13.3 电磁感应现象及应用 学案 高中物理新人教版必修第三册（2022年）

13.3 电磁感应现象及应用
考点1：磁通量的变化
1.闭合回路面积S的变化引起磁通量的变化。如图所示是导体做切割磁感线运动使面积发生变化而改变了穿过回路的磁通量。
2．磁感应强度的变化引起磁通量的变化。如图甲是通过磁极的运动改变穿过回路的磁通量；图乙通过改变原线圈中的电流从而改变磁场的强弱，进而改变穿过回路的磁通量。
甲　　　　　　　　　乙
3．磁场和闭合电路的面积都不发生变化，二者的夹角发生变化，从而引起穿过线圈的磁通量发生变化。如图所示，闭合线圈在匀强磁场中绕轴OO′转动的过程。
【例1】　如图所示，一水平放置的矩形闭合线圈abcd在细长磁铁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
【解析】D　要知道线圈在下落过程中磁通量的变化情况，就必须知道条形磁铁在磁极附近磁感线的分布情况，条形磁铁在N极附近磁感线的分布情况如图所示，由图可知线圈中磁通量是先减少，后增加，选项D正确。
由公式Φ＝BScos θθ为线圈与磁感线的夹角，可以看出Φ的变化是由B、S或θ的变化引起的，因此在求磁通量的变化时要先弄清Φ的变化是由哪一个量的变化引起的，然后根据此量的变化情况分析磁通量的变化情况。
1．如图所示，通电螺线管水平固定，OO′为其轴线，a、b、c三点在该轴线上，在这三点处各放一个完全相同的小圆环，且各圆环平面垂直于OO′轴。则关于这三点的磁感应强度Ba、Bb、Bc的大小关系及穿过三个小圆环的磁通量Φa、Φb、Φc的大小关系，下列判断正确的是 (　　)
A．Ba＝Bb＝Bc，Φa＝Φb＝Φc
B．Ba＞Bb＞Bc，Φa＜Φb＜Φc
C．Ba＞Bb＞Bc，Φa＞Φb＞Φc
D．Ba＞Bb＞Bc，Φa＝Φb＝Φc
【解析】C　由通电螺线管的磁场分布特点可知，a、b、c三点的磁感应强度Ba、Bb、Bc的大小关系为Ba＞Bb＞Bc；三个小圆环的面积相同，根据磁通量的定义Φ＝BS可知，Φa＞Φb＞Φc，所以A、B、D错误，C正确。
考点2：感应电流的有无判断
1．感应电流的产生条件
（1）闭合电路。
（2）磁通量发生变化。
2.产生感应电流的常见类型
（1）导线ab切割磁感线时，闭合回路产生的电流(如图甲所示)。
（2）磁铁插入和拉出线圈时，回路中产生的电流(如图乙所示)。
（3）如图丙所示，当开关S闭合或断开时，回路B中产生电流。当开关闭合，滑动变阻器滑片向上或向下滑时，回路B中产生电流。
【例2】　线圈在长直导线电流的磁场中做如图所示的运动：A．向右平动，B．向下平动，C．绕轴转动(ad边向里)，D．从纸面向纸外做平动，E.向上平动(线圈有个缺口)，判断线圈中有没有感应电流？
A　　B　　C　　D　　E
【解析】　在直导线电流磁场中的五个线圈，原来磁通量都是垂直纸面向里的，对直线电流来说，离电流越远，磁场就越弱。
A．向右平动，穿过线圈的磁通量没有变化，故线圈中没有感应电流。
B．向下平动，穿过线圈的磁通量减少，必产生感应电流。
C．绕轴转动，穿过线圈的磁通量变化(开始时减少)，必产生感应电流。
D．离纸面越远，线圈中磁通量越少，线圈中有感应电流。
E．向上平动，穿过线圈的磁通量增加，但由于线圈没有闭合，因此无感应电流。
【答案】　A、E中无感应电流，B、C、D中有感应电流。
判断是否产生感应电流的关键是明确电路是否闭合，分清磁感线的疏密分布，从而判断磁通量是否变化，而不是看磁通量的有无。
2．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，使变阻器的滑片P做匀速移动
C．通电时，使变阻器的滑片P做加速移动
D．将开关突然断开的瞬间
【解析】A　线圈中通以恒定的电流时，线圈产生稳恒的磁场，穿过铜环Z的磁通量不变，没有感应电流产生；通电时，使变阻器的滑片P滑动时，无论是匀速还是加速移动，变阻器接入电路的电阻变化，回路中电流变化，线圈产生的磁场变化，穿过铜环A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A正确。
◎考点一　磁通量的变化
1．如图所示，一线圈放在通电螺线管的正中间A处，现向右移动到B处，则在移动过程中通过线圈的磁通量如何变化(　　)
A．变大　　　　 B．变小
C．不变 D．无法确定
【解析】B　螺线管内部磁场向左全部穿过线圈，设向左穿过线圈的磁通量为Φ1，螺线管外部磁场向右穿过线圈，设穿过的磁通量为Φ2，则净磁通量为Φ＝Φ1－Φ2。线圈从正中间A处向右移动到B处，Φ2增大，Φ1不变，则Φ减小。故B正确，A、C、D错误。
2．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，穿过三个线圈的磁通量分别为Φa、Φb、Φc，则(　　)
A．Φa＜Φb＜Φc
B．Φa＞Φb＞Φc
C．Φa＜Φc＜Φc
D．Φa＞Φc＞Φb
【解析】B　当a中有电流通过时，穿过a、b、c三个闭合线圈垂直纸面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，因此穿过闭合线圈的净磁感线条数a最多，b次之，c最少，即Φa>Φb>Φc，选项B正确。
3．如图所示，一矩形线框从abcd位置移动到a′b′c′d′位置的过程中，关于穿过线框的磁通量的变化情况，下列叙述正确的是(线框平行于纸面移动) (　　)
A．一直增加
B．一直减少
C．先增加后减少
D．先增加，再减少直到零，然后再增加，最后减少
【解析】D　bc边移到导线位置之前磁通量垂直纸面向外增加，之后磁通量减小到0，这时导线位于线框中间位置，再向右移动时磁通量垂直纸面向里增加，直到ad边与导线重合，再往右移动磁通量又变小，故D正确。
4．如图所示，一金属圆线圈和一条形磁铁的中轴线在同一竖直平面内，下列情况中能使线圈的磁通量发生变化的是(　　)
A．将磁铁竖直向上平移
B．将磁铁水平向右平移
C．将磁铁在图示的平面内，N极向上、S极向下转动
D．将磁铁的N极转向纸外，S极转向纸内
【解析】D　图示状态下，线圈与磁场方向平行，穿过圆线圈的磁通量为零，而选项A、B、C中的做法不会引起线圈中磁通量的变化，只有选项D可使线圈中的磁通量发生变化，故D正确。
◎考点二　感生电流的有无判断
5．如图所示，匀强磁场中有一个闭合的弹簧线圈，线圈的平面垂直于磁感线，下列哪种过程中线圈会产生感应电流(　　)
A．线圈扩张
B．线圈自下向上运动
C．线圈自上向下运动
D．线圈自左向右运动(未穿出磁场)
【解析】A　线圈扩张，线圈中磁通量变大，线圈中会产生感应电流，故A正确；线圈自下向上运动，线圈中磁通量不变，线圈中不会产生感应电流，故B错误；线圈自上向下运动，线圈中磁通量不变，线圈中不会产生感应电流，故C错误；在未穿出磁场的前提下，线圈自左向右运动，线圈中磁通量不变，线圈中不会产生感应电流，故D错误。
6．如图所示，线圈两端接在电流表上组成闭合电路，在下列情况中，电流表指针不发生偏转的是(　　)
A．线圈不动，磁铁插入线圈时
B．线圈不动，磁铁拔出线圈时
C．磁铁插在线圈内不动
D．磁铁和线圈相对移动时
【解析】C　根据电磁感应现象产生的条件，不论哪部分移动，只要磁体与线圈的相对位置发生变化，线圈所在处的磁场就会发生变化，所以选项A、B、D中都会产生感应电流，C中不会产生感应电流。
7．如图所示，L为一根无限长的通电直导线，M为一金属环，L过M的圆心，且通以向上的电流I，则(　　)
A．当L中的I发生变化时，环中有感应电流
B．当M左右平移时，环中有感应电流
C．当M保持水平，在竖直方向上下移动时环中有感应电流
D．只要L与M保持垂直，则以上几种情况，环中均无感应电流
【解析】D　由于直导线电流的磁场是垂直导线的同心圆，故只要L与M保持垂直，穿过金属环M的磁通量就为零，保持不变，环中均无感应电流产生，故选项D正确。
8．(多选)图中能产生感应电流的是(　　)
【解析】BD　A选项中，电路没有闭合，无感应电流，A错误；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，B正确；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，C错误；D选项中，穿过闭合电路的磁通量减小，有感应电流，D正确。
9．在一段时间里，法拉第记下了大量实验失败的日记，然而他却一如既往，没有放弃追求，坚信既然“电能生磁”，那么“磁也一定能产生电”。正是在这种执着的追求中，1831年法拉第终于获得了成功。他制作了两个线圈，分别绕在铁环上，一个线圈与伏特电池连接，另一个线圈的两端用一根铜线连接起来，这根铜线的下方放有一根小磁针。法拉第在实验中发现，当开关接通或断开的刹那间，小磁针都发生微小摆动，而在电流稳定不变时，即使所通电流很大，小磁针也不发生任何摆动。这就是人类发现电磁感应现象的最初实验，它是物理学上一个重要的里程碑。
法拉第磁生电实验示意图
问题：小磁针偏转是什么原因导致的？为什么电流稳定不变时小磁针不偏转？
【解析】　感应电流的磁场使小磁针偏转。电流稳定时铁环中的磁通量不发生变化，在无电源的线圈中不能产生感应电流。
10．(多选)如图所示，在匀强磁场中有两条平行的金属导轨，磁场方向与导轨平面垂直。导轨上有两条可沿导轨自由移动的金属棒ab、cd，与导轨接触良好。这两条金属棒ab、cd的运动速度分别是v1、v2，若井字形回路中有感应电流通过，则两金属棒的运动情况可能是(　　)
A．v1>v2 B．v1C．v1＝v2 D．无法确定
【解析】AB　只要金属棒ab、cd的运动速度不相等，穿过井字形回路的磁通量就发生变化，闭合回路中就会产生感应电流。故选项A、B正确。
11．如图所示，一有限范围的匀强磁场，宽为d。一个边长为L的正方形导线框以速度v匀速地通过磁场区域。若d>L，则线框穿过磁场区域的过程中，线框中产生感应电流的时间为(　　)
A．　　B． C．　　D．
【解析】C　在线框进入和穿出磁场的过程中，穿过线框的磁通量分别增大和减小，闭合线框中有感应电流产生；整个线框在磁场中运动时，线框中无感应电流产生，所以，线框中有感应电流的时间为，故C正确。
12．(多选)在如图所示的电路中，当开关S闭合后，为使灵敏电流计的指针偏转，下列说法可行的是(　　)
A．将A线圈向左靠近B线圈
B．将开关S突然断开
C．保持右边电路电流不变
D．将滑动变阻器的阻值调小
【解析】ABD　在螺线管A中有磁通量的变化就引起螺线管B中的磁通量变化，所以将滑动变阻器的阻值调小，将开关S突然断开都能使磁通量发生变化，产生感应电流，使灵敏电流计的指针偏转，选项B、D正确；当线圈靠近的时候也可以使穿过B螺线管的磁通量变化，选项A正确。
13．为了探究电磁感应现象的产生条件，如图给出了必备的实验仪器。
(1)请你用笔画线代替导线，将实验电路连接完整。
(2)正确连接实验电路后，在闭合开关时灵敏电流计的指针发生了偏转。开关闭合后，迅速移动滑动变阻器的滑片，灵敏电流计的指针________偏转(选填“发生”或“不发生”)。断开开关时灵敏电流计的指针________偏转(选填“发生”或“不发生”)。
【解析】(1)A线圈与滑动变阻器、电源、开关构成闭合电路，B线圈与灵敏电流计连接构成回路。
(2)移动变阻器的滑片和断开开关都会导致B线圈中的磁通量发生变化，从而使B线圈中产生感应电流，进而让灵敏电流计指针发生偏转。
【答案】　(1)如图所示　(2)发生　发生