1.1磁生电的探索 学案 (2)

1.1
磁生电的探索
学案
[学习目标]1.知道奥斯特发现了电流磁效应、法拉第发现了电磁感应现象.2.知道磁通量和磁通量变化量的含义.3.知道感应电流产生的条件．
学习内容：
一、电磁感应的发现
[问题设计]
哲学家康德说过，各种自然现象之间是相互联系和相互转化并且是和谐统一的．你能举出一个例子吗？在电磁学领域，谁发现了电流的磁效应？谁证实了“磁生电”现象的存在？
答案　摩擦生热表明了机械运动向热运动的转化，而蒸汽机则实现了热运动向机械运动的转化．奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第证实了“磁生电”现象的存在．
[要点提炼]
1．奥斯特实验的启迪
1820年，奥斯特从实验中发现了电流的磁效应，启迪人们去探究是不是存在磁产生电．
2．电磁感应现象的发现
1831年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象，产生的电流叫做感应电流．他把“磁生电”的现象分为五类：变化中的电流、变化中的磁场、运动中的恒定电流、运动中的磁铁、运动中的导线．
二、磁通量及其变化
[问题设计]
如图1所示，框架的面积为S，匀强磁场的磁感应强度为B.试求：
图1
(1)框架平面与磁感应强度B垂直时，穿过框架平面的磁通量为多少？
(2)若框架绕OO′转过60°，则穿过框架平面的磁通量为多少？
(3)若从图示位置转过90°，则穿过框架平面的磁通量的变化量为多少？
(4)若从图示位置转过180°，则穿过框架平面的磁通量的变化量为多少？
答案　(1)BS　(2)BS　(3)－BS　(4)－2BS
三、感应电流产生的条件
[问题设计]
1．实验1(导体在磁场中做切割磁感线的运动)：如图3所示，导体AB垂直磁感线运动时，线路中________电流产生，而导体AB沿着磁感线运动时，线路中________电流产生(均填“有”或“无”)．实验表明什么情况下能产生感应电流？
图3
答案　有　无　实验表明：当闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，电路中就有感应电流产生．
2．实验2(通过闭合回路的磁场发生变化)：
如图4所示，螺线管B套在螺线管A外边，螺线管A经过滑动变阻器和开关与电池相连构成直流电路；螺线管B接电流计构成闭合电路．进行以下操作并观察电流计指针摆动的情况．将观察结果填入表中．(填空中均填“摆动”或“不摆动”)
图4
　　观察操作
电流计指针的摆动情况
螺线管B套在螺线管A外面
螺线管A、B相互垂直
开关接通瞬间
摆动
不摆动
电流稳定
不摆动
不摆动
开关断开瞬间
摆动
不摆动
滑动片快速推动
摆动
不摆动
(1)实验2中并没有导体在磁场中做切割磁感线的运动，但在接通或断开电源的瞬间或改变滑动变阻器的阻值时，B线圈中却出现感应电流，这说明什么？
答案　说明导体在磁场中做切割磁感线运动不是产生感应电流的本质原因，通过闭合电路的磁场发生变化也可以产生感应电流．
(2)当实验2中开关闭合后，A线圈电流稳定时，B线圈中也存在磁场，但不出现感应电流，这说明什么？
答案　说明感应电流的产生，不在于闭合回路中是否有磁场．
(3)实验2两个线圈相互垂直放置时不能产生感应电流，这又说明什么？
答案　说明感应电流的产生，不在于磁场是否变化．
3．试总结产生感应电流的条件．
答案　实验1中，磁场是稳定的，但在导体切割磁感线运动时，通过回路的磁通量发生变化，回路中产生了感应电流；实验2通过改变电流从而改变磁场强弱，进而改变了磁通量，从而产生了感应电流，所以可以将产生感应电流的条件描述为“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”．
[要点提炼]
1．产生感应电流的条件：穿过闭合电路的磁通量发生变化．
2．特例：闭合电路的一部分导体在磁场内做切割磁感线运动．在利用“切割”来讨论和判断有无感应电流时，应该注意：
(1)导体是否将磁感线“割断”，如果没有“割断”就不能说切割．如图5所示，甲、乙两图中，导体是真“切割”，而图丙中，导体没有切割磁感线．
图5
(2)是否仅是闭合电路的一部分导体在磁场内做切割磁感线运动，如图丁．如果由切割不容易判断，则要回归到磁通量是否变化上去．
[延伸思考]　电路不闭合时，磁通量发生变化是否能产生电磁感应现象？
答案　当电路不闭合时，没有感应电流，但有感应电动势，只产生感应电动势的现象也可以称为电磁感应现象．
一、磁通量Φ及其变化量ΔΦ的理解与计算
例1　如图6所示，水平放置的扁平条形磁铁，在磁铁的左端正上方有一金属线框，线框平面与磁铁垂直，当线框从左端正上方沿水平方向平移到右端正上方的过程中，穿过它的磁通量的变化情况是(　　)
图6
A．先减小后增大B．始终减小
C．始终增大D．先增大后减小
解析　线框在磁铁两端的正上方时穿过该线框的磁通量最大，在磁铁中央时穿过该线框的磁通量最小，所以该过程中的磁通量先减小后增大，故A对．
答案　A
例2　如图7所示的线框，面积为S，处于磁感应强度为B的匀强磁场中，B的方向与线框平面成θ角，当线框转过90°到如图所示的虚线位置时，试求：
图7
(1)初、末位置穿过线框的磁通量Φ1和Φ2；
(2)磁通量的变化量ΔΦ.
解析　(1)解法一：在初始位置，把线框平面向垂直于磁场方向进行投影，可得垂直于磁场方向的面积为S⊥＝Ssinθ，所以Φ1＝BSsinθ.在末位置，把线框平面向垂直于磁场方向进行投影，可得垂直于磁场方向的面积为S⊥′＝Scosθ.由于磁感线从反面穿入，所以Φ2＝－BScosθ.
解法二：如图所示，把磁感应强度B沿垂直于线框平面和平行于线框平面进行分解，得B上＝Bsinθ，B左＝Bcosθ
所以Φ1＝B上S＝BSsinθ，
Φ2＝－B左S＝－BScosθ.
(2)开始时B与线框平面成θ角，穿过线框的磁通量Φ1＝BSsinθ；当线框按顺时针方向转动时，穿过线框的磁通量减小，当转动θ时，穿过线框的磁通量减小为零，继续转动至90°时，磁感线从另一面穿过，磁通量变为“负”值，Φ2＝－BScosθ.所以，此过程中磁通量的变化量为
ΔΦ＝Φ2－Φ1＝－BScosθ－BSsinθ
＝－BS(cosθ＋sinθ)．
答案　(1)BSsinθ　－BScosθ　(2)－BS(cosθ＋sinθ)
二、产生感应电流的分析判断及实验探究
例3　如图8所示，在匀强磁场中的矩形金属轨道上有等长的两根金属棒ab和cd，它们以相同的速度匀速运动，则(　　)
图8
A．断开开关S，ab中有感应电流
B．闭合开关S，ab中有感应电流
C．无论断开还是闭合开关S，ab中都有感应电流
D．无论断开还是闭合开关S，ab中都没有感应电流
解析　两根金属棒ab和cd以相同的速度匀速运动，若断开开关S，两根金属棒与导轨构成的回路中磁通量无变化，则回路中无感应电流，故选项A、C错误；若闭合开关S，两根金属棒与导轨构成的回路中磁通量发生变化，则回路中有感应电流，故选项B正确，D错误．
答案　B
针对训练　如图9所示装置，在下列各种情况中，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(　　)
图9
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，滑动变阻器触头滑动的瞬间
D．开关S断开的瞬间
答案　ACD
例4　在研究电磁感应现象的实验中所用器材如图10所示．它们是①电流表、②直流电源、③带铁芯的线圈A、④线圈B、⑤开关、⑥滑动变阻器(用来控制电流以改变磁场强弱)．试按实验的要求在实物图上连线(图中已连好一根导线)．
图10
答案　连接电路如图所示
1．(对电磁感应现象的认识)下列关于电磁感应现象的认识，正确的是(　　)
A．它最先是由奥斯特通过实验发现的
B．它说明了电流周围存在磁场
C．它说明了闭合回路中磁通量变化时会产生电流
D．它说明了电流在磁场中会受到安培力
答案　C
解析　奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第发现了电磁感应现象，故A错误；电流周围存在磁场是电流的磁效应，故B错误；闭合回路的磁通量变化产生电流的现象是电磁感应现象，故C正确；电磁感应现象并没有说明电流在磁场中会受到安培力，故D错误．
2.(对磁通量Φ及其变化量ΔΦ的理解)如图11所示一矩形线框，从abcd位置移到a′b′c′d′位置的过程中，关于穿过线框的磁通量情况，下列叙述正确的是(线框平行于纸面移动)
(　　)
图11
A．一直增大
B．一直减小
C．先增大后减小
D．先增大，再减小直到零，然后再增大，然后再减小
答案　D
解析　离导线越近，磁场越强，当线框从左向右靠近导线的过程中，穿过线框的磁通量增大，当线框跨在导线上向右运动时，磁通量减小，当导线在线框正中央时，磁通量为零，从该位置向右，磁通量又增大，当线框离开导线向右运动的过程中，磁通量又减小，故A、B、C错误，D正确．
3.(产生感应电流的分析判断)如图12所示，开始时矩形线框与匀强磁场的方向垂直，且一半在磁场内，一半在磁场外，若要使线框中产生感应电流，下列选项中可行的是(　　)
图12
A．将线框向左拉出磁场
B．以ab边为轴转动
C．以ad边为轴转动(小于60°)
D．以bc边为轴转动(小于60°)
答案　ABC
解析　将线框向左拉出磁场的过程中，线框的bc部分切割磁感线，或者说穿过线框的磁通量减小，所以线框中将产生感应电流．
当线框以ab边为轴转动时，线框的cd边的右半段在做切割磁感线运动，或者说穿过线框的磁通量在发生变化，所以线框中将产生感应电流．
当线框以ad边为轴转动(小于60°)时，穿过线框的磁通量在减小，所以在这个过程中线框内会产生感应电流．如果转过的角度超过60°(60°～300°)，bc边将进入无磁场区，那么线框中将不再产生感应电流．
当线框以bc边为轴转动时，如果转动的角度小于60°，则穿过线框的磁通量始终保持不变(其值为磁感应强度与矩形线框面积的一半的乘积)．
4.(产生感应电流的分析判断)如图13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(　　)
图13
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做匀速移动
C．通电时，使滑动变阻器的滑片P做加速移动
D．将开关突然断开的瞬间
答案　A
解析　只要通电时滑动变阻器的滑片P移动，电路中的电流就会发生变化，变化的电流产生变化的磁场，铜环A中磁通量发生变化，有感应电流；同样，将开关断开瞬间，电路中电流从有到无，仍会在铜环A中产生感应电流．