第1讲 磁生电的探索
[目标定位] 1.知道奥斯特实验、电磁感应现象，了解电生磁和磁生电的发现过程.2.通过实验观察和实验探究，理解感应电流的产生条件.3.能说出磁通量变化的含义，会利用电磁感应产生的条件解决实际问题．
一、电磁感应的探索历程
1．电生磁：1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应．
2．磁生电：1821年，法拉第开始了磁生电的研究.1831年，他终于悟出了磁生电的基本原理，进一步揭示了电和磁的内在联系．
二、科学探究——感应电流产生的条件
1．导体棒在磁场中运动
如图1所示，将可移动导体AB放置在磁场中，并和电流表组成闭合回路．实验操作及现象如下：
图1
实验操作
实验现象
(有无电流)
实验探究结论
导体棒静止
无
导体AB切割磁感线，改变了回路在磁场中的面积，通过闭合回路的磁通量发生变化，产生了感应电流
导体棒平行磁感线运动
无
导体棒切割磁感线运动
有
2.磁铁在螺线管中运动
如图2所示，将螺线管与电流表组成闭合回路，把条形磁铁插入或拔出螺线管．实验操作及现象如下：
图2
实验操作
实验现象
(有无电流)
实验探究结论
N极插入线圈
有
将磁铁插入或拔出螺线管时，通过螺线管闭合回路的磁场发生变化，引起磁通量发生变化，有感应电流产生
N极停在线圈中
无
N极从线圈中抽出
有
S极插入线圈
有
S极停在线圈中
无
S极从线圈中抽出
有
3.如图3所示，线圈A通过变阻器和开关连接到电源上，线圈B的两端连到电流表上，把线圈A装在线圈B的里面．实验操作及现象如下：
图3
实验操作
实验现象(线圈B中有无电流)
实验探究结论
开关闭合瞬间
有
导体、磁场都没有发生相对运动，但螺线管A中的电流发生变化时，引起穿过螺线管B的磁通量发生变化，闭合螺线管B中有感应电流产生
开关断开瞬间
有
开关闭合时，滑动变阻器不动
无
开关闭合时，迅速移动滑动变阻器的滑片
有
想一想 1.思考以上几个产生感应电流的实例：
(1)将实验3和实验2比较，实验3中的螺线管A的作用是什么？
(2)产生感应电流的条件都跟哪个物理量有关？
答案 (1)等效磁铁；(2)磁通量以及磁通量的变化．
想一想 2.哪些情况可以引起磁通量Φ的变化？
答案 由Φ＝BS可知，磁通量的变化有三种情况：①磁感应强度B不变，有效面积S变化；②磁感应强度B变化，有效面积S不变；③磁感应强度B和有效面积S同时发生变化．
4．实验结论：只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有感应电流产生．
5．因磁通量的变化产生电流的现象叫电磁感应，所产生的电流叫做感应电流.
一、磁通量的理解及变化分析
1．磁通量的计算
(1)B与S垂直时：Φ＝BS，S为线圈的有效面积．如图4(a)所示．
(2)B与S不垂直时：Φ＝BS⊥＝B⊥S，S⊥为线圈在垂直磁场方向上的投影面积．B⊥为B在垂直于S方向上的分量．如图(b)、(c)所示．
(3)某线圈所围面积内有不同方向的磁场时，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，如图(d)所示．
图4
2．磁通量是标量，但有正负，其正负表示与规定的穿入方向相同或相反，穿过某一面的磁通量等于各部分磁通量的代数和．
3.磁通量变化的四种情况：
情况
图示举例
磁通量变化
B不变，
S变化
ΔΦ＝BΔS
B变化，
S不变化
ΔΦ＝ΔBS
B变化，
S也变化
ΔΦ＝B2S2－B1S1
B不变，
S不变，
θ变化
ΔΦ＝BS(sin θ2－sin θ1)
(θ为闭合回路与磁场方向的夹角)
4.用磁感线的条数表示磁通量．当回路中有不同方向的磁感线穿过时，磁通量是指穿过某一面磁感线的“净”条数，即指不同方向的磁感线的条数差．
例1 如图5所示，虚线框内有匀强磁场，a，b为垂直磁场放置的两个圆环，分别用Φa和Φb表示穿过两个圆环的磁通量，则下列表述正确的是( )
图5
A．Φa>Φb B．Φa＝Φb
C．Φa<Φb D．无法确定
解析 本题利用公式Φ＝BS进行计算，在计算时注意S为垂直磁场方向所围磁场的有效面积，不一定是线圈的面积，同时注意磁通量与线圈的匝数无关．由于磁场在圆环a、b中的面积相等，所以穿过两个圆环的磁通量是相等的，则Φa＝Φb，B正确．故选B.
答案 B
例2 如图6所示，有一个垂直纸面向里的有界匀强磁场，B1＝0.8 T，磁场的边界为圆形，圆心为O，半径为1 cm.现于纸面内先后放上三个圆线圈，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．求：
图6
(1)在B1减至0.4 T的过程中，A和B中磁通量各改变了多少．
(2)在磁场转过30°角的过程中，C中磁通量改变了多少．
解析 本题主要考查磁通量改变量的求解，可由ΔΦ＝Φ2－Φ1来求．注意Φ＝BS中的S为对磁通量有贡献的有效面积．
(1)对A线圈：
Φ1＝B1πR2，Φ2＝B2πR2.
磁通量改变量ΔΦA＝|Φ2－Φ1|＝(0.8－0.4)×3.14×(1×10－2)2Wb＝1.256×10－4Wb.
对B线圈：
ΔΦB＝|Φ2－Φ1|＝(0.8－0.4)×3.14×(1×10－2)2Wb＝1.256×10－4Wb.
(2)对C线圈：
Φ1′＝B1πr2，在磁场转过30°角的过程中，Φ2′＝B1πr2·cos 30°.
磁通量改变量ΔΦC＝|Φ2′－Φ1′|＝B1πr2(1－cos 30°)＝0.8×3.14×(5×10－3)2×(1－0.866)Wb≈8.4×10－6Wb.
针对训练1 如图7所示，线框与通电直导线均位于水平面内，当线框abcd由实线位置在水平面内向右水平移动，逐渐移动到虚线位置，穿过线框的磁通量如何变化？
图7
答案 线框的水平移动，可分为三个阶段．第一阶段，从实线位置开始至bc边到达直导线位置，穿过线框的磁通量逐渐增大．第二阶段，从bc边抵达直导线处开始至ad边到达直导线为止，由于向外的磁感线逐渐减少，向里的磁感线逐渐增多，所以穿过线框的总磁通量先减少(当ab、dc两边中点连线与直导线重合时，磁通量为零)后增大．第三阶段，从ad边离开直导线向右运动开始至线框抵达虚线位置为止，穿过线框的磁通量逐渐减少．
解析 直线电流I产生的磁场的磁感线的形状是以导线上的点为圆心的在竖直平面内的一组组同心圆，在电流I的右边磁感线的方向垂直水平面向里，在电流I的左边磁感线的方向垂直水平面向外．磁感线的疏密分布是越靠近导线磁感线越密，离导线越远磁感线越稀疏．
二、产生感应电流的判断
1．产生条件
(1)电路闭合．
(2)磁通量发生变化．
如果回路不闭合，不会产生感应电流，但仍会产生感应电动势，就好比直流电路一样，电路不闭合，没有电流，但电源仍然存在．
2．注意事项
(1)注意磁感线的反穿情况，磁通量指的是穿过某面的磁感线的“净”条数．
(2)磁通量是指穿过某面的合磁通量．
例3 下图中能产生感应电流的是( )
答案 B
解析 根据产生感应电流的条件：A中，电路没闭合，无感应电流；B中，面积增大，闭合电路的磁通量增大，有感应电流；C中，穿过线圈的磁感线相互抵消，Φ恒为零，无感应电流；D中，磁通量不发生变化，无感应电流．
针对训练2 在一长直导线中通以如图8所示的恒定电流时，套在长直导线上的闭合线环(环面与导线垂直，长直导线通过环的中心)，当发生以下变化时，肯定能产生感应电流的是( )
图8
A．保持电流不变，使导线环上下移动
B．保持导线环不变，使长直导线中的电流增大或减小
C．保持电流不变，使导线在竖直平面内顺时针(或逆时针)转动
D．保持电流不变，环在与导线垂直的水平面内左右水平移动
答案 C
解析 产生感应电流的条件是磁通量发生改变，题图所示位置环中没有磁通量，A、B、D没有使磁通量发生改变，所以都错．只有C在转动中使得环中磁通量发生改变，选C.
对磁通量及其变化的理解
1．关于磁通量的概念，以下说法中正确的是( )
A．磁感应强度越大，穿过闭合回路的磁通量也越大
B．磁感应强度越大，线圈面积越大，则磁通量也越大
C．穿过线圈的磁通量为零，但磁感应强度不一定为零
D．磁通量发生变化，一定是磁场发生变化引起的
答案 C
解析 穿过闭合回路的磁通量大小取决于磁感应强度、回路所围面积以及两者夹角三个因素，所以只了解其中一个或两个因素无法确定磁通量的变化情况，A、B项错误；同样由磁通量的特点，也无法判断其中一个因素的情况，C项正确，D项错误．
2．恒定的匀强磁场中有一个圆形闭合线圈，线圈平面垂直于磁场方向，当线圈在此磁场中做下列哪种运动时，穿过线圈的磁通量发生了变化( )
A．线圈沿自身所在的平面做匀速运动
B．线圈沿自身所在的平面做加速运动
C．线圈绕任一直径做匀速转动
D．线圈绕任一直径做变速转动
答案 CD
产生感应电流的条件
3．金属矩形线圈abcd在匀强磁场中做如图所示的运动，线圈中有感应电流的是( )
答案 A
解析 在选项B、C中，线圈中的磁通量始终为零，不产生感应电流；选项D中磁通量始终最大，保持不变，不发生变化，也没有感应电流；选项A中，在线圈转动过程中，磁通量做周期性变化，产生感应电流，故A正确．
4．如图9，A、B两回路中各有一开关S1、S2，且回路A中接有电源，回路B中接有灵敏电流计，下列操作及相应的结果可能实现的是( )
图9
A．先闭合S2，后闭合S1的瞬间，电流计指针偏转
B．S1、S2闭合后，再断开S2的瞬间，电流计指针偏转
C．先闭合S1，后闭合S2的瞬间，电流计指针偏转
D．S1、S2闭合后，再断开S1的瞬间，电流计指针偏转
答案 AD
解析 S2闭合时，构成闭合回路，再闭合或断开S1的瞬间，通过A的电流变化，导致穿过线圈B的磁通量发生变化，从而产生感应电流，则指针偏转，故A、D正确；若S1保持闭合状态，则通过A的电流不变，通过线圈B的磁通量不变，无论S2闭合或打开，都不会有感应电流产生，B、C错误.
课件43张PPT。第1章——电磁感应第1讲 磁生电的探索目标定位
1.知道奥斯特实验、电磁感应现象，了解电生磁和磁生电的发现过程.2.通过实验观察和实验探究，理解感应电流的产生条件.3.能说出磁通量变化的含义，会利用电磁感应产生的条件解决实际问题．一、电磁感应的探索历程
1．电生磁：1820年，丹麦物理学家 发现了电流的磁效应．
2．磁生电：1821年， 开始了磁生电的研究.1831年，他终于悟出了磁生电的基本原理，进一步揭示了 的内在联系．奥斯特法拉第电和磁二、科学探究——感应电流产生的条件
1．导体棒在磁场中运动
如图1所示，将可移动导体AB放置在磁场中，并和电流表组成闭合回路．实验操作及现象如下：图1
无无有磁通量发生变化2.磁铁在螺线管中运动
如图2所示，将螺线管与电流表组成闭合回路，把条形磁铁插入或拔出螺线管．实验操作及现象如下：图2
有无有有无有磁通量发生变化3.如图3所示，线圈A通过变阻器和开关连接到电源上，线圈B的两端连到电流表上，把线圈A装在线圈B的里面．实验操作及现象如下：图3
有有无有磁通量发生变化想一想 1.思考以上几个产生感应电流的实例：
(1)将实验3和实验2比较，实验3中的螺线管A的作用是什么？
答案 等效磁铁
(2)产生感应电流的条件都跟哪个物理量有关？
答案 磁通量以及磁通量的变化．想一想 2.哪些情况可以引起磁通量Φ的变化？
答案 由Φ＝BS可知，磁通量的变化有三种情况：①磁感应强度B不变，有效面积S变化；②磁感应强度B变化，有效面积S不变；③磁感应强度B和有效面积S同时发生变化．4．实验结论：只要穿过闭合电路的 ，闭合电路中就有感应电流产生．
5．因磁通量的变化产生电流的现象叫 ，所产生的电流叫做 .磁通量发生变化电磁感应感应电流一、磁通量的理解及变化分析
1．磁通量的计算
(1)B与S垂直时：Φ＝BS，S为线圈的有效面积．如图4(a)所示．
(2)B与S不垂直时：Φ＝BS⊥＝B⊥S，S⊥为线圈在垂直磁场方向上的投影面积．B⊥为B在垂直于S方向上的分量．如图(b)、(c)所示． (3)某线圈所围面积内有不同方向的磁场时，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，如图(d)所示．
2．磁通量是标量，但有正负，其正负表示与规定的穿入方向相同或相反，穿过某一面的磁通量等于各部分磁通量的代数和．3．磁通量变化的四种情况 4．用磁感线的条数表示磁通量．当回路中有不同方向的磁感线穿过时，磁通量是指穿过某一面磁感线的“净”条数，即指不同方向的磁感线的条数差．例1 如图5所示，虚线框内有匀强磁场，a，b为垂直磁场放置的两个圆环，分别用Φa和Φb表示穿过两个圆环的磁通量，则下列表述正确的是( )
A．Φa>Φb B．Φa＝Φb
C．Φa<Φb D．无法确定图5 解析 本题利用公式Φ＝BS进行计算，在计算时注意S为垂直磁场方向所围磁场的有效面积，不一定是线圈的面积，同时注意磁通量与线圈的匝数无关．由于磁场在圆环a、b中的面积相等，所以穿过两个圆环的磁通量是相等的，则Φa＝Φb，B正确．故选B.
答案 B
例2 如图6所示，有一个垂直纸面向里的有界匀强磁场，B1＝0.8 T，磁场的边界为圆形，圆心为O，半径为1 cm.现于纸面内先后放上三个圆线圈，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．
求：
(1)在B1减至0.4 T的过程中，A和B中磁通量各改变了
多少．
(2)在磁场转过30°角的过程中，C中磁通量改变了多少．图6 针对训练1 如图8所示，线框与通电直导线均位于水平面内，当线框abcd由实线位置在水平面内向右水平移动，逐渐移动到虚线位置，穿过线框的磁通量如何变化？图8解析 直线电流I产生的磁场的磁感线的形状是以导线上的点为圆心的在竖直平面内的一组组同心圆，在电流I的右边磁感线的方向垂直水平面向里，在电流I的左边磁感线的方向垂直水平面向外．磁感线的疏密分布是越靠近导线磁感线越密，离导线越远磁感线越稀疏．答案 线框的水平移动，可分为三个阶段．第一阶段，从实线位置开始至bc边到达直导线位置，穿过线框的磁通量逐渐增大．第二阶段，从bc边抵达直导线处开始至ad边到达直导线为止，由于向外的磁感线逐渐减少，向里的磁感线逐渐增多，所以穿过线框的总磁通量先减少(当ab、dc两边中点连线与直导线重合时，磁通量为零)后增大．第三阶段，从ad边离开直导线向右运动开始至线框抵达虚线位置为止，穿过线框的磁通量逐渐减少．二、产生感应电流的判断
1．产生条件
(1)电路闭合．
(2)磁通量发生变化．
如果回路不闭合，不会产生感应电流，但仍会产生感应电动势，就好比直流电路一样，电路不闭合，没有电流，但电源仍然存在．2．注意事项
(1)注意磁感线的反穿情况，磁通量指的是穿过某面的磁感线的“净”条数．
(2)磁通量是指穿过某面的合磁通量．例3 下图中能产生感应电流的是( )解析 根据产生感应电流的条件：A中，电路没闭合，无感应电流；
B中，面积增大，闭合电路的磁通量增大，有感应电流；
C中，穿过线圈的磁感线相互抵消，Φ恒为零，无感应电流；
D中，磁通量不发生变化，无感应电流．
答案 B针对训练2 在一长直导线中通以如图9所示的
恒定电流时，套在长直导线上的闭合线环(环面
与导线垂直，长直导线通过环的中心)，当发生
以下变化时，肯定能产生感应电流的是( )A．保持电流不变，使导线环上下移动
B．保持导线环不变，使长直导线中的电流增大或减小
C．保持电流不变，使导线在竖直平面内顺时针(或逆时针)转动
D．保持电流不变，环在与导线垂直的水平面内左右水平移动图9解析 产生感应电流的条件是磁通量发生改变，题图所示位置环中没有磁通量，A、B、D没有使磁通量发生改变，所以都错．只有C在转动中使得环中磁通量发生改变，选C.
答案 C2．恒定的匀强磁场中有一个圆形闭合线圈，线圈平面垂直于磁场方向，当线圈在此磁场中做下列哪种运动时，穿过线圈的磁通量发生了变化( )
A．线圈沿自身所在的平面做匀速运动
B．线圈沿自身所在的平面做加速运动
C．线圈绕任一直径做匀速转动
D．线圈绕任一直径做变速转动CD产生感应电流的条件
3．金属矩形线圈abcd在匀强磁场中做如图所示的运动，线圈中有感应电流的是( )解析 在选项B、C中，线圈中的磁通量始终为零，不产生感应电流；选项D中磁通量始终最大，保持不变，不发生变化，也没有感应电流；选项A中，在线圈转动过程中，磁通量做周期性变化，产生感应电流，故A正确．
答案 A4．如图9，A、B两回路中各有一开关S1、S2，且回路A中接有电源，回路B中接有灵敏电流计，下列操作及相应的结果可能实现的是( )图9 A．先闭合S2，后闭合S1的瞬间，电流计指针偏转
B．S1、S2闭合后，再断开S2的瞬间，电流计指针偏转
C．先闭合S1，后闭合S2的瞬间，电流计指针偏转
D．S1、S2闭合后，再断开S1的瞬间，电流计指针偏转解析 S2闭合时，构成闭合回路，再闭合或断开S1的瞬间，通过A的电流变化，导致穿过线圈B的磁通量发生变化，从而产生感应电流，则指针偏转，故A、D正确；
若S1保持闭合状态，则通过A的电流不变，通过线圈B的磁通量不变，无论S2闭合或打开，都不会有感应电流产生，B、C错误.
答案 AD
