上开关S的瞬间，线圈P中没有感应电流B．当合上开关S的瞬间，线圈P中有感应电流C．当断开开关S的瞬间，线圈P中没有感应电流D．当断开开关S的瞬间，线圈P中有感应电流【解析】闭合开关S的瞬间，线圈M中有电流通过，电流产生磁场，穿过线圈P的磁通量增大，线圈P中产生感应电流．断开开关S的瞬间，线圈M中电流消失，电流产生的磁场消失，穿过线圈P的磁通量减小，线圈P中产生感应电流．【答案】BD三、法拉第电磁感应定律的应用一个共有10匝的闭合矩形线圈，总电阻为10Ω，置于水平面上．若穿过线框的磁通量在s内，由垂直纸面向里，从×10－2Wb均匀减小到零，再反向均匀增加到×10－2Wb.则在此时间内，线圈内导线中的感应电流大小为________A.【导析】1.求出磁通量的变化量ΔΦ；2．用公式E＝neq\f(ΔΦ,Δt)求出感应电动势的大小；3．用公式I＝eq\f(E,R)求出感应电流的大小．【解析】设垂直纸面向外为正方向，在s内，磁通量的变化ΔΦ＝Φ2－(－Φ1)＝Φ2＋Φ1＝×10－2Wb＋×10－2Wb＝Wb根据法拉第电磁感应定律：E＝neq\f(ΔΦ,Δt)＝10×eq\f,V＝80V根据闭合电路欧姆定律I＝eq\f(E,R)＝eq\f(80,10)A＝A.【答案】计算ΔΦ时注意的问题磁通量的变化ΔΦ≠Φ2－Φ1.在s内磁场的方向发生了一次反向．设垂直纸面向外为正方向，则ΔΦ＝Φ2－(－Φ1)＝Φ2＋Φ1.3．有一正方形单匝线圈abcd处于匀强磁场中，线圈平面与磁场方向垂直，在Δt＝s的时间内，磁通量由Φ1＝3Wb均匀增加到Φ2＝6Wb.求：(1)在Δt内线圈中产生的感应电动势．(2)要使线圈中产生的感应电动势更大，可采取什么措施？【解析】(1)由法拉第电磁感应定律得E＝neq\f(ΔΦ,Δt)＝eq\f(Φ2－Φ1,Δt)＝eq\f(6－3,V＝6V.(2)由法拉第电磁感应定律知，要想增大感应电动势可增加线圈匝数n或增大磁通量的变化率．【答案】(1)6V(2)①增加线圈匝数②增大磁通量的变化率1．下列现象中涉及电磁感应的是()【解析】A，D是磁场对运动电荷的作用，C是磁场对电流的作用，B是利用电磁感应现象．【答案】B2．如图3­1­13所示，将一个矩形线圈放入匀强磁场中，若线圈平面平行于磁感线，则下列运动中，哪些在线圈中会产生感应电流()图3­1­13A．矩形线圈做平行于磁感线的平移运动B．矩形线圈做垂直于磁感线的平移运动C．矩形线圈绕AB边转动D．矩形线圈绕BC边转动【解析】A、B、D三个选项中在发生运动状态的变化时，没有引起磁通量的变化，故都没有发生电磁感应现象，所以没有感应电流的产生．C选项中，线圈的磁通量发生了改变，故线圈中产生了感应电流．【答案】C3．若某处的地磁场为匀强磁场，一同学在该处手拿矩形线圈面向南方，如图3­1­14所示，则能够使线圈中产生感应电流的操作是()图3­1­14A．上下移动线圈B．南北移动线圈C．东西移动线圈D．将线圈转到水平【解析】根据感应电流的产生条件，只要让通过线圈中的磁通量发生变化，回路中就能产生感应电流．根据该处地磁场分布，无论线圈是上下、南北、还是东西移动，通过线圈的磁通量均不变，不能产生感应电流．而D项操作，线圈中的磁通量发生变化，能产生感应电流．【答案】D4．一个20匝、面积为200cm2的圆形线圈放在匀强磁场中，磁场的方向与线圈平面垂直，若该磁场的磁感应强度在s内由T增加到T，在此过程中，穿过线圈的磁通量变化量为________，磁通量的平均变化率为________，线圈中感应电动势的大小为________．【解析】磁通量变化量为ΔΦ＝Φ2－Φ1＝B2S－B1S＝×Wb－×Wb＝Wb，eq\f(ΔΦ,Δt)＝eq\f,Wb/s＝Wb/s，E＝neq\f(ΔΦ,Δt)＝20×V＝V.【答案】WbWb/sV学业达标测评(八)(建议用时：45分钟)1．关于电磁感应现象，下列说法正确的是()A．只要电路中的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，此电路中就必然有感应电流B．只要闭合电路中的一部分导体在磁场中运动，此电路中就必然有感应电流C．只要闭合电路中的磁通量发生变化，此电路中就必然有感应电流D．只要闭合线圈在磁场中转动，此线圈中就一定有感应电流【解析】产生感应电流必须同时满足电路闭合和磁通量变化这两个条件．选项A不明确电路是否闭合，选项B不明确导体是否切割磁感线运动(磁通量是否变化)，故选项A、B错误．选项D线圈在磁场中转动时，如果转轴平行于匀强磁场的磁感线，则磁通量不变，故选项D错误．【答案】C2．(多选)在图3­1­15的各种情况中，穿过回路的磁通量增大的有()图3­1­15A．图3­1­15(1)所示，在匀强磁场中，先把由弹簧状导线组成回路撑开，而后放手，到恢复原状的过程中B．图3­1­15(2)所示，裸铜线ab在裸金属导轨上向右匀速运动过程中C．图3­1­15(3)所示，条形磁铁插入线圈的过程中D．图3­1­15(4)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【解析】四种情况下，穿过闭合回路的磁通量均发生变化，故都有感应电流产生．但(1)中电路的面积减小，磁通量减小；(2)中的ab向右移动时在磁场的闭合电路的面积增大，磁通量增大；(3)中磁铁向下运动时通过线圈的磁场变强，磁通量也增大；(4)中直线电流近处的磁场强，远处的磁场弱．所以线圈远离通电直导线时，磁通量减小．所以B、C正确．【答案】BC3.(多选)如图3­1­16所示，线框abcd从有界的匀强磁场区域穿过，下列说法中正确的是()图3­1­16A．进入匀强磁场区域的过程中，abcd中有感应电流B．在匀强磁场中加速运动时，abcd中有感应电流C．在匀强磁场中匀速运动时，abcd中没有感应电流D．离开匀强磁场区域的过程中，abcd中没有感应电流【解析】在有界的匀强磁场中，常常需要考虑线框进场、出场和在场中运动的情况，abcd在匀强磁场中无论匀速运动还是加速运动，穿过abcd的磁通量都没有发生变化．【答案】AC4.(多选)如图3­1­17所示的装置，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3­1­17A．开关S接通的瞬间B．开关S接通后，电路中电流稳定时C．开关S接通后，滑动变阻器滑片滑动的瞬间D．开关S断开的瞬间【解析】开关S接通的瞬间、开关S接通后滑动变阻器滑片滑动的瞬间、开关S断开的瞬间都使螺线管线圈中的电流变化而引起磁场变化，线圈A中的磁通量发生变化而产生感应电流．【答案】ACD5．如图3­1­18所示，在磁感应强度为T的匀强磁场中，长为0.5m的导体棒AB在金属框架上以10m/s的速度向右滑动．R1＝R2＝20Ω，其他电阻不计，则流过AB的电流是()图3­1­18A．0.2A B．0.4AC．0.05A D．0.1A【解析】导体棒AB做切割磁感线运动产生的感应电动势E＝Blv＝××10V＝V.总电阻R＝eq\f(R1R2,R1＋R2)＝10Ω，I＝eq\f(E,R)＝eq\f,10)A＝0.1A，故D正确．【答案】D6．如图3­1­19所示，有限范围的匀强磁场宽度为d，将一个边长为l的正方形导线框以速度v匀速通过磁场区域，若d>l，则线框中不产生感应电流的时间应等于()【导学号：22940024】图3­1­19\f(d,v) \f(l,v)\f(d－l,v) \f(d－2l,v)【解析】线框中不产生感应电流，则要求线框中的磁通量不发生变化，即线框全部在磁场中匀速运动时没有感应电流，所以线框从左边框进入磁场时开始到线框右边将要离开磁场时为止，这个过程中线框中没有感应电流，路程为d－l，所以时间为eq\f(d－l,v)，所以C正项．【答案】C7．“嫦娥一号”顺利升空以后，我国已经制定了登月计划．假如未来某一天中国的宇航员登上月球，想探测一下月球表面是否有磁场，他手边有一只灵敏电流表和一个小线圈，则下列推断正确的是()A．直接将电流表放于月球表面，看是否有示数来判断磁场的有无B．将电流表与线圈组成闭合回路，使线圈沿某一方向运动，如电流表无示数，则可判断月球表面无磁场C．将电流表与线圈组成闭合回路，使线圈沿某一方向转动，如电流表有示数，则可判断月球表面有磁场D．将电流表与线圈组成闭合回路，使线圈在某一平面内沿各个方向运动，如电流表无示数，则可判断月球表面无磁场【解析】要使线圈中形成感应电流，电流表有示数，则必须使电流表和线圈构成闭合电路，A错误；若线圈沿某一方向运动，电流表无示数，则不能判断月球表面无磁场，比如线圈平行于磁场方向运动时，线圈中则无电流形成，但若电流表有示数，则可判断月球表面有磁场，C正确，B、D均错误．【答案】C8．如图3­1­20所示