2018-2019学年高二物理沪科版选修3-2学案：第1章 1.1 电磁感应——划时代的发现
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| 名称 | 2018-2019学年高二物理沪科版选修3-2学案：第1章 1.1 电磁感应——划时代的发现 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 132.9KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 沪科版 | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2018-09-14 09:59:38 | ||
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第一章电磁感应和现代生活
1.1 电磁感应——划时代的发现
学 习 目 标
知 识 脉 络
1．知道电磁感应现象的发现过程，体会人类探索自然规律的科学态度和科学精神．
2．知道电磁感应现象和感应电流的定义．
3．理解探究感应电流产生条件的实验，并理解感应电流产生的条件．(重点、难点)
4．掌握运用感应电流的产生条件判断感应电流能否产生．(重点)
[自 主 预 习·探 新 知]
[知识梳理]
一、法拉第发现电磁感应的艰难历程
1．1820年，丹麦物理学家奥斯特发现载流导线能使小磁针偏转，说明电流产生磁场，这种作用称为电流的磁效应．
2．1831年，19世纪伟大的物理学家法拉第发现了电磁感应现象．
3．由磁得到电的现象叫做电磁感应现象．在电磁感应现象中产生的电流叫做感应电流．
二、探究感应电流产生的条件
1．能够产生感应电流的三个典型的实验是
(1)条形磁铁和线圈发生相对运动．
(2)闭合电路中导体切割磁感线．
(3)改变原线圈中电流，在副线圈中产生感应电流．
2．法拉第把可以产生电磁感应的情况概括为
(1)变化的电流．
(2)变化的磁场．
(3)运动的磁铁．
(4)在磁场中运动的导体等．
3．实验结论
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．
[基础自测]
1．思考判断
(1)首先发现电磁感应现象的科学家是奥斯特． (×)
【提示】 首先发现电磁感应现象的科学家是法拉第．
(2)电磁感应现象是把电转变为磁的过程． (×)
【提示】 电磁感应现象是把磁转变为电的过程．
(3)电磁感应是一种在变化、运动过程中才会出现的现象． (√)
(4)只要闭合线圈做切割磁感线运动，就一定能产生感应电流． (×)
【提示】 闭合线圈做切割磁感线运动，磁通量不一定变化，不一定产生感应电流．
(5)闭合线圈和磁场发生相对运动时，一定能产生感应电流． (×)
【提示】 若磁通量不变，不能产生感应电流．
2．首先发现电流的磁效应和电磁感应现象的物理学家分别是( )
A．安培和法拉第 B．法拉第和楞次
C．奥斯特和安培 D．奥斯特和法拉第
D [1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应；1831年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象，选项D正确．]
3．有一正方形闭合线圈，在足够大的匀强磁场中运动．图中能产生感应电流的是( )
A B
C D
D [A中线圈不切割磁感线，所以A中线圈没有感应电流产生，故A错．B、C、D中线圈均在切割磁感线，即使切割了磁感线，也不能保证就能产生感应电流，比如B和C中的线圈竖直边切割了磁感线，但闭合线圈的磁通量没有发生变化，故B、C中的线圈也没有感应电流产生．故B、C错，D对．]
[合 作 探 究·攻 重 难]
磁通量的理解与计算
1.匀强磁场中磁通量的计算
(1)B与S垂直时，Φ＝BS.
(2)B与S不垂直时，Φ＝B⊥S，B⊥为B垂直于线圈平面的分量．如图1-1-1甲所示，Φ＝B⊥S＝(Bsin θ)·S.
也可以Φ＝BS⊥，S⊥为线圈在垂直磁场方向上的投影面积，如图1-1-1乙所示，Φ＝BS⊥＝BScos θ.
甲 乙
图1-1-1
2．磁通量的变化
大致可分为以下几种情况：
(1)磁感应强度B不变，有效面积S发生变化．如图1-1-2(a)所示．
(2)有效面积S不变，磁感应强度B发生变化．如图1-1-2(b)所示．
(3)磁感应强度B和有效面积S都不变，它们之间的夹角发生变化．如图1-1-2(c)所示．
(a) (b) (c)
图1-1-2
如图1-1-3所示，有一垂直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.现于纸面内先后放上圆线圈A、B、C，圆心均处于O处，线圈A的半径为1 cm,10匝；线圈B的半径为2 cm,1匝；线圈C的半径为0.5 cm,1匝．问：
图1-1-3
(1)在B减为0.4 T的过程中，线圈A和线圈B中的磁通量变化了多少？
(2)在磁场转过90°角的过程中，线圈C中的磁通量变化了多少？转过180°角呢？
思路点拨：①由Φ＝BS确定初末态的磁通量Φ1和Φ2；
②由ΔΦ＝|Φ2－Φ1|计算磁通量的变化量．
【解析】 (1)A、B线圈中的磁通量始终一样，故它们的变化量也一样．
ΔΦ＝(B2－B)·πr2＝－1.256×10－4Wb
即A、B线圈中的磁通量都减少了1.256×10－4Wb.
(2)对线圈C，Φ1＝Bπr′2＝6.28×10－5Wb
当转过90°时，Φ2＝0
故ΔΦ1＝Φ2－Φ1＝0－6.28×10－5Wb
＝－6.28×10－5Wb
当转过180°时，磁感线从另一侧穿过线圈，若取Φ1为正，则Φ3为负，有Φ3＝－Bπr′2
故ΔΦ2＝Φ3－Φ1＝－2Bπr′2＝－1.256×10－4Wb.
【答案】 (1)A、B线圈的磁通量均减少了1.256×10－4Wb
(2)减少了6.28×10－5Wb 减少了1.256×10－4Wb
规律方法
?1?磁通量与线圈匝数无关.
?2?磁通量是标量，但有正、负，其正、负分别表示与规定的穿入方向相同、相反.
[针对训练]
1.磁通量是研究电磁感应现象的重要物理量，如图1-1-4所示，通有恒定电流的导线MN与闭合线框共面，第一次将线框由位置1平移到位置2，第二次将线框绕cd边翻转到位置2，设先后两次通过线框的磁通量变化量大小分别为ΔΦ1和ΔΦ2，则( )
图1-1-4
A．ΔΦ1＞ΔΦ2 B．ΔΦ1＝ΔΦ2
C．ΔΦ1＜ΔΦ2 D．无法确定
C [设闭合线框在位置1时的磁通量为Φ1，在位置2时的磁通量为Φ2，直线电流产生的磁场在位置1处比在位置2处要强，故Φ1＞Φ2.
将闭合线框从位置1平移到位置2，磁感线是从闭合线框的同一面穿过的，所以ΔΦ1＝|Φ2－Φ1|＝Φ1－Φ2；将闭合线框从位置1绕cd边翻转到位置2，磁感线分别从闭合线框的正反两面穿过，所以ΔΦ2＝|(－Φ2)－Φ1|＝Φ1＋Φ2(以原来穿过的方向为正方向，则后来从另一面穿过的方向为负方向)．故正确选项为C.]
探究感应电流产生的条件
1．明确基本规律
(1)不论用什么方法，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产生，这种现象叫电磁感应现象．
(2)感应电流产生的条件：①电路为闭合回路；②穿过闭合回路的磁通量要发生变化，两个条件必须同时具备．
2．判断有无感应电流的一般方法
分析是否产生感应电流，关键是要分析穿过闭合线圈的磁通量是否发生变化，而分析磁通量是否有变化，关键要知道磁感线是如何分布的．所以在做这类题时应注意：
(1)熟记条形磁铁和蹄形磁铁内、外磁感线分布的立体形状，它是解决问题的基础．
(2)学会找特殊位置并分析其变化．
利用磁感线判断磁通量的变化：若线圈所包围的磁感线穿过线圈平面的方向相同时，条数增加，磁通量增加；若穿过线圈平面的磁感线方向相反时，某一个方向是多数的磁感线条数增加，则磁通量增加，某一个方向是少数的磁感线条数增加，则磁通量减少．总之，要用穿过线圈磁感线的净条数的增、减判断磁通量的变化，要用多数的磁感线的方向作为线圈所包围的磁场的方向．
如图1-1-5所示为法拉第研究“磁生电”现象的实验装置原理图．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，下列哪种情况不可能使线圈B中产生感应电流( )
图1-1-5
A．开关S接通或断开瞬间
B．开关S接通一段时间之后
C．开关S接通后，改变滑动变阻器滑片的位置时
D．拿走铁环，再做这个实验，开关S接通或断开的瞬间
思路点拨：①A中通有电流产生的磁场通过B线圈；②若要B中不产生感应电流，则使B的磁通量不发生变化．
B [根据法拉第对产生感应电流的概括，A、C、D中符合变化的电流(变化的磁场)产生感应电流的现象；B中开关S接通一段时间之后，线圈A中是恒定电流，而“磁生电”是一种在变化、运动过程才能出现的效应，故不能使线圈B中产生感应电流．]
规律方法
?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，某时刻磁通量虽然是零但是如果在变化仍然可以产生感应电流.
[针对训练]
2．下图中能产生感应电流的是( )
A B
C D
B [根据产生感应电流的条件：A选项中，电路没有闭合，无感应电流；B选项中，面积增大，闭合电路的磁通量增大，有感应电流；C选项中，穿过线圈的磁感线相互抵消，Φ恒为零，无感应电流；D选项中，磁通量不发生变化，无感应电流. ]
[当 堂 达 标·固 双 基]
1．下列现象中属于电磁感应现象的是( )
A．磁场对电流产生力的作用
B．变化的磁场使闭合电路产生电流
C．插在通电螺线管中的软铁棒被磁化
D．电流周围产生磁场
B [选项A是通电导体在磁场中受到安培力作用，不属于电磁感应现象；选项B是利用磁场产生电流，是电磁感应现象；选项C是铁磁性物质在磁场中被磁化，内部的分子电流方向在外磁场的作用下趋于一致，但不属于利用磁场产生电流，所以它也不属于电磁感应现象；选项D是电流的磁效应，是电磁感应的逆效应．]
2.如图1-1-6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，它们的磁通量分别为Φa、Φb、Φc，下列说法中正确的是( )
图1-1-6
A．Φa<Φb<Φc B．Φa>Φb>Φc
C．Φa<Φc<Φb D．Φa>Φc>Φb
B [当a中有电流通过时，穿过a、b、c三个闭合线圈的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，根据合磁通量的计算，应该是：Φa>Φb>Φc.]
3.如图1-1-7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，在下列情况中线框不产生感应电流的是( )
图1-1-7
A．导线中的电流变大
B．线框向右平动
C．线框向下平动
D．线框以AB边为轴转动
C [线圈向下平动，线圈中磁通量不变，不产生感应电流．]
1.1 电磁感应——划时代的发现
学 习 目 标
知 识 脉 络
1．知道电磁感应现象的发现过程，体会人类探索自然规律的科学态度和科学精神．
2．知道电磁感应现象和感应电流的定义．
3．理解探究感应电流产生条件的实验，并理解感应电流产生的条件．(重点、难点)
4．掌握运用感应电流的产生条件判断感应电流能否产生．(重点)
[自 主 预 习·探 新 知]
[知识梳理]
一、法拉第发现电磁感应的艰难历程
1．1820年，丹麦物理学家奥斯特发现载流导线能使小磁针偏转，说明电流产生磁场，这种作用称为电流的磁效应．
2．1831年，19世纪伟大的物理学家法拉第发现了电磁感应现象．
3．由磁得到电的现象叫做电磁感应现象．在电磁感应现象中产生的电流叫做感应电流．
二、探究感应电流产生的条件
1．能够产生感应电流的三个典型的实验是
(1)条形磁铁和线圈发生相对运动．
(2)闭合电路中导体切割磁感线．
(3)改变原线圈中电流，在副线圈中产生感应电流．
2．法拉第把可以产生电磁感应的情况概括为
(1)变化的电流．
(2)变化的磁场．
(3)运动的磁铁．
(4)在磁场中运动的导体等．
3．实验结论
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．
[基础自测]
1．思考判断
(1)首先发现电磁感应现象的科学家是奥斯特． (×)
【提示】 首先发现电磁感应现象的科学家是法拉第．
(2)电磁感应现象是把电转变为磁的过程． (×)
【提示】 电磁感应现象是把磁转变为电的过程．
(3)电磁感应是一种在变化、运动过程中才会出现的现象． (√)
(4)只要闭合线圈做切割磁感线运动，就一定能产生感应电流． (×)
【提示】 闭合线圈做切割磁感线运动，磁通量不一定变化，不一定产生感应电流．
(5)闭合线圈和磁场发生相对运动时，一定能产生感应电流． (×)
【提示】 若磁通量不变，不能产生感应电流．
2．首先发现电流的磁效应和电磁感应现象的物理学家分别是( )
A．安培和法拉第 B．法拉第和楞次
C．奥斯特和安培 D．奥斯特和法拉第
D [1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应；1831年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象，选项D正确．]
3．有一正方形闭合线圈，在足够大的匀强磁场中运动．图中能产生感应电流的是( )
A B
C D
D [A中线圈不切割磁感线，所以A中线圈没有感应电流产生，故A错．B、C、D中线圈均在切割磁感线，即使切割了磁感线，也不能保证就能产生感应电流，比如B和C中的线圈竖直边切割了磁感线，但闭合线圈的磁通量没有发生变化，故B、C中的线圈也没有感应电流产生．故B、C错，D对．]
[合 作 探 究·攻 重 难]
磁通量的理解与计算
1.匀强磁场中磁通量的计算
(1)B与S垂直时，Φ＝BS.
(2)B与S不垂直时，Φ＝B⊥S，B⊥为B垂直于线圈平面的分量．如图1-1-1甲所示，Φ＝B⊥S＝(Bsin θ)·S.
也可以Φ＝BS⊥，S⊥为线圈在垂直磁场方向上的投影面积，如图1-1-1乙所示，Φ＝BS⊥＝BScos θ.
甲 乙
图1-1-1
2．磁通量的变化
大致可分为以下几种情况：
(1)磁感应强度B不变，有效面积S发生变化．如图1-1-2(a)所示．
(2)有效面积S不变，磁感应强度B发生变化．如图1-1-2(b)所示．
(3)磁感应强度B和有效面积S都不变，它们之间的夹角发生变化．如图1-1-2(c)所示．
(a) (b) (c)
图1-1-2
如图1-1-3所示，有一垂直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.现于纸面内先后放上圆线圈A、B、C，圆心均处于O处，线圈A的半径为1 cm,10匝；线圈B的半径为2 cm,1匝；线圈C的半径为0.5 cm,1匝．问：
图1-1-3
(1)在B减为0.4 T的过程中，线圈A和线圈B中的磁通量变化了多少？
(2)在磁场转过90°角的过程中，线圈C中的磁通量变化了多少？转过180°角呢？
思路点拨：①由Φ＝BS确定初末态的磁通量Φ1和Φ2；
②由ΔΦ＝|Φ2－Φ1|计算磁通量的变化量．
【解析】 (1)A、B线圈中的磁通量始终一样，故它们的变化量也一样．
ΔΦ＝(B2－B)·πr2＝－1.256×10－4Wb
即A、B线圈中的磁通量都减少了1.256×10－4Wb.
(2)对线圈C，Φ1＝Bπr′2＝6.28×10－5Wb
当转过90°时，Φ2＝0
故ΔΦ1＝Φ2－Φ1＝0－6.28×10－5Wb
＝－6.28×10－5Wb
当转过180°时，磁感线从另一侧穿过线圈，若取Φ1为正，则Φ3为负，有Φ3＝－Bπr′2
故ΔΦ2＝Φ3－Φ1＝－2Bπr′2＝－1.256×10－4Wb.
【答案】 (1)A、B线圈的磁通量均减少了1.256×10－4Wb
(2)减少了6.28×10－5Wb 减少了1.256×10－4Wb
规律方法
?1?磁通量与线圈匝数无关.
?2?磁通量是标量，但有正、负，其正、负分别表示与规定的穿入方向相同、相反.
[针对训练]
1.磁通量是研究电磁感应现象的重要物理量，如图1-1-4所示，通有恒定电流的导线MN与闭合线框共面，第一次将线框由位置1平移到位置2，第二次将线框绕cd边翻转到位置2，设先后两次通过线框的磁通量变化量大小分别为ΔΦ1和ΔΦ2，则( )
图1-1-4
A．ΔΦ1＞ΔΦ2 B．ΔΦ1＝ΔΦ2
C．ΔΦ1＜ΔΦ2 D．无法确定
C [设闭合线框在位置1时的磁通量为Φ1，在位置2时的磁通量为Φ2，直线电流产生的磁场在位置1处比在位置2处要强，故Φ1＞Φ2.
将闭合线框从位置1平移到位置2，磁感线是从闭合线框的同一面穿过的，所以ΔΦ1＝|Φ2－Φ1|＝Φ1－Φ2；将闭合线框从位置1绕cd边翻转到位置2，磁感线分别从闭合线框的正反两面穿过，所以ΔΦ2＝|(－Φ2)－Φ1|＝Φ1＋Φ2(以原来穿过的方向为正方向，则后来从另一面穿过的方向为负方向)．故正确选项为C.]
探究感应电流产生的条件
1．明确基本规律
(1)不论用什么方法，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产生，这种现象叫电磁感应现象．
(2)感应电流产生的条件：①电路为闭合回路；②穿过闭合回路的磁通量要发生变化，两个条件必须同时具备．
2．判断有无感应电流的一般方法
分析是否产生感应电流，关键是要分析穿过闭合线圈的磁通量是否发生变化，而分析磁通量是否有变化，关键要知道磁感线是如何分布的．所以在做这类题时应注意：
(1)熟记条形磁铁和蹄形磁铁内、外磁感线分布的立体形状，它是解决问题的基础．
(2)学会找特殊位置并分析其变化．
利用磁感线判断磁通量的变化：若线圈所包围的磁感线穿过线圈平面的方向相同时，条数增加，磁通量增加；若穿过线圈平面的磁感线方向相反时，某一个方向是多数的磁感线条数增加，则磁通量增加，某一个方向是少数的磁感线条数增加，则磁通量减少．总之，要用穿过线圈磁感线的净条数的增、减判断磁通量的变化，要用多数的磁感线的方向作为线圈所包围的磁场的方向．
如图1-1-5所示为法拉第研究“磁生电”现象的实验装置原理图．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，下列哪种情况不可能使线圈B中产生感应电流( )
图1-1-5
A．开关S接通或断开瞬间
B．开关S接通一段时间之后
C．开关S接通后，改变滑动变阻器滑片的位置时
D．拿走铁环，再做这个实验，开关S接通或断开的瞬间
思路点拨：①A中通有电流产生的磁场通过B线圈；②若要B中不产生感应电流，则使B的磁通量不发生变化．
B [根据法拉第对产生感应电流的概括，A、C、D中符合变化的电流(变化的磁场)产生感应电流的现象；B中开关S接通一段时间之后，线圈A中是恒定电流，而“磁生电”是一种在变化、运动过程才能出现的效应，故不能使线圈B中产生感应电流．]
规律方法
?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，某时刻磁通量虽然是零但是如果在变化仍然可以产生感应电流.
[针对训练]
2．下图中能产生感应电流的是( )
A B
C D
B [根据产生感应电流的条件：A选项中，电路没有闭合，无感应电流；B选项中，面积增大，闭合电路的磁通量增大，有感应电流；C选项中，穿过线圈的磁感线相互抵消，Φ恒为零，无感应电流；D选项中，磁通量不发生变化，无感应电流. ]
[当 堂 达 标·固 双 基]
1．下列现象中属于电磁感应现象的是( )
A．磁场对电流产生力的作用
B．变化的磁场使闭合电路产生电流
C．插在通电螺线管中的软铁棒被磁化
D．电流周围产生磁场
B [选项A是通电导体在磁场中受到安培力作用，不属于电磁感应现象；选项B是利用磁场产生电流，是电磁感应现象；选项C是铁磁性物质在磁场中被磁化，内部的分子电流方向在外磁场的作用下趋于一致，但不属于利用磁场产生电流，所以它也不属于电磁感应现象；选项D是电流的磁效应，是电磁感应的逆效应．]
2.如图1-1-6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，它们的磁通量分别为Φa、Φb、Φc，下列说法中正确的是( )
图1-1-6
A．Φa<Φb<Φc B．Φa>Φb>Φc
C．Φa<Φc<Φb D．Φa>Φc>Φb
B [当a中有电流通过时，穿过a、b、c三个闭合线圈的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，根据合磁通量的计算，应该是：Φa>Φb>Φc.]
3.如图1-1-7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，在下列情况中线框不产生感应电流的是( )
图1-1-7
A．导线中的电流变大
B．线框向右平动
C．线框向下平动
D．线框以AB边为轴转动
C [线圈向下平动，线圈中磁通量不变，不产生感应电流．]