2024年高中物理新教材同步 必修第三册 第13章　3　电磁感应现象及应用

3电磁感应现象及应用[学习目标]1.知道什么是电磁感应现象。2.通过实验探究感应电流产生的条件(重难点)。3.了解电磁感应现象的应用。一、划时代的发现1．奥斯特发现了电流的磁效应，证实电现象与磁现象是有联系的。2．1831年，法拉第把两个线圈绕在一个铁环上，一个线圈接电源，另一个线圈接“电流表”。当给一个线圈通电或断电的瞬间，在另一个线圈上出现了电流，从而发现了“磁生电”现象，他认为“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。3．法拉第把这些“磁生电”现象定名为电磁感应，这些现象中产生的电流叫作感应电流。二、磁通量变化的几种情况1．磁感应强度B不变，有效面积S发生变化。如图(a)所示。2．面积S不变，磁感应强度B发生变化。如图(b)所示。3．磁感应强度B和面积S都不变，它们之间的夹角发生变化。如图(c)所示。例1(多选)闭合线圈按如图所示的方式在磁场中运动，则穿过闭合线圈的磁通量发生变化的是()答案AB解析选项A中，线圈转动时，穿过线圈的磁通量一直在变化，故A正确；选项B中，由于离通电导线越远，磁感应强度越小，故线圈在向右运动时，磁通量在减小，故B正确；选项C中，由于磁感线方向与线圈平行，故磁通量一直为零，没有变化，故C错误；选项D中，线圈转动中，穿过线圈的磁感线条数不变，故磁通量不变，故D错误。三、产生感应电流的条件电磁感应现象的应用1．实验：探究感应电流产生的条件(1)实验一：如图所示，导体棒AB做切割磁感线运动时，线路中有电流产生，而导体棒AB顺着磁感线运动时，线路中无电流产生。(均选填“有”或“无”)(2)实验二：如图所示，当条形磁体插入或拔出线圈时，线圈中有电流产生，但条形磁体在线圈中静止不动时，线圈中无电流产生。(均选填“有”或“无”)(3)实验三：如图所示，将小线圈A插入大线圈B中不动，当开关S闭合或断开时，电流表中有电流通过；若开关S一直闭合，当改变滑动变阻器的阻值时，电流表中有电流通过；而开关S一直闭合，滑动变阻器的滑片不动时，电流表中无电流通过。(均选填“有”或“无”)(4)归纳总结：实验一中：导体棒做切割磁感线运动，回路的有效面积发生变化，从而引起了磁通量的变化，产生了感应电流。实验二中：磁体插入或拔出线圈时，线圈中的磁场发生变化，从而引起了磁通量的变化，产生了感应电流。实验三中：开关闭合、断开或滑动变阻器的滑片移动时，小线圈A中电流变化，从而引起穿过大线圈B的磁通量变化，产生了感应电流。三个实验共同特点是：产生感应电流时闭合回路的磁通量都发生了变化。2．产生感应电流的条件：当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，闭合导体回路中就产生感应电流。3．电磁感应现象的应用生产、生活中广泛使用的变压器、电磁炉等都是根据电磁感应制造的。例2(2023·延安市第一中学高二月考)在“探究法拉第电磁感应现象”实验中，某同学将电池组、滑动变阻器、带铁芯的线圈A、线圈B、电表及开关组成的部分电路已连接好了，如图所示：(1)请使用两根导线，将电路补充完整。(2)此实验中使用的电表应是。(填选项前的字母)A.灵敏电流表B.大量程的电压表C.倍率适宜的欧姆表(3)正确选择电表和连接电路后，开始实验探究。下列说法正确的是。A．开关闭合后，线圈A插入线圈B中或从线圈B中拔出，都不会引起电表的指针偏转B．线圈A插入线圈B中后，在开关闭合和断开的瞬间，电表的指针均会偏转C．开关闭合后，滑动变阻器的滑片P匀速滑动，会使电表的指针静止在中央零刻度D．开关闭合后，只要移动滑动变阻器的滑片P，电表的指针一定会偏转答案(1)见解析图(2)A(3)BD解析(1)将电池组、开关、滑动变阻器、线圈A串联成一个回路，注意滑动变阻器接一上一下两个接线柱，再将电表与线圈B串联成另一个回路，实物图如图所示。(2)本实验要使用灵敏电流计来检测电路中是否有电流产生。(3)开关闭合后，线圈A插入线圈B中或从线圈B中拔出，穿过线圈B的磁通量都会发生变化，都会产生感应电流，都会引起电表的指针偏转，故A错误；线圈A插入线圈B中后，在开关闭合和断开的瞬间，穿过线圈B的磁通量都会发生变化，线圈B中会产生感应电流，电表的指针均会偏转，故B正确；开关闭合后，只要滑动变阻器的滑片P移动，不论是加速还是匀速，穿过线圈B的磁通量都会变化，都会有感应电流产生，电表的指针都会偏转，故C错误，D正确。四、感应电流产生条件的理解1．判断有无感应电流时必须明确的关键点(1)观察导体回路是否闭合；(2)判断穿过回路的磁通量是否发生变化。2．判断有无感应电流的方法和注意事项(1)能否产生感应电流，取决于穿过闭合导体回路的磁通量是否发生变化，而不是磁通量的大小。(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。但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。如图所示，矩形线框abcd在范围足够大的匀强磁场中，在垂直磁场的平面内向右平动，虽然ad、bc边都切割磁感线，但磁场穿过回路abcd的磁通量没有变化，因而没有产生感应电流。(3)可充分利用磁感线进行定性判断，即通过观察穿过闭合导体回路的磁感线的条数是否变化判断某过程中磁通量是否变化。(4)对于立体图的磁通量变化情况，要先转化为平面图，再分析磁感线的分布及变化情况。例3(多选)下图中能产生感应电流的是()答案BD解析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，穿过圆环的磁感线相互抵消，磁通量恒为零，无感应电流；D选项中，穿过闭合电路的磁通量减小，有感应电流。针对训练(2022·重庆市巫山大昌中学高二期末)如图所示的装置，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中不产生感应电流的是()A．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断开的瞬间答案B解析将开关突然接通的瞬间，线圈产生的磁场从无到有，穿过铜质闭合线圈A的磁通量增大，产生感应电流，故A不符合题意；线圈中通以恒定的电流时，线圈产生恒定的磁场，穿过铜质闭合线圈A的磁通量不变，没有感应电流产生，故B符合题意；接通后，使变阻器的滑片滑动时，回路中电流变化，线圈产生的磁场变化，穿过铜质闭合线圈A的磁通量变化，产生感应电流，故C不符合题意；将开关突然断开的瞬间，线圈产生的磁场从有到无，穿过铜质闭合线圈A的磁通量减小，产生感应电流，故D不符合题意。例4法拉第在1831年发现了“磁生电”现象。如图所示，把两个线圈绕在同一个软铁环上，线圈A和电池连接，线圈B用长直导线连通，在长直导线正下方平行于导线放置一个小磁针，下列有关实验现象的说法中正确的是()A．只要线圈A中电流足够大，小磁针就会发生偏转C．线圈A和电池接通瞬间，小磁针会偏转D．线圈A和电池断开瞬间，小磁针不会偏转答案C解析小磁针会不会偏转取决于线圈B中有没有电流，而线圈B中有没有电流取决于穿过线圈B的磁通量是否发生变化，当线圈A中电流足够大，但不变化时，线圈B中无感应电流，小磁针不会发生偏转，A错误；当线圈A闭合开关电流稳定后，穿过线圈B的磁通量不发生变化，所以小磁针也不会发生偏转，故B错误；线圈A和电池接通或断开的瞬间，穿过线圈B的磁通量发生变化，所以线圈B中有感应电流，则小磁针会偏转，故C正确，D错误。课时对点练考点一划时代的发现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．将绕在条形磁体上的线圈与电流表组成闭合回路，然后观察电流表示数的变化B．在通电线圈旁放置一连有电流表的闭合线圈，一段时间后观察电流表示数的变化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体后，再到相邻房间去观察电流表示数的变化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，观察电流表示数的变化答案D解析同时满足电路闭合和穿过电路的磁通量发生变化这两个条件，电路中才会产生感应电流，A、B选项都不会使电路中的磁通量发生变化，并不满足产生感应电流的条件，故A、B错误；条形磁体插入线圈时，虽有短暂电流产生，但未能及时观察，故C错误；在给线圈通电、断电瞬间，会引起穿过另一线圈的磁通量发生变化，产生感应电流，故D正确。考点二产生感应电流的条件2．(多选)下面属于电磁感应现象的是()A．闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，在电路中产生电流的现象B．通电导体周围产生磁场C．变化的磁场使闭合电路中产生电流D．电荷在电场中定向移动形成电流答案AC解析闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，在电路中产生电流的现象是电磁感应现象，故A正确；通电导体周围产生磁场属于电流的磁效应，故B错误；变化的磁场使闭合电路中产生电流是因穿过闭合电路的磁通量发生变化，属于电磁感应现象，故C正确；电荷在电场中定向移动形成电流不是电磁感应产生的电流，不属于电磁感应现象，故D错误。考点三磁通量变化情况的判断3.如图所示，在同一平面内有四根彼此绝缘的直导线，分别通有大小相同、方向如图所示的电流，要使由四根直导线所围成的面积内的磁通量增加，应切断的电流是()A．i1 B．i2C．i3 D．i4答案D解析根据安培定则判断出四根通电直导线中电流在所围面积内产生的磁场方向，可知只有i4中电流产生的磁场垂直于纸面向外，则要使磁通量增加，应切断i4，故选D。4.如图所示，固定的长直导线中通有恒定电流，一矩形线框从abcd位置向右平移到a′b′c′d′位置的过程中，关于穿过线框的磁通量情况，下列叙述正确的是(线框平行于纸面且与导线相互绝缘)()A．一直增加B．一直减少C．先增加后减少D．先增加，再减少到零，然后再增加，最后再减少答案D解析离导线越近，磁场越强，当线框从左向右靠近导线的过程中，穿过线框的磁通量增加，当线框跨在导线上向右平移时，穿过线框的磁通量减少，当导线在线框正中央时，穿过线框的磁通量为零，从该位置向右平移，穿过线框的磁通量增加，当线框离开导线向右平移的过程中，穿过线框的磁通量减少，故D正确。考点四有无感应电流的判断5．(2023·十堰市郧阳区第二中学高二期中)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的两端连到理想电流表上，把线圈A装在线圈B的里面。实验中观察到，开关闭合瞬间，电流表指针向右偏转，则()A．开关断开瞬间，电流表指针不偏转B．开关闭合稳定后，穿过线圈B的磁通量为零C．开关闭合稳定后，向上拔出线圈A的过程中，电流表指针不偏转D．开关闭合稳定后，向右移动滑动变阻器的滑片，电流表指针偏转答案D解析开关断开瞬间，穿过线圈B的磁通量减少，闭合回路会产生感应电流，电流表指针偏转，故A错误；开关闭合稳定之后，由于线圈A内部的磁感线全部穿过线圈B，但是外部的磁感线只有部分穿过线圈B，故穿过线圈B的净磁通量不为零，故B错误；开关闭合稳定之后，向上拔出线圈A的过程中，穿过线圈B的磁通量会发生变化，闭合回路会产生感应电流，电流表指针偏转，故C错误；开关闭合稳定之后，向右移动滑动变阻器的滑片，线圈A中电流发生变化，穿过线圈B的磁通量会发生变化，闭合回路会产生感应电流，电流表指针偏转，故D正确。6．(多选)下列情况中都是线框在磁场中做切割磁感线运动，其中线框中有感应电流的是()答案BC解析A中线框虽然“切割”了磁感线，但穿过闭合线框的磁通量并没有发生变化，没有感应电流。B中线框的一部分导体“切割”了磁感线，穿过线框的磁感线条数越来越少，线框中有感应电流。C中虽然与A近似，但由于是非匀强磁场，运动过程中，穿过线框的磁感线条数增加，线框中有感应电流。D中线框尽管是部分切割，但穿过线框磁感线条数不变，无感应电流，故选B、C。7.(2023·长兴县教育研究中心高二期中)某实验装置如图所示，在铁芯P上绕着两个线圈A和B。如果线圈A中电流i随时间t的关系如图所示的A、B、C、D四种情况，那么在t1到t2这段时间内，四种情况中线圈B中没有产生感应电流的是()答案D解析由题图可知，通过A的电流发生变化，电流产生的磁感应强度发生变化，穿过B的磁通量发生变化，线圈B中才能产生感应电流，由题图可知，在t1到t2这段时间内，选项A、B、C图中线圈A中的电流发生变化，线圈B中会产生感应电流，而D图中电流不变，线圈B中不产生感应电流，故选D。8.(多选)(2022·黄冈中学期中)如图所示，是一水平放置的矩形线圈abcd，在细长的磁体的N极附近竖直下落，整个下落过程中线圈保持水平，由图中的位置A经过位置B到位置C，这三个位置都靠得很近且位置B刚好在条形磁体的中心轴线上。在这个过程中，下列说法正确的是()A．由位置A到位置B，线圈内不产生感应电流B．由位置A到位置B，线圈内产生感应电流C．由位置B到位置C，线圈内产生感应电流D．由位置B到位置C，线圈内不产生感应电流答案BC解析如图所示，作出线圈下落过程示意图，由图可知，从位置A到位置B的过程中，从线圈下面向上穿过线圈的磁通量减少(B位置时，Φ＝0)；而从位置B到位置C时，从线圈上面向下穿过线圈的磁通量增加，故由位置A到位置B和位置B到位置C的两个过程中，穿过线圈的磁通量都发生变化，线圈中都会产生感应电流，故B、C正确，A、D错误。9.(2023·双鸭山一中高二期中)如图所示，竖直长导线通以恒定电流I，一闭合线圈MNPQ与导线在同一平面内，当线圈做下列运动时：①向垂直于平面MNPQ的方向平动；②以MQ边为轴转动；③以通电导线为轴转动，线圈中能够产生感应电流的有()A．① B．②C．①② D．①②③答案C解析通电直导线的磁场为以导线为中心的环形磁场，离导线越远，磁感应强度越小，同时当磁场的方向与线圈所在平面垂直时，穿过线圈的磁通量最大；①当向垂直于平面MNPQ的方向平动，磁感应强度减小，穿过线圈的磁通量减小，产生感应电流；②以MQ边为轴转动的过程中线圈与磁场不再垂直，磁通量发生变化，产生感应电流；③以通电导线为轴转动的过程中线圈始终与磁场的方向垂直，磁通量不发生变化，没有感应电流产生，故选C。10.(多选)(2023·邢台市第二中学高二期中)如图所示，两根直导线，通以相同的电流后平行放置于水平桌面上，一矩形线圈abcd从A位置运动到对称的B位置过程中，下列说法正确的是()A．在B位置穿过线圈的磁感线方向垂直水平面向下B．在A位置穿过线圈的磁感线方向垂直水平面向下C．从A到B穿过线圈的磁通量先减小再增大D．从A到B穿过线圈的磁通量一直增大答案BC解析根据安培定则，可知左侧导线在右侧产生的磁感线方向向下，右侧导线在左侧的磁感线方向向上，可知，在两根导线之间中线位置的磁感应强度为0，两导线之间的区域，中线左侧磁场方向向下，中线右侧磁场方向向上，可知在B位置穿过线圈的磁感线方向垂直水平面向上，在A位置穿过线圈的磁感线方向垂直水平面向下，A错误，B正确；根据上述可知，从左往右，磁感应强度先减小后增大，则从A到B穿过线圈的磁通量先减小再增大，C正确，D错误。11.如图所示，一通电螺线管b放在闭合金属线圈a内，螺线管的中心线恰好和线圈的一条直径MN重合。要使线圈a中产生感应电流，可采用的方法有()A．使螺线管在线圈a所在平面内转动B．使螺线管中的电流发生变化C．使线圈a以MN为轴转动D．使线圈a以与MN垂直的直径为轴转动答案D解析题图所示位置，线圈a所在平面与磁感线平行，穿过线圈的磁通量为零，当按A、B、C所述方式变化时，穿过线圈的磁通量不变，不产生感应电流；按D所述方式变化时，由于线圈a与磁场夹角变化引起穿过线圈a的磁通量变化，能够使线圈a产生感应电流，故选D。12.如图所示，O1O2是矩形导线框ABCD的对称轴，其左方有匀强磁场。下列情况下线框ABCD中有感应电流产生的是()A．将线框向纸外平移B．将线框向上平移C．将线框以AB为轴转动60°D．将线框以CD为轴转动60°答案D解析产生感应电流的条件是闭合回路中磁通量有变化，设磁场磁感应强度大小为B，导线框面积为S，将线框向纸外平移，穿过线框的磁通量未发生变化，仍为Φ＝Beq\f(S,2)，故没有感应电流产生，A错误；将线框向上平移，穿