2024-2025学年高中物理第四章电磁感应12划时代的发现探究感应电流的产生条件学案新人教版选修3-2

PAGE14-1划时代的发觉2探究感应电流的产生条件1．奥斯特的“电生磁”1820年，丹麦物理学家奥斯特发觉载流导线能使小磁针偏转，这种作用称为电流的磁效应．奥斯特试验说明电与磁有亲密联系．2．法拉第的“磁生电”1831年，英国物理学家法拉第发觉了电磁感应现象，即“磁生电”的现象．产生的电流叫感应电流．法拉第把引起电流的缘由概括为五类：(1)变更的电流；(2)变更的磁场；(3)运动的恒定电流；(4)运动的磁铁；(5)在磁场中运动的导体．3．磁通量穿过某一面积的磁通量Φ＝BS·cosθ，其中θ为线圈平面与垂直于磁场方向的夹角，即S·cosθ为垂直于磁场方向的投影面积．磁通量的单位是Wb.法拉第发觉了电磁感应的规律，那么电磁感应的实质是什么？提示：电磁感应的实质是其他形式的能转化为电能的过程．如图所示，线圈平面与水平面成θ角，磁感线竖直向下，设磁感应强度为B，线圈面积为S，则穿过线圈的磁通量Φ＝BScosθ.解析：解法一：把S投影到与B垂直的方向即水平方向，如图中a′b′cd，S1＝Scosθ，故Φ＝BS1＝BScosθ.解法二：把B分解为平行于线圈平面的重量B∥和垂直于线圈平面的重量B⊥，明显B∥不穿过线圈，且B⊥＝Bcosθ，故Φ＝B⊥S＝BScosθ.4．科学探究——感应电流的产生条件(1)利用导体在磁场中运动如图，闭合回路的部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，闭合回路中电流表的指针发生偏转，说明回路中产生了感应电流．(2)利用磁铁在螺线管中的运动如图，将条形磁铁插入或抽出与电流表构成闭合电路的螺线管过程中，视察到电流表的指针发生偏转，说明回路中产生了感应电流．(3)利用通电螺线管的磁场如图，螺线管A、滑动变阻器、电源、开关组成一个回路，螺线管B与电流表组成闭合回路，螺线管A放在螺线管B内．开关闭合或断开的瞬间，电流表的指针会发生偏转，而开关闭合电路稳定后，电流表的指针不偏转；保持开关闭合，当滑动变阻器的滑片移动时，电流表的指针发生偏转；保持开关闭合，当螺线管A离开B或进入B时，电流表的指针发生偏转．5．产生感应电流的条件只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变更，闭合导体回路中就会产生感应电流．1．闭合导体回路在磁场中运动肯定产生感应电流吗？提示：不肯定．若闭合导体回路在磁场中运动时，穿过闭合导体回路的磁通量发生变更，导体回路中就会产生感应电流；若闭合导体回路在磁场中运动时，穿过闭合导体回路的磁通量不变，导体回路中就没有感应电流．2．产生感应电流必需有导体运动吗？提示：只要穿过闭合电路的磁通量发生变更，电路中就会产生感应电流，不肯定有导体切割磁感线的运动．磁通量与线圈的匝数无关，也就是磁通量的大小不受线圈匝数的影响.同理，磁通量的变更ΔΦ＝Φ2－Φ1也不受线圈匝数的影响.所以，用公式求Φ、ΔΦ时，不用去考虑线圈匝数n.【例1】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态由正方形变更成圆形(横截面的周长不变)，在这一过程中穿过线圈的磁通量变更了多少？闭合线圈由正方形变为圆形(周长不变)，其所围成的面积发生了变更，磁感应强度B未变，只要求出这两种状况的Φ即可求出ΔΦ.[答案]5.5×10－3Wb[解析]线圈横截面是正方形时的面积S1＝L2＝0.202m2＝4.0×10穿过线圈的磁通量Φ1＝BS1＝0.50×4.0×10－2Wb＝2.0×10－2Wb.横截面形态为圆形时，其半径r＝4L/(2π)＝2横截面积大小S2＝π(2L/π)2m2穿过线圈的磁通量Φ2＝BS2＝0.50×4/(25π)Wb≈2.55×10－2Wb.所以，磁通量的变更为ΔΦ＝Φ2－Φ1＝(2.55－2.0)×10－2Wb＝5.5×10－3Wb.总结提能磁通量Φ＝BS的计算有几点要留意(1)S是指闭合回路中包含磁场的那部分的有效面积．(2)磁通量及磁通量的变更量与匝数无关，求Φ及ΔΦ时，不用考虑线圈匝数n.一根通有恒定电流I的长直导线MN与一闭合的线圈P位于同一平面，线圈P位于导线的正下方，如图所示．现使线圈P竖直向上运动到MN的上方的过程中，穿过P的磁通量如何变更？答案：整个过程中穿过线圈的磁通量先增加再削减再增加最终削减．解析：通电直导线产生的磁场的特点：关于导线对称的点的磁场强弱相同，方向相反；靠近导线磁场强，远离导线磁场弱．画出从MN下方到MN上方几个特别的位置，如图，可知Ⅰ到Ⅱ磁通量增加，Ⅱ到Ⅲ磁通量削减，Ⅲ到Ⅳ磁通量增加，Ⅳ到Ⅴ磁通量削减．考点二感应电流有无的推断1．产生感应电流的条件(1)电路为闭合电路．(2)穿过电路的磁通量发生变更．留意：(1)(2)两条必需同时满意，才能产生感应电流．2．推断感应电流有无的方法(1)明确电路是否为闭合电路．(2)推断穿过回路的磁通量是否发生变更．穿过闭合电路的磁通量发生变更，大致有以下几种状况：【例2】[多选]如图所示，绕在铁芯上的线圈与电源、滑动变阻器和电键组成闭合回路，在铁芯的右端套有一个表面绝缘的铜环A，下列各种状况中铜环A中有感应电流的是()A．线圈中通以恒定的电流B．通电过程中，使变阻器的滑片P做匀速移动C．通电过程中，使变阻器的滑片P做加速移动D．将电键突然断开的瞬间解答本题可按以下思路分析：eq\x(线圈电流变更)→eq\x(铜环磁通量变更)→eq\x(感应电流有无的推断)[答案]BCD[解析]线圈中通以恒定的电流，铜环A中磁通量不变，铜环A中没有感应电流，A错；变阻器的滑片P做匀速、加速移动时，线圈中电流变更，铜环A中磁通量发生变更，铜环A中有感应电流，B、C对；将电键突然断开的瞬间，线圈中电流变为零，铜环A中磁通量发生变更，铜环A中有感应电流，D对．总结提能感应电流产生条件的两点理解(1)在闭合回路中是否产生感应电流，取决于穿过回路磁通量是否发生变更，而不是取决于回路有无磁通量．(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更的详细形式之一．但闭合回路的部分导体做切割磁感线运动时，不肯定总会引起闭合回路的磁通量变更．如图，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的磁通量没有变更，因而没有产生感应电流．下列状况能产生感应电流的是(D)A．如图甲所示，导体AB沿着磁感线方向运动时B．如图乙所示，条形磁铁插入线圈中不动时C．如图丙所示，小螺线管A插入大螺线管B中不动，开关S一干脆通，滑动变阻器滑片的位置不变时D．如图丙所示，小螺线管A插入大螺线管B中不动，开关S一干脆通，当变更滑动变阻器滑片的位置时解析：产生感应电流的条件是穿过闭合电路的磁通量发生变更，前提条件是电路要闭合，且闭合电路的磁通量发生变更，或者闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动，D正确.涉及磁通量正负问题的分析方法(1)磁通量是标量，但有正负之分．磁通量的正负不代表大小，只反映磁通量是怎么穿过某一平面的．若规定向里穿过某一平面的磁通量为正，则向外为负，尤其在计算磁通量变更时更应留意．(2)若穿过某一平面的磁感线既有穿出又有穿进时，则穿过该平面的合磁通量为净磁感线的条数，即有效磁通量．【典例】如图所示，a、b是两个同平面、同心放置的金属圆环，条形磁铁穿过圆环且与两环平面垂直，则通过两圆环的磁通量Φa、Φb()A．Φa>Φb B．Φa<ΦbC．Φa＝Φb D．无法比较【解析】条形磁铁磁场的磁感线的分布特点是：①磁铁内外磁感线的条数相同．②磁铁内外磁感线的方向相反．③磁铁外部磁感线的分布是两端密、中间疏．两个同心放置的同平面的金属圆环与磁铁垂直且磁铁在中心时，通过其中的磁感线的俯视图如图所示，穿过圆环的磁通量Φ＝Φ进－Φ出，由于两圆环面积Sa<Sb，两圆环的Φ进相同，而Φ出a<Φ出b，所以穿过两圆环的有效磁通量Φa>Φb，故A正确．【答案】A【易错分析】本题易错选B.其缘由是机械地依据Φ＝BS进行推断，没有分析条形磁铁磁感线的分布特点和不清晰穿过圆环的磁通量为有效磁通量．【变式】如图所示，a、b、c三个闭合线圈放在同一平面内，当线圈a中有电流I通过时，它们的磁通量分别为Φa、Φb、Φc，下列说法中正确的是(B)A．Φa<Φb<ΦcB．Φa>Φb>ΦcC．Φa<Φc<ΦbD．Φa>Φc>Φb解析：当a中有电流通过时，穿过a、b、c三个闭合线圈向里的磁感线条数一样多，向外的磁感线条数c最多，其次是b，a中无向外的磁感线．因此，据合磁通量的计算，应当是Φa>Φb>Φc.1．[多选]在电磁学发展过程中，很多科学家做出了贡献，下列说法正确的是(AC)A．奥斯特发觉了电流磁效应；法拉第发觉了电磁感应现象B．麦克斯韦预言了电磁感应现象，奥斯特发觉了电磁感应现象C．库仑发觉了点电荷的相互作用规律；密立根通过油滴试验测定了元电荷的数值D．安培发觉了磁场对运动电荷的作用规律；洛伦兹发觉了磁场对电流的作用规律解析：麦克斯韦预言了电磁波并没有预言电磁感应现象，发觉电磁感应现象的是法拉第，选项B错误；洛伦兹发觉了磁场对运动电荷的作用规律，安培发觉了磁场对电流的作用规律，选项D错误．2．如下图所示试验装置中用于探讨电磁感应现象的是(B)解析：选项A是用来探究影响安培力的大小因素的试验．选项B是探讨电磁感应现象的试验，视察导体棒在磁场中做切割磁感线运动时电流表是否会产生感应电流．选项C是用来探究安培力的方向与哪些因素有关的试验．选项D是奥斯特试验，证明通电导线四周存在磁场．3．金属矩形线圈abcd在匀强磁场中做如图所示的运动，线圈中有感应电流的是(A)解析：在选项B、C中，线圈中的磁通量始终为零，不产生感应电流；选项D中磁通量始终最大，保持不变，不发生变更，也没有感应电流；选项A中，在线圈转动过程中，磁通量做周期性变更，产生感应电流，故A正确．4．[多选]动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象，图甲所示是话筒原理图，图乙所示是录音机的录音、放音原理图，由图可知(ABD)A．话筒工作时磁铁不动线圈振动而产生感应电流B．录音机放音时变更的磁场在静止的线圈里产生感应电流C．录音机放音时线圈中变更的电流在磁头缝隙处产生变更的磁场D．录音机录音时线圈中变更的电流在磁头缝隙处产生变更的磁场解析：话筒工作时，通过线圈振动切割磁感线，产生感应电流，故A正确．录音时是电生磁，即利用了电流的磁效应原理．放音时是磁生电，即利用了电磁感应原理，故B、D正确，C错误．5．随着科技的不断发展，无线充电已经进入人们的视线．如图所示为某品牌的无线充电手机利用电磁感应方式无线充电的原理图．关于无线充电，下列说法正确的是(C)A．无线充电时手机接收线圈部分的工作原理是电流的磁效应B．只有将充电底座接到直流电源上才能对手机