13.3 电磁感应现象及应用 讲义—2020-2021学年【新教材】人教版（2019）高中物理必修第三册

第十三章电磁感应与电磁波初步
第3节电磁感应现象及应用
【素养目标】
1．关注电磁感应现象的发现过程，了解相关的物理学史。
2．知道电磁感应现象，感应电流的概念。
3．经历感应电流产生条件的探究活动，能结合实验对磁通量的变化进行定性和定量的判断。能根据实验事实分析、归纳、总结产生感应电流的条件。
4．会运用产生感应电流的条件判断具体实例中有无感应电流。
【必备知识】
知识点一、划时代的发现
“磁生电”时一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。
法拉第把引起电流的原因概括为五类：变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体。
法拉第把发现的“磁生电”的现象定名为电磁感应，产生的电流叫感应电流。
【点睛】电生磁和磁生电是两个不同的过程，要抓住过程的本质，电生磁是指运动电荷周围产生磁场；磁生电是指线圈内的磁通量发生变化而在闭合线圈内产生了感应电流．要从本质上来区分它们．
知识点二、产生感应电流的条件
演示实验
实验操作
实验现象(有无电流)
导体棒静止
无
导体棒平行磁感线运动
无
导体棒切割磁感线运动
有
探究1：导体棒在磁场中运动是否产生电流？
如图所示，将可移动导体AB放置在磁场中，并和电流计组成闭合回路，实验现象如下：
分析论证：观察闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时产生感应电流的条件．导体AB做切割磁感线运动时，线路中有电流产生：磁场的强弱没有变化，但导体棒切割磁感线运动使闭合电路包围磁场的面积在变化，从而改变穿过回路的磁通量．
探究2：条形磁铁在螺线管中运动是否产生电流？
如图所示，将螺线管与电流计组成闭合回路，把条形磁铁插入或拔出螺线管，实验现象如下：
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
有
S极插入线圈
有
N极停在线圈中
无
S极停在线圈中
无
N极从线圈中抽出
有
S极从线圈中抽出
有
分析论证：进一步观察导体不动而磁铁运动时是否产生感应电流．将磁铁插入或拔出线圈的过程中，线圈中有电流产生：线圈中的磁场强弱发生了变化，从而改变穿过回路的磁通量．
探究3：模拟法拉第的实验——改变线圈A中的电流，线圈B中是否产生电流？
如图所示，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，实验现象如下：
实验操作
实验现象(线圈B中有无电流)
开关闭合瞬间
有
开关断开瞬间
有
开关闭合时，滑动变阻器滑片不动
无
开关闭合时，迅速移动滑动变阻器的滑片
有
分析论证：研究导体静止在磁场中时能否获得感应电流的问题．将开关闭合或断开以及改变滑动变阻器的滑片位置时，电流表中有电流通过：当使线圈A中电流变化，导致通过线圈B中的磁场强弱发生变化，从而改变穿过回路的磁通量．
归纳总结
产生感应电流的条件
产生感应电流的条件可总结为：只要穿过闭合回路的磁通量发生变化，闭合回路中就有感应电流产生．
特殊情况：闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动，闭合电路中可能有感应电流产生．
知识点三、电磁感应现象的应用
发电机是根据电磁感应制造的，它开辟了人类社会的电气化时代。
变压器、电磁炉等也是根据电磁感应制造的。
【课堂检测】
1.科学家发现一种新型合金材料
，只要略微加热该材料下面的铜片，这种合金就会从非磁性合金变成强磁性合金。将两个相同的条状新型合金材料竖直放置，在其正上方分别竖直、水平放置两闭合金属线圈，如图甲、乙所示。现对两条状新型合金材料下面的铜片加热，则（??
）
A.?甲图线圈有收缩的趋势???????????????????????????????????????B.?乙图线圈有收缩的趋势
C.?甲图线圈中一定产生逆时针方向的感应电流????????D.?乙图线圈中一定产生顺时针方向的感应电流
【答案】
B
【解析】AC．对两条状新型合金材料加热，均会从非磁性合金变成强磁性合金，甲图中，穿过线圈的磁通量为零，故甲图线圈中始终无感应电流产生，也不受安培力，无收缩扩张趋势，
AC不符合题意；
B．乙图线圈中磁通量增加，依据楞次定律，线圈有收缩并远离趋势，
B符合题意；
D．依据感应电流产生条件，乙图线圈中一定产生感应电流，但磁场方向未知，所以感应电流方向不确定，
D不符合题意。
故答案为：B。
2.如图所示，用轻绳将一条形磁铁竖直悬挂于O点，在其正下方的水平绝缘桌面上放置一铜质圆环。现将磁铁从A处由静止释放，经过B、C到达最低处D，再摆到左侧最高处E，圆环始终保持静止，则磁铁（??
）
A.?从B到C的过程中，圆环中产生逆时针方向的电流（从上往下看）
B.?摆到D处时，圆环给桌面的压力小于圆环受到的重力
C.?从A到D和从D到E的过程中，圆环受到摩擦力方向相同
D.?在A，E两处的重力势能相等
【答案】
C
【解析】A．从B到C的过程中，圆环中的磁场向上且磁通量增大，据“增反减同”可判断产生顺时针方向的电流（从上往下看），A不符合题意；
B．摆到D处时，圆环中产生的感应电流有使圆环远离阻碍磁通量增大的趋势，故给桌面的压力大于圆环受到的重力，B不符合题意；
C．由楞次定律的推论“来拒去留”可知，从A到D和从D到E的过程中，圆环受到摩擦力方向均向左，C符合题意；
D．由于有部分机械能转化为电能，故在A、E两处的重力势能不相等，D不符合题意。
故答案为：C。
【素养作业】
1.对电磁感应现象的理解，下列说法中正确的是（?
?）
A.?电磁感应现象中，感应电流的磁场方向总与引起感应电流的磁场方向相同
B.?电磁感应现象中，感应电流的磁场方向总与引起感应电流的磁场方向相反
C.?电磁感应现象中，感应电流的磁场方向可能与引起感应电流的磁场方向相同，也可能相反
D.?电磁感应现象是由奥斯特发现的
【答案】
C
【解析】ABC.
在电磁感应现象中，感应电流的磁场总阻碍引起感应电流的磁通量的变化，磁通量增加时，感应电流的磁场方向与引起感应电流的磁场方向相反，磁通量减少时，两者方向相同，C符合题意AB不符合题意；
D.
电磁感应现象是由法拉第发现的，D不符合题意。
故答案为：C。
【分析】电磁感应现象中，感应电流的磁场总阻碍引起感应电流的磁通量的变化，磁通量增加时，感应电流的磁场方向与引起感应电流的磁场方向相反，磁通量减少时，两者方向相同。
2.如图所示，在垂直于纸面、范围足够大的匀强磁场中，有一个矩形线圈abcd，线圈平面与磁场垂直，O1O2和O3O4都是线圈的对称轴，应使线图怎样运动才能使其产生感生电流（???
）
A.?向左平动??????????????????????????B.?绕O1O2转动??????????????????????????C.?向上平动??????????????????????????D.?向下平动
【答案】
B
【解析】由于磁场为匀强磁场，无论线圈在平面内如何平动，其磁通量都不变化，因此不会产生感应电流，ACD不符合题意；当线圈绕O1O2转动时，磁通量将发生变化，如转过90°时磁通量为零，因此有感应电流产生，B符合题意。
故答案为：B。
【分析】利用线圈中的磁通量发生改变会产生感应电流。
3.如图所示，环形导线中通有顺时针方向的电流I，则该环形导线中心处的磁场方向为（??
）
A.?水平向右????????????????????B.?水平向左????????????????????C.?垂直于纸面向里????????????????????D.?垂直于纸面向外
【答案】
C
【解析】根据右手螺旋定则，弯曲的四指指电流方向，拇指指环形导体中心出的磁场方向，
故答案为：C
【分析】利用右手螺旋定则可以判别磁感应强度的方向。
4.下列哪些电器件在工作时，不是应用电磁感应现象的是（
??）
A.?电磁炉???????????????????????????B.?水力发电机???????????????????????????C.?动圈式话筒???????????????????????????D.?干电池
【答案】
D
【解析】解：A、电磁炉是产生变化的电磁场，从而电场力驱使电子高速运动，因而产生热量，是利用电磁感应原理，不A符合题意；
B、动圈式话筒运用线圈切割磁感线，产生感应电动势，出现感应电流，是电磁感应现象，B不符合题意；
C、发电机是将机械能转化为电能，是属于电磁感应现象，C不符合题意；
D、干电池是将化学能转化为电能的装置，没有电磁感应现象，D错误，符合题意；
故答案为：D
【分析】干电池是利用化学能转化为电能，其他电器则是利用电磁感应现象。
5.物理学的基本原理在生产生活中有着广泛应用。在下列四种器件中，利用电磁感应原理工作的是（??
）
A.?扼流圈????????????????????????????????B.?示波管????????????????????????????????C.?显像管????????????????????????????????D.?质谱仪
【答案】
A
【解析】A.扼流圈是利用电感对电流的阻碍作用，线圈的电阻阻碍作用很小，A符合题意；
B.示波管利用的是带电粒子在电场中的偏转，B不符合题意；CD.质谱仪、显像管是利用了带电粒子在磁场中偏转而工作的；CD不符合题意；
故答案为：A
【分析】扼流圈是利用电感对电流的阻碍作用；示波器是利用带电粒子在电场中的偏转；显像管是利用带电粒子在磁场中的偏转；质谱仪也是利用带电粒子在磁场中的偏转。
6.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中产生电流
C.?插在通电螺线管中的软铁棒被磁化??????????????????????D.?通电直导线使其旁边的小磁针发生偏转
【答案】
B
【解析】A、磁场对电流产生力的作用属于安培力，不是电磁感应现象，A不符合题意；
B、变化的磁场使闭合电路中产生电流属于电磁感应现象；
B符合题意；
C、铁棒被磁化属于磁化现象，C不符合题意；
D、通电直导线使其旁边的小磁针发生偏转属于带电粒子在磁场中的偏转，D不符合题意。
故答案为：B。
【分析】电磁感应现象是变化的磁场在闭合线圈里产生感应电流的现象，磁场对电流的作用属于安培力；铁棒被磁化属于磁化现象；通电导线使小磁针偏转属于电流磁效应。
7.如图所示,带负电的金属环绕轴OO′以角速度ω匀速旋转,在环左侧轴线上的小磁针最后静止时(??
)
A.?N极竖直向上?????????????????B.?N极竖直向下?????????????????C.?N极沿轴线向左?????????????????D.?N极沿轴线向右
【答案】
C
【解析】带负电金属环，如图所示的旋转．则金属环的电流方向与旋转方向相反．再由右手螺旋定则可知金属环磁极的方向：左端N极，右端S极．因此小磁针N极沿轴线向左．C符合题意；
故答案为：C．
【分析】利用负电荷的移动结合安培定则可以判别小磁针的方向。
8.著名物理学家弗曼曾设计过一个实验，如图所示.在一块绝缘板上中部安一个线圈，并接有电源，板的四周有许多带负电的小球，整个装置支撑起来.忽略各处的摩擦，当电源接通的瞬间，下列关于圆盘的说法中正确的是（???
）
A.?圆盘将逆时针转动?????????B.?圆盘将顺时针转动?????????C.?圆盘不会转动?????????D.?无法确定圆盘是否会动
【答案】
A
【解析】线圈接通电源瞬间，则变化的磁场产生变化的电场，从而导致带电小球受到电场力，使其转动．接通电源瞬间圆板受到电场力作用而转动，由于金属小球带负电，再根据电磁场理论可知，变化的磁场会产生变化电场，因此向上磁场变大，则产生顺时针方向的电场，负电荷受到的电场力与电场方向相反，则有逆时针方向的电场力，故圆盘将沿逆时针方向运动，A符合题意.
故答案为：A
【分析】电路接通代表磁通量变大，那么圆盘就会产生感应电流阻碍磁通量的变大。