2025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．磁通量的变化量ΔΦ＝Φ2－Φ1，磁感应强度B不变，闭合回路的有效面积S发生变化。如图(a)(b)所示，ΔΦ＝B(S2－S1)＝BΔS。2．闭合回路的面积S不变，磁感应强度B发生变化。如图(c)所示，ΔΦ＝(B2－B1)S＝ΔBS。3．磁感应强度B和闭合回路的面积S都发生变化，ΔΦ＝B2S2－B1S1。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，穿过线圈的磁通量在减小，故B正确；选项C中，由于磁感线方向与线圈平面平行，故穿过线圈的磁通量一直为零，没有变化，故C错误；选项D中，线圈转动过程中，穿过线圈的磁感线条数不变，故穿过线圈的磁通量不变，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：如图甲所示，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”)甲乙(2)实验二：如图乙所示，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：如图丙所示，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”)丙(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·陕西省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.倍率适宜的电阻表(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，故选A。(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。例3(2024·武威市高二期末)下列各图中能产生感应电流的是()答案D解析闭合线圈绕平行于匀强磁场的转动轴匀速转动，穿过闭合线圈的磁通量始终为零，因此闭合线圈中无感应电流，故A错误；条形磁体插入有开口的圆环，由于圆环未闭合，因此圆环中无感应电流，故B错误；闭合线圈与条形磁体在同一平面并在远离磁体，磁感线与线圈平面平行，穿过闭合线圈的磁通量始终为零，闭合线圈中无感应电流，故C错误；平行金属导轨上，两根金属棒与导轨构成闭合回路，当向相反方向运动时，闭合回路面积增大，即穿过闭合回路的磁通量增大，回路中将产生感应电流，故D正确。例4如图所示的装置，在下列各种情况中，不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()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，使滑动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5如图所示，边界MN右侧存在匀强磁场，现使边长为L的正方形闭合金属线框由边界左侧以速度v匀速运动到图中虚线位置。此过程线框中产生感应电流的时间为()A.eq\f(L,v)B.eq\f(2L,v)C.eq\f(3L,v)D.eq\f(4L,v)答案A解析线框在整个运动过程中，只在右侧边框恰好进入磁场到线框恰好完全进入磁场的过程中产生感应电流，此过程线框的位移为L，故根据匀速直线运动规律可得，产生感应电流的时间为t＝eq\f(L,v)，A正确。课时对点练[分值：60分]1～7题每题3分，共21分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选项都不会使穿过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。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为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。考点二磁通量变化的几种情况3.如图所示，一水平放置的矩形闭合线圈abcd在细长磁体N极附近下落，保持bc边在纸外，ad边在纸内，由图中的位置Ⅰ经过位置Ⅱ到位置Ⅲ，且位置Ⅰ和Ⅲ都很靠近位置Ⅱ，在这个过程中，线圈中的磁通量()A．是增加的 B．是减少的C．先增加，后减少 D．先减少，后增加答案D4.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，要使穿过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．i1B．i2C．i3D．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，则要使穿过所围面积的磁通量增加，应切断i4，故选D。考点三产生感应电流的条件5．(2024·呼和浩特市高二期末)两个平行放置的异名永磁体磁极间有匀强磁场，其间放置一个闭合矩形导线圈，线圈在始终未超出磁场的范围内做下列运动时，能产生感应电流的是()答案D解析导线圈竖直上下运动，穿过线圈的磁通量保持不变，不会产生感应电流，故A错误；导线圈水平左右运动，穿过线圈的磁通量保持不变，不会产生感应电流，故B错误；导线圈绕竖直轴转动，穿过线圈的磁通量保持不变，不会产生感应电流，故C错误；导线圈绕水平轴转动，穿过线圈的磁通量发生变化，会产生感应电流，故D正确。6.(2024·四川省绵阳南山中学高二月考)如图所示，竖直放置的长直导线通有恒定电流，有一矩形线框与导线在同一平面内，在下列情况中线框中不能产生感应电流的是()A．导线中的电流变大B．线框以PQ为轴转动C．线框向右平动D．线框以AB边为轴转动答案B解析导线中电流变大，线框处磁感应强度增大，故穿过线框磁通量增大，可以产生感应电流，故A不符合题意；线框以直导线PQ为轴转动，由于直导线的磁感线为以导线为圆心的同心圆，故穿过线框的磁通量不变化，则不能产生感应电流，故B符合题意；线框向右平动时，线框所在处的磁感应强度变小，穿过线框磁通量变小，故能产生感应电流，故C不符合题意；线框以AB边为轴转动，则穿过线框的磁通量发生变化，会产生感应电流，选项D不符合题意。7.(2023·潍坊市高二期末)如图所示，Oxyz坐标系中，一铜环位于xOz平面内且圆心为坐标原点O，通电长直导线位于xOy平面内且与x轴平行，下列操作能使铜环中产生感应电流的是()A．铜环沿x轴正方向平移B．铜环沿y轴正方向平移C．铜环沿z轴正方向平移D．改变导线中电流方向答案C解析根据安培定则可知，此时通电导线产生的磁场穿过铜环的磁通量为零，不管铜环是沿x轴正方向平移、沿y轴正方向平移，还是改变导线中电流方向，通过铜环的磁通量均不发生变化，不产生感应电流；但当铜环沿z轴正方向平移时，穿过铜环的磁通量发生变化，产生感应电流，故选C。8～12题每题6分，共30分8.(2024·扬州市高二期中)我国拥有世界上最大单口径射电望远镜，被称为“天眼”。如图所示，“天眼”的“眼眶”所围圆面积为S，其所在处地磁场可视为匀强磁场，磁感应强度大小为B，与“眼眶”平面垂直、平行的分量分别为B1、B2，则()A．在地球自转180°的过程中，地磁场穿过“眼眶”磁通量的变化量为0B．穿过“眼眶”的磁通量大小为B2SC．在地球自转90°的过程中，地磁场穿过“眼眶”磁通量的变化量为eq\r(2)B2SD．磁通量是矢量，方向与磁感应强度方向相同答案A解析“眼眶”与B1垂直，与B2平行，则穿过“眼眶”的磁通量Φ＝B1S，故B错误；“眼眶”相对地磁场静止，穿过“眼眶”磁通量的变化量始终为0，故A正确，C错误；磁通量是标量，故D错误。9.(2023·浙江省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按如图所示的A、B、C、D四种情况变化，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，电流产生的磁场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图所示的情况下线圈A中的电流会发生变化，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。10．(2024·江门市高二阶段检测)法拉第在1831年发现了“磁生电”现象。如图甲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，长直导线正下方平行于导线放置一个小磁针；如图乙两个线圈分别绕在一个铁环上，线圈A接直流电源，线圈B接灵敏电流计。实验中可能观察到的现象是()A．图甲中，只要A线圈中电流足够强，小磁针就会发生偏转B．图甲中，线圈A和电池断开瞬间，小磁针不会偏转C．图乙中，开关S接通时，可能使线圈B中产生感应电流D．图乙中，开关S接通后，改变滑动变阻器滑片的位置时，不可能使线圈B中产生感应电流答案C解析根据电磁感应现象可知，线圈B中若要产生感应电流，需要穿过线圈B的磁通量产生变化，则需要线圈A中电流发生变化。题图甲中，即使A线圈中电流足够强，若电流不变，则小磁针就不会发生偏转，选项A错误；题图甲中，线圈A和电池断开瞬间，A中电流变化，会在B中产生感应电流，则小磁针会偏转，选项B错误；题图乙中，开关S接通时，A中电流变化，可能使线圈B中产生感应电流，选项C正确；题图乙中，开关S接通后，改变滑动变阻器滑片的位置时，A中电流变化，可能使线圈B中产生感应电流，选项D错误。11.(多选)(2023·河北省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场方向向下，右侧导线在左侧产生的磁场方向向上，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。12.(多选)(2024·绵阳市高二月考)如图所示，两匀强磁场的磁感应强度B1和B2大小相等、方向相反。竖直面内的金属圆环的直径所在直线O1O2与两磁场的边界重合。下列变化在环中能产生感应电流的是()A．增大金属圆环的直径B．让金属圆环以O1O2为轴转动90°过程中C．向上平移金属圆环D．在金属圆环的正下方放一根与图中磁场边界平行的通电直导线答案CD解析增大金属圆环的直径，穿过圆环的上半部分和下半部分的面积变化大小相同，磁通量不变化，则不产生感应