第13章 电磁感应与电磁波初步章末综合提升（学案1）

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高中物理必修三素养提升学案
第13章 电磁感应与电磁波初步
章末综合提升
【学习目标】
1.了解我国古代对磁现象的认识和应用及其对人类文明的影响。
2.通过实验,了解磁场。知道磁场是一种物质,体会场的统一性与多样性。
3.知道磁感应强度和磁通量。能用磁感线描述磁场体会物理模型在探索自然规律中的作用。
4.知道电流的磁场。会判断通电直导线和通电线圈周围的磁场方向。
5.了解电磁感应现象的发现过程,体会科学探索中科学思想和科学态度的重要作用。
6.通过实验,探究并了解感应电流产生的条件。能举例说明电磁感应在生产生活中的应用。
7.初步了解麦克斯韦电磁理论的基本观点以及在物理学发展中的意义。了解电磁波,认识电磁场的物质性。认识电磁波谱。知道各个波段的电磁波的名称、特征和典型应用。知道光也是一种电磁波。
8.了解热辐射和普朗克的能量子的假设以及爱因斯坦的光子论。
【知识整合】
【自主预习】
基础回顾
一、磁场、磁感应强度
1.磁场的基本性质:磁场对处于其中的磁体、电流和运动电荷有　　　　的作用。
2.磁感应强度
(1)物理意义:描述磁场的强弱和　　　　。
(2)定义式:B=　　　　(通电导线垂直于磁场)。
(3)方向:小磁针静止时N极的指向。
(4)单位:　　　　　,符号为T。
3.匀强磁场
(1)定义:磁感应强度的大小处处相等、方向　　　　　的磁场称为匀强磁场。
(2)特点:疏密程度相同、方向相同的平行直线。
4.地磁场
(1)地磁的N极在地理　　　　附近,S极在地理　　　　附近。
(2)在赤道平面上,距离地球表面高度相等的各点,磁感应强度　　　　,且方向水平　　　　。
5.磁场的叠加
磁感应强度是矢量,计算时与力的计算方法相同,利用平行四边形定则或正交分解法进行合成与分解。
二、磁感线的特点
1.磁感线上某点的　　　　方向就是该点的磁场方向。
2.磁感线的疏密程度定性地表示磁场的　　　　,在磁感线较密的地方磁场　　　　;在磁感线较疏的地方磁场　　　　。
(1)磁感线是闭合曲线,没有起点和终点,在磁体外部,从　　　　指向　　　　;在磁体内部,由　　　　指向　　　　。
(2)同一磁场的磁感线不中断、不　　　、不相切。
(3)磁感线是假想的曲线,客观上并不存在。
三、磁通量
1.概念:在磁感应强度为B的匀强磁场中,与磁场方向　　　　的面积S与B的乘积。
2.公式:Φ=　　　
3.适用条件:(1)匀强磁场;(2)S为垂直磁场的　　　　　。
4.磁通量是　　　　(填“标量”或“矢量”)。
5.物理意义:相当于穿过某一面积的　　　　的条数。
四、电磁感应现象
1.定义:当穿过闭合导体回路的　　　　发生变化时,闭合导体回路中有感应电流产生,这种利用磁场产生电流的现象叫作电磁感应。
2.条件:穿过闭合电路的磁通量　　　　。
五、电磁波　电磁波谱
1.麦克斯韦电磁场理论
变化的磁场能够在周围空间产生　　　　,变化的电场能够在周围空间产生　　　　。
2.电磁波
(1)电磁场在空间由近及远的传播,形成　　　　　。
(2)电磁波的传播不需要　　　　,可在真空中传播,在真空中不同频率的电磁波传播速度　　　　(都等于光速)。
3.电磁波谱:按照电磁波的　　　　或　　　　的大小顺序把它们排列成谱叫作电磁波谱。
按波长由长到短排列的电磁波谱为:无线电波、红外线、　　　　、紫外线、X射线、γ射线。
【答案】
一、1.力
2.(1)方向　(2) 　(4)特斯拉
3.(1)处处相同
4.(1)南极　北极　(2)大小相等　向北
二、1.切线
2.强弱　强　弱(1)N　S　S　N　(2)相交
三、1.垂直
2.BS
3.(2)有效面积
4.标量　5.磁感线
四、1.磁通量
2.发生变化
五、1.电场　磁场
2.(1)电磁波　(2)介质　相同
3.波长　频率　可见光
【自测题组】
1.思考判断
(1)磁场中某点磁感应强度的大小,跟放在该点的试探电流元的情况无关。(　　)
(2)磁场中某点磁感应强度的方向,跟放在该点的试探电流元所受磁场力的方向一致。(　　)
(3)垂直磁场放置的线圈面积减小时,穿过线圈的磁通量可能增大。(　　)
(4)磁感线是真实存在的。(　　)
(5)在同一幅图中,磁感线越密,磁场越强。(　　)
(6)闭合电路内只要有磁通量,就有感应电流产生。(　　)
(7)穿过闭合电路的磁通量发生变化,电路中不一定有感应电流产生。(　　)
(8)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。(　　)
(9)电场周围一定存在磁场,磁场周围一定存在电场。(　　)
(10)无线电波不能发生干涉和衍射现象。(　　)
(11)波长不同的电磁波在本质上完全不同。(　　)
【答案】
1.(1)√　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√　(6)×　(7)×　(8)√　(9)×　(10)×　(11)×
2.(多选)一小段长为l的通电直导线放在磁感应强度为B的磁场中,当通过它的电流为I时,所受安培力为F。以下关于磁感应强度B的说法正确的是(　　)
A.磁感应强度B一定等于
B.磁感应强度B可能大于或等于
C.磁场中通电直导线受力大的地方,磁感应强度一定大
D.在磁场中通电直导线也可以不受力
2.BD　3.CD　4.B
【答案】BD
【解析】
3.(多选)下列说法正确的是(　　)
A.闭合电路内只要有磁通量,就有感应电流产生
B.穿过闭合电路的磁通量发生变化,电路中不一定有感应电流产生
C.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
D.当导体切割磁感线时,一定产生感应电动势
【答案】CD
【解析】
4.关于生活中遇到的各种波,下列说法正确的是(　　)
A.电磁波可以传递信息,声波不能传递信息
B.手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波
C.太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同
D.遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同
【答案】B
【解析】电磁波可以传递信息,声波也可以传递信息，A错误；手机在通话时，人发出的声波通过麦克风转化成电流，再通过电磁波发射出去，所以手机通话涉及的波既有电磁波又有声波，B正确；太阳光中的可见光传播速度为光速，医院“B超”中的超声波传播速度为声速，远小于光速，C错误；遥控器发出的红外线波长大于医院“CT”中的X射线波长，D错误。
【课堂探究】
一、重点问题提炼
(一)对磁感应强度的理解及磁场和电场的对比
1.理解磁感应强度的三点注意事项
(1)磁感应强度由磁场本身决定,因此不能根据定义式B=认为B与F成正比,与Il成反比。
(2)测量磁感应强度时小段通电导线必须垂直磁场放入,如果平行磁场放入,则所受安培力为零,但不能说该点的磁感应强度为零。
(3)磁感应强度是矢量,其方向为放入其中的小磁针N极的受力方向,也是小磁针静止时N极的指向。
2.磁感应强度B与电场强度E的比较
比较项 磁感应强度B 电场强度E
物理意义 描述磁场强弱的物理量 描述电场性质的物理量
B= (通电导线与B垂直) E=
方向 磁感线切线方向,小磁针N极受力方向(静止时N极所指方向) 电场线切线方向,正电荷受力方向
大小决定因素 由磁场决定,与检验电流无关 由电场决定,与检验电荷无关
场的叠加 合磁感应强度等于各磁场的磁感应强度的矢量和 合电场强度等于各个电场的电场强度的矢量和
单位 1 T=1 N/(A·m) 1 V/m=1 N/C
　　(二)磁感线和电流周围的磁场
1.磁感线的特点
(1)磁感线上某点的切线方向就是该点的磁场方向。
(2)磁感线的疏密程度定性地表示磁场的强弱,在磁感线较密的地方磁场较强;在磁感线较疏的地方磁场较弱。
①磁感线是闭合曲线,没有起点和终点,在磁体外部,从N极指向S极;在磁体内部,由S极指向N极。
②同一磁场的磁感线不中断、不相交、不相切。
③磁感线是假想的曲线,客观上并不存在。
2.几种常见的磁场
(1)条形磁铁和蹄形磁铁的磁场(如图所示)
(2)电流的磁场
类别 直线电流的磁场 通电螺线管的磁场 环形电流的磁场
特点 无磁极、非匀强,且距导线越远处磁场越弱 与条形磁铁的磁场相似,管内为匀强磁场且磁场最强,管外为非匀强磁场 环形电流的两侧是N极和S极,且离圆环中心越远,磁场越弱
安培定则
续表
类别 直线电流的磁场 通电螺线管的磁场 环形电流的磁场
横截面图
纵截面图
　　(三)对电磁感应现象的理解与判断
1．产生感应电流的条件
(1)电路闭合。
(2)穿过回路的磁通量发生变化。
2．分析磁通量的变化
首先要弄清磁感线是如何分布的，其次看磁场变化情况，最后看有效面积变化情况。具体有以下四种情况：
类型 磁通量的变化量 举例
Φ变化的四种情况 B不变，S变 ΔΦ＝B·ΔS 例：闭合回路的一部分导体做切割磁感线运动时
B变，S不变 ΔΦ＝ΔB·S 例：线圈与磁体之间发生相对运动时
B和S都变 ΔΦ＝B2S2－B1S1 注意此时应由ΔΦ＝Φ2－Φ1计算并判断磁通量是否变化
B和S大小都不变，但两者之间的夹角θ变 ΔΦ＝BS(sin θ2－sin θ1) 例：线圈在磁场中转动时
3．判断电路中是否存在感应电流的思路
二、疑难问题剖析
磁场的叠加问题的解题思路:
(1)确定磁场场源,如通电导线。
(2)定位空间中需求解磁场的点,利用安培定则判定各个场源在这一点上产生的磁场的大小和方向。如图所示为M、N在c点产生的磁场BM、BN。
(3)应用平行四边形定则进行矢量合成,得出图中c点的合磁场B。
三、【典例分析】
【典例1】如图所示,甲、乙是直线电流的磁场,丙、丁是环形电流的磁场,戊、己是通电螺线管的磁场,试在各图中补画出电流方向或磁感线方向。
【解析】利用安培定则补画出电流方向或磁感线方向。
　【典例2】如图所示，竖直放置的长直导线通以恒定电流，一矩形线框abcd与通电导线共面放置，且ad边与通电导线平行。下列情况中线框能产生感应电流的是(　　)
A．导线中电流变大
B．线框向右平动
C．线框以ab边为轴转动
D．线框以直导线为轴转动
[思路点拨]　解答本题时可按以下思路分析：
→→
【答案】ABC　
【解析】讨论线框是否产生感应电流，需分析通电直导线周围的磁场分布情况，通电直导线周围的磁感线是一系列的同心圆，且离导线越远磁感线越稀疏。只要穿过线框的磁通量发生变化，线框中就能产生感应电流。因I增大而引起导线周围磁场的磁感应强度增大，穿过线框的磁通量增大，故A正确；因离直导线越远，磁感线分布越稀疏(如图甲)，因此线框向右平动时，穿过线框的磁通量变小，故B正确；线框以ab边为轴转动，当线框在如图甲所示位置(共面)时，穿过线框的磁通量最大，当线框转过90°时，穿过线框的磁通量最小，Φ＝0，因此可以判定线框以ab边为轴转动时磁通量一定变化，故C正确；对D选项，先画出俯视图(如图乙)，由图乙可看出线框绕直导线转动时，在任何一个位置穿过线框的磁感线条数均不变，因此无感应电流产生，故D错误。
　　　甲　　　　　　乙]
【典例3】(2023广东重点高中期末)正三角形ABC的三个顶点处分别有垂直于三角形平面的无限长直导线，导线中通有恒定电流，A、B导线电流方向垂直纸面向内，C导线电流方向垂直纸面向外，a、b、c三点分别是正三角形三边的中点，若A、B、C三处导线中的电流分别为3I、2I、I，已知无限长直导线在其周围某一点产生的磁场磁感应强度B的大小与电流成正比，与电流到这一点的距离成反比，即B=k，则a、b、c三点的磁感应强度大小关系为
A．a点最大 B．b点最大
C．c点最大 D．b，c两点一样大
【答案】．C
【解析】设正三角形的边长为2L，根据公式，结合矢量的叠加原理，则a、b、c三点的磁感应强度大小分别为：；； ；综上所述，故C正确，ABD错误；故选C．
【典例4】如图所示，完全相同的甲、乙两个环形电流同轴平行放置，甲的圆心为O1，乙的圆心为O2，在两环圆心的连线上有a、b、c三点，其中aO1＝O1b＝bO2＝O2c，此时a点的磁感应强度大小为B1，b点的磁感应强度大小为B2。当把环形电流乙撤去后，c点的磁感应强度大小为(　　)
甲　　　乙
A．B1－　　B．B2－　　C．B2－B1　　D．
【答案】A　
【解析】对于图中单个环形电流，根据安培定则，其在中轴线上的磁场方向均是向左，故c点的磁场方向也是向左的；
令aO1＝O1b＝bO2＝O2c＝r，设单个环形电流在距离中点r位置的磁感应强度为B0，在距离中点3r位置的磁感应强度为B3，故a点磁感应强度：B1＝B0＋B3，b点磁感应强度：B2＝B0＋B0，当撤去环形电流乙后，c点磁感应强度：Bc＝B3＝B1－，故A正确，B、C、D错误。
【温馨提示】(1)两环形电流均存在时，两环心连线上任意点的磁感应强度均为两环形电流单独存在所产生的磁感应强度的矢量和。
(2)距环形电流的距离不同的点，磁感应强度的大小也不同。
【典例5】. （2023重庆名校质检）如图，两根相互平行的长直导线分别通有方向相反的电流和，且 ；a、b、c、d为导线某一横截面所在平面内的四点，且a、b、c与两导线共面；b点在两导线之间，b、d的连线与导线所在平面垂直．磁感应强度可能为零的点是
A. a点 B. b点 C. c点 D. d点
【答案】C
【解析】
两电流在该点的合磁感应强度为0，说明两电流在该点的磁感应强度满足等大反向关系，根据右手螺旋定则在两电流的同侧磁感应强度方向相反，则为或，又，所以该点距远距近，所以是点，故选项C正确，选项ABD错误．
考点：通电直导线和通电线圈周围磁场的方向
【名师点睛】由安培定则可判出两导线在各点磁感线的方向，再由矢量的合成方法可得出磁感应强度为零的点的位置；本题考查了安培定则及矢量的合成方法，特别应注意磁场的空间性，注意培养空间想象能力．
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