新教材同步系列2024春高中物理第6章电磁现象与电磁波第3节电磁感应现象教师用书粤教版必修第三册

第三节电磁感应现象学习任务1．知道电磁感应现象及产生感应电流的条件，能解释与电磁感应相关的现象。2．理解产生感应电流的条件，能处理相关的问题。3．通过实验探究产生感应电流的条件，学会归纳总结法，体会电磁技术应用对人类生活和社会发展带来的影响。知识点一电磁感应现象的发现1．“电生磁”：1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应。2．“磁生电”：(1)1831年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象。产生的电流叫作感应电流。(2)法拉第把引起感应电流的原因概括为五类：①变化的电流；②变化的磁场；③运动的恒定电流；④运动的磁铁；⑤在磁场中运动的导体。知识点二产生感应电流的条件只要穿过闭合回路的磁通量发生变化，闭合回路中就有感应电流产生。电磁感应只指“磁生电”，不指“电生磁”。思考辨析(正确的画“√”，错误的画“×”)(1)只要闭合电路内有磁通量，闭合电路中就有感应电流产生。 (×)(2)闭合电路的部分导体在磁场中运动就会产生感应电流。 (×)(3)闭合线圈和磁场发生相对运动时，一定能产生感应电流。 (×)(4)穿过闭合电路的磁通量发生变化，电路中一定会产生感应电流。 (√)知识点三电磁感应的应用1．汽车防抱死制动系统(ABS)(1)组成：ABS由轮速传感器、电子控制模块和电磁阀三个部分组成，其中轮速传感器是利用电磁感应现象来测量车轮的转速。(2)原理：①如图所示，铁质齿轮P与车轮同步转动，它的右侧有一个绕着线圈的磁铁，当每个轮齿在接近和离开磁铁时，穿过线圈的磁通量会发生变化，线圈中出现感应电流。②随着各个轮齿的运动，磁通量的变化会使线圈中产生相应的感应电流。③电流由电流检测器D检测，并送到电子控制模块以控制电磁阀，为制动器提供合适的制动力，有效避免了汽车后轮侧滑的现象。2．无线充电技术(1)概念：无线充电，又称非接触式感应充电，是利用供电设备直接将电能传送给用电器的技术。(2)原理：充电器与用电器之间通过电感耦合传送电能。充电器中有发射线圈，给线圈一定频率的交变电流，通过电磁感应，用电器的接收线圈中产生的电流给电池充电。(3)优点：无线充电具有安全、耐用、方便等优点。试探究：(1)只要穿过电路的磁通量发生变化，电路中就一定有感应电流吗？(2)某一时刻穿过闭合回路的磁通量为零时，回路一定无感应电流吗？[提示](1)不是，还必须是组成闭合电路。(2)不一定，如果穿过闭合回路的磁通量正在变化，只是某一时刻磁通量为零，则回路中会产生感应电流。科学探究：产生感应电流的条件1．实验探究感应电流产生的条件(1)闭合电路的部分导体切割磁感线在初中学过，当闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，电路中会产生感应电流，如图所示。导体棒左右平动、前后、上下平动，观察电流计的指针，把观察到的现象记录在表1中。表1导体棒的运动表针的摆动方向导体棒的运动表针的摆动方向向右平动向左向后平动不摆动向左平动向右向上平动不摆动向前平动不摆动向下平动不摆动结论：只有左右平动时，导体棒切割磁感线，才有感应电流产生；前后、上下平动，导体棒都不切割磁感线，没有感应电流产生。(2)向线圈中插入磁铁，把磁铁从线圈中抽出如图所示，把磁铁的某一个磁极向线圈中插入，或从线圈中抽出，或静止地放在线圈中。观察电流计的指针，把观察到的现象记录在表2中。表2磁铁的运动表针的摆动方向磁铁的运动表针的摆动方向N极插入线圈向右S极插入线圈向左N极停在线圈中不摆动S极停在线圈中不摆动N极从线圈中抽出向左S极从线圈中抽出向右结论：只有磁铁相对线圈运动时，才有感应电流产生；磁铁相对线圈静止时，没有感应电流产生。(3)模拟法拉第的实验如图所示，线圈A通过滑动变阻器和开关连接到电源上，线圈B的两端与电流计连接，把线圈A装在线圈B的里面。观察以下四项操作中线圈B中是否有电流产生。把观察到的现象记录在表3中。表3操作现象开关闭合瞬间有电流产生开关断开瞬间有电流产生开关闭合时，滑动变阻器的滑片不动无电流产生开关闭合时，迅速移动滑动变阻器的滑片有电流产生结论：只有当线圈A中电流变化时，线圈B中才有感应电流产生。2．结论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。3．产生感应电流的条件(1)闭合电路；(2)磁通量发生变化。【典例】线圈在长直导线电流的磁场中做如图所示的运动：A向右平动，B向下平动，C绕轴转动(ad边向里)，D垂直于纸面向纸外做平动，E向上平动(E线圈有个缺口)，判断线圈中有没有感应电流。ABCDE[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，必产生感应电流。C绕轴转动，穿过线圈的磁通量变化(开始时减少)，必产生感应电流。D离纸面越远，线圈中磁通量越少，线圈中有感应电流。E向上平动，穿过线圈的磁通量增加，但由于线圈没有闭合，因此无感应电流。[答案]A、E中无感应电流；B、C、D中有感应电流判断是否产生感应电流的关键是明确电路是否闭合，分清磁感线的疏密分布，从而判断磁通量是否变化，而不是看磁通量的有无。[跟进训练]1．下图中能在回路中产生感应电流的是()ABCDB[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，穿过线圈的磁感线相互抵消，Φ恒为零，无感应电流；D选项中，磁通量不发生变化，无感应电流，B符合题意。]2．在“探究电磁感应的产生条件”实验中，实物连线后如图甲所示。感应线圈组的内外线圈的绕线方向如图乙粗线所示。甲乙(1)接通电源，闭合开关，G表指针会有大的偏转，几秒后G表指针停在中间不动。将滑动变阻器的触头迅速滑动时，G表指针________(选填“不动”“偏转”或“不停振动”)；迅速抽出铁芯时，G表指针________(选填“不动”“偏转”或“不停振动”)。(2)断开开关和电源，将铁芯重新插入内线圈中，把恒定电流改为大小、方向都做周期性变化的电流，其他均不变。接通电源，闭合开关，G表指针________(选填“不动”“偏转”或“不停振动”)。[解析](1)滑动变阻器触头滑动时，接入电路的电阻变化，电路中电流变化，穿过外线圈的磁通量变化，根据产生感应电流的条件可判断外线圈内有感应电流，故G表指针偏转。抽出铁芯时，穿过外线圈的磁通量减小，G表指针偏转。(2)把恒定电流改为大小、方向都做周期性变化的电流后，内线圈中的电流方向不断发生变化，穿过外线圈的磁场方向也不断发生变化，故G表指针不停振动。[答案](1)偏转偏转(2)不停振动1．下列现象中属于电磁感应现象的是()A．磁场对电流产生力的作用B．变化的磁场使闭合电路中产生电流C．插在通电螺线管中的软铁棒被磁化D．电流周围产生磁场B[磁场对电流产生力的作用属于通电导线在磁场中的受力情况；插在通电螺线管中的软铁棒被磁化属于电流的磁效应；电流周围产生磁场属于电流的磁效应；变化的磁场使闭合电路中产生电流属于电磁感应现象，故正确答案为B。]2．闭合电路的一部分导线ab处于匀强磁场中，如图所示，各情况下导线都在纸面内运动，那么下列判断中正确的是()甲乙丙丁A．都会产生感应电流B．都不会产生感应电流C．甲、丙会产生感应电流，乙、丁不会产生感应电流D．甲、乙不会产生感应电流，丙、丁会产生感应电流C[题图中甲、丙两图中导线ab都在垂直切割磁感线，又因电路闭合，故甲、丙会产生感应电流；乙、丁两图中导体不切割磁感线，故乙、丁不会产生感应电流，故C项正确。]3．如图所示，线圈Ⅰ与电源、开关、滑动变阻器相连，线圈Ⅱ与电流计eq\o\ac(○,G)相连，线圈Ⅰ与线圈Ⅱ绕在同一个铁芯上，在下列情况下，电流计eq\o\ac(○,G)是否有示数？(1)开关闭合瞬间；(2)开关闭合稳定后；(3)开关闭合稳定后，来回移动滑动变阻器的滑片；(4)开关断开瞬间。[解析](1)开关闭合时线圈Ⅰ中电流从无到有，故电流形成的磁场也从无到有，穿过线圈Ⅱ的磁通量也从无到有，故线圈Ⅱ中产生感应电流，电流计eq\o\ac(○,G)有示数。(2)开关闭合稳定后，线圈Ⅰ中电流稳定不变，电流形成的磁场不变，此时线圈Ⅱ中虽有磁通量但磁通量稳定不变，故线圈Ⅱ中无感应电流产生，电流计eq\o\ac(○,G)无示数。(3)开关闭合稳定后，来回移动滑动变阻器的滑片，电阻变化，线圈Ⅰ中的电流变化，电流形成的磁场也发生变化，穿过线圈Ⅱ的磁通量也发生变化，故线圈Ⅱ中有感应电流产生，电流计eq\o\ac(○,G)有示数。(4)开关断开瞬间，线圈Ⅰ中电流从有到无，电流形成的磁场也从有到无，穿过线圈Ⅱ的磁通量也从有到无，故线圈Ⅱ中有感应电流产生，电流计eq\o\ac(○,G)有示数。[答案](1)有(2)无(3)有(4)有4．(新情境题，以“金属薄圆盘”为背景，考查产生感应电流的条件)如图所示，一个金属薄圆盘水平放置在竖直向上的匀强磁场中。问题：下列情况能不能使圆盘中产生感应电流？甲乙(1)如图甲圆盘绕过圆心的竖直轴匀速转动；(2)如图乙圆盘以某一水平直径为轴匀速转动。[解析](1)当圆盘绕过圆心的竖直轴匀速转动，无论转到什么位置，圆盘中的磁通量不发生变化，不能产生感应电流。(2)当圆盘以某一水平直径为轴匀速转动时，穿过圆盘的磁感线条数不断变化，即圆盘中的磁通量发生变化，圆盘中将产生感应电流。[答案](1)不能(2)能回归本节知识，自我完成以下问题：1．什么是电磁感应现象及产生感应电流的条件？[提示]因闭合回路的磁通量变化而产生电流的现象。条件：(1)闭合电路。(2)磁通量发生变化。2．试写出电磁感应的几个典型应用。[提示](1)汽车防抱死制动系统(ABS)。(2)无线充电。(3)动圈式话筒。法拉第与电气化时代法拉第出生于英国的一个铁匠家庭，曾经在一家书店当过学徒。他利用这个条件，读了很多科学书籍，从中获得了丰富的知识。他喜欢做实验，还积极参加科学报告会。1813年，22岁的法拉第毛遂自荐，成了著名化学家戴维的助理实验员。法拉第生活的时代，正值第一次产业革命完成。蒸汽机的普遍应用催生了资本主义大工业，人类进入了工业文明时期，而电力应用的前景已初见端倪。这是一个需要巨人并产生巨人的时代，法拉第生逢其时。当时的英国走在科学技术和工业发展的前列。法拉第看到，伏打电池昂贵、产生的电流小，而自然界中有不少天然磁石。如果可以由磁产生电流，就能获得廉价的电力。他说：“我因为对当时产生电的方法感到不满意，因此急于发现磁与感应电流的关系，觉得电学在这条路上一定可以充分发展。”在10年的探索中，法拉第遭遇了多次失败。在他当年的日记中不时出现“未显示作用”“毫无反应”“不行”等词语，记录着艰苦的探索历程。法拉第在晚年曾感叹：“世人何尝知道，在那些流过科学家头脑的思想和理论中，有多少被他们自己严格的批判和无情的质疑消灭了。就是最有成就的科学家，得以实现的建议、猜想、愿望和初步判断，也不到十分之一。”法拉第发现电磁感应现象，与他坚信各种自然现象是相互关联的，各种自然力是统一的、可以互相转化的思想相关。他还认为电磁相互作用是通过介质来传递的，并把这种介质叫作“场”，他还以惊人的想象力创造性地用“力线”(即现代物理学中的“磁感线”)形象地描述“场”的物理图景。法拉第鄙视金钱、地位和权势。他谦虚、朴实、安于清贫，谢绝了皇家学会会长、皇家研究院院长、伦敦大学教授等职位和头衔，也不肯接受贵族爵位。1867年8月25日，法拉第坐在书房的椅子上平静地离开了人世。法拉第把一生献给了科学事业。生活在电气化时代的我们，应该永远缅怀法拉第。(1)电场线、磁感线是由哪位科学家提出的？(2)电磁感应现象指什么？[提示](1)法拉第。(2)磁生电。课时分层作业(十九)电磁感应现象1．(多选)在电磁学的发展历程中，奥斯特与法拉第的贡献值得人们纪念，下列有关说法正确的是()A．法国物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，并提出了右手螺旋定则和“分子电流”假说B．电流磁效应的发现，宣告了电磁学作为一门统一学科的诞生，掀起了一场研究电与磁关系的浪潮C．法拉第虽然发现了电磁感应现象，但发现过程并不是一帆风顺的，也曾受思维定势的影响D．电磁感应的发现，开辟了人类的电气化时代，促进了人类文明的发展CD[丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，安培提出了右手螺旋定则和“分子电流”假说，选项A错误；电流磁效应的发现掀起了一场研究电与磁关系的浪潮，电磁感应现象的发现，宣告了电磁学的诞生，故选项B错误，C、D正确。]2．有一种可测跑步速度的跑步机，其原理如图所示，跑步机底面固定有金属电极，电极间充满磁场，绝缘橡胶带上均匀嵌着平行金属条。跑步时，绝缘橡胶带随着脚一起运动，通过测量电阻R两端的电压，就可知道跑步速度，下列选项中与该跑步机原理相同的实验情境是()ABCDB[该跑步机工作时相当于闭合电路的部分导体在切割磁感线，从而产生了感应电流；选项B是金属棒切割磁感线产生感应电流，选项C是通电导线在磁场中受力运动，选项A、D是电流的磁效应，故选项B正确。]3．如图所示，条形磁铁以速度v远离螺线管，螺线管中的感应电流的情况是()A．穿过螺线管中的磁通量增加，产生感应电流B．穿过螺线管中的磁通量减少，产生感应电流C．穿过螺线管中的磁通量增加，不产生感应电流D．穿过螺线管中的磁通量减少，不产生感应电流B[条形磁铁从左向右远离螺线管的过程中，穿过线圈的原磁场方向向下，且磁通量在减小，所以能产生感应电流，故选B。]4．如图所示，在条形磁铁的外面套着一个闭合金属弹簧线圈P，现用力从四周拉弹簧线圈，使线圈包围的面积变大，则下列关于穿过弹簧线圈磁通量的变化以及线圈中是否有感应电流产生的说法中，正确的是()A．磁通量增大，有感应电流产生B．磁通量增大，无感应电流产生C．磁通量减小，有感应电流产生D．磁通量减小，无感应电流产生C[由题意得，条形磁铁磁感线的分布如图所示(从上向下看)。磁通量是指穿过一个面的磁感线的多少，由于垂直纸面向外的和垂直纸面向里的磁感线要抵消一部分，当弹簧线圈P的面积扩大时，垂直纸面向里的磁感线条数增加，而垂直纸面向外的磁感线条数是一定的，故穿过这个面的磁通量将减小，回路中会有感应电流产生，选项C正确。]5．(多选)如图所示，开始时矩形线框与匀强磁场的方向垂直，且一半在磁场内，一半在磁场外，若要使线框中产生感应电流，下列办法中可行的是()A．将线框向左拉出磁场B．以ab边为轴转动C．以ad边为轴转动(小于60°)D．以bc边为轴转动(小于60°)ABC[将线框向左拉出磁场的过程中，线框的bc部分做切割磁感线运动，或者说穿过线框的磁通量减少，所以线框中将产生感应电流；当线框以ab边为轴转动时，线框的cd边的右半段在做切割磁感线运动，或者说穿过线框的磁通量在发生变化，所以线框中将产生感应电流；当线框以ad边为轴转动(小于60°)时，穿过线框的磁通量在减小，所以在这个过程中线框中会产生感应电流。如果转过的角度超过60°(60°～300°)，bc边在无磁场区转动，那么线框中将不产生感应电流；当线框以bc边为轴转动时，如果转动的角度小于60°，则穿过线框的磁通量始终保持不变(其值为磁感应强度与矩形线框面积的一半的乘积)，A、B、C正确。]6．如选项图所示的条件下，闭合矩形线圈能产生感应电流的是()ABCDD[因为线圈平面平行于磁感线，在以OO′为轴转动的过程中，线圈平面始终与磁感线平行，穿过线圈的磁通量始终为零，所以无感应电流产生，A选项错误；线圈平面也与磁感线平行，穿过线圈的磁通量为零，竖直向上运动过程中，线圈平面始终与磁感线平行，磁通量始终为零，故无感应电流产生，B选项错误；尽管线圈在转动，但B与S都不变，B又垂直于S，所以Φ＝BS始终不变，线圈中无感应电流，C选项错误；图示状态Φ＝0，当转过90°时Φ＝BS，所以转动过程中穿过线圈的磁通量在不断地变化，因此转动过程中线圈中产生感应电流，D选项正确。]7．为探究影响感应电流方向的因素，几位同学做了如下的实验。(1)小李同学选用如图甲所示中的器材模仿法拉第的实验进行探究①为了保证实验现象明显，电源选用________，电表选用________(填写器材前的代码)。A．低压直流电源B．低压交流电源C．220V交流电源D．灵敏电流计E．0～0.6A量程的电流表F．0～0.6V量程的电压表②请在实物图中，用笔画线代替导线将电路补充完整。③实验过程中，记录的实验现象如表所示，观察四项实验结果，能够得出结论，产生感应电流的条件与________的变化有关。(选填“A”“B”或“C”)A．磁场 B．电场C．闭合导体回路包围的面积开关和变阻器的状态线圈B中是否有电流开关闭合瞬间有开关断开瞬间有开关闭合时，滑动变阻器不动无开关闭合时，迅速移动滑动变阻器的滑片有(2)小张同学用导轨、导体棒、电表、导线组成如图乙所示的电路，整个电路处于垂直导轨的磁场中，当导体棒