高考物理培优一轮计划全国创新版培优讲义第11章　电磁感应第40课时　电磁感应现象楞次定律

电磁感应第40课时电磁感应现象、楞次定律考点1电磁感应现象的理解1．磁通量(1)定义：在磁感应强度为B的匀强磁场中，与磁场方向垂直的面积S与B的乘积。(2)公式：eq\a\vs4\al(Φ＝BS)。(3)单位：1Wb＝1_T·m2。(4)标矢性：磁通量是标量(填“标量”或“矢量”)，但有正负。若规定磁感线从一个方向穿过面的磁通量为正值，则从反方向穿过面的磁通量为负值。2．电磁感应现象(1)电磁感应现象：当穿过闭合回路的磁通量发生变化时，电路中有电流产生，这种现象称为电磁感应现象，产生的电流称为感应电流。(2)产生感应电流的条件：①电路闭合；②磁通量发生变化。(3)实质：磁通量发生变化时，电路中产生感应电动势，如果电路闭合，则有感应电流；如果电路不闭合，则只有感应电动势，而无eq\o(□,\s\up3(10))感应电流。[例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．将绕在磁铁上的线圈与电流表组成一闭合回路，然后观察电流表的变化B．在一通电线圈旁放置一连有电流表的闭合线圈，然后观察电流表的变化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铁后，再到相邻房间去观察电流表的变化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，观察电流表的变化解析产生感应电流的条件是：①闭合回路；②磁通量发生变化。磁铁和通电线圈产生稳定磁场，闭合线圈中无磁通量变化，故A、B不会产生感应电流；在插入条形磁铁的瞬间会产生磁通量变化，稳定后无感应电流，不会看到电流表变化；通、断电瞬间，连接电流表的线圈中磁通量变化，故会产生感应电流，电流表发生偏转。故选D。答案D1．(2018·河北邯郸期末)图中能产生感应电流的是()答案B解析A项中线圈不是闭合的，不能产生感应电流；B项中线框的面积增大，穿过线框的磁通量增大，能够产生感应电流；C项中由于直导线在线圈所在平面的正上方，所以穿过线圈的磁通量等于0，电流增大，线圈的磁通量仍然是0，不能产生感应电流；D项中线圈整体垂直于匀强磁场方向运动，线圈的磁通量始终最大且没有发生变化，不能产生感应电流。故选B。2.(多选)如图所示，光滑导电圆环轨道竖直固定在匀强磁场中，磁场方向与轨道所在平面垂直，导体棒ab的两端可始终不离开轨道无摩擦地滑动，当ab由图示位置释放，直到滑到右侧虚线位置的过程中，关于ab棒中的感应电流情况，正确的是()A．因ab切割磁感线，故ab棒上有感应电流B．尽管ab切割磁感线，但ab棒上无感应电流C．磁场穿过圆环与ab构成的回路的磁通量没有变化D．磁场穿过圆环与ab构成的回路的磁通量发生了变化答案BC解析棒始终在圆环轨道上运动，相当于圆的一条弦，与圆弧所围的面积不变，又处在匀强磁场中，故磁通量不变，无感应电流产生。B、C正确。3.(2018·甘肃天水一中月考)如图所示，绕在铁芯上的线圈与电源、滑动变阻器和开关组成闭合回路，在铁芯的右端套有一个表面绝缘的铜环A，下列各种情况中铜环A中没有感应电流的是()A．线圈中通以恒定的电流B．通电时，使滑动变阻器的滑片P匀速移动C．通电时，使滑动变阻器的滑片P加速移动D．将开关突然断开的瞬间答案A解析线圈中通以恒定的电流时，线圈中产生稳恒的磁场，穿过铜环A的磁通量不变，没有感应电流产生；通电时，使滑动变阻器的滑片P匀速移动时，滑动变阻器接入电路的电阻变化，回路中电流变化，线圈中产生的磁场变化，穿过铜环A的磁通量变化，产生感应电流；通电时，使滑动变阻器的滑片P加速移动时，滑动变阻器接入电路的电阻变化，则回路中电流变化，线圈产生的磁场变化，穿过铜环A的磁通量变化，产生感应电流；将开关突然断开的瞬间，线圈产生的磁场从有到无，穿过铜环A的磁通量减小，产生感应电流。故选A。考点2楞次定律的理解与应用1．楞次定律(1)内容：感应电流产生的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。(2)适用范围：适用于一切回路中磁通量变化的情况。(3)“阻碍”可以理解为“增反减同”“来拒去留”。2．右手定则(1)使用方法：①让磁感线穿入右手手心。②使大拇指指向导体运动的方向。③则其余四指指向导体中感应电流的方向。(2)适用范围：闭合电路中部分导体切割磁感线的情况。3．电流方向的判断如图，矩形线圈进入匀强磁场区域时：(1)应用楞次定律判断：磁场方向垂直纸面向里→磁通量eq\o(□,\s\up3(10))增大→感应电流的磁场方向eq\o(□,\s\up3(11))垂直纸面向外→根据eq\o(□,\s\up3(12))安培定则可知：感应电流沿eq\o(□,\s\up3(13))逆时针方向。(2)应用右手定则判断：ab边切割磁感线，手心eq\o(□,\s\up3(14))朝外，大拇指eq\o(□,\s\up3(15))向右，四指沿eq\o(□,\s\up3(16))ba方向，故电流方向从eq\o(□,\s\up3(17))_b_到eq\o(□,\s\up3(18))_a_。[例2](2018·安徽宣城月考)如图所示，粗糙水平桌面上有一质量为m的铜质矩形线圈，当一竖直放置的条形磁铁从线圈中线AB正上方等高快速经过时，若线圈始终不动，则关于线圈受到的支持力FN及在水平方向运动趋势的正确判断是()A．FN先小于mg后大于mg，运动趋势向左B．FN先大于mg后小于mg，运动趋势向左C．FN先小于mg后大于mg，运动趋势向右D．FN先大于mg后小于mg，运动趋势向右解析解法一：当一竖直放置的条形磁铁从线圈中线AB正上方等高快速经过时，线圈中向下的磁通量先增大后减小，由楞次定律可知，线圈中先产生逆时针方向的感应电流后产生顺时针方向的感应电流，线圈四条边所受安培力的合力先向右下，后向右上，因此FN先大于mg后小于mg，运动趋势向右，D正确。解法二：根据楞次定律的另一种表述——感应电流的效果总要反抗产生感应电流的原因。本题中的“原因”是线圈中磁通量先增大后减小，归根结底是磁场靠近了线圈。“效果”是线圈要采取措施阻碍磁通量先增大后减小，即“来拒去留”，故必有向右运动的趋势。在竖直方向上，线圈则应以先“向下躲”后“向上追”的方式阻碍磁通量先增大后减小，故FN先大于mg后小于mg。D正确。答案D应用楞次定律定性分析电磁感应现象时，需要正确区分涉及的两个磁场(一是引起感应电流的原磁场，二是感应电流产生的磁场)和两个电流(产生原磁场的原电流及感应电流)。1.(人教版选修3－2P14·T6改编)(多选)如图所示，一轻质绝缘横杆两侧各固定一金属环，横杆可绕中心点自由转动，老师拿一条形磁铁插向其中一个小环，后又取出插向另一个小环，同学们看到的现象及现象分析正确的是()A．磁铁插向左环，横杆发生转动B．磁铁插向右环，横杆发生转动C．磁铁插向左环，左环中不产生感应电动势和感应电流D．磁铁插向右环，右环中产生感应电动势和感应电流答案BD解析磁铁插向左环，由于左环不闭合，不会产生感应电流，但有感应电动势，因为没有感应电流，磁场和小环没有相互作用力，横杆不会发生转动，A、C错误；B、D正确。2.(2017·陕西西安中学期末)如图所示，均匀带正电的绝缘圆环a与金属圆环b同心共面放置，当a绕O点在其所在平面内旋转时，b中产生顺时针方向的感应电流，且具有收缩趋势，由此可知，圆环a()A．顺时针加速旋转 B．顺时针减速旋转C．逆时针加速旋转 D．逆时针减速旋转答案B解析当带正电的绝缘圆环a顺时针加速旋转时，相当于顺时针方向电流在增大，根据右手螺旋定则，其内(圆环a内)有垂直纸面向里的磁场，其外(金属圆环b处)有垂直纸面向外的磁场，并且磁场的磁感应强度在增大，金属圆环b包围的面积内的磁场的总磁通量是垂直纸面向里(因为向里的磁通量比向外的多)且增大，根据楞次定律，b中产生的感应电流的磁场垂直纸面向外，磁场对电流的作用力向外，所以b中产生逆时针方向的感应电流且有扩张的趋势，同理，当带正电的绝缘圆环a顺时针减速旋转，b中产生顺时针方向的感应电流且有收缩的趋势，A错误，B正确；当带正电的绝缘圆环a逆时针加速旋转时，b中产生顺时针方向的感应电流，但具有扩张趋势；当a逆时针减速旋转时，b中产生逆时针方向的感应电流，具有收缩趋势，C、D错误。3.(2017·四川成都七中诊断)如图所示是法拉第在1831年做电磁感应实验的示意图，铁环上绕有A、B两个线圈，线圈A接直流电源，线圈B接电流表G和开关S。通过多次实验，法拉第终于总结出产生感应电流的条件，分析这个实验，下列说法中正确的是()A．闭合开关S的瞬间，电流表G中有a→b的感应电流B．闭合开关S的瞬间，电流表G中有b→a的感应电流C．闭合开关S后，在增大滑动变阻器R接入电路的阻值的过程中，电流表G中有b→a的感应电流D．闭合开关S后，向右移动滑动变阻器滑片，电流表G指针不偏转答案C解析闭合开关S的瞬间，穿过线圈B的磁通量不发生变化，电流表G中无感应电流，故A、B错误；闭合开关S后，在增大R接入电路的阻值的过程中，电流减小，则穿过线圈B的磁通量减小，根据右手螺旋定则可确定穿过线圈B的磁场方向，再根据楞次定律可得电流表G中有b→a的感应电流，故C正确；闭合开关S后，向右移动滑动变阻器滑片，导致穿过线圈B的磁通量变化，则电流表中有电流，因而电流表G指针会偏转，故D错误。考点3“三定则一定律”的综合应用1．“三定则定律”的应用对比2．应用的关键是抓住因果关系(1)因电而生磁→安培定则。(2)因动而生电→右手定则。(3)因电而受力→左手定则。(4)因磁而生电→楞次定律。[例3]如图所示，通电导线MN与单匝矩形线圈abcd共面，位置靠近ab且与线圈相互绝缘。当MN中电流突然减小时，线圈所受安培力的合力方向()A．向左 B．向右C．垂直纸面向外 D．垂直纸面向里解析解法一：当MN中电流突然减小时，单匝矩形线圈abcd垂直纸面向里的磁通量减小，根据楞次定律，线圈abcd中产生的感应电流方向为顺时针方向，由左手定则可知ab边与cd边所受安培力方向均向右，所以线圈所受安培力的合力方向向右，B正确。解法二：由对楞次定律中“阻碍”的理解可知，当MN中电流突然减小而导致线圈abcd垂直纸面向里的磁通量减小时，线圈abcd一定会有向右运动的趋势以“阻碍”其磁通量的减小，所以其所受安培力的合力方向向右，B正确。答案B当只强调感应电流产生的效果，而不涉及感应电流方向的判定时，灵活应用楞次定律和推广结论。(1)安培力作用在线圈或导体棒上就表现为力的作用效果——改变运动状态(即“来拒去留”)或使物体发生形变的趋势(即“增缩减扩”)。(2)感应电流产生的磁场总是阻碍闭合电路的磁通量变化，以“延缓”其增大或减小的速度。1.(2018·江西南昌二中期末)如图所示，一闭合金属圆环用绝缘细线悬挂于O点，将圆环拉离平衡位置并释放，圆环摆动过程中经过有界的水平匀强磁场区域，A、B为该磁场的竖直边界。若不计空气阻力，则()A．圆环向右穿过磁场后，还能摆至原来的高度B．在进入和离开磁场时，圆环中均有感应电流C．圆环进入磁场后离平衡位置越近速度越大，感应电流也越大D．圆环最终将静止在平衡位置答案B解析圆环穿过磁场时，会产生感应电流，圆环中将产生焦耳热，根据能量守恒定律知圆环的机械能将转化为内能，所以摆不到原来的高度，故A错误。当圆环进入或离开磁场区域时，穿过圆环的磁通量发生变化，会产生感应电流，故B正确。整个圆环进入磁场后，穿过圆环的磁通量不发生变化，不产生感应电流，机械能守恒。圆环进入磁场后离平衡位置越近速度越大，感应电流为零，故C错误。在圆环不断进出磁场，机械能不断损耗过程中，圆环的最大摆角越来越小，最后整个圆环只会在磁场区域内来回摆动，因为在此区域内没有磁通量的变化，圆环中不产生感应电流，所以机械能守恒，即圆环最后的运动状态为在磁场区域内来回摆动，而不是静止在平衡位置，故D错误。2．(2017·山东实验中学一诊)(多选)匀强磁场中有一细金属圆环，圆环平面位于纸面内，如图甲所示。磁场方向垂直纸面，规定向里的方向为正，磁感应强度B随时间t的变化规律如图乙所示。用I1、I2、I3分别表示Oa、ab、bc段的感应电流，F1、F2、F3分别表示金属环产生对应感应电流时其中很小段受到的安培力。则()A．I1沿逆时针方向，I2沿顺时针方向B．I2沿顺时针方向，I3沿逆时针方向C．F1方向指向圆心，F2方向指向圆心D．F2方向背离圆心向外，F3方向指向圆心答案AD解析由题图可知，在Oa段磁场方向垂直于纸面向里，穿过圆环的磁通量增加，由楞次定律可知，感应电流I1沿逆时针方向，在ab段磁场方向垂直纸面向里，穿过圆环的磁通量减少，由楞次定律可知，感应电流I2沿顺时针方向，A正确；在bc段磁场垂直纸面向外，磁通量增加，由楞次定律可知，感应电流I3沿顺时针方向，B错误；由左手定则可知，Oa段电流受到的安培力F1方向指向圆心，ab段电流受到的安培力F2方向背离圆心向外，C错误；bc段电流受到的安培力F3方向指向圆心，D正确。1.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，穿过它们的磁通量分别为Φa、Φb、Φc，下列说法中正确的是()A．Φa<Φb<Φc B．Φa>Φb>ΦcC．Φa<Φc<Φb D．Φa>Φc>Φb答案B解析当a中有电流通过时，穿过a、b、c三个闭合线圈的向里的磁感线条数一样多，向外的磁感线的条数c最多，其次是b，a中没有向外的磁感线，因此，根据总磁通量的计算，应该是Φa>Φb>Φc。故选B。2.如图所示，一根条形磁体自左向右穿过一个闭合螺线管，则电路中()A．始终有感应电流自a向b流过电流表GB．始终有感应电流自b向a流过电流表GC．先有a→G→b方向的感应电流，后有b→G→a方向的感应电流D．将不会产生感应电流答案C解析条形磁体从左边进入螺线管的过程中，在螺线管内产生的磁场方向向右，且穿过螺线管的磁通量不断增加，根据楞次定律，产生的感应电流的方向是a→G→b，条形磁体从螺线管中向右穿出的过程中，在螺线管中产生的磁场方向仍向右，穿过螺线管的磁通量不断减小，根据楞次定律，产生的感应电流的方向是b→G→a，故C正确。3.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．使螺线管上的电流发生变化C．使线圈以MN为轴转动D．使线圈以与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，线圈a所在平面仍与磁感线平行，磁通量不变，不产生感应电流；按选项D所述方式变化时，由于线圈与磁场夹角变化引起磁通量变化，能够产生感应电流，D正确。4.如图所示，当导线ab在电阻不计的金属导轨上滑动时，线圈c向右摆动，则ab的运动情况是()A．向左或向右匀速运动B．向左或向右减速运动C．向左或向右加速运动D．只能向右匀加速运动答案B解析当导线ab在导轨上滑行时，线圈c向右运动，说明穿过线圈的磁通量正在减少，即右侧回路中的感应电流减小，导线正在减速运动，与方向无关，故A、C、D错误，B正确。5.(2017·泰州一模)如图所示，在长载流直导线旁边固定有两平行光滑导轨A、B，导轨与直导线平行且在同一水平面内，在导轨上有两根可自由滑动的导体棒ab和cd。当载流直导线中的电流逐渐减弱时，导体棒ab和cd的运动情况是()A．一起向左运动 B．一起向右运动C．相向运动，相互靠近 D．相背运动，相互远离答案D解析解法一：根据右手螺旋定则知，载流直导线下方的磁场方向垂直纸面向里，电流减小时，磁场减弱，根据楞次定律得，回路中的感应电流为acdb。再根据左手定则知，ab所受安培力方向向左，cd所受安培力向右，即ab和cd相背运动，相互远离，故D正确，A、B、C错误。解法二：载流导线中电流逐渐减弱，穿过a、b、c、d回路的磁通量减小，由楞次定律，只有增大回路面积，才能阻碍磁通量的变化，所以ab、cd相背运动，D正确。6．(多选)如图所示，固定的水平长直导线中通有直流电流I，矩形线框与导线在同一竖直平面内，且两边与导线平行。线框由静止释放，在下落过程中()A．穿过线框的磁通量保持不变B．线框中感应电流方向保持不变C．线框所受安培力的合力为零D．线框的机械能不断减小答案BD解析线框下落过程中，穿过线框的磁通量减小，A错误；由楞次定律可判断出感应电流方向一直沿顺时针方向，B正确；线框受到的安培力的合力竖直向上，但小于重力，则合力不为零，C错误；在下落过程中，安培力对线框做负功，则其机械能减小，D正确。7.(多选)如图所示，光滑平行金属导轨PP′和QQ′，都处于同一水平面内，P和Q之间连接一电阻R。整个装置处于竖直向下的匀强磁场中。现垂直于导轨放置一根导体棒MN，用一水平向右的力F拉动导体棒MN，以下关于导体棒MN中感应电流方向和它所受安培力的方向的说法正确的是()A．感应电流方向是N→M B．感应电流方向是M→NC．安培力水平向左 D．安培力水平向右答案AC解析解法一：由右手定则易知，MN中感应电流方向是N→M，再由左手定则可判知，MN所受安培力方向垂直棒水平向左。解法二：由楞次定律知，感应电流的产生，必然阻碍引起感应电流的原因。本题中，感应电流是由于MN相对于磁场向右运动引起的，则安培力必然阻碍这种相对运动，由安培力既垂直于电流又垂直于磁场方向可判知，MN所受安培力方向必然垂直于MN水平向左，再由左手定则，容易判断出感应电流的方向是N→M，故正确选项为A、C。8．(2017·长沙模拟)(多选)均匀带负电的塑料圆环绕垂直于圆环平面过圆心的轴旋转，在环的圆心处有一闭合小线圈，小线圈和圆环在同一平面，则()A．只要圆环在转动，小线圈内就一定有感应电流B．不管环怎样转动，小线圈内都没有感应电流C．圆环在做变速转动时，小线圈内一定有感应电流D．圆环在做匀速转动时，小线圈内没有感应电流答案CD解析圆环匀速转动形成恒定环形电流，磁场稳定，小线圈磁通量不变，不形成感应电流，故A错误、D正确；若圆环变速转动，磁场不断变化，小线圈中磁通量变化，形成感应电流，故B错误、C正确。9.(2017·全国卷Ⅲ)如图，在方向垂直于纸面向里的匀强磁场中有一U形金属导轨，导轨平面与磁场垂直。金属杆PQ置于导轨上并与导轨形成闭合回路PQRS，一圆环形金属线框T位于回路围成的区域内，线框与导轨共面。现让金属杆PQ突然向右运动，在运动开始的瞬间，关于感应电流的方向，下列说法正确的是()A．PQRS中沿顺时针方向，T中沿逆时针方向B．PQRS中沿顺时针方向，T中沿顺时针方向C．PQRS中沿逆时针方向，T中沿逆时针方向D．PQRS中沿逆时针方向，T中沿顺时针方向答案D解析由于金属杆PQ突然向右运动，导致金属导轨与金属杆PQ所围的面积增大，磁通量增大，由楞次定律知，感应电流产生的磁场阻碍原磁场的变化，故感应电流产生的磁场方向应垂直于纸面向外，PQRS中的感应电流沿逆时针方向。对于圆环形金属线框T，金属杆由于运动产生的感应电流所产生的磁场使得T内的磁场的磁感应强度变小，磁通量减小，故线框T中感应电流产生的磁场方向应垂直于纸面向里，故T中的感应电流沿顺时针方向，故D正确。10.(2017·全国卷Ⅰ)扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌。为了有效隔离外界振动对STM的扰动，在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板，并施加磁场来快速衰减其微小振动，如图所示。无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场；出现扰动后，对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是()答案A解析施加磁场来衰减振动是利用电磁阻尼实现的，即振动过程中发生电磁感应现象，产生的感应电流在磁场中受安培力阻碍其振动。A图中紫铜薄板无论上下振动还是左右振动都会出现磁通量的变化，即产生电磁感应现象；B图中紫铜薄板上下振动时没有磁通量的变化，不会产生电磁感应现象；C图中紫铜薄板无论上下振动还是左右振动均不会产生电磁感应现象；D图中紫铜薄板上下振动时不会产生电磁感应现象，A正确。11.(2016·海南高考)如图，一圆形金属环与两固定的平行长直导线在同一竖直平面内，环的圆心与两导线距离相等，环的直径小于两导线间距。两导线中通有大小相等、方向向下的恒定电流。若()A．金属环向上运动，则环上的感应电流方向为顺时针方向B．金属环向下运动，则环上的感应电流方向为顺时针方向C．金属环向左侧直导线靠近，则环上的感应电流方向为逆时针D．金属环向右侧直导线靠近，则环上的感应电流方向为逆时针答案D解析根据楞次定律，当金属圆环上、下移动时，穿过圆环的磁通量不发生变化，故没有感应电流产生，故选项A、B错误；当金属圆环向左移动时，则穿过圆环的磁场垂直纸面向外并且增强，根据楞次定律可知，产生的感应电流为顺时针，故选项C错误；当金属圆环向右移动时，则穿过圆环的磁场垂直纸面向里并且增强，根据楞次定律可知，产生的感应电流为逆时针，故选项D正确。12.(2015·全国卷Ⅰ)(多选)1824年，法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”。实验中将一铜圆盘水平放置，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，如图所示。实验中发现，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转动起来，但略有滞后。下列说法正确的是()A．圆盘上产生了感应电动势B．圆盘内的涡