(共37张PPT)
1~2 划时代的发现 探究感应电流的产生条件
课标阐释
思维脉络
1.了解电磁感应现象的发现过程,体会人类探究自然规律的科学态度和科学精神。
2.通过实验,探究和理解感应电流的产生条件。
3.掌握磁通量的概念及其计算。
4.能够运用感应电流的产生条件判断感应电流能否产生。
一、奥斯特梦圆“电生磁”
在1820年4月的一次讲演中,奥斯特偶然在直导线附近放置一枚小磁针,当导线中有电流通过时,磁针发生了偏转。这就是著名的奥斯特实验。实验表明:通电导线周围和永磁体周围一样都存在磁场。
电流的磁效应是科学史上的一个重要发现,它揭示了电现象与磁现象之间存在的某种联系,从此把电学和磁学联系起来。
二、法拉第心系“磁生电”
法拉第经过长期不懈的努力最终发现:“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。法拉第把引起电流的原因概括为五类,它们都与变化和运动相联系,这就是:变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体。他把这些现象定名为电磁感应,产生的电流叫做感应电流。
三、探究感应电流的产生条件
实验1 闭合电路一部分导体做切割磁感线运动。实验电路如图甲所示。
产生感应电流的原因分析:导体AB做切割磁感线运动时,匀强磁场的磁感应强度B没有变化,但导体AB与电流表组成的回路面积S发生变化,即回路中磁通量发生了变化。
实验2 条形磁铁在线圈中相对运动。实验电路如图乙所示。
产生感应电流的原因分析:向线圈中插入磁铁,或把磁铁从线圈中抽出时,线圈与电流表组成的回路面积S没有变化,但线圈回路中的磁感应强度B发生了变化,即回路中的磁通量发生了变化。
甲
乙
实验3 模仿法拉第的实验。实验电路如图丙所示。
丙
产生感应电流的原因分析:由于迅速移动滑动变阻器的滑片(或由于开关的闭合、断开),线圈A中的电流迅速变化,产生的磁场的强弱也在迅速变化,所以通过线圈B的磁感应强度(或磁场强弱)也在迅速变化,即线圈B回路中的磁通量发生了变化。
1.产生感应电流的条件:既与磁场的变化有关系,也就是说,与磁感应强度的变化有关系;也与闭合电路包围的面积有关系。即与闭合回路的磁通量有关系。
2.实验表明: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。
自我检测
1.正误判断。
(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。
( )
解析:产生感应电流的条件:一是闭合电路,二是磁通量变化。有磁通量而不变化,是不会产生感应电流的。
答案:×
(2)穿过螺线管的磁通量发生变化时,螺线管内部就一定有感应电流产生。
( )
解析:磁通量发生变化,而螺线管回路不闭合,不会产生感应电流。
答案:×
(3)闭合电路的部分导体在磁场中运动就会产生感应电流。
( )
解析:只有闭合电路的部分导体做切割磁感线的运动时,闭合回路中才会产生感应电流。
答案:×
(4)线框不闭合时,即使穿过线框的磁通量发生变化,线框中也没有感应电流产生。
( )
解析:产生感应电流的两个条件都满足才会有感应电流产生。
答案:√
2.(多选)如图所示,导线ab和cd互相平行,则下列四种情况中,导线cd中有电流的是( )
A.开关S闭合或断开的瞬间
B.开关S是闭合的,但滑动触头向左滑
C.开关S是闭合的,但滑动触头向右滑
D.开关S始终闭合,滑动触头不动
解析:开关S闭合或断开的瞬间、开关S闭合但滑动触头向左滑的过程中、开关S闭合但滑动触头向右滑的过程中都会使通过导线ab段的电流发生变化,使穿过cd回路的磁通量发生变化,从而在cd导线中产生感应电流。因此,本题的正确选项应为ABC。
答案:ABC
探究一
探究二
对磁通量概念的理解
问题探究
如图甲,竖直向下的匀强磁场中,水平放置一正方形线框;如图乙,竖直向下的匀强磁场中,平行磁感应强度的方向放置正方形线框。若线框的面积是S,磁感应强度为B,试求两种情况下,穿过线框的磁通量分别是多少?
要点提示:题图甲中,磁感线与线框所在平面垂直,穿过线框的磁通量Φ1=BS;
题图乙中,磁感线与线框所在平面平行,穿过线框的磁通量Φ2=0。
探究一
探究二
知识归纳
1.对磁通量的三点理解
(1)磁通量是标量,但是有正负。磁通量的正负不表示大小,只表示磁感线是怎样穿过平面的。即若以向里穿过某面的磁通量为正,则向外穿过这个面的磁通量为负。
(2)若穿过某一面的磁感线既有穿出,又有穿入,则穿过该面的合磁通量为净磁感线的条数。
(3)由Φ=BS可知,磁通量的大小与线圈的匝数无关。
探究一
探究二
2.匀强磁场中磁通量的计算
(1)B与S垂直时:Φ=BS,B指匀强磁场的磁感应强度,S为线圈的面积。
(2)B与S不垂直时:Φ=BS⊥,S⊥为线圈在垂直磁场方向上的投影面积,在应用时可将S投影到与B垂直的方向上或者S不变,将B分解为垂直于S和平行于S两个分量,则Φ=B⊥S,如图所示Φ=BSsin
θ。
(3)某面积内有不同方向的磁场时,分别计算不同方向的磁场的磁通量,然后规定某个方向的磁通量为正,反方向的磁通量为负,求其代数和。
探究一
探究二
3.非匀强磁场中磁通量的分析
条形磁铁、通电导线周围的磁场都是非匀强磁场,通常只对穿过线圈的磁通量进行定性分析,分析时应兼顾磁场强弱、线圈面积和磁场与线圈的夹角等因素,并可充分利用磁感线来判断,即磁通量的大小对应穿过线圈的磁感线的条数,穿过线圈的磁感线的条数变化,则说明磁通量变化。
探究一
探究二
典例剖析
【例题1】
如图所示,有一个垂直于纸面向里的匀强磁场,B=0.8
T,磁场有明显的圆形边界,圆心为O,半径为1
cm。现在纸面内先后放上与磁场垂直的圆线圈,圆心均在O处,A线圈半径为1
cm,10匝;B线圈半径为2
cm,1匝;C线圈半径为0.5
cm,1匝。问:
(1)在B减为0.4
T的过程中,求A和B中磁通量改变量大小;
(2)在磁场转过30°角的过程中,求C中磁通量改变量大小。
探究一
探究二
解析:(1)对A线圈:ΦA1=B1πr2,ΦA2=B2πr2。磁通量的改变量大小:
ΔΦA=|ΦA2-ΦA1|=(0.8-0.4)×3.14×10-4
Wb=1.256×10-4
Wb
其中r为磁场的半径
磁通量的改变量大小:
ΔΦB=|ΦB2-ΦB1|=(0.8-0.4)×3.14×10-4
Wb=1.256×10-4
Wb。
探究一
探究二
答案:(1)1.256×10-4
Wb 1.256×10-4
Wb
(2)8.4×10-6
Wb
探究一
探究二
与磁通量计算有关的三点注意
(1)线圈为多匝时,磁通量计算不受影响,因为穿过线圈的磁感线的条数不受匝数影响。
(2)若某面积内的磁场不是匀强磁场,但将该面积划分为几块后,每一块都是匀强磁场,可用公式Φ=BS⊥对每一块进行计算,然后求代数和,若每一块都不是匀强磁场,则高中阶段只能根据磁感线的条数对磁通量进行定性判断。
(3)若线圈面积S1大于磁场区域面积S2,那么Φ=BS中的S应指闭合回路中处于磁场中的那部分的有效面积即S2。
探究一
探究二
变式训练1如图所示,一矩形线圈abcd的面积S为1×10-2
m2,它与匀强磁场方向之间的夹角θ为30°,穿过线圈的磁通量Φ为1×10-3
Wb。则:
(1)磁场的磁感应强度B为多大?
(2)若线圈以ab边为轴翻转180°,则此过程穿过线圈的磁通量的变化大小ΔΦ为多少?
解析:(1)由磁通量的计算公式,Φ=BS⊥=BSsin
θ
(2)若规定开始时穿过线圈的磁通量为正,
则转过180°时穿过线圈的磁通量为负,
故Φ1=1×10-3
Wb,Φ2=-1×10-3
Wb,
ΔΦ=|Φ2-Φ1|=2×10-3
Wb
答案:(1)0.2
T (2)2×10-3
Wb
探究一
探究二
探究产生感应电流的条件
问题探究
影视剧中常常有这样的情节:特工将并排在一起的两根电话线分开,在其中一根电话线旁边铺设一条两端分别与耳机连接的导线,这条导线与电话线是绝缘的。如图所示,这样就能窃听到电话,这里面有什么科学道理呢?下面我们通过实验来探究:
探究一
探究二
1.如图所示,导体AB放在磁场中,并与电流表相连,按照表中实验操作进行实验,观察有无感应电流产生,完成下表。
无
无
有
变化
不变
探究一
探究二
2.如图所示,条形磁铁放在线圈中,线圈接有电流表,按照表中实验操作进行实验,观察有无感应电流产生,完成下表。
无
有
有
有
无
有
变化
不变
探究一
探究二
3.如图所示,原线圈(小螺线管)接电源、开关和滑动变阻器,副线圈(大螺线管)接电流表,按照表中实验操作进行实验,观察有无感应电流产生,完成下表。
探究一
探究二
有
有
无
有
变化
不变
探究一
探究二
4.上述三个实验产生感应电流的情况不同,但其中肯定有某种共同的原因,完成下表并总结产生感应电流的条件。
变化
不变
变化
变化
不变
闭合
磁通量
探究一
探究二
知识归纳
1.产生感应电流的条件
只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路中就会产生感应电流。
2.感应电流有无的判断
引起感应电流的表面因素很多,但本质的原因是磁通量的变化。只要穿过闭合电路的磁通量变化,闭合电路中就有感应电流产生。
探究一
探究二
穿过闭合电路的磁通量发生变化,大致有以下几种情况:
(1)电路为闭合电路。(2)穿过电路的磁通量发生变化。两条必须同时满足,才能产生感应电流。
探究一
探究二
典例剖析
【例题2】如图所示,矩形线圈与磁场垂直,且一半在匀强磁场内,一半在匀强磁场外。下述操作中能使线圈中产生感应电流的是
( )
A.以bc为轴转动45°
B.以ad为轴转动45°
C.将线圈向下平移
D.将线圈向上平移
探究一
探究二
解析:当线圈以bc为轴转动45°时,ad边刚好还没有进入磁场,这样,穿过线圈的磁感线的条数没有发生变化,磁通量不发生改变,所以在回路中不会产生感应电流,A错误。当以ad为轴转动45°时,bc边刚好要离开磁场,这样,穿过线圈的磁感线的条数将不断减少,所以在回路中会产生感应电流,选项B正确。当将线圈向下平移或者向上平移时,穿过线圈的磁感线的条数均没有发生变化,磁通量不发生改变,所以在回路中不会产生感应电流,选项C、D错误。
答案:B
探究一
探究二
判断是否产生感应电流的技巧
(1)电路闭合和磁通量发生变化是产生感应电流的两个条件,二者缺一不可。
(2)磁通量发生变化,其主要内涵体现在“变化”上,磁通量很大,若没有变化,也不会产生感应电流,磁通量虽然是零,但是变化的,仍然可以产生感应电流。
(3)产生感应电流的实质是其他形式的能转化为电能。
探究一
探究二
变式训练2(多选)如图所示,在正方形线圈的内部有一条形磁铁,线圈与磁铁在同一平面内,两者有共同的中心轴线OO',关于线圈中产生感应电流的下列说法正确的是( )
A.当磁铁向纸面外平移时,线圈中不产生感应电流
B.当磁铁向上平移时,线圈中不产生感应电流
C.当磁铁向下平移时,线圈中产生感应电流
D.当磁铁N极向纸外、S极向纸里绕OO'轴转动时,线圈中产生感应电流
探究一
探究二
解析:由于线圈与磁铁在同一平面内,两者有共同的中心轴线OO',由条形磁铁的磁感线分布的轴对称性可以判断出此时线圈中的磁通量为零。当磁铁向纸面外平移时,N极发出的磁感线从磁铁外部再回到S极,所以在平移过程中,线圈中没有磁通量的改变,不产生感应电流,A正确;当磁铁向上平移时或者当磁铁向下平移时,线圈始终在条形磁铁的轴线上,所以磁通量始终为零,所以线圈中不产生感应电流,所以B正确,C错误;当磁铁N极向纸外、S极向纸里绕OO'轴转动时,线圈中的磁通量将由零开始先逐渐增加,所以磁通量发生了变化,将会产生感应电流,所以D正确。
答案:ABD
1
2
3
4
1.如图所示,ab是水平面上一个圆线圈的直径,在过ab的竖直平面内有一根通电直导线ef。已知ef平行于ab,当ef竖直向上平移时,电流磁场穿过圆线圈面积的磁通量将( )
A.逐渐增大
B.逐渐减小
C.始终为零
D.不为零,但保持不变
解析:利用安培定则判断电流产生的磁场,作出如图所示俯视图,考虑到磁场具有对称性,可以知道,穿进圆线圈的磁感线的条数与穿出圆线圈的磁感线条数是相等的,故选C。
答案:C
1
2
3
4
2.如图所示,矩形线框abcd放置在水平面内,磁场方向与水平方向成α角,已知sin
α=
,回路面积为S,磁感应强度为B,则通过线框的磁通量为( )
解析:在磁通量Φ=BS公式中,B与S必须垂直,若B与S不垂直,则S要转化为垂直于B的有效面积,也可以将B转化为垂直于S的垂直分量,
答案:B
1
2
3
4
3.某学生做观察电磁感应现象的实验,将电流表、线圈A和B、蓄电池、开关用导线连接成如图所示的实验电路,当他接通、断开开关时,电流表的指针都没有偏转,其原因是( )
A.开关位置接错
B.电流表的正、负极接反
C.线圈B的接头3、4接反
D.蓄电池的正、负极接反
解析:图中所示开关的连接不能控制含有电源的电路中电流的通断。而本实验的内容之一就是用来研究在开关通断瞬间,电流的有无是否导致磁场发生变化,进而产生感应电流的情况,因而图中接法达不到目的。
答案:A
1
2
3
4
4.1825年,瑞士物理学家德拉里夫的助手科拉顿将一个螺线管与电流计相连,为了避免强磁性磁铁的影响,他把电流计放在另外一个房间,当他把磁铁投入螺线管中后,立即跑到另一个房间去观察。关于科拉顿进行的实验,下列说法正确的是( )
A.在科拉顿整个操作过程中,电流计不发生偏转
B.将磁铁投入螺线管瞬间,电流计发生偏转,但科拉顿跑到房间观察时,电流计已不再偏转
C.科拉顿无法观察到电流计偏转的原因是当时电流计灵敏度不够
D.科拉顿无法观察到电流计偏转的原因是导线过长,电流过小
1
2
3
4
解析:科拉顿将磁铁放入螺线管时,穿过线圈的磁通量发生变化,回路中产生感应电流,电流计偏转,之后,穿过线圈的磁通量保持不变,回路中无感应电流,电流计不偏转。由于科拉顿放完磁铁后还要跑到另一房间观察,所以他观察不到偏转。只有B项正确。
答案:B(共30张PPT)
3 楞次定律
课标阐释
思维脉络
1.理解楞次定律并能用楞次定律判断感应电流的方向。
2.知道右手定则并能用右手定则判断导线切割磁感线产生的感应电流方向。
3.从楞次定律的因果关系,培养学生逻辑思维的核心素养。
4.从楞次定律的不同的表述形式,培养学生多角度认识问题和高度概括的核心素养。
一、楞次定律
1.内容:
感应电流具有这样的方向,即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
2.适用情况:所有电磁感应现象。
二、右手定则
1.内容
伸开右手,使拇指与其余四个手指垂直,并且都与手掌在同一个平面内;让磁感线从掌心进入,并使拇指指向导线运动的方向,这时四指所指的方向就是感应电流的方向。
2.适用范围
适用于闭合电路部分导体切割磁感线产生感应电流的情况。
自我检测
1.正误判断。
(1)感应电流的磁场一定与引起感应电流的磁场方向相反。
( )
解析:原磁场引起回路磁通量增加时,感应电流磁场与原磁场方向相反,原磁场引起磁通量减少时,两磁场方向相同。
答案:×
(2)电路不闭合,穿过回路的磁通量变化时,也会产生“阻碍”作用。
( )
解析:回路中的“阻碍”是由感应电流的磁场产生的,若回路不闭合,就无感应电流,因此不会产生阻碍作用。
答案:×
(3)引起感应电流的磁场变化很快时,感应电流的磁场与引起感应电流的磁场方向相反。
( )
解析:感应电流的磁场方向与引起感应电流的磁场变化的快慢无关。
答案:×
(4)感应电流的磁场总是阻碍原磁通量的变化。
( )
解析:感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
答案:√
2.(多选)如图是验证楞次定律实验的示意图,竖直放置的线圈固定不动,将磁铁从线圈上方插入或拔出,线圈和电流表构成的闭合回路中就会产生感应电流,各图中分别标出了磁铁的极性、磁铁相对线圈的运动方向以及线圈中产生的感应电流的方向等情况,其中表示正确的是( )
解析:先根据楞次定律“来拒去留”判断线圈的N极和S极,A中线圈上端为N极,B中线圈上端为N极,C中线圈上端为S极,D中线圈上端为S极,再根据安培定则确定感应电流的方向,A、B错误,C、D正确。
答案:CD
3.(多选)磁场垂直穿过一个圆形线圈,由于磁场的变化,在线圈中产生顺时针方向的感应电流,如图所示,则以下说法正确的是( )
A.若磁场方向垂直线圈向里,则此磁场的磁感应强度是在增强
B.若磁场方向垂直线圈向里,则此磁场的磁感应强度是在减弱
C.若磁场方向垂直线圈向外,则此磁场的磁感应强度是在增强
D.若磁场方向垂直线圈向外,则此磁场的磁感应强度是在减弱
解析:所产生的感应电流为顺时针方向,由安培定则知感应电流的磁场垂直线圈向里,由楞次定律中的“增反减同”可知,可能是方向垂直线圈向里的磁场正在减弱或是方向垂直线圈向外的磁场正在增强,故B、C正确。
答案:BC
探究一
探究二
楞次定律
问题探究
根据如图甲、乙、丙、丁所示进行电路图连接与实验操作,并填好实验现象记录表格。
探究一
探究二
探究一
探究二
(1)请根据上表所填内容分析,感应电流的磁场方向是否总是与原磁场方向相反或相同?什么时候相反?什么时候相同?感应电流的磁场对原磁场磁通量变化有何影响?
(2)分析当磁铁靠近或远离线圈时两者的相互作用有什么规律?
要点提示:(1)不一定,有时相反,有时相同;闭合回路中原磁场的磁通量增加时,感应电流产生的磁场方向与原磁场方向相反;闭合回路中原磁场的磁通量减少时,感应电流产生的磁场方向与原磁场方向相同;感应电流的磁场总是阻碍原磁场磁通量的变化。
(2)当条形磁铁插入时,磁铁与线圈的磁极是同名磁极相对;当条形磁铁拔出时,磁铁与线圈的磁极是异名磁极相对。即:两者靠近时,相互排斥;两者远离时,相互吸引。感应电流总要阻碍原磁场的相对运动。
探究一
探究二
知识归纳
1.楞次定律
(1)内容:感应电流具有这样的方向,即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
(2)简化表述:原磁场磁通量增加时,感应电流的磁场与原磁场方向相反,原磁场磁通量减少时,感应电流的磁场与原磁场方向相同。
(3)适用情况:所有电磁感应现象。
探究一
探究二
2.对楞次定律的理解
(1)因果关系:楞次定律反映了电磁感应现象中的因果关系,原磁场磁通量发生变化是原因,产生感应电流是结果,原因产生结果,结果反过来影响原因。
(2)对“阻碍”的理解
探究一
探究二
“阻碍”不是“阻止”。引起感应电流的磁场仍然变化了,是阻而未止。“阻碍”并不意味着“相反”,当原磁场磁通量减少时,“阻碍”意味着“相同”。
探究一
探究二
典例剖析
【例题1】1831年法拉第把两个线圈绕在一个铁环上,A线圈与电源、滑动变阻器R组成一个回路,B线圈与开关S、电流表G组成另一个回路,如图所示。通过多次实验,法拉第终于总结出产生感应电流的条件。关于该实验,下列说法正确的是
( )
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,在增大电阻R的过程中,电流表G中有a→b的感应电流
D.闭合开关S后,在增大电阻R的过程中,电流表G中有b→a的感应电流
探究一
探究二
解析:在滑片不动的情况下,A线圈中通过的是恒定电流,产生的磁场是恒定的,所以B线圈中不产生感应电流,所以选项A、B错误;在滑片移动增大电阻R的过程中,A线圈中通过的是逐渐减弱的电流,即线圈B处于逐渐减弱的磁场中,由安培定则和楞次定律可判断得知,电流表中的电流从b→a,故选项C错误,D正确。
答案:D
应用楞次定律判断感应电流方向的步骤
探究一
探究二
变式训练1(多选)如图所示,通电直导线L和平行直导线放置的闭合导体框abcd,当通电导线L运动时,以下说法正确的是( )
A.当导线L向左平移时,导体框abcd中感应电流的方向为abcda
B.当导线L向左平移时,导体框abcd中感应电流的方向为adcba
C.当导线L向右平移时(未到达ad),导体框abcd中感应电流的方向为abcda
D.当导线L向右平移时(未到达ad),导体框abcd中感应电流的方向为adcba
探究一
探究二
解析:当导线L向左平移时,闭合导体框abcd中磁场减弱,磁通量减少,abcd回路中产生的感应电流的磁场将阻碍磁通量的减少,由于导线L在abcd中磁场方向垂直纸面向里,所以abcd中感应电流的磁场方向应为垂直纸面向里,由安培定则可知感应电流的方向为abcda,选项A正确;当导线L向右平移时,闭合电路abcd中磁场增强,磁通量增加,abcd回路中产生的感应电流的磁场将阻碍原磁通量的增加,可知感应电流的磁场为垂直纸面向外,再由安培定则可知感应电流的方向为adcba,选项D正确。
答案:AD
探究一
探究二
右手定则
问题探究
在下图中,假定导体棒AB向右运动。
1.我们研究的是哪个闭合电路?
2.当导体棒AB向右运动时,穿过这个闭合电路的磁通量是增大还是减小?
3.感应电流的磁场应该是沿哪个方向的?
4.导体棒AB中的感应电流是沿哪个方向的?
要点提示:1.ABEF 2.增大 3.垂直纸面向外
4.A→B
探究一
探究二
知识归纳
1.右手定则:伸开右手,使拇指与其余四个手指垂直,并且都与手掌在同一个平面内;让磁感线从掌心进入,并使拇指指向导线运动的方向,这时四指所指的方向就是感应电流的方向。
2.当切割磁感线时四指的指向就是感应电流的方向,即感应电动势的方向(注意等效电源内部感应电流方向由负极指向正极)。
探究一
探究二
3.楞次定律与右手定则的区别及联系
项目
楞次定律
右手定则
区
别
研究
对象
整个闭合回路
闭合回路的一部分,即做切割磁感线运动的导体
适用
范围
各种电磁感应现象
只适用于导体在磁场中做切割磁感线运动的情况
应用
用于磁感应强度B随时间变化而产生的电磁感应现象较方便
用于导体切割磁感线产生的电磁感应现象较方便
联系
右手定则是楞次定律的特例
探究一
探究二
典例剖析
【例题2】
下图表示闭合电路中的一部分导体ab在磁场中做切割磁感线运动的情景,其中能产生由a到b的感应电流的是( )
探究一
探究二
解析:由右手定则判知,A中感应电流方向为a→b,B、C、D中均为b→a。
答案:A
探究一
探究二
变式训练2(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→N
C.安培力水平向左
D.安培力水平向右
解析:由右手定则知,MN中感应电流方向是N→M,A正确;再由左手定则可知,MN所受安培力方向垂直导体棒水平向左,C正确。故选A、C。
答案:AC
1
2
3
4
1.根据楞次定律可知感应电流的磁场一定是( )
A.阻碍引起感应电流的磁通量
B.与引起感应电流的磁场反向
C.阻碍引起感应电流的磁通量的变化
D.与引起感应电流的磁场方向相同
解析:根据楞次定律,感应电流的磁场阻碍的是引起它的磁通量的变化,而不是引起它的磁通量。分析易知A、B、D项错误,C项正确。
答案:C
1
2
3
4
2.(多选)某同学用如图所示的实验装置探究电磁感应现象,该同学第一步探究出,当有电流从电流计的正极流入时,指针向右偏转。接下来该同学进行了一系列的操作,则下列关于操作中电流计指针偏转的描述正确的有( )
A.当把磁铁N极向下插入线圈时,电流计指针向左偏转
B.当把磁铁S极向下插入线圈时,电流计指针向左偏转
C.保持磁铁在线圈中静止,电流计指针不发生偏转
D.将磁铁和线圈一起以同一速度向上运动,电流计向左偏转
1
2
3
4
解析:当把磁铁N极向下插入线圈时,穿过线圈的磁场方向向下,磁通量增加,由楞次定律可知,感应电流从负极流入,电流计指针向左偏,故A正确;当把磁铁S极向下插入线圈时,穿过线圈的磁场方向向上,磁通量增加,由楞次定律可知,感应电流从正极流入,电流计指针向右偏转,故B错误;保持磁铁在线圈中静止,穿过线圈的磁通量不变,不产生感应电流,电流计指针不发生偏转,故C正确;将磁铁和线圈一起以同一速度向上运动,穿过线圈的磁通量不变,不产生感应电流,电流计指针不偏转,故D错误。
答案:AC
1
2
3
4
3.如图所示,A、B都是很轻的铝环,分别吊在绝缘细杆的两端,杆可绕竖直轴在水平面内转动,环A是闭合的,环B是断开的。若用磁铁分别靠近这两个圆环,则下列说法正确的是( )
A.图中磁铁N极接近A环时,A环被吸引,而后被推开
B.图中磁铁N极远离A环时,A环被排斥,而后随磁铁运动
C.用磁铁N极接近B环时,B环被排斥,远离磁铁运动
D.用磁铁的任意一磁极接近A环时,A环均被排斥
1
2
3
4
解析:用磁铁的任意一磁极接近A环,A环被排斥;远离A环,A环被吸引。接近或远离B环,则B环无任何反应。因为在磁铁的任意一磁极接近或远离A环时,由于A环闭合,环中产生了感应电流,阻碍磁极和A环间的相对运动;而B环不闭合,无感应电流产生。
答案:D
1
2
3
4
4.闭合线框abcd,自某高度自由下落时穿过一个有界的匀强磁场,当它经过如图所示的三个位置时,感应电流的方向判断正确的是( )
A.经过Ⅰ时,a→d→c→b→a
B.经过Ⅱ时,a→b→c→d→a
C.经过Ⅱ时,a→d→c→b→a
D.经过Ⅲ时,a→d→c→b→a
解析:经过Ⅰ时,向里的磁通量增加,根据楞次定律知感应电流的磁场方向向外,由右手定则判断感应电流方向为逆时针,故A错误;经过Ⅱ时,磁通量不变,则感应电流为0,故B、C错误;经过Ⅲ时,向里的磁通量减少,根据楞次定律知感应电流的磁场方向向里,由右手定则判断感应电流方向为顺时针,故D正确。
答案:
D(共38张PPT)
4 法拉第电磁感应定律
课标阐释
思维脉络
1.理解法拉第电磁感应定律的内容和数学表达式;会用法拉第电磁感应定律解答有关问题。
2.会计算导线切割磁感线时感应电动势的大小。
3.通过推导导体切割磁感线的感应电动势表达式,认识科学探究方法的多样性。
4.培养学生对实际问题的分析与推理能力。培养学生的辩证唯物主义世界观。
一、电磁感应定律
1.感应电动势
(1)定义:在电磁感应现象中产生的电动势。
(2)感应电动势与感应电流的关系
产生感应电动势的部分相当于电源,闭合导体回路中有感应电动势就有感应电流,若导体回路不闭合,则没有感应电流,但仍有感应电动势。
2.法拉第电磁感应定律
(1)内容:闭合电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。
二、导线切割磁感线时的感应电动势
1.导线垂直于磁场运动,B、l、v两两垂直时,如图所示,E=
Blv
。
2.导线的运动方向与导线本身垂直,但与磁感线方向夹角为θ时,如图所示,E=Blvsin
θ
。?
导线的横截面
三、反电动势
1.定义:电动机转动时,由于切割磁感线,线圈中产生的削弱电源电动势作用的感应电动势。
2.作用:反电动势的作用是阻碍线圈的转动。如果要使线圈维持原来的转动,电源就要向电动机提供能量,此时,电能转化为其他形式的能。
自我检测
1.正误判断。
(1)在电磁感应现象中,有感应电动势,就一定有感应电流。
( )
解析:不管电路是否闭合,只要穿过电路的磁通量发生变化,电路中就会产生感应电动势;有感应电动势不一定存在感应电流(要看电路是否闭合),有感应电流一定存在感应电动势。
答案:×
(2)穿过某电路的磁通量变化量越大,产生的感应电动势就越大。
( )
解析:感应电动势的大小取决于磁通量的变化率,而与Φ、ΔΦ的大小没有必然的联系。
答案:×
(3)闭合电路置于磁场中,当磁感应强度很大时,感应电动势可能为零;当磁感应强度为零时,感应电动势可能很大。
( )
解析:根据法拉第电磁感应定律,感应电动势的大小取决于磁通量的变化率而不是磁通量的大小,所以上述两种情况均有可能。
答案:√
(4)线圈中磁通量变化越快,线圈中产生的感应电动势一定越大。
( )
解析:根据法拉第电磁感应定律,电动势与磁通量的变化率成正比,所以磁通量变化越快,感应电动势越大。
答案:√
2.穿过一个单匝闭合线圈的磁通量始终为每秒均匀增加2
Wb,则( )
A.线圈中感应电动势每秒增加2
V
B.线圈中感应电动势每秒减少2
V
C.线圈中感应电动势始终为2
V
D.线圈中感应电动势始终为一个确定值,但由于线圈有电阻,电动势小于2
V
答案:C
3.如图所示,在磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中,金属杆MN在平行金属导轨上以速度v向右匀速滑动,MN中产生的感应电动势为E1;若磁感应强度增大为2B,其他条件不变,MN中产生的感应电动势变为E2。通过电阻R的电流方向及E1与E2之比E1∶E2分别为( )
A.c→a,2∶1
B.a→c,2∶1
C.a→c,1∶2
D.c→a,1∶2
解析:由右手定则判断可得,电阻R上的电流方向为a→c,由E=Blv知E1=Blv,E2=2Blv,则E1∶E2=1∶2,故选项C正确。
答案:C
探究一
探究二
法拉第电磁感应定律
问题探究
如图所示,我们可以通过实验探究电磁感应现象中感应电流方向的决定因素和遵循的物理规律。
(1)在实验中,电流表指针偏转原因是什么?
(2)电流表指针偏转程度跟感应电动势的大小有什么关系?
(3)在图中,将条形磁铁从同一高度插入线圈中,快插入和慢插入有什么相同和不同?
探究一
探究二
要点提示:(1)穿过闭合电路的Φ变化?产生E感?产生I感。
(2)由闭合电路欧姆定律知I=
,当电路的总电阻一定时,E感越大,I感越大,指针偏转程度越大。
(3)磁通量变化相同,但磁通量变化的快慢不同,即电流表指针偏转程度不同。
探究一
探究二
知识归纳
探究一
探究二
探究一
探究二
2.法拉第电磁感应定律的理解
(1)E=n
一般用来求Δt时间内感应电动势的平均值。其中n为线圈匝数,ΔΦ总是取绝对值。
(2)常见感应电动势的计算式有:
而与磁通量Φ的大小、磁通量的变化量ΔΦ的大小没有必然的联系,与电路的电阻R无关;感应电流的大小与感应电动势E、回路总电阻R有关。
探究一
探究二
典例剖析
【例题1】
(多选)如图甲所示线圈的匝数n=100,横截面积S=50
cm2,线圈总电阻r=10
Ω,沿轴向有匀强磁场,磁场的磁感应强度随时间按如图乙所示规律变化,则在开始的0.1
s内( )
A.磁通量的变化量为0.25
Wb
B.磁通量的变化率为2.5×10-2
Wb/s
C.a、b间电压为零
D.在a、b间接一个理想电流表时,电流表的示数为0.25
A
探究一
探究二
解析:通过线圈的磁通量与线圈的匝数无关,若设Φ2=B2S为正,则线圈中磁通量的变化量为ΔΦ=B2S-(-B1S),代入数据即ΔΦ=(0.1+0.4)×50×10-4
Wb=2.5×10-3
Wb,A错误;磁通量的变化率
答案:BD
探究一
探究二
综合法拉第电磁感应定律和楞次定律,对于面积一定的线圈,不管磁场的方向如何变化,只要磁感应强度B随时间均匀变化,产生感应电动势的大小和方向均保持不变。所以在B-t图象中,如果图象为一条直线,不管图线在时间轴上方还是下方,整个过程感应电动势和感应电流均为恒量。
探究一
探究二
变式训练1一个面积S=4×10-2
m2、匝数n=100的线圈,放在匀强磁场中,磁场方向垂直于线圈平面,磁感应强度B的大小随时间变化的规律如图所示,由图可知( )
A.在开始的2
s内穿过线圈的磁通量变化率为8
Wb/s
B.在开始的2
s内穿过线圈的磁通量变化量等于零
C.在开始的2
s内线圈中产生的感应电动势等于8
V
D.在第3
s末的感应电动势为零
探究一
探究二
V,故C正确;在第3
s末的磁通量等于零但磁通量的变化率不为零,感应电动势不为零,故D错误。
答案:C
探究一
探究二
导线切割磁感线时的感应电动势
问题探究
1.如图甲所示,闭合电路一部分导体ab处于匀强磁场中,磁感应强度为B,ab的长度为l,ab以速度v匀速切割磁感线,求回路中产生的感应电动势。
2.若将轨道一端抬高,如图乙所示,直导线ab仍与磁场垂直,但速度与磁感线方向有一个夹角θ(θ≠90°),则此时直导线上产生的感应电动势表达式是什么?
探究一
探究二
要点提示:1.设在Δt时间内导体棒由原来的位置运动到a1b1,如图丙所示,这时线框面积的变化量为ΔS=lvΔt
穿过闭合电路磁通量的变化量为ΔΦ=BΔS=BlvΔt
2.设在Δt时间内导体棒由原来的位置运动到a1b1,如图丁所示,这时线框面积的变化量为ΔS=lvΔt
穿过闭合电路磁通量的变化量为ΔΦ=BΔSsin
θ=BlvΔtsin
θ
探究一
探究二
知识归纳
1.对公式E=Blvsin
θ的理解
(1)当B、l、v三个量方向相互垂直时,E=Blv;当有任意两个量的方向平行时,E=0。
(2)式中的l应理解为导线切割磁感线时的有效长度。
若切割磁感线的导线是弯曲的,则应取其与B和v方向都垂直的等效线段长度来计算。如图中线段ab的长即为导线切割磁感线的有效长度。
(3)公式中的v应理解为导线和磁场的相对速度,当导线不动而磁场运动时,也有电磁感应现象产生。
探究一
探究二
2.导体棒转动切割磁感线时的感应电动势
如图所示,长为l的导体棒ab以a为圆心,以角速度ω在磁感应强度为B的匀强磁场中匀速转动,其感应电动势可从两个角度推导。
探究一
探究二
探究一
探究二
探究一
探究二
典例剖析
【例题2】
如图所示,MN、PQ为两条平行放置的金属导轨,左端接有定值电阻R,金属棒ab斜放在两导轨之间,与导轨接触良好,磁感应强度为B的匀强磁场垂直于导轨平面,设金属棒与两导轨接触点之间的距离为L,金属棒与导轨间夹角为60°,以速度v水平向右匀速运动,不计导轨和棒的电阻,则流过金属棒中的电流为( )
探究一
探究二
解析:B与L、B与v是相互垂直的,但L与v不垂直,故L垂直于v的
答案:B
探究一
探究二
变式训练2在如图所示的几种情况中,金属导体中产生的感应电动势为Blv的是( )
A.乙和丁
B.甲、乙、丁
C.甲、乙、丙、丁
D.只有乙
解析:甲、乙、丁三图中,B、v、l两两垂直,且l为有效切割长度,产生的感应电动势都为E=Blv,丙图中E=Blvsin
θ。
答案:B
探究一
探究二
【例题3】
长为l的金属棒ab以a点为轴在垂直于匀强磁场的平面内以角速度ω做匀速转动,如图所示,磁感应强度为B。求:
(1)ab棒的平均速率。
(2)ab两端的电势差。
(3)经时间
金属棒ab所扫过面积中磁通量为多少?此过程中平均感应电动势多大?
探究一
探究二
探究一
探究二
变式训练3如图所示,一个半径为r的铜盘,在磁感应强度为B的匀强磁场中以角速度ω绕中心轴OO'匀速转动,磁场方向与盘面垂直,在盘的中心轴与边缘处分别安装电刷。设整个回路电阻为R,当铜盘匀速转动角速度为ω时,通过电阻的电流为 。?
解析:当铜盘匀速转动时,产生的感应电动势相当于一根导体棒绕其一个端点在磁场中做切割磁感线的圆周运动产生的电动势为
1
2
3
4
1.下列几种说法中正确的是( )
A.线圈中磁通量变化越大,线圈中产生的感应电动势一定越大
B.线圈中磁通量越大,线圈中产生的感应电动势一定越大
C.线圈放在磁场越强的位置,线圈中产生的感应电动势一定越大
D.线圈中磁通量变化越快,线圈中产生的感应电动势一定越大
解析:感应电动势的大小和磁通量的大小、磁通量变化量的大小以及磁场的强弱均无关,它由磁通量的变化率决定,故选D。
答案:D
1
2
3
4
2.(多选)单匝矩形线圈在匀强磁场中匀速转动,转轴垂直于磁场,若线圈所围面积里磁通量随时间变化的规律如图所示,则0~D过程中( )
A.线圈中0时刻感应电动势最大
B.线圈中D时刻感应电动势为零
C.线圈中D时刻感应电动势最大
D.线圈中0至D时间内平均感应电动势为0.4
V
1
2
3
4
解析:由法拉第电磁感应定律知线圈中0至D时间内的平均感应电
最大,D点处切线斜率最小为零,故A、B正确,C错误。
答案:ABD
1
2
3
4
3.如图所示,空间有一匀强磁场,一直金属棒与磁感应强度方向垂直,当它以速度v沿与棒和磁感应强度都垂直的方向运动时,棒两端的感应电动势大小为E,将此棒弯成两段长度相等且相互垂直的折线,置于与磁感应强度相垂直的平面内,当它沿两段折线夹角平分线的方
1
2
3
4
答案:B
1
2
3
4
4.如图所示,半径为R的圆形区域内存在垂直且向里的匀强磁场,磁感应强度为B。一根长为2R的导体杆ab水平放置,a端处在圆形磁场的边界,现使杆绕a端以角速度ω逆时针匀速旋转,当杆旋转了30°时( )
A.a端的电势高于b端的电势,ab杆电动势为
BR2ω
B.a端的电势低于b端的电势,ab杆电动势为
BR2ω
C.a端的电势高于b端的电势,ab杆电动势为BR2ω
D.a端的电势低于b端的电势,ab杆电动势为BR2ω
1
2
3
4
解析:当杆旋转30°时,由右手定则可知ab杆中感应电动势方向由b→a,a端相当于电源正极,则a端的电势高于b端的电势。根据几何关系可得有效切割长度为L=2Rsin
30°=R,ab杆电动势
,故A正确。
答案:A(共33张PPT)
5 电磁感应现象的两类情况
课标阐释
思维脉络
1.了解感生电场,知道感生电动势产生的原因。会判断感生电动势的方向,并会计算它的大小。
2.了解动生电动势的产生以及与洛伦兹力的关系。会判断动生电动势的方向,并会计算它的大小。
3.了解电磁感应规律的一般应用,会联系科技实例进行分析。
一、电磁感应现象中的感生电场
一个闭合电路静止于磁场中,由于磁场强弱的变化,闭合电路内将会产生感应电动势。
1.感生电场:磁场变化时在空间激发的一种电场。
2.感生电动势:由感生电场产生的感应电动势。
3.感生电动势中的非静电力:感生电场对自由电荷的作用。
4.感生电场的方向:与所产生的感应电流的方向相同,可根据楞次定律和右手定则判断。
二、电磁感应现象中的洛伦兹力
1.动生电动势:由于导体切割磁感线运动而产生的感应电动势。
2.动生电动势中的“非静电力”
自由电荷因随导体棒运动而受到洛伦兹力,非静电力与洛伦兹力有关。
3.动生电动势中的功能关系
闭合回路中,导体棒做切割磁感线运动时,克服安培力做功,其他形式的能转化为电能。
搜索“电磁炮”,了解电磁炮的发射原理,基本构造以及实际应用中需要解决的种种问题。
自我检测
1.正误判断。
(1)如果空间不存在闭合电路,变化的磁场周围不会产生感生电场。
( )
解析:麦克斯韦认为,磁场的变化在空间激发一种电场,这种电场与是否存在闭合电路无关。
答案:×
(2)处于变化磁场中的导体,其内部自由电荷定向移动,是由于受到感生电场的作用。
( )
解析:在变化的磁场中,导体中的自由电荷将发生定向移动,产生感应电流,或者说导体中产生感应电动势,其非静电力就是这种感生电场作用产生的。
答案:√
(3)感生电场就是感应电动势。
( )
解析:感应电动势是导体中产生的电动势,与感生电场不是一个物理概念。
答案:×
(4)产生动生电动势的非静电力就是自由电荷受到的洛伦兹力。
( )
解析:产生动生电动势的非静电力与洛伦兹力有关,而不是洛伦兹力。
答案:×
2.(多选)某空间出现了如图所示的磁场,当磁感应强度变化时,在垂直于磁场的方向上会产生感生电场,有关磁感应强度的变化与感生电场的方向关系,下列描述正确的是( )
A.当磁感应强度均匀增大时,感生电场的
电场线从上向下看应为顺时针方向
B.当磁感应强度均匀增大时,感生电场的
电场线从上向下看应为逆时针方向
C.当磁感应强度均匀减小时,感生电场的
电场线从上向下看应为顺时针方向
D.当磁感应强度均匀减小时,感生电场的
电场线从上向下看应为逆时针方向
解析:感生电场中磁场的方向用楞次定律来判定:原磁场向上且磁感应强度在增大,在周围有闭合导线的情况下,感应电流的磁场方向应与原磁场方向相反,即感应电流的磁场方向向下,再由右手螺旋定则知感应电流的方向即感生电场的方向:从上向下看应为顺时针方向;同理可知,原磁场方向向上且磁感应强度减小时,感生电场的方向从上向下看应为逆时针方向,所以A、D正确,B、C错误。
答案:AD
探究一
探究二
电磁感应现象中的感生电场
问题探究
如图所示,B增强,那么就会在空间激发一个感生电场E。如果E处空间存在闭合导体,导体中的自由电荷就会在电场力的作用下定向移动,而产生感应电流。
(1)感生电场的方向与感应电流的方向有什么关系?如何判断感生电场的方向?
(2)上述情况下,哪种作用扮演了非静电力的角色?
探究一
探究二
要点提示:(1)感应电流的方向与正电荷移动的方向相同。感生电场的方向与正电荷受力的方向相同,因此,感生电场的方向与感应电流的方向相同,感生电场的方向可以用楞次定律判定。
(2)感生电场对自由电荷的作用力。
探究一
探究二
知识归纳
1.产生:如图所示,当磁场变化时,产生感生电场。感生电场的电场线是与磁场垂直的曲线。
2.方向:闭合环形回路(可假定存在)的电流方向就表示感生电场的电场方向。依据实际存在的或假定存在的回路结合楞次定律判定感生电场的方向。
感生电场力虽然是电场力但不是静电力。它是一种非静电力。
探究一
探究二
典例剖析
【例题1】
著名物理学家费曼曾设计过这样一个实验装置:一块绝缘圆板可绕其中心的光滑轴自由转动,在圆板的中部有一个线圈,圆板的四周固定着一圈带电的金属小球,如图所示。当线圈接通电源后,将有图示方向的电流流过,则下列说法正确的是( )
A.接通电源瞬间,圆板不会发生转动
B.线圈中电流的增大或减小会引起
圆板向相同方向转动
C.接通电源后,保持线圈中电流不变,
圆板转动方向与线圈中电流流向相同
D.若金属小球带负电,接通电源瞬间圆板转动方向与线圈中电流流向相同
探究一
探究二
解析:线圈接通电源瞬间,则变化的磁场产生变化的电场,从而导致带电小球受到电场力,使其转动,故A错误;不论线圈中电流增大或减小都会引起磁场的变化,从而产生电场,使小球受到电场力,从而转动,由于电场力与电荷带正负电有关,故B错误;接通电源后,保持线圈中电流不变,则磁场不变,则不会产生电场,小球不受到电场力,故C错误;接通电源瞬间小球受到电场力作用而转动,由于金属小球带负电,再根据电磁场理论可知,圆盘转动方向与线圈中电流流向相同,故D正确。
答案:D
探究一
探究二
判断感生电场方向的思路
探究一
探究二
变式训练1现代科学研究中常用到高速电子,电子感应加速器就是利用感生电场加速电子的设备,如图甲。电子感应加速器主要有上、下电磁铁磁极和环形真空室组成。当电磁铁绕组通以变化的电流时,产生变化的磁场,穿过真空盒所包围的区域内的磁通量也随时间变化,这时真空盒空间内就产生感生电场,电子将在感生电场作用下加速。如图乙所示(上图为侧视图、下图为真空室的俯视图),若电子被“约束”在半径为R的圆周上运动,当电磁铁绕组通有图中所示的电流时( )
甲
乙
探究一
探究二
A.若电子沿逆时针运动,保持电流的方向不变,当电流增大时,电子将加速
B.若电子沿顺时针运动,保持电流的方向不变,当电流增大时,电子将加速
C.若电子沿逆时针运动,保持电流的方向不变,当电流减小时,电子将加速
D.被加速时电子做圆周运动的周期不变
解析:当电磁铁绕组通有题图中所示的电流时,由安培定则可知将产生向上的磁场,当电磁铁绕组中电流增大时,根据楞次定律和安培定则可知,这时真空盒空间内产生顺时针方向的感生电场,电子沿逆时针运动,电子将加速,选项A正确,选项B、C错误;由于电子被“约束”在半径为R的圆周上运动,被加速时电子做圆周运动的周期减小,选项D错误。
答案:A
探究一
探究二
电磁感应现象中的洛伦兹力
问题探究
导体切割磁感线时会产生感应电动势,该电动势形成的原因是什么呢?如图所示CD棒在匀强磁场中运动,回答以下问题:
1.自由电荷会随着导体棒运动,并因此受到洛伦兹力。导体中自由电荷的合运动在空间大致沿什么方向?
2.导体棒一直运动下去,自由电荷是否也会沿着导体棒一直运动下去?为什么?
3.导体棒的哪端电势比较高?
4.如果用导线把C、D两端连到磁场外的一个用
电器上,导体棒中电流是沿什么方向的?
5.什么是动生电动势?如何计算?
6.从做功角度分析能量是如何转化的?
探究一
探究二
要点提示:
1.运动导体中的自由电子,不仅随导体以速度v运动,而且还沿导体以速度u做定向移动,如图所示。因此,导体中的电子的合速度v合等于v和u的矢量和,所以电子受到的洛伦兹力为F合=ev合B,F合与合速度v合垂直。
2.自由电荷不会一直运动下去。因为C、D两端聚集电荷越来越多,在CD棒间产生的电场越来越强,当电场力等于洛伦兹力时,自由电荷不再定向运动。
探究一
探究二
3.C端电势高。
4.CD相当于电源,电源内部,电流由低电势流向高电势,电流方向是由D到C。
5.方法一(由电场力与洛伦兹力的关系推导)导体CD运动时自由电子受洛伦兹力的作用,从C端搬运到D端,C、D两端聚集电荷越来越多,在CD棒间产生的电场越来越强,电荷受到的电场力
方法二(由能量守恒定律推导)运动的导体CD中产生感应电流,因而受到向左的安培力F安作用,为了维持其速度大小不变,需在金属杆上施一水平向右的外力F,且F=F安=BIL。
探究一
探究二
力F的功率为P=Fv=BILv,回路的电功率为P'=EI,因杆做匀速运动,其动能不变,故力F的功率等于回路的电功率,P=P'。所以有BILv=EI,得:E=BLv。
6.从做功角度分析,由于F合与v合垂直,它对电子不做功,更具体地说,F合的一个分量是F1=evB,这个分力做功,产生动生电动势。F合的另一个分量是F2=euB,阻碍导体运动,做负功。可以证明两个分力F1和F2所做功的代数和为零。结果仍然是洛伦兹力并不提供能量,而只是起传递能量的作用,即外力克服洛伦兹力的一个分力F2所做的功通过另一个分力F1转化为电能。
探究一
探究二
知识归纳
1.成因:导体棒做切割磁感线运动时,导体棒中的自由电荷随棒一起定向运动,并因此受到洛伦兹力。
2.动生电动势中的非静电力:与洛伦兹力有关,是洛伦兹力的一个分力。
探究一
探究二
3.感生电动势与动生电动势的比较
任何时候洛伦兹力都不做功,产生动生电动势的非静电力是洛伦兹力的一个分力,这个分力做了正功,增加了电势能,同时另一分力一定做了负功,消耗了其他形式的能量。
探究一
探究二
典例剖析
【例题2】如图所示,用铝板制成U形框,将一质量为m的带电小球用绝缘细线悬挂在框的上方,使整体在匀强磁场中沿垂直于磁场方向向左以速度v匀速运动,悬线拉力为FT,则( )
A.悬线竖直FT=mg
B.悬线竖直FT>mg
C.悬线竖直FTD.无法确定FT的大小和方向
探究一
探究二
解析:设两板间的距离为L,由于向左运动过程中竖直板切割磁感线,产生动生电动势,用右手定则判断下板电势高于上板电势,动生电动势大小E=BLv,即带电小球处于电势差为BLv的电场中。所受
同时小球所受洛伦兹力F洛=qvB,方向由左手定则判断竖直向下,即F电=F洛,反之同样可得出F电'=F洛',且方向相反。故无论小球带什么电,怎样运动,都有FT=mg,故选项A正确。
答案:A
探究一
探究二
变式训练2如图所示,矩形线框abcd的ad和bc的中点M、N之间连接一电压表,整个装置处于匀强磁场中,磁场的方向与线框平面垂直。当线框向右匀速平动时,下列说法中正确的是( )
A.穿过线框的磁通量不变化,MN间
无感应电动势
B.MN这段导体做切割磁感线运动,
MN间有电势差
C.MN间有电势差,所以电压表有示数
D.因为有电流通过电压表,所以电压表有示数
解析:穿过线框的磁通量不变化,线框中无感应电流,但ab、MN、dc都切割磁感线,它们都有感应电动势,故A错,B对。无电流通过电压表,电压表无示数,C、D错。
答案:B
探究一
探究二
【例题3】
如图所示,两根平行金属导轨固定在水平桌面上,每根导轨每米的电阻为r0=0.10
Ω,导轨的端点P、Q用电阻可忽略的导线相连,两导轨间的距离l=0.20
m。有随时间变化的磁场垂直于桌面向下,已知磁感应强度B与时间t的关系为B=kt,比例系数k=0.020
T/s。一电阻不计的金属杆可在导轨上无摩擦地滑动,在滑动过程中保持与导轨垂直,在t=0时刻,金属杆紧靠P、Q端,在外力作用下,金属杆以恒定的加速度a=1
m/s2从静止开始向导轨的另一端滑动,求在t=0.6
s时金属杆所受的安培力。
探究一
探究二
解析:t=0.6
s时,回路中动生电动势E1=Blv
又B=kt,v=at代入数据解得E1=1.44×10-3
V
代入数据解得E2=0.72×10-3V
又由右手定则及楞次定律知E1、E2同向,
故此时回路中总电动势为E=E1+E2=2.16×10-3V
回路中电阻R=2xr0=3.6×10-2Ω
则金属杆受的安培力F=BIl=ktIl=1.44×10-4
N,由左手定则知方向向右。
答案:1.44×10-4
N,方向向右
探究一
探究二
1
2
3
4
1.下列说法正确的是( )
A.因导体运动而产生的感应电动势称为感生电动势
B.动生电动势的产生与洛伦兹力有关
C.动生电动势的产生与电场力有关
D.动生电动势和感生电动势的产生原因是一样的
解析:因导体运动而产生的感应电动势称为动生电动势,故A错误;动生电动势的产生与洛伦兹力有关,感生电动势与电场力做功有关,故B正确,C错误;动生电动势和感生电动势的产生原因不一样,故D错误。
答案:B
1
2
3
4
2.在如图所示的四种磁场情况中能产生恒定的感生电场的是( )
解析:据麦克斯韦电磁理论,恒定的感生电场由均匀变化的磁场产生,C正确。
答案:C
1
2
3
4
3.内壁光滑的塑料管弯成的圆环平放在水平桌面上,环内有一带负电的小球,整个装置处在竖直向下的磁场中,如图所示。当磁场突然增强时,小球( )
A.沿顺时针方向运动
B.沿逆时针方向运动
C.在原位置附近往复运动
D.仍保持静止状态
解析:磁场突然增强时,激发出逆时针方向的感生电场,对负电荷的作用力为顺时针,故小球沿顺时针方向运动。
答案:A
1
2
3
4
4.如图所示,两个端面半径同为R的圆柱形铁芯同轴水平放置,相对的端面之间有一缝隙,铁芯上绕导线并与直流电源连接,在缝隙中形成一匀强磁场。一铜质细直棒ab水平置于缝隙中,且与圆柱轴线等高、垂直。让铜质细直棒从静止开始自由下落,铜质细直棒下落距离为0.2R时铜质细直棒中电动势大小为E1,下落距离为0.8R时电动势大小为E2,忽略能量损耗和边缘效应。关于E1、E2的大小和铜质细直棒离开磁场前两端的极性,下列判断正确的是(g取10
m/s2)( )
A.E1>E2,a端为正
B.E1>E2,b端为正
C.E1D.E11
2
3
4
解析:通电导线在缝隙中产生的磁场方向向左,所以铜质细直棒下落时由右手定则可判断得b端为正,选项A、C错误;根据E=BLv可知,
E1答案:D(共34张PPT)
6 互感和自感
课标阐释
思维脉络
1.了解互感现象及其应用。
2.能够通过电磁感应的有关规律分析通电自感和断电自感现象。
3.了解自感电动势的表达式E=L
,知道自感系数的决定因素。
4.了解自感现象中的能量转化。
5.通过本节课的探究活动,培养学生参与科学探究活动的热情和实事求是的科学素养。
一、互感现象
1.定义:两个相互靠近的线圈,当一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势的现象。产生的电动势叫做互感电动势。
2.应用:互感现象可以把能量由一个线圈传递到另一个线圈,变压器、收音机的“磁性天线”就是利用互感现象制成的。
3.危害:互感现象能发生在任何两个相互靠近的电路之间。在电力工程和电子电路中,互感现象有时会影响电路正常工作。
二、自感现象和自感系数
1.自感现象:当一个线圈中的电流变化时,它产生的变化的磁场在它本身激发出感应电动势的现象。
2.自感电动势:由于自感而产生的感应电动势。
3.自感电动势的大小:E=L
,其中L是自感系数,简称自感或电感,单位:亨利,符号为H。
4.自感系数大小的决定因素:自感系数与线圈的大小、形状、圈数,以及是否有铁芯等因素有关。
三、磁场的能量
1.自感现象中的磁场能量
(1)线圈中电流从无到有时:磁场从无到有,电源的能量输送给磁场,储存在磁场中。
(2)线圈中电流减小时:磁场中的能量释放出来转化为电能。
2.自感电动势有阻碍线圈中电流变化的性质。
搜索“自感现象的应用——日光灯”,了解日光灯启动过程中的自感问题。
自我检测
1.正误判断。
(1)自感现象中,感应电动势一定和原电流方向相反。
( )
解析:自感现象中感应电动势的方向遵从楞次定律。当原电流减小时,自感电动势与原电流方向相同;当原电流增大时,自感电动势与原电流方向相反。
答案:×
(2)线圈中产生的自感电动势较大时,其自感系数一定较大。
( )
解析:自感电动势的大小E=L
,所以自感电动势大不一定是由自感系数大引起的,有可能是电流的变化率很大引起的。
答案:×
(3)对于同一线圈,当电流变化较快时,线圈中的自感电动势也较大。
( )
解析:由E=L
知,对于同一线圈,自感系数确定,当电流变化越快时,线圈中产生的自感电动势也越大。
答案:√
(4)没有发生自感现象时,即使有磁场也不会储存能量。
( )
解析:磁场可以储存能量与有没有发生自感现象无关。
答案:×
2.(多选)如图所示是一种延时开关的原理图,S2闭合后,当S1闭合时,电磁铁F将衔铁D吸下,C线路接通;当S1断开时,由于电磁感应作用,D将延迟一段时间才被释放。则( )
A.由于A线圈的电磁感应作用,才产生延时释放D的作用
B.由于B线圈的电磁感应作用,才产生延时释放D的作用
C.如果断开B线圈的开关S2,无延时作用
D.如果断开B线圈的开关S2,延时将变长
解析:线圈A中的磁场随开关S1的闭合而产生,随S1的断开而消失。当S1闭合时,线圈A中的磁场穿过线圈B,当S2闭合,S1断开时,线圈A在线圈B中的磁场变弱,线圈B中有感应电流,B中电流的磁场继续吸引D而起到延时的作用,所以B正确、A错误;若S2断开,线圈B中不产生感应电流而起不到延时作用,所以C正确、D错误。
答案:BC
3.如图所示的无轨电车在行驶的过程中,由于车身颠簸,有可能使车顶上的电弓瞬间脱离电网线,这时可以看到电火花闪现。请说说电火花产生的原因是什么?
解析:电弓脱离电网线的瞬间电流减小,所产生的自感电动势很大,在电弓与电网线的空隙产生电火花。
答案:见解析
探究一
探究二
探究三
互感现象
问题探究
在法拉第的实验中两个线圈并没有用导线连接,当一个线圈中的电流变化时,在另一个线圈中为什么会产生感应电动势呢?
要点提示:两个线圈之间并没有导线相连,但当一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势。
探究一
探究二
探究三
知识归纳
1.互感现象是一种常见的电磁感应现象,它不仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间,而且可以发生于任何两个相互靠近的电路之间。
2.互感现象可以把能量由一个电路传到另一个电路。变压器就是利用互感现象制成的。
探究一
探究二
探究三
典例剖析
【例题1】
如图甲所示,A、B两绝缘金属环套在同一铁芯上,A环中电流iA随时间t的变化规律如图乙所示,下列说法中正确的是( )
A.t1时刻,两环作用力最大
B.t2和t3时刻,两环相互吸引
C.t2时刻两环相互吸引,t3时刻两环相互排斥
D.t3和t4时刻,两环相互吸引
解析:t1时刻感应电流为零,故两环作用力为零,A错误;t2和t3时刻A环中电流在减小,则B环中产生与A环中同向的电流,故相互吸引,B正确,C错误;t4时刻A中电流为零,两环无相互作用,D错误。
答案:B
探究一
探究二
探究三
变式训练1在同一铁芯上绕着两个线圈,单刀双掷开关原来接在1处,现把它从1扳到2,如图所示,试判断在此过程中,在电阻R上的电流方向是( )
A.先由P→Q,再由Q→P
B.先由Q→P,再由P→Q
C.始终由Q→P
D.始终由P→Q
解析:开关由1扳到2,线圈A中电流产生的磁场开始由左向右,先减小后反向增加,由楞次定律可得R中电流由Q→P,C正确。
答案:C
探究一
探究二
探究三
自感现象
问题探究
1.如图所示,开关S闭合的时候两个灯泡的发光情况有什么不同,根据楞次定律结合电路图分析现象产生的原因。
探究一
探究二
探究三
要点提示:现象:灯泡A2立即正常发光,灯泡A1逐渐亮起来。
原因:电路接通时,电流由零开始增加,穿过线圈L的磁通量逐渐增加,为了阻碍磁通量的增加,感应电流产生的磁通量与原来电流产生的磁通量方向相反,则线圈中感应电动势方向与原来的电流方向相反,线圈中感应电动势阻碍了L中电流的增加,即推迟了电流达到正常值的时间。
探究一
探究二
探究三
2.如图所示,先闭合开关使灯泡发光,然后断开开关。(1)开关断开前后,流过灯泡的电流方向相同吗?(2)在断开过程中,有时灯泡闪亮一下再熄灭,有时灯泡只会缓慢变暗直至熄灭,请分析上述两种现象的原因是什么?
要点提示:(1)S闭合时,灯泡A中电流方向向左,S断开瞬间,灯泡A中电流方向向右,所以开关S断开前后,流过灯泡的电流方向相反。(2)在电源断开后灯泡又闪亮一下的原因是灯泡断电后自感线圈中产生的感应电流比原灯泡中的电流大。要想使灯泡闪亮一下再熄灭,就必须使自感线圈的电阻小于与之并联的灯泡电阻。而当线圈电阻大于灯泡电阻时,灯泡只会缓慢变暗直至熄灭。
探究一
探究二
探究三
知识归纳
1.对自感现象的理解
自感现象是一种电磁感应现象,遵守法拉第电磁感应定律和楞次定律。
2.对自感电动势的理解
(1)产生原因
通过线圈的电流发生变化,导致穿过线圈的磁通量发生变化,因而在原线圈上产生感应电动势。
(2)自感电动势的方向
当原电流增大时,自感电动势的方向与原电流方向相反;当原电流减小时,自感电动势的方向与原电流方向相同(即:增反减同)。
(3)自感电动势的作用
阻碍原电流的变化,而不是阻止,原电流仍在变化,只是使原电流的变化时间变长,即总是起着推迟电流变化的作用。
探究一
探究二
探究三
3.对电感线圈阻碍作用的理解
(1)若电路中的电流正在改变,电感线圈会产生自感电动势阻碍电路中电流的变化,使得通过电感线圈的电流不能突变。
(2)若电路中的电流是稳定的,电感线圈相当于一段导线,其阻碍作用是由绕制线圈的导线的电阻引起的。
(3)线圈通电和断电时线圈中电流的变化规律如图。
闭合开关瞬间时,线圈相当于断路,断开开关瞬间时,线圈相当于电源。
探究一
探究二
探究三
典例剖析
【例题2】如图所示的电路中A1和A2是两个相同的小灯泡,L是一个自感系数相当大的线圈,其阻值与R相同。在开关S闭合和断开时,灯泡A1和A2亮暗的顺序是( )
A.闭合时A1先达最亮,断开时A1后灭
B.闭合时A2先达最亮,断开时A1后灭
C.闭合时A1先达最亮,断开时A1先灭
D.闭合时A2先达最亮,断开时A2先灭
探究一
探究二
探究三
解析:当开关S闭合时,A1和A2同时亮,但由于自感现象的存在,流过线圈的电流由零变大时,线圈上产生自感电动势阻碍电流的增大,使通过线圈的电流从零开始慢慢增加,所以开始时电流几乎全部从A1通过,而该电流又将同时分路通过A2和R,所以A1先达最亮,经过一段时间电路稳定后,A1和A2达到一样亮;当开关S断开时,电源电流立即为零,因此A2立即熄灭,而对A1,由于通过线圈的电流突然减小,线圈中产生自感电动势阻碍电流的减小,使线圈L和A1组成的闭合电路中有感应电流,所以A1后灭。
答案:A
探究一
探究二
探究三
自感现象的分析思路
明确通过自感线圈的电流的变化情况(增大还是减小)
↓
根据“增反减同”,判断自感电动势的方向
↓
分析阻碍的结果:电流增强时,由于自感电动势的作用,线圈中电流逐渐增大,与线圈串联的元件中的电流也逐渐增大;电流减小时,由于自感电动势的作用,线圈中电流逐渐减小,与线圈串联的元件中的电流也逐渐减小
探究一
探究二
探究三
变式训练2(多选)如图(a)、(b)所示的电路中,电阻R和自感线圈L的电阻值都很小,且小于灯泡A的电阻,闭合开关S,使电路达到稳定,灯泡A发光,则( )
A.在电路(a)中,断开S,A将渐渐变暗
B.在电路(a)中,断开S,A将先变得更亮,然后渐渐变暗
C.在电路(b)中,断开S,A将渐渐变暗
D.在电路(b)中,断开S,A将先变得更亮,然后渐渐变暗
探究一
探究二
探究三
解析:在电路(a)中,灯A和线圈L串联,它们的电流相同,断开S时,线圈上产生自感电动势,阻碍原电流的减小,流过灯A的电流逐渐减小,从而灯A只能渐渐变暗。在电路(b)中,电阻R和灯A串联,灯A的电阻大于线圈L的电阻,电流则小于线圈L中的电流,断开S时,电源不再给灯泡供电,而线圈产生自感电动势阻碍电流的减小,通过R、A形成回路,灯A中电流突然变大,灯A将先变得更亮,然后渐渐变暗,故A、D正确。
答案:AD
探究一
探究二
探究三
自感系数、磁场的能量
问题探究
1.自感电动势的大小跟什么因素有关?
2.如图所示,为什么电路板上电感线圈尺寸大小和匝数不一样?
3.在断电自感的实验中,为什么开关断开后,灯泡的发光会持续一段时间?甚至会比原来更亮?试从能量的角度加以讨论。
探究一
探究二
探究三
要点提示:1.自感电动势的大小跟其他感应电动势的大小一样,跟穿过线圈的磁通量的变化快慢有关。而在自感现象中,穿过线圈的磁通量是由电流引起的,故自感电动势的大小跟导体中电流变化的快慢有关。
2.不同的电感线圈阻碍电流变化的本领不同。
3.开关闭合时线圈中有电流,电流产生磁场,能量储存在磁场中,开关断开时,线圈作用相当于电源,把磁场中的能量转化成电能。
探究一
探究二
探究三
知识归纳
1.自感系数
2.自感现象中的磁场能量
(1)线圈中电流从无到有时:磁场从无到有,电源把能量输送给磁场,储存在磁场中。
(2)线圈中电流减小时:磁场中的能量释放出来转化为电能。
探究一
探究二
探究三
典例剖析
【例题3】
关于线圈的自感系数,下面说法正确的是
( )
A.线圈的自感系数越大,自感电动势就一定越大
B.线圈中电流等于零时,自感系数也等于零
C.线圈中电流变化越快,自感系数越大
D.线圈的自感系数由线圈本身的性质及有无铁芯决定
解析:自感系数是由线圈的大小、形状、圈数、有无铁芯等因素决定的,故B、C错,D对;自感电动势不仅与自感系数有关,还与电流变化快慢有关,故A错。
答案:D
1
2
3
4
1.(多选)下列关于互感现象的说法正确的是( )
A.一个线圈中的电流变化时,与之靠近的线圈中产生感应电动势的现象称为互感现象
B.互感现象的实质是电磁感应现象,同样遵循楞次定律和法拉第电磁感应定律
C.利用互感现象能够将能量由一个线圈传递到另一个线圈,人们制造了收音机的“磁性天线”
D.互感现象在电力工程以及电子电路中不会影响电路的正常工作
1
2
3
4
解析:两个相互靠近的线圈,当一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势的现象称为互感现象,之所以会在另一个线圈中产生感应电动势,是因为变化的电流产生变化的磁场,引起另一个线圈中的磁通量发生变化,发生电磁感应现象,故A、B正确;收音机的“磁性天线”以及变压器均是利用互感的原理,也就是利用互感现象能够将能量由一个线圈传递到另一个线圈,故C正确;互感现象能发生在任何两个相互靠近的电路之间,会影响电路的正常工作,故D错误。
答案:ABC
1
2
3
4
2.在无线电仪器中,常需要在距离较近的地方安装两个线圈,并要求一个线圈中有电流变化时,对另一个线圈中的电流影响尽量小,则下图中两个线圈的相对安装位置最符合该要求的是( )
1
2
3
4
解析:某一个线圈的磁场通过另一个线圈的磁通量的变化率越小,影响则越小,欲使两线圈由于互感的影响尽量小,应放置成D选项的情形,这样其一个线圈的磁场通过另一个线圈的磁通量的变化应为零,故D选项正确。
答案:D
1
2
3
4
3.(多选)如图所示,闭合电路中的螺线管可自由伸缩,螺线管有一定的长度,这时灯泡具有一定的亮度,若将一软铁棒从螺线管左边迅速插入螺线管内,则将看到( )
A.灯泡变暗
B.灯泡变亮
C.螺线管缩短
D.螺线管伸长
解析:当软铁棒插入螺线管中,穿过螺线管的磁通量增加,故产生反向的自感电动势,这样电流减小,灯泡变暗,每匝线圈间同向电流作用力减小,故螺线管伸长。
答案:AD
1
2
3
4
4.(多选)如图所示,电池的电动势为E,内阻不计,线圈自感系数较大,直流电阻不计。当开关S闭合后,下列说法正确的是( )
A.a、b间电压逐渐增加,最后等于E
B.b、c间电压逐渐增加,最后等于E
C.a、c间电压逐渐增加,最后等于E
解析:由于线圈自感系数较大,当开关闭合瞬间,a、b间近似断路,所以a、b间电压很大,随着电流的增加,a、b间电压减小,b、c间电压增大,最后稳定后,a、b间电压为零,b、c间电压等于E,电流大小为
答案:BD(共28张PPT)
7 涡流、电磁阻尼和电磁驱动
课标阐释
思维脉络
1.了解涡流是怎样产生的。
2.了解涡流现象的利用和危害。
3.通过对涡流实例的分析,了解涡流现象在生活和生产中的应用。
4.了解电磁阻尼和电磁驱动。
5.通过对涡流利弊的认识,培养全面认识和对待事物的科学素养。
一、涡流
1.定义:由于电磁感应,在导体中产生的像水中旋涡样的感应电流。
2.特点:若金属的电阻率小,涡流往往很强,产生的热量很多。
3.应用
(1)涡流热效应:如真空冶炼炉。
(2)涡流磁效应:如探雷器、安检门。
4.防止
电动机、变压器等设备中应防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量,损坏电器。
(1)途径一:增大铁芯材料的电阻率。
(2)途径二:用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整个硅钢铁芯。
二、电磁阻尼
1.概念:当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力,安培力的方向总是阻碍导体运动的现象。
2.应用:磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停止到某位置,便于读数。
三、电磁驱动
1.概念:磁场相对导体转动时,导体中产生感应电流,感应电流使导体受到安培力的作用,安培力使导体运动起来的现象。
2.应用:交流感应电动机。
搜索“磁悬浮列车与涡流”,了解什么是磁悬浮列车、磁悬浮列车的种类以及目前存在的技术问题,了解中国磁悬浮列车的现状。
自我检测
1.正误判断。
(1)涡流跟平时常见的感应电流一样,都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的。
( )
解析:涡流本质上是感应电流,是自身构成的回路,是在穿过导体的磁通量变化时产生的。
答案:√
(2)涡流有热效应,但没有磁效应。
( )
解析:涡流既有热效应,又有磁效应。
答案:×
(3)在硅钢中不能产生涡流。
( )
解析:硅钢电阻率大,产生的涡流较小,但仍能产生涡流。
答案:×
(4)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象,都遵循楞次定律和法拉第电磁感应定律。
( )
解析:电磁阻尼、电磁驱动都是由于磁通量的变化引起的,所以都遵循楞次定律和法拉第电磁感应定律。
答案:√
(5)电磁阻尼是由于电磁感应中安培力阻碍导体与磁场的相对运动产生的,而电磁驱动是由于电磁感应现象中安培力增强磁场与导体间的相对运动产生的。
( )
解析:电磁感应现象中,安培力总是阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动。
答案:×
2.(多选)变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠加而成的,而不是采用一整块硅钢,这是为了( )
A.增大涡流,提高变压器的效率
B.减小涡流,提高变压器的效率
C.增大铁芯的电阻,以产生更多的热量
D.增大铁芯的电阻,以减小发热量
解析:磁场变化越快,感应电动势越大,因而涡流也就越强。涡流能使导体发热。变压器的铁芯是相互绝缘的薄片叠加而成的,从而减小回路的横截面积来减小感应电动势,还增加铁芯的电阻,以降低涡流强度,从而减少能量损耗,提高变压器的效率。
答案:BD
3.(多选)如图所示,蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴OO'转动。从上向下看,当磁铁逆时针转动时( )
A.线圈将逆时针转动,转速与磁铁相同
B.线圈将逆时针转动,转速比磁铁小
C.线圈转动时将产生变化的电流
D.线圈转动时感应电流的方向始终是abcda
解析:磁铁逆时针转动,相当于磁铁不动而线圈顺时针旋转切割磁感线,线圈中产生变化的电流,故C对,D错;由楞次定律的推广含义可知,线圈将与磁极同向转动,但转动的角速度一定小于磁铁转动的角速度。如果两者的角速度相同,磁感线与线圈会处于相对静止,线圈不切割磁感线,无感应电流产生,B对,A错。
答案:BC
探究一
探究二
涡流
问题探究
高考考场用的金属探测器是一根长的黑色扁棒,使用时监考教师手持探测器,在考生前后左右和容易藏东西的部位划过,如藏有金属物品,即便是一粒金属纽扣,探测器也会鸣响。金属探测器的原理是什么?
要点提示:金属探测器通过其通有交流电的探测线圈,会在隐蔽金属中产生涡流,涡流的磁场又影响探测线圈,从而改变原交流电的大小和相位,从而起到探测作用。
探究一
探究二
知识归纳
1.对涡流的理解
2.产生涡流的两种情况
(1)块状金属放在变化的磁场中。
(2)块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动。
3.应用
(1)涡流热效应的应用,如真空冶炼炉。
(2)涡流磁效应的应用,如探雷器。
探究一
探究二
4.涡流的危害与防止
(1)涡流的危害
在各种电机、变压器中,涡流会使铁芯的温度升高,危及线圈绝缘材料的寿命;另外涡流发热要消耗额外的能量,使电机、变压器的效率降低。
(2)涡流的防止
为了减小涡流,变压器、电机中的铁芯不是由整块的钢铁制成,而是用薄薄的硅钢片叠压而成。一方面硅钢片的电阻率比一般钢铁的要大,从而减少损耗;另一方面,每层硅钢片之间都是绝缘的,阻断了涡流的通路,进一步减小了涡流的发热。
探究一
探究二
(1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象,同样遵循法拉第电磁感应定律。
探究一
探究二
典例剖析
【例题1】
(多选)高频焊接原理示意图如图所示,线圈通以高频交变电流,金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热,将焊缝熔化焊接,要使焊接处产生的热量较大可采用
( )
A.增大交变电流的电压
B.增大交变电流的频率
C.增大焊接缝的接触电阻
D.减小焊接缝的接触电阻
解析:增大交变电流的电压和交变电流的频率均可使电流的变化率增大,由E=n
知,感应电动势和涡流均增大,焊接处的发热功率增大,若增大焊接缝的接触电阻,则焊接处的电压、功率分配就越大,产生的热量就会越大,故A、B、C正确,D错误。
答案:ABC
探究一
探究二
变式训练1如图所示,在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水。给线圈通入电流,一段时间后,一个容器中水温升高,则通入的电流与水温升高的是( )
A.恒定直流、小铁锅
B.恒定直流、玻璃杯
C.变化的电流、小铁锅
D.变化的电流、玻璃杯
解析:通入恒定直流时,所产生的磁场不变,不会产生感应电流,通入变化的电流,所产生的磁场发生变化,在空间产生感生电场,铁锅是导体,感生电场在导体内产生涡流,电能转化为内能,使水温升高;涡流是由变化的磁场在导体内产生的,所以玻璃杯中的水不会升温。
答案:C
探究一
探究二
电磁阻尼和电磁驱动
问题探究
如图所示,蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴转动。
(1)如果将磁铁拿走,轻转线圈,观察线圈的转动,若安装上磁铁,用同样的力转动线圈,你会观察到两次现象有什么不同?为什么?
(2)让线圈静止,转动磁铁,观察线圈有什么现象发生,为什么?
探究一
探究二
要点提示:(1)观察到没有磁铁时线圈转动的时间比有磁铁时转动的时间长很多。有磁铁时,线圈转动会产生感应电流,感应电流的安培力阻碍线圈的转动。
(2)观察到线圈随着磁铁的转动会慢慢转动起来。线圈中产生感应电流,感应电流的安培力阻碍线圈相对磁铁的运动,即使线圈慢慢随磁铁转动起来。
探究一
探究二
知识归纳
电磁阻尼与电磁驱动的比较
比较项
电磁阻尼
电磁驱动
不
同
点
成因
由于导体在磁场中运动而产生感应电流,从而使导体受到安培力
由于磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流,从而使导体受到安培力
效果
安培力的方向与导体运动方向相反,阻碍导体运动
导体受安培力的方向与导体运动方向相同,推动导体运动
能量
转化
导体克服安培力做功,其他形式的能转化为电能,最终转化为内能
由于电磁感应,磁场能转化为电能,通过安培力做功,电能转化为导体的机械能,从而对外做功
相同点
两者都是电磁感应现象,都遵循楞次定律,都是安培力阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动
探究一
探究二
(1)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象,都遵循楞次定律。
(2)电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的作用效果都是阻碍相对运动,应注意电磁驱动中阻碍的结果,若磁铁运动,线圈中的感应电流的结果是安培力的方向与磁铁运动方向相同,即电磁驱动;若磁场不动,线圈运动,则感应电流的结果阻碍线圈运动,即电磁阻尼。
探究一
探究二
典例剖析
【例题2】如图所示,弹簧上端固定,下端挂一只条形磁铁,使磁铁上下振动,磁铁的振动幅度不变。若在振动过程中把线圈靠近磁铁,观察磁铁的振幅将会发现( )
A.S闭合时振幅逐渐减小,S断开时振幅不变
B.S闭合时振幅逐渐增大,S断开时振幅不变
C.S闭合或断开,振幅变化相同
D.S闭合或断开,振幅都不发生变化
解析:S断开时,磁铁振动,穿过线圈的磁通量发生变化,线圈中无感应电流,振幅不变;S闭合时有感应电流,有电能产生,磁铁的机械能越来越少,振幅逐渐减小。选项A正确。
答案:A
探究一
探究二
电磁驱动和电磁阻尼的联系:电磁驱动和电磁阻尼现象中安培力的作用效果均为阻碍导体间的相对运动。
探究一
探究二
变式训练2阻尼摆的示意图如图所示,在轻质杆上固定一金属薄片,轻质杆可绕上端O点在竖直面内转动,一水平有界磁场垂直于金属薄片所在的平面。使摆从图中实线位置释放,摆很快就会停止摆动;若将摆改成梳齿状,还是从同一位置释放,摆会摆动较长的时间。试定性分析其原因。
解析:第一种情况下,阻尼摆进入有界磁场后,在摆中会形成涡流,涡流受磁场的阻碍作用,会很快停下来;第二种情况下,将金属摆改成梳齿状,阻断了涡流形成的回路,从而减弱了涡流,受到的阻碍会比先前小得多,所以会摆动较长的时间。
答案:见解析
1
2
3
4
5
1.(多选)下列磁场垂直加在金属圆盘上能产生涡流的是( )
解析:根据涡流的产生条件可知,只有变化的磁场能使金属圆盘产生涡流。
答案:BCD
1
2
3
4
5
2.(多选)机场的安检门可以利用涡流探测人身上携带的金属物品。安检门中接有线圈,线圈中通以交变电流,关于其工作原理,下列说法正确的是( )
A.人身上携带的金属物品会被地磁场磁化,在线圈中产生感应电流
B.人体在通有交变电流的线圈产生的磁场中运动,产生感应电动势并在金属物品中产生感应电流
C.线圈产生的交变磁场会在金属物品中产生交变的感应电流
D.金属物品中感应电流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流
1
2
3
4
5
解析:地磁场很弱,即使金属物品被磁化,磁性也很弱,作为导体的人体电阻很大,且一般不会与金属物品构成回路,选项A、B错误;安检门利用涡流探测金属物品的工作原理是线圈中的交变电流产生交变磁场,使金属物品中产生涡流,选项C正确;该涡流产生的磁场又会在线圈中产生感应电流,而线圈中交变电流的变化可以被检测,选项D正确。
答案:CD
1
2
3
4
5
3.(多选)如图所示是电表中的指针和电磁阻尼器,下列说法中正确的是( )
A.2是磁铁,在1中产生涡流
B.1是磁铁,在2中产生涡流
C.该装置的作用是使指针能够转动
D.该装置的作用是使指针能很快地稳定
解析:这是涡流的典型应用之一。当指针摆动时,1随之转动,2是磁铁,那么在1中产生涡流,2对1的安培力将阻碍1的转动。不管1向哪个方向转动,2对1的效果总起到阻尼作用,所以它能使指针很快地稳定下来。
答案:AD
1
2
3
4
5
4.电磁炉热效率高达90%,炉面无明火,无烟无废气,电磁“火力”强劲,安全可靠。如图所示是描述电磁炉工作原理的示意图,下列说法正确的是( )
A.当恒定电流通过线圈时,会产生恒定磁场,恒定磁场越强,电磁炉加热效果越好
B.电磁炉通电线圈加交流电后,在锅底产生涡流,进而发热工作
C.电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅,主要原因是这些材料的导热性能较差
D.在锅和电磁炉中间放一纸板,则电磁炉不能起到加热作用
1
2
3
4
5
解析:电磁炉就是采用的涡流感应加热原理,其内部电子线路板组成部分产生交变磁场。当把铁质锅具底部放置在炉面时,锅具底部金属部分产生涡流,使锅具铁分子高速无规则运动,分子互相碰撞、摩擦而产生热量,用来加热和烹饪食物,从而达到煮食的目的,故A错误,B正确;电磁炉工作时需要在锅底产生感应电流,陶瓷锅或耐热玻璃锅不属于金属导体,不能产生感应电流,C错误;通电线圈产生的磁场能穿透纸板到达锅底,在锅底产生感应电流,利用电流的热效应起到加热作用,D错误。
答案:B
1
2
3
4
5
5.如图所示,上下开口、同样粗细、内壁光滑的铜管P和塑料管Q竖直放置。小磁块先后在两管中从相同高度处由静止释放,并落至底部,则小磁块( )
A.在P和Q中都做自由落体运动
B.在两个下落过程中的机械能都守恒
C.在P中的下落时间比在Q中的长
D.落至底部时在P中的速度比在Q中的大
解析:小磁块在内壁光滑的塑料管Q中,从高处由静止释放做自由落体运动,机械能守恒;小磁块在内壁光滑的铜管P中,则会产生电磁阻尼阻碍小磁块的运动,相比Q中自由落体运动时间要长,C项正确,A项错误;由于电磁阻尼产生焦耳热,机械能不守恒,B项错误;由于机械能有损失,落至底部时在P中的速度比在Q中的小,D项错误。
答案:C(共23张PPT)
本
章
整
合
思考并回答下列问题:
本章知识可分为三个单元。第一个单元:研究感应电流的产生条件和感应电流的方向判断;第二个单元:研究感应电动势的大小计算和感应电动势产生的原理;第三个单元:研究了几种特殊的电磁感应现象及其应用。
1.思考关于“感应电流的产生条件和方向判断”学习的内容。正确填写下图。
答案:①电路闭合且磁通量变化 ②其他形式的能转化为电能或电能的转移 ③楞次定律 ④右手定则 ⑤增反减同 ⑥来拒去留 ⑦增缩减扩 ⑧增离减靠
2.思考关于“感应电动势的大小计算”学习的内容。正确填写下图。
3.思考关于“几种特殊的电磁感应现象”学习的内容。正确填写下图。
答案:①当一个线圈中电流变化时,在另一线圈中产生感应电流的现象 ②变压器 ③自身电流发生变化而产生的电磁感应现象 ④总是阻碍自身电流的变化 ⑤与线圈的大小、形状、圈数,以及是否有铁芯等因素有关 ⑥延时继电器 ⑦大功率电动机的开关触点浸在绝缘油中 ⑧块状金属在变化的磁场中产生的环形感应电流 ⑨电磁炉
⑩磁电式仪表的线圈绕到铝框上
交流电动机
专题一
专题二
专题三
专题一 安培定则、左手定则、右手定则及楞次定律
1.适用于不同现象(“左”判“力”,“右”判“电”,安培定则“磁感线”)
安培定则适用于运动电荷或电流产生的磁场;左手定则判定磁场对运动电荷或电流作用力的方向;右手定则判定部分导体切割磁感线产生的感应电流的方向;楞次定律判断电磁感应中感应电动势和感应电流的方向。
2.左手定则和右手定则的因果关系不同
左手定则是因为有电,结果是受力,即因电而动;右手定则是因为受力运动,而结果是有电,即因动而电。
3.楞次定律的另一种表达
感应电流的效果总是阻碍引起感应电流产生的原因。如判断感应电流安培力的作用效果,从感应电流所受安培力的方向出发的分析方法,物理过程明确,但比较麻烦;若问题不涉及感应电流的方向,则从楞次定律的另一种表述出发的分析方法较为简便。
专题一
专题二
专题三
【例题1】在水平面上放置两个完全相同的带中心轴的金属圆盘,它们彼此用导线把中心轴和对方圆盘的边缘相连接,组成电路如图所示,一匀强磁场穿过两圆盘垂直向外,若不计一切摩擦,当a盘在外力作用下做逆时针转动时,转盘b( )
A.沿与a盘相同的方向转动
B.沿与a盘相反的方向转动
C.转动的角速度可能大于a盘的角速度
D.转动的角速度可能等于a盘的角速度
专题一
专题二
专题三
解析:如图所示,金属圆盘可看作由多根金属辐条组成,a盘在外力作用下逆时针转动时,圆盘切割磁感线,由右手定则判知,电动势方向为由O1→A,在闭合电路中有方向为O1AO2BO1的感应电流,而对b盘,由左手定则和能量守恒定律判知,b盘顺时针转动且其转动的角速度一定小于a盘的角速度,选项B正确。
答案:B
专题一
专题二
专题三
变式训练1(多选)如图所示,在匀强磁场中放置一个电阻不计的平行金属导轨,导轨跟大线圈M相连,导轨上放一根导线ab,磁感线垂直于导轨所在平面,欲使M所包围的小闭合线圈N产生顺时针方向的感应电流,则导线的运动情况可能是( )
A.匀速向右运动
B.加速向右运动
C.减速向右运动
D.加速向左运动
专题一
专题二
专题三
解析:导线ab匀速向右运动时,导线ab产生的感应电动势和感应电流恒定不变,大线圈M产生的磁场恒定不变,穿过小线圈N中的磁通量不变,没有感应电流产生,故A错误;
导线ab加速向右运动时,导线ab中产生的感应电动势和感应电流增加,由右手定则判断出来ab电流方向由a→b,根据安培定则判断可知,M产生的磁场方向垂直纸面向里,穿过N的磁通量增大,由楞次定律判断得知,线圈N产生逆时针方向的感应电流,不符合题意,故B错误;导线ab减速向右运动时,导线ab产生的感应电动势和感应电流减小,由右手定则判断出来ab电流方向由a→b,根据安培定则判断可知,M产生的磁场方向垂直纸面向里,穿过N的磁通量减小,由楞次定律判断得知,线圈N产生顺时针方向的感应电流,故C正确;
专题一
专题二
专题三
导线ab加速向左运动时,导线ab中产生的感应电动势和感应电流增加,由右手定则判断出来ab电流方向由b→a,根据安培定则判断可知,M产生的磁场方向垂直纸面向外,穿过N的磁通量增大,由楞次定律判断得知,线圈N产生顺时针方向的感应电流,故D正确。
答案:CD
专题一
专题二
专题三
专题二 电磁感应中的力学问题
解决这类问题的关键在于通过运动状态的分析来寻找过程中的临界状态,如速度、加速度取最大值或最小值的条件等。
1.做好受力情况、运动情况的动态分析:导体运动产生感应电动势→感应电流→通电导体受安培力→合外力变化→加速度变化→速度变化→感应电动势变化。周而复始循环,最终加速度等于零,导体达到稳定运动状态。
2.利用好导体达到稳定状态时的平衡方程,往往是解决该类问题的突破口。
专题一
专题二
专题三
【例题2】如图所示,固定于水平桌面上足够长的两平行光滑导轨PQ、MN,其电阻不计,间距d=0.5
m,P、M之间接有一只理想电压表,整个装置处于竖直向下的,磁感应强度B0=0.2
T的匀强磁场中,两金属棒L1、L2平行地搁在导轨上,其电阻均为r=0.1
Ω,两金属棒的长度均为0.5
m,质量分别为m1=0.3
kg和m2=0.5
kg。固定棒L1,使L2在水平恒力F=0.8
N的作用下,由静止开始运动。试求:
(1)当电压表读数为U=0.2
V时,棒L2的加速度为多大?
(2)棒L2能达到的最大速度vm。
专题一
专题二
专题三
L2所受的安培力F'=B0Id=0.2
N
对L2由牛顿第二定律可得:F-F'=m2a
解得a=1.2
m/s2。
(2)安培力F安与恒力F平衡时,棒L2速度达到最大,设此时电路电流为Im,则
F安=B0Imd
答案:(1)1.2
m/s2 (2)16
m/s
专题一
专题二
专题三
变式训练2如图所示,水平面内有一平行金属导轨,导轨光滑且电阻不计。匀强磁场与导轨平面垂直。阻值为R的导体棒垂直于导轨静止放置,且与导轨接触。t=0时,将开关S由1掷到2。q、i、v和a分别表示电容器所带的电荷量、棒中的电流、棒的速度和加速度。下列图象正确的是( )
专题一
专题二
专题三
解析:t=0时,将开关S由1掷到2,电容器通过导轨、导体棒构成的回路放电,导体棒中有电流通过,导体棒受到安培力作用,导体棒产生加速度,导体棒做加速运动;导体棒速度逐渐增大,导体棒切割磁感线产生与放电电流方向相反的感应电动势。由于放电电流逐渐减小,导体棒的加速度逐渐减小,导体棒做加速度逐渐减小的加速运动。当导体棒切割磁感线产生的感应电动势与电容器两极板之间电压相等时,电容器放电电流减小到零,导体棒做匀速运动,选项B、C错误;综合上述可知,足够长时间后,电容器所带的电荷量不为零,选项A错误,D正确。
答案:D
专题一
专题二
专题三
专题三 电磁感应中的能量问题
1.用能量观点解决电磁感应问题的基本思路
首先做好受力分析和运动分析,明确哪些力做功,是做正功还是负功,再明确有哪些形式的能量参与转化,如何转化(如滑动摩擦力做功,必然有内能出现;重力做功,可能有机械能参与转化;安培力做负功的过程中有其他形式的能转化为电能,安培力做正功的过程中有电能转化为其他形式的能)。
2.电能求解方法主要有三种
(1)利用克服安培力做功求解:电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功。
(2)利用能量守恒求解:其他形式的能的减少量等于产生的电能。
(3)利用电路特征来求解。
专题一
专题二
专题三
【例题3】
(多选)如图所示,一U形光滑导轨接有一电阻R,整个装置放置在匀强磁场中,导轨平面与磁场方向垂直,有一电阻可忽略不计但有一定质量的金属杆ab跨接在导轨上,可沿导轨方向平移。现从静止开始对ab杆施以向右的恒力F,则在杆运动过程中,下列说法正确的是( )
A.磁场对金属杆ab的作用力对ab杆做功,但磁场的能量是不变的
B.外力F做的功总是等于电阻R上消耗的功
C.磁场对金属杆ab的作用力做功的功率与电阻R上消耗的功率两者的大小是相等的
D.电阻R上消耗的功率存在最大值
专题一
专题二
专题三
解析:磁场对金属杆ab的作用力对ab杆做功实质上是安培力做功,能量是外界提供的,所以磁场的能量是不变的,A对;外力F做的功总是等于电阻R上消耗的电能与金属杆ab的动能之和,B错;磁场对金属杆ab的作用力做的功全部转化为焦耳热,所以功率等于电阻R上消耗的热功率,C对;金属杆ab所受外力F等于安培力时,将做匀速运动,电流也将恒定,所以电阻R上消耗的功率存在最大值,D对。
答案:ACD
专题一
专题二
专题三
变式训练3如图所示,一对光滑的平行金属导轨固定在同一水平面内,导轨间距l=0.5
m,左端接有阻值R=0.3
Ω的电阻。一质量m=0.1
kg、电阻r=0.1
Ω
、长度为0.5
m的金属棒MN放置在导轨上,整个装置置于竖直向上的匀强磁场中,磁场的磁感应强度B=0.4
T。金属棒在水平向右的外力作用下,由静止开始以a=2
m/s2的加速度做匀加速运动,当金属棒的位移x=9
m时撤去外力,金属棒继续运动一段距离后停下来,已知撤去外力前、后回路中产生的焦耳热之比Q1∶Q2=2∶1。导轨足够长且电阻不计,金属棒在运动过程中始终与导轨垂直且两端与导轨保持良好接触。求:
专题一
专题二
专题三
(1)金属棒在匀加速运动过程中,通过电阻R的电荷量q。
(2)撤去外力后回路中产生的焦耳热Q2。
(3)外力做的功WF。
解析:(1)设金属棒匀加速运动的时间为Δt,回路的磁通量的变化
代入数据得q=4.5
C。
专题一
专题二
专题三
(2)设撤去外力时金属棒的速度为v,对于金属棒的匀加速运动过程,由运动学公式得v2=2ax⑤
设金属棒在撤去外力后的运动过程中安培力所做的功为W,
撤去外力后回路中产生的焦耳热Q2=-W⑦
联立⑤⑥⑦式,代入数据得Q2=1.8
J。⑧
(3)由题意知,撤去外力前、后回路中产生的焦耳热之比Q1∶Q2=2∶1,可得Q1=3.6
J⑨
在金属棒运动的整个过程中,外力F克服安培力做功,由功能关系可知WF=Q1+Q2⑩
由⑧⑨⑩式得WF=5.4
J。
答案:(1)4.5
C (2)1.8
J (3)5.4
J(共36张PPT)
习题课:电磁感应中的电路和图象问题
探究一
探究二
探究三
电磁感应中的电路
问题探究
用均匀导线做成的正方形线圈边长为l,正方形的一半放在垂直于纸面向里的匀强磁场中,如图所示,当磁场以
的变化率增强时,思考下列问题:
(1)感应电流的方向是逆时针还是顺时针?
(2)感应电动势多大?整个闭合回路中哪部分电路是电源?哪部分是外电路?
(3)A、B两点哪点电势高?两点间的电势差为多大?
探究一
探究二
探究三
要点提示:(1)根据楞次定律可知感应电流的方向沿逆时针。(2)
探究一
探究二
探究三
知识归纳
解决电磁感应中电路问题的基本方法
闭合电路中磁通量发生变化或有部分导体在做切割磁感线运动,在回路中将产生感应电动势,回路中将有感应电流。从而涉及电流、电压、电功等计算。同时也可包含电磁感应与力学问题、电磁感应与能量的综合分析。
(1)明确哪部分电路或导体产生感应电动势,该电路或导体就相当于电源,其他部分是外电路。
(2)画等效电路图,分清内、外电路。
大小,用楞次定律或右手定则确定感应电流的方向。在等效电源内部,方向从负极指向正极。
探究一
探究二
探究三
(4)运用闭合电路欧姆定律、串并联电路特点、电功率、电热等公式联立求解。
解决电磁感应中的电路问题“三步曲”:第一步,确定电源;第二步,画等效电路图;第三步,利用电路规律求解。
探究一
探究二
探究三
典例剖析
【例题1】
用相同导线绕制的边长为L或2L的四个闭合导线框,以相同的速度匀速进入右侧匀强磁场,如图所示。在每个线框进入磁场的过程中,M、N两点间的电压分别为Ua、Ub、Uc和Ud。下列判断正确的是( )
A.UaB.UaC.Ua=UbD.Ub故选B。
探究一
探究二
探究三
答案:B
1.判断感应电流和感应电动势的方向,都是利用“相当于电源”的部分根据右手定则或楞次定律判定的。实际问题中应注意外电路电流由高电势流向低电势,而内电路则相反。
2.在闭合电路中,“相当于电源”的导体两端的电压与真实的电源两端的电压一样,等于路端电压,而不等于感应电动势。
探究一
探究二
探究三
变式训练1如图所示,把总电阻为2R的均匀电阻丝焊接成一半径为a的圆环,水平固定在竖直向下的磁感应强度为B的匀强磁场中,一长度为2a,电阻等于R,粗细均匀的金属棒MN放在圆环上,它与圆环始终保持良好接触,当金属棒以恒定速度v向右移动经过环心时,求:
(1)棒上电流的大小和方向及棒两端的电压UMN。
(2)电路中消耗的热功率。
探究一
探究二
探究三
解析:(1)等效电路如图所示
探究一
探究二
探究三
电磁感应中的电荷量问题
问题探究
如图所示,水平金属导轨AC、BD长x、两轨宽L,金属棒置于导轨上,与导轨接触良好,导轨A、B端接有电阻R,其余电阻不计,磁感应强度为B的匀强磁场与导轨平面垂直。
(1)当金属棒以速度v匀速从AB端运动到CD端的过程中,流过电阻R的电荷量为多少?
(2)第(1)问中,若金属棒从静止开始匀加速向右运动距离x呢?
(3)若金属棒固定于CD端,当磁感应强度以
的变化率从零均匀增大到B的过程中,流过电阻R的电荷量为多少?
(4)第(3)问中,若磁感应强度不是均匀变化的呢?
探究一
探究二
探究三
探究一
探究二
探究三
知识归纳
电磁感应中的电荷量问题
1.电源内部电流的方向是从负极流向正极,即从低电势流向高电势。
2.求解电路中通过的电荷量时,一定要用平均电动势和平均电流计算。
探究一
探究二
探究三
典例剖析
【例题2】
物理实验中,常用一种叫做“冲击电流计”的仪器测定通过电路的电量。如图所示,探测线圈与冲击电流计串联后可用来测定磁场的磁感应强度。已知线圈的匝数为n,面积为S,线圈与冲击电流计组成的回路电阻为R。若将线圈放在被测匀强磁场中,开始线圈平面与磁场垂直,现把探测圈翻转90°,冲击电流计测出通过线圈的电量为q,由上述数据可测出被测磁场的磁感应强度为( )
探究一
探究二
探究三
答案:B
探究一
探究二
探究三
变式训练2如图所示,将一个闭合金属圆环从有界磁场中匀速拉出,第一次速度为v,通过金属圆环某一截面的电荷量为q1,第二次速度为2v,通过金属圆环某一截面的电荷量为q2,则( )
A.q1∶q2=1∶2
B.q1∶q2=1∶4
C.q1∶q2=1∶1
D.q1∶q2=2∶1
答案:C
探究一
探究二
探究三
电磁感应中的图象问题
问题探究
如图甲所示,矩形导线框abcd固定在匀强磁场中,磁感线的方向与导线框所在平面垂直,规定磁场的正方向垂直于纸面向里,磁感应强度B随时间变化的规律如图乙所示,若规定顺时针方向为感应电流的正方向,定性画出感应电流随时间变化的图象。
探究一
探究二
探究三
要点提示:0~1
s内电流为负方向,1~3
s内电流为正方向,3~4
s电流为负方向。
探究一
探究二
探究三
知识归纳
1.问题概括
探究一
探究二
探究三
2.解决图象问题的一般步骤
(1)明确图象的种类,即是B-t图象还是Φ-t图象,或者E-t图象、I-t图象等。
(2)分析电磁感应的具体过程。
(3)用右手定则或楞次定律确定方向对应关系。
(4)结合法拉第电磁感应定律、欧姆定律、牛顿运动定律等规律写出函数关系式。
(5)根据函数关系式,进行数学分析,如分析斜率的变化、截距等。
(6)画图象或判断图象。
探究一
探究二
探究三
典例剖析
【例题3】
在竖直方向的磁场中,水平放置一圆形导体环。规定导体环中电流的正方向如图甲所示,磁场向上为正。当磁感应强度B
随时间t按图乙变化时,下列能正确表示导体环中感应电流变化情况的是( )
探究一
探究二
探究三
数不变的情况下,感应电动势与磁场的变化率成正比,即与B-t图象中的斜率成正比,由题图乙可知0~2
s,斜率不变,故形成的感应电流不变,根据楞次定律可知感应电流方向为顺时针即为正值,2~4
s斜率不变,电流方向为逆时针即为负值,整个过程中的斜率大小不变,所以感应电流大小不变,故A、B、D错误,C正确。
答案:C
探究一
探究二
探究三
对图象的分析,应做到“四明确一理解”
(1)明确图象所描述的物理意义;明确各种“+”“-”的含义;明确斜率的含义;明确图象和电磁感应过程之间的对应关系。
探究一
探究二
探究三
变式训练3如图甲,匝数n=2的金属圈(电阻不计)围成的面积为20
cm2,线圈与R=20
Ω的电阻连接,置于竖直向上、均匀分布的磁场中,磁场与线圈平面垂直,磁感应强度为B,B-t关系如图乙,规定感应电流i从a经过R到b的方向为正方向。忽略线圈的自感影响,则下列i-t关系图正确的是( )
探究一
探究二
探究三
解析:由图可知,0~2
s内,线圈中磁通量的变化率相同,故0~2
s内电流的方向相同,由楞次定律可知,电路中电流方向为顺时针,即电流为正方向;同理可知,2~5
s内电路中的电流为逆时针,为负方向。由
A=3×10-7
A;同理2~5
s内,I2=2×10-7
A,故D正确,A、B、C错误。
答案:D
探究一
探究二
探究三
【例题4】
如图所示,一底边为L,底边上的高也为L的等腰三角形导体线框以恒定的速度v沿垂直于磁场区域边界的方向穿过长为2L,宽为L的匀强磁场,磁场方向垂直纸面向里。t=0时刻,三角形导体线框的底边刚进入磁场,取沿逆时针方向的感应电流为正,则在三角形导体线框穿过磁场区域的过程中,感应电流i随时间t变化的图线可能是( )
探究一
探究二
探究三
效长度L都变小。再根据右手定则,进、出磁场时感应电流方向相反,进磁场时感应电流方向为正,出磁场时感应电流方向为负,故选A。
答案:A
探究一
探究二
探究三
变式训练4如图所示,两条平行虚线之间存在匀强磁场,虚线间的距离为L,磁场方向垂直纸面向里,abcd是位于纸面内的梯形线圈,ad与bc间的距离也为L,t=0时刻bc边与磁场区域边界重合。现令线圈以恒定的速度v沿垂直于磁场区域边界的方向穿过磁场区域,取沿a→b→c→d→a方向为感应电流正方向,则在线圈穿越磁场区域的过程中,感应电流I随时间t变化的图线可能是( )
探究一
探究二
探究三
解析:由于bc进入磁场时,根据右手定则判断出其感应电流的方向是沿adcba的方向,其方向与电流的正方向相反,故是负的,所以A、C错误。当逐渐向右移动时,切割磁感线的条数在增加,故感应电流在增大;当bc边穿出磁场区域时,线圈中的感应电流方向变为abcda,是正方向,故其图象在时间轴的上方,所以B正确,D错误。
答案:B
1
2
3
1.如图,在同一水平面内有两根平行长导轨,导轨间存在依次相邻的矩形匀强磁场区域,区域宽度均为l,磁感应强度大小相等、方向交替向上向下,一边长为
l的正方形金属线框在导轨上向左匀速运动。线框中感应电流i随时间t变化的正确图线可能是
( )
1
2
3
解析:在0~0.5l过程,前、后两边均切割磁感线,产生相同方向(顺时针)、等大不变的电流;在0.5l~l过程,前、后两边均切割磁感线,产生反向、等大不变的电流,线框中总电流为零;在l~1.5l过程,前、后两边均切割磁感线,产生相同方向(逆时针)、等大不变的电流,选项D正确。
答案:D
1
2
3
2.假设某卫星舱中有一边长为50
cm的正方形导线框,在地面人员遥控操作下由水平方向转至竖直方向,此时地磁场磁感应强度B=4×10-5
T,方向如图所示。求:
(1)该过程中磁通量的改变量的大小是多少?
(2)该过程线框中有无感应电流?设线框电阻为R=0.1
Ω,若有电流,则通过线框的电荷量是多少?(sin
37°=0.6,cos
37°=0.8)
1
2
3
解析:(1)设线框在水平位置时法线n方向竖直向上,穿过线框的磁通量Φ1=BSsin
37°=6.0×10-6
Wb。
当线框转至竖直位置时,线框平面的法线方向水平向右,与磁感线夹角θ=143°,穿过线框的磁通量Φ2=BScos
143°=-8.0×10-6
Wb,该过程磁通量的改变量大小ΔΦ=|Φ1-Φ2|=1.4×10-5
Wb。
(2)因为该过程穿过闭合线框的磁通量发生了变化,所以一定有感应
答案:(1)1.4×10-5
Wb (2)有 1.4×10-4
C
1
2
3
3.匀强磁场的磁感应强度B=0.2
T,磁场宽度l=4
m,一正方形金属框边长ad=l'=1
m,每边的电阻r=0.2
Ω,金属框以v=10
m/s
的速度匀速穿过磁场区,其平面始终保持与磁感线方向垂直,如图所示。
(1)画出金属框穿过磁场区的过程中,各阶段的等效电路图。
(2)画出金属框穿过磁场区的过程中,金属框内感应电流的i-t图线。(要求写出作图依据)
(3)画出ab两端电压的U-t图线。(要求写出作图依据)
1
2
3
解析:如图a所示,线框的运动过程分为三个阶段:第Ⅰ阶段cd相当于电源;第Ⅱ阶段cd和ab相当于开路时两并联的电源;第Ⅲ阶段ab相当于电源,分别如图b、c、d所示。
1
2
3
ab两端的电压为U1=I1·r=2.5×0.2
V=0.5
V
在第Ⅱ阶段,有I2=0,ab两端的电压U2=E=Bl'v=2
V
感应电流方向为顺时针方向
ab两端的电压U3=I3·3r=1.5
V,t3=0.1
s
规定逆时针方向为电流正方向,故i-t图象和ab两端U-t图象分别如图甲、乙所示。
1
2
3
答案:见解析(共22张PPT)
习题课:电磁感应中的动力学及能量问题
探究一
探究二
电磁感应中的动力学问题
问题探究
在磁感应强度为B的水平匀强磁场中,竖直放置一个“
”形金属框ABCD,框面垂直于磁场,宽度BC为L,质量为m的金属杆PQ用光滑金属套连接在框架AB和CD上,如图。金属杆PQ电阻为R,其他电阻不计,从杆自静止开始沿框架下滑到达到最大速度的过程中,思考讨论下列问题:
探究一
探究二
(1)开始下滑的加速度为多少?
(2)金属杆中感应电流的方向怎样?金属杆受的安培力向哪?如何变化?
(3)金属杆的加速度如何变化?金属杆的速度如何变化?
(4)满足什么条件时金属杆达到最大速度?金属杆下滑的最大速度是多少?
要点提示:(1)g。(2)向左,向上,变大。(3)变小,变大。(4)当安培力
探究一
探究二
知识归纳
由于通过导体的感应电流在磁场中将受到安培力作用,因此电磁感应问题往往和力学问题综合在一起。
1.理解电磁感应问题中的两个研究对象及其之间的相互制约关系。
探究一
探究二
2.电磁感应现象中涉及具有收尾速度的力学问题时,关键是做好受力情况和运动情况的动态分析:
3.处理此类问题的基本方法:
(1)用法拉第电磁感应定律和楞次定律求感应电动势的大小和方向。
(2)求回路中的感应电流的大小和方向。
(3)分析研究导体受力情况(包括安培力)。
(4)列动力学方程或平衡方程求解。
探究一
探究二
典例剖析
【例题1】
如图所示,空间存在B=0.5
T、方向竖直向下的匀强磁场,MN、PQ是不计电阻水平放置的平行长直导轨,其间距L=0.2
m,电阻R=0.3
Ω接在导轨一端,ab是跨接在导轨上质量m=0.1
kg、电阻r=0.1
Ω
、长度与导轨间距相等的导体棒,已知导体棒和导轨间的动摩擦因数为0.2。从零时刻开始,对ab棒施加一个大小为F=0.45
N、方向水平向左的恒定拉力,使其从静止开始沿导轨滑动,过程中棒始终保持与导轨垂直且接触良好,则:(g取10
m/s2)
(1)求导体棒所能达到的最大速度。
(2)试定性画出导体棒运动的速度—时间图象。
探究一
探究二
解析:ab棒在拉力F作用下运动,随着ab棒切割磁感线运动的速度增大,棒中的感应电动势增大,棒中感应电流增大,棒受到的安培力也增大,最终达到匀速运动时棒的速度达到最大值。外力在克服安培力做功的过程中,消耗了其他形式的能,转化成了电能,最终转化成了焦耳热。
(1)导体棒切割磁感线运动,产生的感应电动势
E=BLv①
导体棒受到的安培力F安=BIL③
导体棒运动过程中受到拉力F、安培力F安和摩擦力Ff的作用,根据牛顿第二定律得,
F-μmg-F安=ma④
由①②③④得
探究一
探究二
由上式可以看出,随着速度的增大,安培力增大,加速度a减小,当加速度a减小到0时,速度达到最大。
(2)导体棒运动的速度—时间图象如图所示。
答案:(1)10
m/s (2)见解析图
探究一
探究二
解决电磁感应中的动力学问题的思路
解决电磁感应中的动力学问题的一般思路是“先电后力”,具体思路如下:
探究一
探究二
变式训练1(多选)如图所示,MN和PQ是两根互相平行竖直放置的光滑金属导轨,已知导轨足够长,且电阻不计。ab是一根与导轨垂直而且始终与导轨接触良好的金属杆。开始时,将开关S断开,让杆ab由静止开始自由下落,一段时间后,再将S闭合,若从S闭合开始计时,则金属杆ab的速度v随时间t变化的图象可能是( )
探究一
探究二
答案:ACD
探究一
探究二
电磁感应中的能量问题
问题探究
在水平匀强磁场中,竖直放置一个“
”形金属框,框面垂直于磁场,金属杆用光滑金属套连接在框架上,如图。杆自静止开始沿框架下滑,试分析杆自静止下滑一段时间(未达到最大速度)内,有哪些力做了功?有哪些能量发生了变化?简述这些功能关系。
探究一
探究二
要点提示:重力做功和安培力做功。重力势能减少,动能增加,电能增加。重力做的功等于重力势能的减少量,克服安培力做的功等于电能的增加量,合力的功等于动能的增加量。
探究一
探究二
知识归纳
1.电磁感应现象中的能量转化
2.求解焦耳热Q的三种方法
探究一
探究二
3.求解电磁感应现象中能量问题的一般思路
(1)用法拉第电磁感应定律和楞次定律确定感应电动势的大小和方向。
(2)画出等效电路,求出回路中电阻消耗的电功率表达式。
(3)分析导体机械能的变化,用能量守恒关系得到机械功率的改变与回路中电功率的改变所满足的方程。
产生和维持感应电流的过程是其他形式的能向感应电流的电能转化的过程,安培力做功是其他形式的能和电能之间转化的量度。
探究一
探究二
典例剖析
【例题2】
(多选)如图所示,两根电阻不计的光滑平行金属导轨倾角为θ,导轨下端接有电阻R,匀强磁场垂直斜面向上。质量为m、电阻不计的金属棒ab在沿斜面与棒垂直的恒力F作用下沿导轨匀速上滑,上升高度为h,在这个过程中( )
A.金属棒所受各力的合力所做的功等于零
B.金属棒所受各力的合力所做的功等于mgh和电阻R上产生的焦耳热之和
C.恒力F与重力的合力所做的功等于棒克服安培力所做的功与电阻R上产生的焦耳热之和
D.恒力F与重力的合力所做的功等于电阻R上产生的焦耳热
探究一
探究二
解析:棒匀速上升的过程有三个力做功:恒力F做正功、重力G做负功、安培力F安做负功。根据动能定理得,W=WF+WG+W安=0,故A对,B错;恒力F与重力G的合力所做的功等于棒克服安培力做的功。而棒克服安培力做的功等于回路中电能(最终转化为焦耳热)的增加量,克服安培力做功与焦耳热不能重复考虑,故C错,D对。
答案:AD
探究一
探究二
变式训练2如图所示,匀强磁场方向竖直向下,磁感应强度为B。正方形金属框abcd可绕光滑轴OO'转动,边长为L,总电阻为R,ab边质量为m,其他三边质量不计,现将abcd拉至水平位置,并由静止释放,经一定时间到达竖直位置,ab边的速度大小为v,则在金属框内产生热量大小等于( )
探究一
探究二
解析:金属框绕光滑轴转下的过程中机械能有损失但能量守恒,
答案:C
1
2
3
1.如图所示,在一匀强磁场中有一U形导线框abcd,线框处于水平面内,磁场与线框平面垂直,R为一电阻,ef为垂直于ab的一根导体杆,它可在ab、cd上无摩擦地滑动。杆ef及线框中导线的电阻都可不计。开始时,给ef一个向右的初速度,则( )
A.ef将减速向右运动,但不是匀减速
B.ef将匀减速向右运动,最后停止
C.ef将匀速向右运动
D.ef将往返运动
解析:ef向右运动,切割磁感线,产生感应电动势和感应电流,会受到向左的安培力而做减速运动,直到停止,但不是匀减速,由
答案:A
1
2
3
2.如图所示,质量为m、高为h的矩形导线框在竖直面内自由下落,其上下两边始终保持水平,途中恰好匀速穿过一有理想边界、高亦为h的匀强磁场区域,线框在全过程中产生的内能为( )
A.mgh
B.2mgh
C.大于mgh而小于2mgh
D.大于2mgh
解析:因线框匀速穿过磁场,在穿过磁场的过程中合外力做功为零,克服安培力做功为2mgh,产生的内能亦为2mgh。故选B。
答案:B
1
2
3
3.如图所示,长L1、宽L2的矩形线圈电阻为R,处于磁感应强度为B的匀强磁场边缘,线圈与磁感线垂直,求将线圈以向右的速度v匀速拉出磁场的过程中,
(1)拉力的大小F。
(2)线圈中产生的电热Q。(共25张PPT)
习题课:楞次定律的应用
探究一
探究二
楞次定律的拓展应用
问题探究
如图所示,水平桌面上放一圆形金属导体环,从导体环的中心上方释放一条形磁铁,在条形磁铁向下靠近导体环的过程中,问:
(1)从上向下看导体环中的电流方向是逆时针还是顺时针?
(2)导体环内部感应电流的磁感线方向与磁铁磁场的方向相同还是相反?若磁铁向上运动呢?
(3)磁铁受到导体环的作用力向哪?若磁铁向上运动呢?
(4)导体环有收缩的趋势还是扩张的趋势?若磁铁向上运动呢?
(5)导体环对桌面的压力比重力大还是小?若磁铁向上运动呢?
(6)磁铁下落过程能量是如何转化的?
探究一
探究二
要点提示:(1)逆时针;(2)相反,相同;(3)向上,向下;(4)收缩,扩张;(5)比重力大,比重力小;(6)重力势能一部分转化为磁铁的动能,一部分转化为电能。
探究一
探究二
知识归纳
楞次定律的拓展
楞次定律的主要内容是研究引起感应电流的磁场即原磁场和感应电流的磁场二者之间的关系,根据这种关系可以得到如下推论:
(1)当原磁场磁通量增加时,感应电流的磁场与原磁场方向相反。当原磁场磁通量减少时,感应电流的磁场方向与原磁场方向相同。
(2)导体与磁场相对运动产生电磁感应现象时,产生的感应电流的导体受到磁场的安培力,这个安培力会“阻碍”相对运动。
(3)当闭合电路中有感应电流产生时,闭合电路的各部分导体就会受到安培力作用,会使闭合电路的面积有变化(或有变化趋势)。若原磁通量增加,则通过减小有效面积起到阻碍的作用。若原磁通量减少,则通过增大有效面积起到阻碍的作用。
探究一
探究二
(4)发生电磁感应现象时,还可能通过远离或靠近变化的磁场源来阻碍原磁通量的变化,即:若原磁通量增加,则通过远离磁场源起到阻碍的作用;若原磁通量减少,则通过靠近磁场源起到阻碍的作用。
(5)楞次定律中的“阻碍”是电磁感应现象遵循能量守恒定律的必然结果。
上述四种情况的记忆口诀为“增反减同”“来拒去留”“增缩减扩”“增离减靠”。
探究一
探究二
典例剖析
【例题1】如图所示,一水平放置的矩形闭合线框abcd在细长磁铁的N极附近竖直下落,保持bc边在纸外,ad边在纸内,由图中位置Ⅰ经过位置Ⅱ到位置Ⅲ,位置Ⅰ和位置Ⅲ都非常接近位置Ⅱ,这个过程中线框的感应电流( )
A.沿abcd流动
B.沿dcba流动
C.先沿abcd流动,后沿dcba流动
D.先沿dcba流动,后沿abcd流动
解析:由条形磁铁的磁场可知,线框在位置Ⅱ时穿过闭合线框的磁通量最少,为零,线框从位置Ⅰ到位置Ⅱ,从下向上穿过线框的磁通量在减少,线框从位置Ⅱ到位置Ⅲ,从上向下穿过线框的磁通量在增加,根据楞次定律可知感应电流的方向是abcd。
答案:A
探究一
探究二
本题应用“增反减同”即可判断。思路如下:
探究一
探究二
【例题2】如图所示,一个闭合矩形金属线圈A与一根绝缘轻杆B相连,轻杆上端O点是一个固定转动轴,转动轴与线圈平面垂直,线圈静止时恰位于蹄形磁铁的正中,线圈平面与磁感线垂直。现使线圈左右摆动,在摆动过程中,线圈所受磁场力的方向是( )
A.向左摆动过程中,受力方向向左;
向右摆动过程中,受力方向向右
B.向左摆动过程中,受力方向向右;
向右摆动过程中,受力方向向左
C.向左摆动过程中,受力方向先向左后
向右;向右摆动过程中,受力方向先向右后向左
D.向左摆动过程中,受力方向先向右后向左;
向右摆动过程中,受力方向先向左后向右
探究一
探究二
解析:感应电流是由磁通量的变化引起的,而这个磁通量的变化是由于线圈和磁场的相对运动引起的,故磁通量变化也就是阻碍线圈和磁场的相对运动。为了阻碍相对运动,磁场对线圈的作用力方向一定和相对运动方向相反,即线圈向左摆动时,受力方向向右,向右摆动时,受力方向向左。
答案:B
本题应用“来拒去留”即可判断。思路如下:
探究一
探究二
【例题3】如图所示,光滑固定金属导轨M、N水平放置,两根导体棒P、Q平行放在导轨上,形成闭合回路。当一条形磁铁从上方向下迅速接近回路时,可动的两导体棒P、Q将( )
A.保持不动
B.相互远离
C.相互靠近
D.无法判断
解析:四根导体组成闭合回路,当磁铁迅速接近回路时,穿过回路的磁通量增加,闭合回路中产生感应电流,感应电流将阻碍原磁通量的增加,回路面积减小,得到的结论是P、Q相互靠近,选项C正确。
答案:C
探究一
探究二
本题应用“增缩减扩”即可判断。思路如下:
探究一
探究二
【例题4】
一长直铁芯上绕有一固定线圈M,铁芯右端与一木质圆柱密接,木质圆柱上套有一闭合金属环N,N可在木质圆柱上无摩擦移动,M连接在如图所示的电路中,其中R为滑动变阻器,E1和E2为直流电源,S为单刀双掷开关,下列情况中,可观测到N向左运动的是( )
A.在S断开的情况下,S向a闭合的瞬间
B.在S断开的情况下,S向b闭合的瞬间
C.在S已向a闭合的情况下,将R的滑片
向c端移动时
D.在S已向a闭合的情况下,将R的滑片向d端移动时
解析:金属环N向左运动,说明穿过N的磁通量在减少,说明线圈M中的电流在减少,只有选项C符合。
答案:C
探究一
探究二
本题应用“增离减靠”即可判断。思路如下:
探究一
探究二
“三定则一定律”的综合应用
问题探究
如图所示装置中,线圈M和线圈N绕在同一个铁芯上,分别与两水平光滑导轨相连接,cd杆光滑且原来静止在水平导轨上,当ab杆由静止向右加速运动时,cd杆将向哪移动?
探究一
探究二
要点提示:向右运动,判断方法如下:
探究一
探究二
知识归纳
安培定则、左手定则、右手定则、楞次定律的适用范围及因果关系的比较
项目
安培定则
左手定则
右手定则
楞次定律
适用
范围
通电导线、圆环产生磁场时,磁场方向、电流方向互判
通电导线在磁场中所受的安培力方向、电流方向、磁场方向三者互判
导体切割磁感线时速度方向、磁场方向、感应电流方向三者互判
回路中磁通量变化产生感应电流时原磁场方向、感应电流磁场方向互判
因果
关系
因电而生磁(I→B)
因电而受力(I、B→F安)
因动而生电(v,B→I安)
因磁而生电(ΔB→B感)
探究一
探究二
左手定则、右手定则和安培定则有时容易混淆,有人从判断的结果加以区分,总结为左判“力”,右判“电”,安培定则“磁感线”。
探究一
探究二
典例剖析
【例题5】
如图所示,导轨间的磁场方向垂直于纸面向里,当导线MN在导轨上向右加速滑动时,正对电磁铁A的圆形金属环B中(说明:导体棒切割磁感线速度越大,感应电流越大)( )
A.有感应电流,且B被A吸引
B.无感应电流
C.可能有,也可能没有感应电流
D.有感应电流,且B被A排斥
解析:MN向右加速滑动,根据右手定则,MN中的电流方向从N→M,且大小在逐渐变大,根据安培定则知,电磁铁A的磁场方向向左,且大小逐渐增强,根据楞次定律知,B环中的感应电流产生的磁场方向向右,B被A排斥,D正确,A、B、C错误。
答案:D
探究一
探究二
“抓因寻果法”区别“三定则一定律”:区别“三定则一定律”的关键是抓住其中的“因果”关系,才能选择正确的规律处理问题。
探究一
探究二
变式训练如图所示,水平放置的两条光滑轨道上有可自由移动的金属棒PQ、MN,当PQ在外力的作用下运动时,MN在磁场力的作用下向右运动(说明:金属棒切割磁感线的速度越大,感应电流越大),则PQ所做的运动可能是( )
A.向右加速运动
B.向左匀速运动
C.向右减速运动
D.向左减速运动
探究一
探究二
解析:当PQ向右运动时,用右手定则可判定PQ中感应电流的方向是由Q→P,由安培定则可知穿过L1的磁场方向是自下而上的;若PQ向右加速运动,则穿过L1的磁通量增加,用楞次定律可以判断流过MN的感应电流方向是从N→M的,用左手定则可判定MN受到向左的安培力,将向左运动,A项错误;若PQ向右减速运动,流过MN的感应电流方向、感应电流所受的安培力的方向均将反向,MN向右运动,所以C项正确;同理可判断D项错误;PQ匀速时,MN中无感应电流,MN不受安培力,B项错误。
答案:C
1
2
3
1.如图所示,当磁铁突然向铜环运动时,铜环的运动情况是( )
A.向右摆动
B.向左摆动
C.静止
D.无法判定
1
2
3
解析:本题可用两种方法来解决:
方法1:画出磁铁的磁感线分布,如图甲所示,当磁铁向铜环运动时,穿过铜环的磁通量增加,由楞次定律判断出铜环中的感应电流方向如图甲所示。分析铜环受安培力作用而运动时,可把铜环中的电流等效为多段直线电流元。取上、下两小段电流元作为研究对象。由左手定则确定两段电流元的受力,由此可推断出整个铜环所受合力向右,则A选项正确。
方法2(等效法):磁铁向右运动,使铜环产生的感应电流可等效为图乙所示的条形磁铁,两磁铁有排斥作用,故A正确。
答案:A
1
2
3
2.如图所示,水平放置的圆柱形光滑玻璃棒左边绕有一线圈,右边套有一金属圆环。圆环初始时静止,将图中开关S由断开状态拨至连接状态,电路接通的瞬间,可观察到( )
A.拨至M端或N端,圆环都向左运动
B.拨至M端或N端,圆环都向右运动
C.拨至M端时圆环向左运动,拨至N端时向右运动
D.拨至M端时圆环向右运动,拨至N端时向左运动
解析:开关S无论拨至M端还是N端,螺线管中的磁通量都变大,则右边金属圆环中的磁通量变大,根据楞次定律,为了阻碍磁通量变大,圆环都向右运动,选项B正确。
答案:
B
1
2
3
3.如图所示,圆环形导体线圈a平放在水平桌面上,在a的正上方固定一竖直螺线管b,二者竖直轴线重合,螺线管与电源和滑动变阻器连接成如图所示的电路。若将滑动变阻器的滑片P向上滑动,下面说法中正确的是( )
A.穿过线圈a的磁通量变大
B.线圈a有收缩的趋势
C.线圈a中将产生俯视顺时针方向的感应电流
D.线圈a对水平桌面的压力FN将增大
解析:P向上滑动,回路电阻增大,电流减小,磁场减弱,穿过线圈a的磁通量变小,根据楞次定律,线圈a面积有增大趋势,A、B错误;由于线圈a中磁通量减小,根据楞次定律知线圈a中感应电流应为俯视顺时针方向,C正确;由于线圈a中磁通量减小,根据楞次定律,线圈a有阻碍磁通量减小的趋势,可知线圈a对水平桌面的压力FN减小,D错误。
答案:C
