高中物理第1章电磁感应与现代生活1电磁感应——划时代的发现课件 71张PPT

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第1章　电磁感应与现代生活
　1.1　电磁感应——划时代的发现
一、法拉第发现电磁感应的艰难历程
1.1820年,丹麦物理学家_______发现了电流的磁效
应。
2.1831年,英国物理学家_______发现了电磁感应现
象。
奥斯特
法拉第
3.法拉第的概括:
这些现象叫_________,产生的电流叫_________。
电磁感应
感应电流
【思考辨析】
(1)如图所示,把一条导线平行地放在磁针的上方附近,当导线中有电流通过时,磁针会发生偏转,首先观察到这个实验现象的物理学家是安培。
(　　)
(2)“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。
(　　)
(3)首先发现电磁感应现象的科学家是奥斯特。
(　　)
提示:(1)×。首先发现磁生电现象的物理学家是奥斯特。
(2)√。“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。
(3)×。首先发现电磁感应现象的科学家是法拉第。
二、探究感应电流的产生条件
1.探究导体棒在磁场中运动是否产生电流(如图所示):
A
B
实验操作
实验现象
(有无电流)
分析论证
导体棒静止
无
闭合回路包围的面积__
(A.变化
　B.不变)时,回路中有电流产生;
包围的面积__(A.变化　B.不变)
时,电路中无电流产生
导体棒平行
磁感线运动
无
导体棒切割
磁感线运动
有
2.探究磁铁在通电螺线管中运动是否产生电流(如图所示):
有
有
无
无
有
有
实验操作
实验现象
(有无电流)
实验操作
实验现象
(有无电流)
N极插入线圈
___
S极插入线圈
___
N极停在线圈中
___
S极停在线圈中
___
N极从线圈中拔出
___
S极从线圈中拔出
___
3.模拟法拉第的实验——改变线圈A中的电流,线圈B中是否产生感应电流
有
有
无
有
A
B
实验操作
实验现象(线圈B中有无电流)
分析论证
开关闭合瞬间
___
线圈B中磁场__
时,线圈B中有
感应电流;线圈
B中磁场__时,
线圈B中无感应
电流(A.变化　
B.不变)
开关断开瞬间
___
开关保持闭合,滑动变阻器滑片不动
___
开关保持闭合,迅速移动滑动变阻器的滑片
___
4.感应电流产生的条件:只要穿过闭合导体回路的___
_____发生变化,闭合导体回路中就会产生感应电流。
磁
通量
【思考辨析】
(1)闭合回路在磁场中运动时必能产生感应电流。
(　　)
(2)只要闭合电路内有磁通量,闭合电路中就有感应电流产生。
(　　)
(3)穿过螺线管的磁通量发生变化时,螺线管内部就一定有感应电流产生。
(　　)
提示:(1)×。闭合回路在磁场中运动时不一定能产生感应电流。
(2)×。根据磁通量是否发生变化判定感应电流的产生。
(3)×。产生感应电流的条件:一是电路闭合,二是磁通量变化。有磁通量变化而不是闭合回路是不会产生感应电流的。
一　磁通量和磁通量的变化
考查角度1
磁通量概念的理解及计算
【典例1】边长l=10
cm的正方形线框
有10匝,固定在匀强磁场中,磁场方向
与线框平面间的夹角θ=30°,如图所
示,磁感应强度随时间的变化规律为B=2+3t(T),求:
2
s末穿过线框的磁通量。
【解析】2
s末穿过线框的磁感应强度B2=(2+3×2)T
=8
T,由Φ=BSsinθ知,2
s末穿过线框的磁通量Φ=B2Ssinθ=8×(0.1)2×sin30°Wb=4×10-2Wb。
答案:4×10-2Wb
【核心归纳】
1.对磁通量的理解:
(1)磁通量表示穿过某一面积的磁感线条数的多少,与匝数无关。
(2)磁通量是标量,但是有正负。磁通量的正负不代表大小,只表示磁感线是怎样穿过平面的。即若以向里穿过某面的磁通量为正,则向外穿过这个面的磁通量为负。
2.磁通量的计算:
(1)B与S垂直时Φ的计算方法:B与S垂直时(匀强磁场中),Φ=BS。B指匀强磁场的磁感应强度,S为线圈的面积。
(2)B与S不垂直时Φ的计算方法:B与S不垂直时(匀强磁场中),Φ=BS⊥。S⊥为线圈在垂直磁场方向上的投影,
S⊥=Ssinθ,称之为有效面积,如图甲所示。或者Φ=
B⊥S。B⊥为磁感线B垂直线圈平面方向上的分量,B⊥=
Bsinθ,如图乙所示。两者磁通量相等,Φ=BSsinθ。
(3)有不同方向磁场时Φ的计算方法:应分别计算不同方向的磁通量,然后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。
如图甲所示,有两个环A和B,其面积SAΦB=Φ′出-Φ′进,得ΦA>ΦB,由此可知,在求磁通量时要按求代数和的方法求总的磁通量。
(4)非匀强磁场中磁通量的分析:
条形磁铁、通电线圈周围的磁场都是非匀强磁场,通常只对穿过其中的线圈的磁通量进行定性分析,分析时应兼顾磁场强弱、线圈面积和磁场与线圈的夹角等因素,并充分利用磁感线来判断,即磁通量的大小对应穿过线圈的磁感线的条数。
考查角度2
磁通量的变化
【典例2】如图所示,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分别为ΔΦ1和ΔΦ2,则(　　)
A.ΔΦ1>ΔΦ2　　　　　
B.ΔΦ1=ΔΦ2
C.ΔΦ1<ΔΦ2
D.无法确定
【解析】选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。
【核心归纳】
磁通量发生变化的四种情形
情形
分析
图示
B不变化,S变化
磁感应强度B不变,有效面积S变化,则ΔΦ=Φ1-Φ0=B·ΔS。如图甲所示,闭合电路的一部分导体切割磁感线,此时穿过abcd面的磁通量的变化量可用此公式计算。
情形
分析
图示
B变化,S不变化
磁感应强度B变化,磁感线穿过的有效面积S不变,则ΔΦ=Φ1-Φ0=ΔB·S,如图乙所示,通电直导线下边有一个矩形线框,若使线框逐渐远离(平动)通电导线,此时穿过线框的磁通量的变化量可用此公式计算。
θ变化,B、S不变化
线圈平面与磁场方向的夹角θ发生变化时,线圈在垂直于磁场方向的投影面积S⊥=
Ssinθ发生变化,从而引起穿过线圈的磁通量发生变化,即B、S不变,θ变化。此时可由ΔΦ=Φ1-Φ0=BS(sinθ2-sinθ1)计算并判断磁通量的变化。如图丙所示,当线框以ab为轴顺时针转动时,此时穿过abcd面的磁通量的变化量可用此公式计算。
情形
分析
图示
B、S同时变化
若磁感应强度B和回路面积S同时发生变化,则ΔΦ=Φ1-Φ0≠ΔB·ΔS。如图丁所示,若导线CD向右滑动,回路面积从S1=8
m2变到S2=18
m2,磁感应强度B从B1=1
T变到B2=0.5
T,则回路中磁通量的变化ΔΦ=Φ2-Φ1=B2S2-B1S1=1
Wb。若按ΔΦ=ΔB·ΔS=(B2-B1)×(S2-S1)=-5
Wb就错了。
【过关训练】
1.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,穿过它们的磁通量分别为Φa、Φb、Φc,下列说法中正确的是
(　　)
A.Φa<Φb<Φc
B.Φa>Φb>Φc
C.Φa<Φc<Φb
D.Φa>Φc>Φb
【解析】选B。当线圈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线一样多,向外的磁感线条数线圈c最多,其次是线圈b,线圈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线圈a最多,线圈b次之,线圈c最少,即Φa>Φb>Φc,故选项B正确。
2.如图所示,有一n匝矩形线圈abcd放置在水平面内,磁场方向与水平方向成α角,已知sinα=0.8,回路面积为S,磁感应强度为B,则通过线圈的磁通量为
(　　)
A.nBS　　　B.0.8nBS　　　C.BS　　　D.0.8BS
【解析】选D。Φ=BSsinα=0.8BS,故选D。
【补偿训练】
1.关于磁通量,下列叙述正确的是
(　　)
A.同一线圈放在磁感应强度较大处,穿过线圈的磁通量不一定大
B.在同一匀强磁场中,线圈的面积越大,则穿过线圈的磁通量一定越大
C.把一个线圈放在不同的两处,穿过线圈的磁通量越大的地方,磁感应强度一定越大
D.匀强磁场中,穿过一个面的磁通量等于磁感应强度与该面面积的乘积
【解析】选A。同一线圈放在磁感应强度较大处,当两
者平行时,穿过线圈的磁通量为零,A正确;把一个线圈
放在同一匀强磁场中,由于线圈与磁场方向之间的夹角
不知道,所以不能判断穿过线圈的磁通量的大小,B错误;
把一个线圈放在M、N两处,若放在M处时穿过线圈的磁
通量比放在N处时大,由于线圈在M、N两处与磁场的方
向之间的夹角不知道,所以不能判断出两处的磁感应强
度的大小,C错误;在匀强磁场中,只有线圈与磁场垂直时,磁通量才等于磁感应强度与线圈面积的乘积,D错误。
2.一磁感应强度为B的匀强磁场方向水平向右,一面积为S的矩形线框abcd如图所示放置,平面abcd与竖直方向成θ角。将abcd绕ad轴转180°角,则穿过线圈平面的磁通量的变化量是
(　　)
A.0　　　B.2BS　　　C.2BScosθ　　　D.2BSsinθ
【解析】选C。开始时穿过线框平面的磁通量为Φ1=
BScosθ。则后来穿过线框平面的磁通量为Φ2=
-BScosθ。则磁通量的变化量为ΔΦ=|Φ2-Φ1|
=2BScosθ。
3.如图为一水平放置的条形磁铁,一闭合线框abcd位于磁铁的左端,线框平面始终与磁铁的上表面垂直,并与磁铁的端面平齐,当线框由图中位置Ⅰ经过位置Ⅱ到达位置Ⅲ时,线框内磁通量变化情况为
(　　)
A.不发生变化　　　　　　
B.先减少后增加
C.先增加后减少
D.不能确定
【解析】选B。条形磁铁的磁感线分布如图所示,两端磁感线分布密集,中央磁感线分布稀疏,当线框从左向右运动过程中,Ⅱ位置磁通量最小,故从Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ,磁通量先减少后增加,B正确。
4.如图所示,在范围足够大的匀强磁场中有一闭合线圈,线圈平面与磁场方向垂直,线圈在磁场内运动。在下列运动中,穿过线圈的磁通量发生变化的是
(　　)
A.向上平移
B.向右平移
C.沿磁场方向平移
D.绕ab轴转动
【解析】选D。根据公式Φ=BS,B不变,线圈沿纸面向上、向右平移,只要不出磁场,有效面积S不变,所以磁通量不变;线圈沿磁场方向平移,S不变,所以磁通量也不变;线圈绕ab轴转动时,有效面积S变化,磁通量变化,故A、B、C错误,D正确。
二　感应电流的产生条件
【典例】如图所示,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,下列办法中不可行的是(　　)
A.将线框向左拉出磁场
B.以ab边为轴转动(小于90°)
C.以ad边为轴转动(小于60°)
D.以bc边为轴转动(小于60°)
【解题探究】
(1)产生感应电流的条件是什么?
提示:①闭合电路;②磁通量发生变化。这两个条件必须同时满足,才有感应电流产生。
(2)引起磁通量变化的原因有哪些?
提示:磁感应强度B的变化和线圈有效面积S的变化。
【解析】选D。将线框向左拉出磁场的过程中,线框的
bc边做切割磁感线的运动,或者说穿过线框的磁通量减
少,所以线框中将产生感应电流,A项是可行的。
当线框以ab边为轴转动时,线框的cd边的右半段做切割
磁感线的运动,或者说穿过线框的磁通量发生变化,所
以线框中将产生感应电流,B项是可行的。
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,所以线框中会产生感应电流;如果转过的角
度超过60°,bc边将进入无磁场区,那么线框中将不产生感应电流(60°～300°),C项是可行的。
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面积的一半的乘积),D项是不可行的。
【核心归纳】
1.感应电流产生的条件:穿过闭合电路的磁通量发生变化。
2.磁通量变化的四种情况:
(1)闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动。
(2)线圈与磁体之间发生相对运动,或者磁场是由通电螺线管产生,而螺线管中的电流发生变化。
(3)磁感应强度B和线圈面积S同时发生变化。
(4)磁感应强度B和线圈之间夹角发生变化,如线圈在磁场中转动等。
3.判断感应电流有无的方法
(1)确定研究的闭合回路。
(2)弄清楚回路内的磁场分布,并确定该回路的磁通量Φ。
【过关训练】
1.如图所示,矩形线圈在匀强磁场内做的各种运动中,能够产生感应电流的是
(　　)
【解析】选D。产生感应电流的条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化,而选项A、B、C中线圈的磁通量均没有变化,只有选项D中线圈的磁通量发生了变化,所以只有选项D中的线圈能够产生感应电流,故选D。
2.如图所示匀强磁场区域宽为d,一正方形线框abcd的边长为l,且l>d,线框以速度v通过磁场区域,如图所示,从线框进入到完全离开磁场的时间内,线框中没有感应电流的时间为
(　　)
A.
　　　　B.
　　　　C.
　　　　D.
【解析】选B。ad边和bc边都在磁场外时,穿过线框中
的磁通量不变,没有感应电流,所以线圈中没有感应电
流的时间为t=
。
【补偿训练】
1.闭合电路的一部分导线ab处于匀强磁场中,如图所示,各情况下导线都在纸面内运动,那么下列判断中正确的是
(　　)
A.都会产生感应电流
B.都不会产生感应电流
C.甲、丙会产生感应电流,乙、丁不会产生感应电流
D.甲、乙不会产生感应电流,丙、丁会产生感应电流
【解析】选C。甲、丙两图中导线ab都在垂直切割磁感线,又因电路闭合,故产生感应电流;乙、丁两图中导线不切割磁感线,不会产生感应电流。故C项正确。
2.在纸面内放有一条形磁铁和一个位于磁铁正上方的圆形线圈(如图所示),下列情况中能使线圈中产生感应电流的是
(　　)
A.将磁铁在纸面内向上平移
B.将磁铁在纸面内向右平移
C.将磁铁绕垂直纸面的轴转动
D.将磁铁的N极向纸外转,S极向纸内转
【解析】选D。将磁铁向上平移、向右平移或绕垂直纸面的轴转动,线圈始终与磁感线平行,磁通量始终为零,没有变化,不产生感应电流。所以A、B、C均不正确;将磁铁的N极向纸外转,S极向纸内转,穿过线圈的磁通量增加,线圈中产生感应电流,所以D项正确。
3.若有一宇航员登月后,想探测一下月球表面是否有磁场,他手边有一只灵敏电流表和一个小线圈,则下列推断正确的是
(　　)
A.直接将电流表放于月球表面,根据电流表有无示数来判断磁场的有无
B.将电流表与线圈连成闭合回路,使线圈沿某一方向运动,若电流表无示数,则可以判断月球表面无磁场
C.将电流表与线圈连成闭合回路,使线圈沿某一方向运动,若电流表有示数,则可以判断月球表面有磁场
D.将电流表与线圈连成闭合回路,使线圈在某一平面内沿各个方向运动,若电流表无示数,则可以判断月球表面无磁场
【解析】选C。由感应电流产生的条件可知:A选项中无闭合回路,电流表无示数,A选项错误;B选项中若线圈平面运动方向与磁场方向平行,月球上即使有磁场,线圈中的磁通量也始终不变化,不会产生感应电流,B选项错误,同理D选项错误;C选项中若线圈沿某一方向运动,电流表有示数,则知发生电磁感应,月球表面有磁场,C选项正确。
【拓展例题】考查内容:电磁感应的产生条件
【典例】现将电池组、滑动变阻器、带铁心的线圈A、线圈B、电流计及开关按如图所示连接。在开关闭合、线圈A放在线圈B中的情况下,某同学发现当他将滑动变阻器的滑片P向左加速滑动时,电流计指针向右偏转,由此可以推断
(　　)
A.线圈A向上移动或滑动变阻器的滑片P向右加速滑动,都能引起电流计指针向左偏转
B.线圈A中铁心向上拔出或断开开关,都能引起电流计指针向右偏转
C.滑动变阻器的滑片P匀速向左或匀速向右滑动,都能使电流计指针静止在中央
D.因为线圈A、线圈B绕线方向未知,故无法判断电流计指针偏转的方向
【解析】选B。当P向左滑动时,电阻变大,通过A线圈的
电流变小,则线圈B中的原磁场减弱,磁通量减少,线圈B
中有使电流计指针向右偏转的感应电流通过。当线圈A
向上移动、线圈A中铁心向上拔出或断开开关时,则线
圈B中的原磁场也减弱,磁通量也减少,所以线圈B中也
有使电流计指针向右偏转的感应电流通过,A错,B对;滑
动变阻器的滑片P向右移动,则线圈B中的原磁场增强,
磁通量也增加,所以线圈B中有使电流计指针向左偏转的感应电流通过,C、D错。故正确选项为B。