高中物理第2章楞次定律和自感现象1感应电流的方向课件鲁科版选修3_2-84张

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第2章　楞次定律和自感现象
第1节　感应电流的方向
一、探究感应电流的方向
1.实验探究:将螺线管与电流计组成闭合回路,分别将条形磁铁的N极、S极插入线圈或从线圈中抽出,如图所示,记录感应电流方向。
2.实验记录:
向上
向下
阻碍
向下
向上
阻碍
图号
原磁场
方向
感应电流方向
(俯视)
感应电流的
磁场方向
归纳总结
甲
向下
逆时针
_____
感应电流的磁
场_____磁通量
的增加
乙
向上
顺时针
_____
丙
向下
顺时针
_____
感应电流的磁
场_____磁通量
的减少
丁
向上
逆时针
_____
3.实验结论:
(1)当穿过线圈的磁通量增加时,感应电流的磁场与原
磁场的方向_____。
(2)当穿过线圈的磁通量减少时,感应电流的磁场与原
磁场的方向_____。
相反
相同
二、楞次定律
1.总结:当线圈内磁通量增加时,感应电流的磁场与原
磁场方向_____,阻碍_____________;当线圈内磁通量
减少时,感应电流的磁场与原磁场方向_____,阻碍___
___________。
2.内容:感应电流具有这样的方向,即感应电流的磁场
总要_____引起感应电流的_____________。
相反
磁通量的增加
相同
磁
通量的减少
阻碍
磁通量的变化
三、右手定则
1.内容:伸开右手,让拇指与其余四指在同一个平面内,
使拇指与并拢的四指垂直;让_______垂直穿入手心,使
拇指指向导体运动的方向,其余四指所指的方向就是
_________的方向。
2.适用情况:适用于闭合电路部分导体_____磁感线产
生感应电流的情况。
磁感线
感应电流
切割
【思考辨析】
(1)当穿过线圈的磁通量增加时,感应电流的磁场与原磁场方向相同。
(　　)
(2)当穿过线圈的磁通量减少时,感应电流的磁场与原磁场方向相同。
(　　)
(3)在电磁感应现象中,感应电流的磁场总是阻碍原来磁场的变化。
(　　)
(4)在楞次定律中,阻碍的是磁通量的变化,而不是阻碍磁通量本身。
(　　)
(5)感应电流的磁场总是阻碍磁通量,与磁通量方向相反。
(　　)
(6)感应电流的磁场可阻止原磁场的变化。
(　　)
(7)判断通电螺线管周围的磁场用左手定则。
(　　)
(8)判断导体切割磁感线产生的感应电流的方向应用右手定则。
(　　)
提示:(1)×。当穿过线圈的磁通量增加时,感应电流的磁场与原磁场方向相反。
(2)√。当穿过线圈的磁通量减少时,感应电流的磁场与原磁场方向相同。
(3)√。在电磁感应现象中,感应电流的磁场总是阻碍原来磁场磁通量的变化。
(4)√。在楞次定律中,阻碍的是磁通量的变化,而不是阻碍磁通量本身。
(5)×。感应电流的磁场总是阻碍磁通量的变化,当原磁场磁通量减小时,感应电流的磁场与原磁通量方向相同。
(6)×。感应电流的磁场不能阻止原磁场的变化,只能阻碍原磁场的变化。
(7)×。判断通电螺线管周围的磁场用右手螺旋定则。
(8)√。判断导体切割磁感线产生的感应电流的方向应用右手定则更方便。
一　对楞次定律的理解
【典例】(2017·全国卷Ⅲ)如图,在方向垂直于纸面向
里的匀强磁场中有一U形金属导轨,导轨平面与磁场垂
直。金属杆PQ置于导轨上并与导轨形成闭合回路PQRS,
一圆环形金属框T位于回路围成的区域内,线框与导轨
共面。现让金属杆PQ突然向右运动,在运动开始的瞬间,关于感应电流的方向,下列说法正确的是
A.PQRS中沿顺时针方向,T中沿逆时针方向
B.PQRS中沿顺时针方向,T中沿顺时针方向
C.PQRS中沿逆时针方向,T中沿逆时针方向
D.PQRS中沿逆时针方向,T中沿顺时针方向
【解析】选D。因为PQ突然向右运动,由右手定则可知,PQRS中的感应电流方向为逆时针,穿过T中的磁通量减小,由楞次定律可知,T中的感应电流方向为顺时针,故A、B、C错误,D正确。
【核心归纳】
1.因果关系:楞次定律反映了电磁感应现象中的因果关系,磁通量发生变化是原因,产生感应电流是结果。
2.对“阻碍”的理解:
3.“阻碍”的表现形式:
(1)阻碍原磁通量的变化(增反减同)。
(2)阻碍导体和磁体间的相对运动(来拒去留)。
(3)通过改变线圈面积来“反抗”(增缩减扩)。
【易错提醒】
(1)感应电流的磁场阻碍磁通量的变化,不是阻碍磁场也不是阻碍磁通量。
(2)感应电流的磁场方向可能与原磁场方向相同也可能相反。
【过关训练】
1.(2019·福州高二检测)如图所示,磁场垂直于纸面,磁感应强度在竖直方向均匀分布,水平方向非均匀分布。一铜制圆环用丝线悬挂于O点,将圆环拉至位置a后无初速度释放,在圆环从a摆向b的过程中
(　　)
A.感应电流方向先逆时针后顺时针再逆时针
B.感应电流方向一直是逆时针
C.感应电流方向先顺时针后逆时针再顺时针
D.感应电流方向一直是顺时针
【解析】选A。在竖直虚线左侧,圆环向右摆时磁通量
增加,由楞次定律可判断,感应电流产生的磁场方向与
原磁场方向相反,由安培定则可知感应电流方向为逆时
针方向;摆过竖直虚线时,环中磁通量左减右增相当于
方向向外的增大,因此感应电流方向为顺时针方向;在
竖直虚线右侧向右摆动时,环中磁通量减小,感应电流
的磁场与原磁场同向,可知感应电流为逆时针方向,因此只有A项正确。
2.(2019·泉州高二检测)如图所示,光滑固定的金属导轨M、N水平放置,两根导体棒P、Q平行放置在导轨上,形成一个闭合回路,一条形磁铁从高处下落接近回路时
(　　)
A.P、Q将相互靠拢
B.P、Q将相互远离
C.磁铁的加速度仍为g
D.磁铁的加速度大于g
【解析】选A。当磁铁向下运动时,闭合回路的磁通量增加,根据楞次定律可判断出P、Q将相互靠拢,故A正确,B错误;磁铁受向上的斥力,故磁铁的加速度小于g,所以C、D错误。
【补偿训练】
1.如图所示,闭合金属圆环沿垂直于磁场方向放置在匀强磁场中,将它从匀强磁场中匀速拉出,以下各种说法中正确的是
(　　)
A.向左拉出和向右拉出时,环中感应电流方向相反
B.向左或向右拉出时,环中感应电流方向都是沿顺时针方向
C.向左或向右拉出时,环中感应电流方向都是沿逆时针方向
D.将圆环拉出磁场的过程中,当环全部处在磁场中运动时,也有感应电流产生
【解析】选B。圆环中感应电流的方向,取决于圆环中
磁通量的变化情况,向左或向右将圆环拉出磁场的过程
中,圆环中垂直纸面向里的磁感线的条数都要减少,根
据楞次定律可知,感应电流产生的磁场的方向与原磁场
方向相同,即都垂直纸面向里,应用安培定则可以判断
出感应电流的方向沿顺时针方向。圆环全部处在磁场
中运动时,虽然导线做切割磁感线运动,但环中磁通量不变,只有圆环离开磁场,环的一部分在磁场中,另一部分在磁场外时,环中磁通量才发生变化,环中才有感应电流。B选项正确。
2.一水平放置的矩形闭合线圈abcd,在细长磁铁的N极附近竖直下落,由图示位置Ⅰ经过位置Ⅱ到位置Ⅲ,位置Ⅰ和位置Ⅲ都很靠近位置Ⅱ。在这个过程中,线圈中感应电流(　　)
A.沿abcd流动
B.沿dcba流动
C.从Ⅰ到Ⅱ是沿abcd流动,从Ⅱ到Ⅲ是沿dcba流动
D.从Ⅰ到Ⅱ是沿dcba流动,从Ⅱ到Ⅲ是沿abcd流动
【解析】选A。侧视图如图所示,从Ⅰ到
Ⅱ向上的磁通量减少,据楞次定律的“增
反减同”可知:线圈中感应电流产生的磁
场方向向上,用安培定则可以判断感应电流的方向为逆
时针(俯视),
即沿abcd流动。同理可以判断:从Ⅱ到Ⅲ
向下磁通量增加,由楞次定律可得:线圈中感应电流产生
的磁场方向向上,感应电流的方向沿abcd流动,故选A。
二　
楞次定律、右手定则、左手定则
【典例】(2019·福州高二检测)如图所示,匀强磁场与圆形导体环平面垂直,导体ef与环接触良好,当ef向右匀速运动时
(　　)
A.圆环中磁通量不变,环上无感应电流产生
B.整个环中有顺时针方向的电流
C.整个环中有逆时针方向的电流
D.环的右侧有逆时针方向的电流,环的左侧有顺时针方向的电流
【解题探究】
(1)由右手定则知ef上的电流由__。(选填“A:e→f”
或“B:f→e”)。
(2)将圆形导体环分为左右两部分,导体ef左侧磁通量
_____,导体ef右侧磁通量_____,根据楞次定律,可知,
故环的右侧的电流方向为_______,环的左侧的电流方
向为_______。
A
增加
减少
逆时针
顺时针
【解析】选D。由右手定则知ef上的电流由e→f,故环的右侧的电流方向为逆时针,环的左侧的电流方向为顺时针,选D。
【核心归纳】
1.楞次定律与右手定则的区别及联系:
楞次定律
右手定则
区
别
研究
对象
整个闭合回路
闭合回路的一部分,即做切割磁感线运动的导体
适用
范围
各种电磁感应现象
只适用于导体在磁场中做切割磁感线运动的情况
应用
用于磁感应强度B随时间变化而产生的电磁感应现象较方便
用于导体切割磁感线产生的电磁感应现象较方便
楞次定律
右手定则
联系
右手定则是楞次定律的特例
2.右手定则和左手定则的区别:
比较项目
右手定则
左手定则
作用
判断感应电流方向
判断通电导体所受磁场力的方向
已知条件
已知导体运动方向和磁场方向
已知电流方向和磁场方向
图例
比较项目
右手定则
左手定则
因果关系
运动→电流
电流→运动
应用实例
发电机
电动机
3.运用楞次定律判定感应电流方向的思路:
【易错提醒】
(1)判断导体切割磁感线产生感应电流方向时用右手定则。
(2)判断导体所受安培力方向时用左手定则。
(3)判断通电直导线、环形电流及通电螺线管的磁场方向时用安培定则(右手螺旋定则)。
【过关训练】
1.(多选)(2019·济南高二检测)如图所示,光滑平行金属导轨PP′和QQ′,都处于同一水平面内,P和Q之间连接一电阻R,整个装置处于竖直向下的匀强磁场中,现在垂直于导轨放置一根导体棒MN,用一水平向右的力F拉动导体棒MN,以下关于导体棒MN中感应电流方向和它所受安培力的方向的说法正确的是
(　　)
A.感应电流方向是N→M
B.感应电流方向是M→N
C.安培力水平向左
D.安培力水平向右
【解析】选A、C。方法1:由右手定则易知,MN中感应电
流方向是N→M,再由左手定则可判知,MN所受安培力方
向垂直棒水平向左。
方法2:由楞次定律知,本题中感应电流是由于MN相对于
磁场向右运动引起的,则安培力必然阻碍这种相对运动,
由安培力方向既垂直于电流方向又垂直于磁场方向可
判知,MN所受安培力方向必然垂直于MN水平向左,再由左手定则,容易判断出感应电流的方向是N→M。
2.(2019·南平高二检测)如图所示,MN是一根固定的通电长直导线,电流方向竖直向上,今将一金属线框abcd放在导线上,让线框的位置偏向导线左边,两者彼此绝缘。当导线中的电流突然增大时,线框整体受力情况为
(　　)
A.受力向右　　　　
B.受力向左
C.受力向上
D.受力为零
【解析】选A。本题可用两种解法:
解法一:根据安培定则可知通电直导线
周围的磁场分布如图所示。当直导线上
电流突然增大时,穿过矩形回路的合磁通
量(方向向外)增大,回路中产生顺时针方
向的感应电流,因ad、bc两边对称分布,所受的安培力
合力为零。而ab、cd两边虽然通过的电流方向相反,但
它们所在处的磁场方向也相反,由左手定则可知它们所
受的安培力均向右,所以线框整体受力向右,A正确。
解法二:从楞次定律的另一表述分析可知当MN中电流突
然增大时,穿过线框的磁通量增大,感应电流引起的结
果必是阻碍磁通量的增大,即线框向右移动,故线框整体受力向右,A正确。
【补偿训练】
1.(海南高考)如图,一圆形金属环
与两固定的平行长直导线在同一竖直平
面内,环的圆心与两导线距离相等,环的
直径小于两导线间距。两导线中通有大小相等、方向
向下的恒定电流。若
(　　)
A.金属环向上运动,则环上的感应电流方向为顺时针方向
B.金属环向下运动,则环上的感应电流方向为顺时针方向
C.金属环向左侧直导线靠近,则环上的感应电流方向为逆时针方向
D.金属环向右侧直导线靠近,则环上的感应电流方向为逆时针方向
【解析】选D。金属环向上或向下运动时穿过金属环的磁通量不变,由产生感应电流的条件可知选项A、B错误;金属环向左侧直导线靠近,穿过金属环的合磁通量向外并且增强,根据楞次定律可知,环上的感应电流方向为顺时针方向,选项C错误;金属环向右侧直导线靠近,穿过金属环的合磁通量向里并且增强,则环上的感应电流方向为逆时针方向,选项D正确。
2.(多选)如图所示,M为水平放置的橡胶
圆盘,在其外侧面均匀地带有负电荷。
在M正上方用丝线悬挂一个闭合铝环N,
铝环也处于水平面中,且M盘和N环的中心在同一条竖直
线O1O2上,现让橡胶圆盘由静止开始绕O1O2轴按图示方
向逆时针加速转动,下列说法正确的是(　　)
A.铝环N对橡胶圆盘M的作用力方向竖直向下
B.铝环N对橡胶圆盘M的作用力方向竖直向上
C.铝环N有扩大的趋势,丝线对它的拉力增大
D.铝环N有缩小的趋势,丝线对它的拉力减小
【解析】选A、D。橡胶圆盘M由静止开始绕其轴线O1O2
按箭头所示方向加速转动,形成环形电流,环形电流的
大小增大,根据右手螺旋定则知,通过铝环N的磁通量向
下,且增大，根据楞次定律的另一种表述，引起的机械
效果阻碍磁通量的增大，知铝环N的面积有缩小的趋
势，且有向上的运动趋势，所以丝绒的拉力减小，根
据牛顿第三定律，N对M的作用力竖直向下，故A、D正确，B、C错误。故选A、D。
三　楞次定律和能量守恒
【典例】(多选)(江苏高考)如图所示,竖直放置
的“
”形光滑导轨宽为L,矩形匀强磁场Ⅰ、Ⅱ的高
和间距均为d,磁感应强度为B。质量为m的水平金属杆
由静止释放,进入磁场Ⅰ和Ⅱ时的速度相等。金属杆在
导轨间的电阻为R,与导轨接触良好,其余电阻不计,重
力加速度为g。金属杆
(　　)
A.刚进入磁场Ⅰ时加速度方向竖直向下
B.穿过磁场Ⅰ的时间大于在两磁场之间的运动时间
C.穿过两磁场产生的总热量为4mgd
D.释放时距磁场Ⅰ上边界的高度h可能小于
【解题探究】金属杆进入磁场Ⅰ和Ⅱ时的速度相等,
(1)从力与运动的角度分析,说明金属杆在磁场Ⅰ中要
做_____运动,安培力_____重力。
(2)从能量的变化分析,金属杆穿过磁场Ⅰ到进入磁场
Ⅱ之前动能_________,减少的重力势能_____变成了焦
耳热,穿过磁场Ⅱ过程产生的焦耳热等于_____。
减速
大于
没有变化
2mgd
2mgd
【解析】选B、C。金属杆在磁场Ⅰ、Ⅱ之间运动时,做
加速运动,因此金属杆在磁场Ⅰ中要做减速运动,才能
保证进入磁场Ⅱ时和进入磁场Ⅰ时速度相等,选项A错
误;画出穿过磁场Ⅰ和在两磁场之间的v-t图象,能够直
观反映出穿过磁场Ⅰ的时间大于在两磁场之间的运动
时间,选项B正确;进入磁场Ⅰ和Ⅱ时的速度相等,表明
金属杆穿过磁场Ⅰ到进入磁场Ⅱ之前动能没有变化,减
少的重力势能2mgd变成了焦耳热,再穿过磁场Ⅱ过程跟
穿过磁场Ⅰ情况完全相同,产生的焦耳热还等于2mgd,
总的热量为4mgd,选项C正确;由于在进入磁场Ⅰ前,金
属杆做自由落体运动,末速度为
,在刚进入磁场Ⅰ
时,安培力
·
>mg才能保证金属杆做减速运动,
化简得h>
,选项D错误。
【核心归纳】
1.电磁感应现象中的能量转化:
(1)由于磁感应强度变化而产生感应电流的电磁感应现象中,磁场能转化为电能,若电路是纯电阻电路,转化过来的电能将全部转化为电路的内能。
(2)由于导体棒切割磁感线运动而产生感应电流的电磁感应现象中,通过克服安培力做功,把机械能或其他形式的能转化为电能。克服安培力做多少功,就产生多少电能。若电路是纯电阻电路,转化过来的电能将全部转化为电路的内能。可简单表述如下:
2.楞次定律的本质:“阻碍”的结果是实现了其他形式的能向电能的转化,如果没有“阻碍”,将违背能量守恒定律,会得出总能量增加的错误结论。所以楞次定律体现了在电磁感应现象中能的转化与守恒,能量守恒定律也要求感应电流的方向服从楞次定律。
【过关训练】
1.(2019·宁德高二检测)如图甲所示,电阻不计且间距
L=1
m的光滑平行金属导轨竖直放置,上端接一阻值R=
2
Ω的电阻,虚线OO′下方有垂直于导轨平面向里的匀
强磁场,现将质量m=0.1
kg、电阻不计的金属杆ab从
OO′上方某处由静止释放,金属杆在下落的过程中与导
轨保持良好接触且始终水平,已知杆ab进入磁场时的速度v0=1
m/s,下落0.3
m的过程中加速度a与下落距离h的关系图象如图乙所示,g取10
m/s2,则
(　　)
A.匀强磁场的磁感应强度为1
T
B.杆ab下落0.3
m时金属杆的速度为1
m/s
C.杆ab下落0.3
m的过程中R上产生的热量为0.2
J
D.杆ab下落0.3
m的过程中通过R的电荷量为0.25
C
【解析】选D。在杆ab进入磁场时,由
-mg=ma,由
题图乙知,自由下落时,a的大小为10
m/s2,解得B=2T,A
错误。杆ab下落0.3
m时杆做匀速运动,则有
=mg,
解得v′=0.5
m/s,B错误。在杆ab下落0.3
m的过程,根
据能量守恒,R上产生的热量为Q=mgh-
mv′2=
0.2875J,C错误。通过R的电荷量q=
=
=0.25
C。
D正确。
2.(2019·龙岩高二检测)如图所示,足够长的U形光滑
金属导轨所在平面与水平面成θ角(0<θ<90°),其中
MN与PQ平行且间距为L,磁感应强度大小为B的匀强磁场
方向垂直导轨所在平面斜向上,导轨电阻不计,金属棒
ab由静止开始沿导轨下滑,并与两导轨始终保持垂直且
接触良好,棒ab接入电路的电阻为R,当流过棒ab某一横
截面的电荷量为q时,棒的速度大小为v,则金属棒ab在下滑过程中
(　　)
A.运动的加速度大小为
B.下滑位移大小为
C.产生的焦耳热为qBLv
D.受到的最大安培力大小为
sin
θ
【解析】选B。由牛顿第二定律可知mgsin
θ-
=ma,
金属棒做变加速运动,A错;由q=I·Δt=
·Δt
=
=
得x=
,B对;由动能定理可知mgxsin
θ-Q=
mv2,把x代入式中得到Q=
-
mv2,C错;安
培力最大为mgsin
θ,D错。
3.(多选)两光滑平行导轨倾斜放置,倾
角为θ,底端接阻值为R的电阻。将质
量为m的金属棒悬挂在上端固定的轻
弹簧下端,弹簧处在导轨所在的平面内,并与导轨平行,劲度系数为k,金属棒和导轨接触良好,匀强磁场垂直于导轨平面,如图。除电阻R外其余电阻不计。现将金属棒从弹簧原长位置由静止释放,则
(　　)
A.导体棒沿导轨向下运动时棒中电流方向自左向右
B.释放瞬间,导体棒的加速度为gsin
θ
C.导体棒最终停在初始位置的下方
处
D.整个过程中电阻R产生的内能为
【解析】选B、C。由右手定则可判断导体棒沿导轨向
下运动时棒中电流方向自右向左,A错误;在释放瞬间,
速度为零,不受安培力的作用,只受到重力和支持力的
作用,其合力F合=mgsin
θ=ma,得a=gsin
θ,B正确;
导体棒最终停下时,处于平衡状态,合力为零,故有
mgsinθ=kx,得x=
,C正确;在运动的过程中,是
弹簧的弹性势能、导体棒的重力势能和电阻R的内能的
转化,也就是导体棒的重力势能转化为弹簧的弹性势能
和电阻R的内能,所以Q=mgxsin
θ-
kx2=
,
D错误。