第2节 电磁感应现象及其应用.docx

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第2节电磁感应现象及其应用

第2节　电磁感应现象及其应用

核心素养

物理观念

科学探究

科学态度与责任

1.知道磁通量，并进行计算。

2.了解电磁感应现象，了解产生感应电流的条件。

3.知道电磁感应现象在生产生活中的应用。

探究感应电流产生的条件，培养学生实验设计，分析论证，反思评估等能力。

了解电磁感应现象的发现过程，体会人类探究自然规律的科学态度和科学精神。

了解手机无线充电的原理，体会科技对现代社会的影响。

知识点一　磁通量

1.磁通量

（1）定义：

在匀强磁场中，磁感应强度B和与磁场方向垂直的平面面积S的乘积，叫做穿过这个面积的磁通量。

注：

磁通量可以形象地理解为“穿过一个闭合电路的磁感线的多少”。

（2）定义式：

Φ＝BS。

（3）单位：

韦伯，简称韦，符号是Wb。

1Wb＝1T·m2。

2.磁通密度：

由上式得B＝

，这表示磁感应强度等于穿过垂直磁感线的单位面积的磁通量，因此磁感应强度B又叫磁通密度。

[思考判断]

（1）磁通量不仅有大小而且有方向，所以是矢量。

（×）

（2）将一平面置于匀强磁场中的任何位置，穿过该平面的磁通量总相等。

（×）

知识点二　电磁感应现象及应用

1.探究感应电流产生的条件

实验1　如图甲所示，导体AB做切割磁感线运动时，线路中有电流产生，而导体AB顺着磁感线运动时，线路中无电流产生。

（填“有”或“无”）

甲

实验2　如图乙所示，当条形磁铁插入或抽出线圈时，线圈中有电流产生，但条形磁铁在线圈中静止不动时，线圈中无电流产生。

（填“有”或“无”）

实验3　如图丙所示，将小螺线管A插入大螺线管B中不动，当开关S闭合或断开时，电流表中有电流通过；若开关S一直闭合，当改变滑动变阻器的阻值时，电流表中有电流。

　　　　　　　乙　　　　　　　　　　　　　　丙

2.电磁感应

闭合回路的磁通量变化而产生电流的现象称为电磁感应，所产生的电流叫感应电流。

3.电磁感应的应用

（1）磁可用来记录声音、影像等数字信息，还可用来记录其他信息。

（2）无线充电：

利用电磁感应制成手机无线充电装置。

（3）动圈式话筒：

话筒是把声音转化为电信号的装置。

Φ＝BS的适用条件：

（1）匀强磁场

（2）磁感线垂直于平面，其中S为线圈所包围的磁场面积

穿过某一线圈的磁通量是由穿过该面的磁感线条数的多少决定的，与线圈匝数无关，只要n匝线圈的面积相同，放置情况也相同，则通过n匝线圈与通过单匝线圈的磁通量相同，即Φ＝BS

导体棒与电流表构成闭合回路

回路的磁通量Φ如何变化

日本科学家研制了一种新型无线充电器并进行了成功演示。

这种新型充电器能够为1米外的设备充电，随着它的出现和普及，我们将在某一天与电源插头说“再见”。

核心要点

　磁通量

[要点归纳]

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。

（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。

（3）某面积内有相反方向的磁场时，分别计算不同方向的磁场的磁通量，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。

2.磁通量的变化

大致可分为以下几种情况

（1）磁感应强度B不变，有效面积S发生变化。

如图（a）所示。

（2）有效面积S不变，磁感应强度B发生变化。

如图（b）所示。

（3）磁感应强度B和面积S都不变，它们之间的夹角发生变化。

如图（c）所示。

[试题案例]

[例1]如图所示，套在条形磁铁外的三个线圈，其面积S1>S2＝S3，线圈1、2在同一位置，且线圈3在磁铁的正中间。

设各线圈中的磁通量依次为Φ1、Φ2、Φ3，则它们的大小关系是（　　）

A.Φ1>Φ2>Φ3B.Φ1>Φ2＝Φ3

C.Φ1<Φ2<Φ3D.Φ1<Φ2＝Φ3

解析　在条形磁铁内、外都有磁场，套在条形磁铁外的三个线圈的磁通量为内部向左的磁通量减去外部向右的磁通量，而其内部向左的磁通量相同，外部向右的磁通量越大，总磁通量越小，线圈1、2在同一位置，线圈1的外部面积大，则向右的磁通量大，故Φ2>Φ1，线圈2、3面积一样，线圈3位置外部向右磁通量小，则Φ3>Φ2，可知Φ1<Φ2<Φ3，选项C正确。

答案　C

[针对训练1]法拉第在1831年发现了“磁生电”现象。

如图所示，他把两个线圈绕在同一个软铁环上，线圈A和电池连接，线圈B用导线连通，导线下面平行放置一个小磁针。

实验中可能观察到的现象是（　　）

A.用一节电池作电源小磁针不偏转，用十节电池作电源小磁针会偏转

B.线圈B匝数较少时小磁针不偏转，匝数足够多时小磁针会偏转

C.线圈A和电池接通瞬间，小磁针会偏转

D.线圈A和电池断开瞬间，小磁针不偏转

解析　根据“磁生电”即电磁感应现象的产生条件知，选项A、B错误；只有在线圈A和电池接通或断开的瞬间，线圈B中才能产生感应电流，电流产生磁场，使导线下面平行放置的小磁针发生偏转，选项C正确，D错误。

答案　C

[针对训练2]磁通量可以形象地理解为“穿过一个闭合电路的磁感线的条数”。

在如图所示磁场中，S1、S2、S3为三个面积相同的相互平行的线圈，穿过S1、S2、S3的磁通量分别为Φ1、Φ2、Φ3且都不为0。

下列判断正确的是（　　）

A.Φ1最大B.Φ2最大

C.Φ3最大D.Φ1、Φ2、Φ3相等

解析　磁通量表示穿过一个闭合电路的磁感线条数的多少，从题图中可看出穿过S1的磁感线条数最多，穿过S3的磁感线条数最少，所以Φ1＞Φ2＞Φ3。

答案　A

核心要点

　电磁感应现象及应用

[要点归纳]　

1.感应电流产生条件的理解

（1）不论什么情况，只要满足电路闭合和磁通量发生变化这两个条件，就必然产生感应电流。

（2）只要产生了感应电流，那么电路一定是闭合的，穿过该电路的磁通量也一定发生了变化。

2.ΔΦ与Φ的区别

ΔΦ与Φ意义不同，大小也没有必然的联系。

感应电流的产生与Φ无关，只取决于Φ的变化，即与ΔΦ有关。

3.感应电流的产生判断流程

（1）确定研究的闭合电路。

（2）再清楚电路内的磁场分布，并确定该电路磁通量Φ。

（3）

[试题案例]

[例2]在如下所示的各图中，闭合线框中能产生感应电流的是（　　）

A.甲和乙B.甲和丙

C.乙和丁D.丙和丁

解析　甲中磁通量周期性变化，乙中磁通量减小，丙中磁通量为0且不变，丁中磁通量始终不变，故能产生感应电流的是甲和乙，A正确。

答案　A

[例3]（多选）电磁感应现象揭示了“由磁生电”的内在规律，根据这一发现，发明了许多电器设备。

以下电器中没有利用电磁感应原理的是（　　）

A.电热毯

B.汽车防抱死制动系统（ABS）

C.电磁灶

D.电吹风

解析　A项，电热毯利用的是电流的热效应，故A没有利用电磁感应原理；B项，防抱死制动系统ABS有一个小电动机，系统比较复杂，但是没有利用电磁感应原理；C项，电磁灶是通入交流电后线圈中产生变化的电磁场，当锅放入变化的电磁场内使得锅底的自由电荷在电场力作用下做高速运动即涡流，从而产生热能，故电磁灶利用了电磁感应原理；D项，电吹风是通电后电动机转动将暖风吹出，所以没有利用电磁感应原理。

答案　ABD

[针对训练3]（多选）如图所示，下列情况能产生感应电流的是（　　）

A.如图甲所示，导体棒AB顺着磁感线运动

B.如图乙所示，条形磁铁插入或拔出线圈时

C.如图丙所示，小螺线管A插入大螺线管B中不动，开关S一直接通时

D.如图丙所示，小螺线管A插入大螺线管B中不动，开关S一直接通，当改变滑动变阻器的阻值时

解析　A中导体棒顺着磁感线运动，穿过闭合电路的磁通量没有发生变化，无感应电流，故选项A错误；B中条形磁铁插入线圈时线圈中的磁通量增加，拔出线圈时线圈中的磁通量减少，都有感应电流，故选项B正确；C中开关S一直接通，电路中为恒定电流，螺线管A产生的磁场稳定，螺线管B中的磁通量无变化，线圈中不产生感应电流，故选项C错误；D中开关S接通，滑动变阻器的阻值变化使闭合回路中的电流变化，螺线管A的磁场发生变化，螺线管B中磁通量发生变化，线圈中产生感应电流，故选项D正确。

答案　BD

1.（对磁通量的理解）（多选）如图所示，四面体OABC处在沿Ox方向的匀强磁场中，下列关于磁场穿过各个面的磁通量的说法中正确的是（　　）

A.穿过AOB面的磁通量为零

B.穿过ABC面和BOC面的磁通量相等

C.穿过AOC面的磁通量为零

D.穿过ABC面的磁通量大于穿过BOC面的磁通量

解析　此题实际就是判断磁通量的有效面积问题。

匀强磁场沿Ox方向没有磁感线穿过AOB面、AOC面，所以磁通量为零，选项A、C正确；在穿过ABC面时，磁场方向和ABC面不垂直，考虑夹角后发现，ABC面在垂直于磁感线方向上的投影就是BOC面，所以穿过二者的磁通量相等，选项B正确，D错误。

答案　ABC

2.（磁通量的计算）如图所示，半径为R的圆形线圈共有n匝，其中心位置处半径为r的范围内有匀强磁场，磁场方向垂直线圈平面，若磁感应强度为B，则穿过线圈的磁通量为（　　）

A.πBR2B.πBr2

C.nπBR2D.nπBr2

解析　由磁通量的定义式知Φ＝BS＝πBr2，选项B正确。

答案　B

3.（产生感应电流的条件）（多选）如图所示，处在匀强磁场中的线圈怎样运动或变化，线圈中才能产生感应电流（　　）

A.把线圈从磁场中拉出

B.以线圈的任意直径为轴转动

C.用力拉线圈的四周使其面积发生变化

D.线圈沿自身所在的平面在磁场区域内做加速运动

解析　题中的磁场为有界的匀强磁场，把线圈从磁场中拉出，改变的是磁场中线圈的有效面积，磁通量改变产生感应电流；以线圈的任意直径为轴转动，改变的是线圈平面与磁场方向间的夹角，磁通量改变产生感应电流；线圈面积变化时，磁通量变化，产生感应电流，线圈沿自身所在的平面做加速运动，在离开磁场前，穿过线圈的磁感线条数不发生变化，即磁通量不变，不产生感应电流，选项A、B、C正确，D错误。

答案　ABC

4.（电磁感应的应用）下列物理现象属于电磁感应的是（　　）

A.通电导线周围产生磁场

B.录音机录制声音时使电流信号录入磁带

C.磁带经过录音机的磁头时，还原出电流信号

D.电流经过导体时导体发热

解析　导线通电后能产生磁场，是电流的磁效应现象，不是电磁感应现象，故A错误；录音机使电流信号录入磁带，是电流的磁效应，不是电磁感应现象，故B错误；磁带经过录音机的磁头时，还原出电流信号，线圈在磁场中磁通量变化，导致电路中产生感应电流，是电磁感应现象，故C正确；电流经过导体时导体发热，这是电流的热效应，不是电磁感应现象，故D错误。

答案　C

基础过关

1.关于磁通量，下列说法中正确的是（　　）

A.穿过某一面积的磁通量为零，该处磁感应强度的大小为零

B.磁场中磁感应强度大的地方，磁通量一定很大

C.在磁场中所取平面的面积增大，磁通量可能减小

D.在磁场中所取平面的面积增大，磁通量总是增大

解析　穿过某个面的磁通量是指垂直穿过该面的磁感线的净条数，C项正确。

答案　C

2.关于电磁感应现象，下列说法中正确的是（　　）

A.闭合线圈放在变化的磁场中，必然有感应电流产生

B.闭合正方形线圈在匀强磁场中垂直磁感线运动，必然产生感应电流

C.穿过闭合线圈的磁通量变化时，线圈中有感应电流

D.只要穿过电路的磁通量发生变化，电路中就一定有感应电流产生

解析　产生感应电流的条件：

（1）闭合电路；

（2）磁通量Φ发生变化，两个条件缺一不可。

答案　C

3.（多选）如图所示，电流表与螺线管组成闭合电路，以下能使电流表指针偏转的是（　　）

A.将磁铁插入螺线管的过程中

B.磁铁放在螺线管中不动时

C.将磁铁从螺线管中向上抽出的过程中

D.磁铁静止而将螺线管向上移动

解析　只要螺线管中的磁通量发生变化，回路中有感应电流，指针便会偏转；只要螺线管中的磁通量不发生变化，回路中无感应电流，指针便不会偏转。

在磁铁插入、抽出过程中螺线管中的磁通量均发生变化，能产生感应电流，电流表指针偏转，故选项A、C正确；磁铁放在螺线管中不动时，螺线管中的磁通量不发生变化，无感应电流产生，故选项B错误；由于磁铁静止而螺线管向上移动，螺线管中的磁通量发生变化，有感应电流产生，电流表指针偏转，故选项D正确。

答案　ACD

4.（多选）如图所示是等腰直角三棱柱，其平面ABCD为正方形，边长为L，它们按图示方式放置于竖直向下的匀强磁场中，磁感应强度为B0，则下列说法正确的是（　　）

A.穿过ABCD平面的磁通量大小为B0L2

B.穿过BCFE平面的磁通量大小为

B0L2

C.穿过ADFE平面的磁通量大小为零

D.穿过ABCD平面的磁通量大于穿过BCFE平面的磁通量

解析　根据Φ＝BS⊥，因此通过ABCD平面的磁通量Φ＝B0L2cos45°＝

B0L2，A错误；平面BCFE⊥B0，而BC＝L，CF＝Lcos45°＝

L，所以平面BCFE的面积S＝BC·CF＝

L2，因而Φ′＝B0S＝

B0L2，B正确，D错误；平面ADFE在与B0的垂直方向上的投影面积为零，所以穿过的磁通量为零，C正确。

答案　BC

5.如图所示，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，保持bc边在纸外，ad边在纸内。

线圈由位置Ⅰ经位置Ⅱ到位置Ⅲ，且位置Ⅰ和位置Ⅲ都很靠近位置Ⅱ。

在这个过程中，线圈中的磁通量（　　）

A.是增大的B.是减小的

C.先增大，后减小D.先减小，后增大

解析　磁铁产生的磁场如图所示，线圈从位置Ⅰ到位置Ⅱ的过程中，磁感线穿过线圈的条数减少，故向上的磁通量减小，线圈从位置Ⅱ到位置Ⅲ的过程中，线圈内穿过的向下的磁通量增大，故磁通量是先减小后增大，故D正确，A、B、C错误。

答案　D

6.如图所示，匀强磁场的磁感应强度为B，方向与水平方向的夹角为30°，图中实线位置有一面积为S的矩形线圈处于磁场中，并绕着它的一条边从水平位置转到竖直位置（图中虚线位置）。

则在此过程中磁通量的变化量的大小为（　　）

A.

BSB.BS

C.

BSD.2BS

解析　取线圈在水平位置时穿过线圈的磁通量为正，则Φ1＝BSsin30°＝

BS，线圈处于竖直位置，磁感线从线圈另一面穿过，磁通量Φ2＝－BScos30°＝－

BS，故磁通量的变化量为ΔΦ＝Φ2－Φ1＝－

BS，即变化量的大小为|ΔΦ|＝

BS。

答案　C

7.某学生做“探究感应电流的产生条件”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所示的实验电路，当他闭合、断开开关时，电流表的指针都没有偏转，其原因是（　　）

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

解析　应在蓄电池电路中加开关，通、断开关时才会有变化的电流。

题图中把开关接入线圈B的电路中，对电流的变化不起作用。

选项A正确。

答案　A

能力提升

8.如图所示，一矩形线框从abcd位置移到a′b′c′d′位置的过程中，关于穿过线框的磁通量情况，下列叙述正确的是（线框平行于纸面移动）（　　）

A.一直增加

B.一直减少

C.先增加后减少

D.先增加，再减少直到零，然后再增加，然后再减少

解析　离导线越近，磁场越强，当线框从左向右靠近导线的过程中，穿过线框的磁通量增大，当线框跨在导线上向右运动时，磁通量减小，当导线在线框正中央时，磁通量为零，从该位置向右，磁通量又增大，当线框离开导线向右运动的过程中，磁通量又减小；故A、B、C错误，D正确。

答案　D

9.（多选）如图所示，线圈abcd在磁场区域ABCD中，下列哪种情况下线圈中有感应电流产生（　　）

A.把线圈变成圆形（周长不变）

B.使线圈在磁场中加速平移

C.使磁场增强或减弱

D.使线圈以过ab的直线为轴旋转

解析　把线圈变成圆形（周长不变），线圈面积变大，线圈中磁通量增大，线圈中有感应电流产生，故A项正确；使线圈在磁场中加速平移，线圈中磁通量不变，线圈中没有感应电流产生，B错误；磁场增强或减弱，线圈中磁通量增大或减小，线圈中有感应电流产生，故C项正确；使线圈以过ab的直线为轴旋转，线圈在磁场中的有效面积变化，线圈中磁通量变化，线圈中有感应电流产生，故D项正确。

答案　ACD

10.如图是机场的安检人员用手持金属探测器检查乘客的情境。

当探测线圈靠近金属物体时，在金属物体中就会产生电流，如果能检测出这种变化，就可以判定探测线圈附近有金属物体了。

下图中能反映出金属探测器工作原理的是（　　）

解析　探测器靠近金属物体时，相当于闭合电路的部分导体在切割磁感线，从而产生了电流：

选项B是导体棒切割磁感线，选项C是通电导体在磁场中受力运动，选项A、D是电流的磁效应。

综上所述，选项B正确。

答案　B

11.电磁感应现象是英国物理学家法拉第首先发现的，探究这个现象应选用如图中________（填“甲”或“乙”）所示的装置进行实验，利用电磁感应现象可以制成________，实现机械能转化为电能

解析　电磁感应现象是英国物理学家法拉第发现的；电磁感应现象的特点是没有电源而有一个电流表，用来测量产生的电流，故探究这个现象应选用如图中甲所示的装置进行实验；人们根据电磁感应现象制成了发电机。

答案　甲　发电机

12.如图所示，有一个垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度B1＝0.8T，磁场有明显的圆形边界，圆心为O，半径为1cm。

现于纸面内先后放上圆线圈A、B、C，圆心均在O处，A线圈半径为1cm，1匝；B线圈半径为2cm，1匝；C线圈半径为0.5cm，2匝。

问：

（1）在磁感应强度减为B2＝0.4T的过程中，A和B中磁通量各改变多少？

（2）在磁场方向转过30°角的过程中，C中的磁通量改变多少？

解析　

（1）设圆形磁场区域的半径为R，对A线圈有Φ1＝B1πR2，Φ2＝B2πR2，磁通量的改变量ΔΦA＝|Φ2－Φ1|＝（0.8－0.4）×3.14×（10－2）2Wb＝1.256×10－4Wb。

穿过B线圈的磁感线条数和穿过A的磁感线条数相同，即B的磁通量和A的磁通量相同，所以ΔΦB＝ΔΦA＝1.256×10－4Wb。

（2）设C线圈的半径为r，θ表示磁场方向转过的角度，则Φ3＝B1πr2，Φ4＝B1πr2cosθ，磁通量的改变量ΔΦC＝|Φ4－Φ3|＝B1πr2（1－cos30°）＝8.4×10－6Wb。

答案　

（1）1.256×10－4Wb　1.256×10－4Wb　

（2）8.4×10－6Wb