高中物理 第四章电磁感应文档格式.docx

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电磁感应现象的发现，使人类对自然的认识和利用进入了新的阶段，科学和技术发生了划时代的变革。

电磁感应现象展示了不同运动形式之间的联系，同时也为电能的大规模应用奠定了物理学的基础。

本章知识是初中定性描述电磁感应现象的拓展和定量化，需要在初中学习的基础上，对电磁感应的物理本质要有较深入的认识。

学习的主要内容是电磁感应现象的产生条件，感应电动势的大小和感应电流的方向所满足的规律——法拉第电磁感应定律和楞次定律，并会运用它们解决有关问题。

法拉第电磁感应定律和楞次定律是解决电磁感应问题的重要依据。

但这两个定律内容在叙述上比较抽象，在理解上也存在一定的困难，因此，在学习中要注意对实验的理解和分析，以得出结论。

通过学习，要有意识的提高抽象思维能力、理解能力、以及空间想象的能力。

同时，由于电磁感应的实际问题与前面学习过的磁场、直流电路及力学知识联系紧密，在学习时还要注意提高综合运用所学知识分析、解决实际问题的能力。

在高中阶段要建立起两个观点：

一是力的观点，二是能量的观点。

楞次定律实际上是能量守恒在电磁感应现象中的必然结果。

所以用能量的转化和守恒的观点分析电磁感应现象是一种很重要的方法。

2．典型例题分析

例1在两根平行长直导线M、N中，通有大小和方向都相同的恒定电流，如图4－1所示。

矩形线框abcd和两导线在同一平面内，线框沿着与两导线垂直的方向，自右向左在两导线间匀速移动，则在移动过程中，线框中感应电流的方向（）

图4－1

A．沿abcda不变B．沿adcba不变

C．由abcda变成adcbaD．由adcba变成abcda

分析与解答：

该题中，磁场是由两条导线中的电流共同产生的，由于直线电流周围磁场的磁感应强度随着与导线的距离增大而减小，因此M、N之间区域内的磁场分布情况如图4－2所示。

当线框在两电流中线的右侧向左运动时，穿过线框的磁场方向垂直纸面向外，磁通量变小，根据楞次定律，感应电流的磁场要阻碍原磁场磁通量变小，因此，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同，感应电流的方向为adcba；

当线框跨越两电流的中线时，穿过线框的磁场方向由垂直纸面向外变为向内，根据楞次定律，感应电流的磁场仍然要阻碍其变化，感应电流的方向仍然为adcba；

线框再向左运动，穿过线框的磁场方向为垂直纸面向内，且磁通量变大，根据楞次定律，此时感应电流的磁场要阻碍原磁场磁通量变大，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反，感应电流的方向仍然为adcba。

因此在线框向左移动的整个过程中，线框中感应电流的方向始终为adcba。

正确选项为B。

本题答案：

B。

图4－2

学法点拨：

（1）对于这类问题，要首先对磁场的分布情况进行分析，弄清楚导线框所在区域的磁场的方向和强弱分布情况，分析导线框在移动过程中，穿过线框的磁通量的变化情况，然后根据楞次定律，对线框中的感应电流进行判断。

（2）楞次定律建立起了感应电流的磁场、引起感应电流的磁场方向和磁通量变化的关系，它是判断任何电磁感应现象中感应电流方向的依据。

右手定则是楞次定律的特例，在判断切割磁感线产生的感应电流方向时，比应用楞次定律方便一些，但对于导体不动由磁感应强度变化引起的感应电流方向的判断则不适用。

（3）对楞次定律含义的理解有两层意义

a.因果关系。

穿过闭合导体回路中磁通量的变化是产生感应电流的原因，而感应电流磁场的出现是感应电流存在的结果。

简要地说，只有当闭合回路中的磁通量发生变化时，才会有感应电流的磁场出现。

b．符合能量守恒定律。

从磁通量变化角度看，感应电流总是要阻碍原磁通量的变化，从导体和磁体的相对运动的角度看，感应电流总要阻碍它们的相对运动。

如图4－3中所示，感应电流的磁场在阻碍磁体和螺线管间的相对运动过程中，机械能转化成了电能，楞次定律中的“阻碍”正是能的转化和守恒的具体体现。

在电磁感应现象中克服感应电流的阻碍作用做多少功就有多少其它形式的能转化为电能。

另外，要注意“阻碍”不一定是反抗，在有些情况中还有补偿的意义。

比如，当磁通量减少时感应电流的磁场就补尝原磁场的磁通量的减少。

这里关键是要知道阻碍的对象是磁场的变化，而不是磁场。

图4－3

（4）应用楞次定律判断感应电流方向的四个步骤：

a．确定穿过闭合回路的原磁场的方向；

b．确定穿过闭合回路的磁通量的变化；

c．根据楞次定律确定感应电流的磁场方向；

d．利用安培定则，判断感应电流的方向。

例2如图4－4所示，在水平面内固定着足够长且光滑的平行金属轨道，轨道间距L＝0.20m，轨道左侧连接一电阻，R＝0.20Ω且保持不变。

质量m＝0.01kg的金属直导线ab与轨道垂直放置在轨道之上且接触良好。

整个闭合电路电阻磁感应强度B＝0.50T的匀强磁场与导轨平面垂直，导线ab在水平向右的恒力F作用下沿力的方向以v＝4.0m/s的速度向右匀速运动。

不计轨道及导线ab的电阻，求：

图4－4

（1）感应电流的大小和方向；

（2）水平向右恒力F的大小；

（3）撤去外力后，电阻R上还能产生多少焦耳热。

（1）由右手定则判断，导线ab中感应电流方向由b向a流过，导线ab产生的感应电动势E＝BLv＝0.50×

0.20×

4.0V＝0.40V

电路中的感应电流

。

（2）感应电流在磁场中受到安培力作用，由左手定则判断，安培力方向与导线ab所受恒力F方向相反，ab匀速运动，恒力F与安培力的大小相等，恒力F的大小是F＝BIL＝2.0×

0.50×

0.20N＝0.20N。

（3）撤去外力后，导线ab在安培力的作用下减速至静止。

在此过程中感应电流逐渐减小，不能直接计算焦耳热，可以用能量的转化与守恒的观点来分析。

撤去外力后，导线ab在运动过程中克服安培力做功，机械能转化为电能，通过电阻R产生焦耳热的形式消耗。

利用动能定理

电阻R上还能产生的焦耳热Q＝WF＝0.08J。

（1）公式E＝BLv中B、L、v是互相垂直的，如果导线运动方向与导线本身垂直，但与磁场方向成角度θ，如图4－5所示，可以把速度v分解为垂直磁场方向的分量v1和平行于磁场方向的分量v2，由于v2不切割磁感线，对产生感应电动势没有作用，只有v1对产生感应电动势有作用，这时E＝BLv1，而v1＝vsinθ，所以E＝BLvsinθ。

图4－5

（2）公式

与E＝BLvsinθ是统一的。

从图4－4可以看出，Lv就是导体在单位时间内扫过的面积，而Lvsinθ就是这个面积在垂直磁感线方向上的投影，所以BLvsinθ就是单位时间内导线切割的磁感线的条数，也就是单位时间内穿过线圈的磁通量的变化量，即磁通量的变化率。

因此，导线做切割磁感线运动时，公式E＝BLvsinθ与法拉第电磁感应定律是等价的。

但两公式也是有一定区别的，公式

具有普遍意义，主要求解平均感应电动势；

公式E＝BLvsinθ只适用于部分导体在匀强磁场中切割磁感线产生感应电动势的情况，求瞬时感应电动势，若v是平均速度则E为平均值。

（3）电磁感应过程问题伴随着能量转化。

导体切割磁感线或磁通量发生变化在回路中产生感应电流，则有机械能或其他形式的能量转化为电能，通过安培力做功，电能最终又转化为内能或其它形式的能。

例3如图4－6所示，一宽40cm的匀强磁场区域，磁场方向垂直纸面向里，一边长为20cm的正方形导线框位于纸面内，以垂直于磁场边界的速度v＝20cm/s匀速通过磁场区域。

在运动过程中，线框有一边始终与磁场区域的边界平行，取它刚进入磁场的时刻t＝0，在图4－7所示图线中，正确反映感应电流强度随时间变化规律的是（）

图4－6

图4－7

线框在进入磁场的过程中，由楞次定律可知感应电流方向是逆时针的，根据法拉第电磁感应定律

，感应电流

，是一个恒定的值。

线框全部进入磁场后在磁场中运动的过程中，线圈的磁通量不变，所以无感应电流。

离开磁场的过程中，由楞次定律可知感应电流方向是顺时针的，其大小与进入时相等，综合上述三个过程，选项C正确。

C。

（1）要善于把一个连续的过程根据其特点分解成几个阶段性的过程，再来研究每一个阶段的情况。

该题要抓住三个阶段：

第一阶段是线圈的右边从开始进入磁场到整个线圈进入磁场，第二阶段是整个线圈在磁场中运动，第三阶段是线圈右边从开始离开磁场到整个线圈离开磁场。

针对每个阶段，利用楞次定律和法拉第电磁感应定律来讨论感应电流的大小和方向的特点。

（2）在线圈全部处于磁场中匀速运动的阶段，由于

，整个回路中没有感应电流，但ab和cd边做切割磁感线运动，仍分别产生感应电动势，但两边产生感应电动势的大小相等、方向相同，相当于两个电源并联，对整个回路来说，总电动势为零，感应电流也为零。

（3）要注意区分磁通量

、磁通量的变化量∆

和磁通量的变化率

磁通量

等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，即

＝BS，它的意义可以形象地用穿过面的磁感线的条数表示，磁通量的变化量∆

是指回路在初、末两个状态磁通量的变化量，∆

＝

2－

1。

∆

与某一时刻回路的磁通量

无关，当∆

≠0时，回路中要产生感应电动势，但是∆

却不能决定感应电动势E的大小。

磁通量的变化率

表示的是磁通量变化的快慢，它决定了回路中感应电动势的大小，

的大小与

、∆

的大小均无关。

例4如图4－8所示两电路中，电阻R和电感线圈L的电阻值相对于灯泡而言都很小，闭合开关S，使电路达到稳定，灯泡A发光。

以下说法中正确的是（）

图4－8

A．在电路甲中，断开开关S，A将渐渐变暗

B．在电路甲中，断开开关S，A将先变得更亮，然后渐渐变暗

C.在电路乙中，断开开关S，A将渐渐变暗

D．在电路乙中，断开开关S，A将先变得更亮，然后渐渐变暗

在电路断开时，电感线圈产生自感现象，此时电感线圈在电路中相当于一个电源。

甲图中，灯泡A与电感线圈L在同一个支路中，流过的电流方向相同，断开开关S时，电感线圈L中的自感电动势要阻碍原电流变化，所以，开关断开的瞬间，灯泡A中的电流不变，以后电流逐渐变小。

因此，灯泡A的亮度是渐渐变暗的。

乙图中，由于电感线圈的电阻很小，A所在支路的电流比电感线圈所在支路的电流要小，断开开关S时，电感线圈的自感电动势要阻碍电流的变化，在由电感线圈L、电阻R、灯泡A所形成的新的闭合回路中，电感线圈L相当于一个电源给灯泡A供电。

反向流过灯泡A的电流瞬间要变大，然后逐渐变小，所以灯泡A要先亮一下，然后逐渐变暗。

AD。

（1）自感现象是一种特殊的电磁感应现象。

在自感现象中，磁通量的变化是由于流过线圈的电流发生变化而引起的，所以，自感现象中产生的自感电动势的大小与电路中的电流变化率成正比。

自感电动势的作用总是阻碍导体中原电流的变化，当原电流在增大时，自感电动势与原电流方向相反，当原电流在减小时，自感电动势与原电流方向相同。

（2）自感现象是电路中非常普遍的一种的电磁感应现象，特别是电路被接通或被切断的瞬间，电路中电流的变化率都很大，都要产生较大的自感电动势，对电路可能造成一些影响。

在学习自感现象时，要注意搞清楚通电自感和断电自感对电路影响的不同表现。

尤其是断电自感，在电路断开时，电感线圈的自感电动势阻碍原电流的减小，此时电感线圈在电路中相当于一个电源，表现为两个方面：

一是自感电动势所对应的电流方向与原电流方向一致；

二是在断电瞬间，自感电动势所对应的电流大小与原电流的大小相等，以后依次电流开始缓慢减小到零。

在学习断电自感时，常会遇到关于“小灯泡在熄灭之前是否要闪亮一下”的问题。

可以这样来分析，如图4－9所示，原来电路闭合处于稳定状态，电感线圈L与灯泡A并联，其电流分别为IL和IA，都是从左向右。

在断开开关S的瞬时，灯泡A中原来的从左向右的电流IA立即消失。

但是灯泡A与电感线圈L组成一个新的闭合回路，由于电感线圈L的自感作用，其中的电流IL不会立即消失，而是逐渐减弱的，在这段短暂的时间内电感线圈L相当于一个电源给灯泡A供电，这样，灯泡A中就会有从右向左的电流通过。

这时通过灯泡A的电流是从IL开始减弱的，如果原来IL＞IA，则在灯泡A熄灭之前要闪亮一下；

如果原来IL≤IA，则灯泡A逐渐熄灭不再闪亮一下。

原来的IL和IA哪一个大，要由电感线圈L的直流电阻RL与灯泡A的电阻RA的大小来决定。

如果RL＜RA，则IL＞IA，如果RL≥RA，则IL≤IA。

图4－9

四、练习题

第一节划时代的发现

1．发电机的基本原理是电磁感应。

发现电磁感应现象的科学家是（）

A．安培B．赫兹C．法拉第D．麦克斯韦

2．图4－10所示是在初中做过的四个演示实验，能够说明电现象和磁现象有联系的是（）

图4－10

3．1820年，丹麦的物理学家奥斯特发现，放在通电导线周围的小磁针会发生偏转，如图4－11所示。

这个实验说明了______。

图4－11

4．奥斯特的实验证实了电流的周围存在磁场，法拉第经过10年的努力终于发现了利用磁场产生电流的原因，法拉第把引起电流的原因概括为五种情形，请说出这五种情形各是什么。

5．19世纪对电磁感应的探索，是一场国际性的研究活动。

在1831年法拉第发现电磁感应现象之前，法国科学家安培、瑞士物理学家科拉顿都对此进行了研究。

有史料记载科拉顿设计了一个利用磁铁在闭合线圈中获取电流的实验：

将一块磁铁在螺线管中移动，使导线中产生感应电流。

为了排除磁铁移动对检流计指针偏转的影响，他把检流计放到隔壁房间中去，用长导线把检流计和螺线管连接起来。

实验开始了，科拉顿把磁铁插到线圈中去以后，就跑到隔壁房间中去（如图4－12所示），但他十分痛心地看到检流计的指针静止在原位。

请你参考法拉第所阐述的引起电流的原因分析一下，科拉顿没能看到电磁感应现象的原因是什么?

图4－12

6．请你说说教科书把科学发现中经历的失败和挫折表达出来有什么意义?

第二节探究电磁感应的产生条件

1．下列关于产生感应电流的说法中，正确的是（）

A．只要穿过线圈的磁通量发生变化，线圈中就一定有感应电流产生

B．只要闭合导线做切割磁感线的运动，导线中就一定有感应电流

C．闭合电路的一部分导体，若不做切割磁感线运动，则闭合电路中就一定没有感应电流

D．当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，闭合电路中就一定有感应电流

2．如图4－13所示，导线ab和cd互相平行，则在下列情况中导线cd中无电流的是（）

图4－13

A．开关S闭合或断开的瞬间

B．开关S是闭合的，但滑动触头向左滑

C．开关S是闭合的，但滑动触头向右滑

D．开关S始终闭合，滑动触头不动

3．如图4－14所示，金属裸导线框abcd放在水平光滑金属导轨上在磁场中向右运动，匀强磁场垂直水平面向下，则（）

图4－14

A．电流计G1、G2的指针都发生偏转

B．电流计G1、G2的指针都不发生偏转

C．电流计G1的指针发生偏转，电流计G2的指针不发生偏转

D．电流计G1的指针不发生偏转，电流计G2的指针发生偏转

4．在一长直导线中通以如图4－15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4－15

A．保持电流不变，使导线环上下移动

B．保持导线环位置不变，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

5．如图4－16所示，一个矩形线圈与通有相同大小的电流的平行直导线在同一平面，且处于两直导线的中央，则线框中有感应电流的是（）

图4－16

A．两电流同向且不断增大B．两电流同向且不断减小

C．两电流反向且不断增大D．两电流反向且不断减小

6．恒定的匀强磁场中有一圆形的闭合导体线圈，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，线圈中能产生感应电流（）

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．线圈绕任意一条直径做匀速转动

D．线圈绕任意一条直径做变速转动

7．如图4－17所示，A、B两回路中各有一个开关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的是（）

图4－17

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，在断开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，在断开S1的瞬间，电流计指针偏转

8．某同学做观察电磁感应现象的实验，将电流表、线圈A和B、蓄电池、开关用导线连接成如图4－18所示的实验电路，当接通、断开开关时，电流表的指针都没有偏转，其原因是（）

图4－18

A．开关位置接错

B．电流表的正负极接反

C．线圈B的接头3、4接反

D．蓄电池的正负极接反

9．如图4－19所示，若开关S闭合且螺线管A向右平动，则线圈B中______感应电流；

若A不动，而开关S由闭合变为断开的瞬间，线圈B中______感应电流。

（选填“有”或“无”）

图4－19

10．如图4－20所示，环形金属软弹簧套在条形磁铁的中心位置，若沿其半径向外拉弹簧，使其面积增大时，在弹簧内______产生感应电流。

（选填“会”或“不会”）

图4－20

11．你见过图4－21所示的这样的手电筒吗?

它是由透明塑料制成的，内有一个固定的线圈和一块没有固定的磁铁。

特殊的是它不需要电池，只要前后晃动手电筒，就会产生电能，使手电筒发光。

一般摇动30秒能发光约3－5分钟，继续摇动可以持续的发光照明。

请你简要说明这种手电筒的工作原理。

图4－21

第三节楞次定律

1．感应电流的磁场一定（）

A．阻碍引起感应电流的磁通量

B．与引起感应电流的磁场反向

C．与引起感应电流的磁场同向

D．阻碍引起感应电流的磁通量的变化

2．如图4－22所示，要使线圈Q产生图示方向的电流，可采用的方法有（）

图4－22

A．闭合开关S

B．闭合开关S后，把R的滑片向右移

C．闭合开关S后，把P中的铁芯从左边抽出

D．闭合开关S后，把Q靠近P

3．一线圈用细杆悬于P点，开始时细杆处于水平位置，线圈平面水平，释放后让它在如图4－23所示的匀强磁场中运动，已知线圈平面始终与纸面垂直，当线圈第一次通过位置Ⅰ和位置Ⅱ时，顺着磁场的方向看去，线圈中的感应电流的方向分别为（）

图4－23

A．逆时针方向，逆时针方向

B．逆时针方向，顺时针方向

C．顺时针方向，顺时针方向

D．顺时针方向，逆时针方向

4．如图4－24所示，光滑导轨MN水平放置，两根导体棒平行放于导轨上，且与导轨接触良好，形成一个闭合回路，当一条形磁铁从上方下落插向回路时，导体P、Q的运动情况是（）

图4－24

A．P、Q互相靠近

B．P、Q互相远离

C．P、Q均静止

D．因磁铁下端的极性未知，无法判断

5．现将电池组、滑动变阻器、带铁芯的线圈A、线圈B、电流计及开关连接成如图4－25所示的电路。

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（）

图4－25

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中铁芯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的绕线方向未知，故无法判断电流计指针偏转的方向

6．1931年，英国物理学家狄拉克从理论上预言，存在只有一个磁极的粒子，即“磁单极子”。

1892年，美国物理学家卡布莱拉设计了一个寻找磁单极子的实验。

他设想，如果只有N极的磁单极子从上向下穿过电阻趋于零的（超导）线圈（如图4－26所示），那么从上向下看，这个线圈中将出现（）

图4－26

A．先是逆时针方向，然后是顺时针方向的感应电流

B．先是顺时针方向，然后是逆时针方向的感应电流

C．顺时针方向持续流动的感应电流

D．逆时针方向持续流动的感应电流

7．M和N是绕在一个环形铁心上的两个线圈，绕法和线路如图4－27，现将开关S从a处断开，然后合向b处，在此过程中，通过电阻R2的电流方向是（）

图4－27

A．始终由c流向d

B．先由c流向d，后由d流向c

C．始终由d流向c

D．先由d流向c，后由c流向d

8．如图4－28所示，正方形线框abcd的边长为d，向右通过宽为L的匀强磁场，且d＜L，则在线圈进入磁场的过程中，线框中的感应电流方向为______；

在线框移出磁场的过程中，线框中的感应电流方向为______。

图4－28

9．如图4－29所示装置是研究电磁感应现象中感应电流的方向与引起感应电流的磁场变化之间关系的实验示意图，磁铁的上端是N极。

已知电流从“＋”接线柱流入电流计时，电流计指针向右偏转，电流从“－”接线柱流入电流计时，电流计指针向左偏转。

当磁铁从线圈中竖直向上拔出时，电流计指针向______偏转（选填“左”或“右”）。

图4－29

10．如图4－30所示，光滑导轨水平放置，空间存在垂直导轨平面的磁场，可移动的裸导线MN向右移动时，引起的感应电流I的方向如图中所示，则在区域A中的磁感应强度B的方向为______。

图4－30

第四节法拉第电磁感应定律

1．下列关于感应电动势大小的说法中，正确的是（）

A．线圈中磁通量变化越大，线圈中产生的感应电动势一定越大

B．线圈中磁通量越大，产生的感应电动势一定越大

C．线圈放在磁感应强度越强的地方，产生的感应电动势一定越大

D．线圈中磁通量变化越快，产生的感应电动势越大

2．一个单匝线圈内的磁通量，每秒钟均匀地增加2Wb，则（）

A．线圈中的感应电动势每秒钟增加2V

B．线圈中的感应电动势每秒钟减少2V

C．线圈中的感应电动势始终为2V

D．线圈中不产生感应电动势

3．如图4－31所示，把一阻值为R、边长为L的正方形金属线框，从磁感应强度为B的匀强磁场中，以速度v向右匀速拉出磁场。

在此过程中线框中产生了电流，此电流（）

图4－31

A．方向与图示箭头方向相同，大小为

B．方向与图示箭头方向相同，大小为

C．方向与图示箭头方向相反，大小为

D．方向与图示箭头方向相反，大小为

4．如图4－32，垂直矩形金属框的匀强磁场磁感强度为B。

导体棒ab垂直线框两长边搁在框上，ab长为l。

在∆t时间内，ab向右匀速滑过距离d，则（