高中物理 第1章 电磁感应与现代生活 11 电磁感应划时代的发现教师用书 沪科版选修32.docx

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高中物理第1章电磁感应与现代生活11电磁感应划时代的发现教师用书沪科版选修32

1.1　电磁感应——划时代的发现

学习目标

知识脉络

1.了解电磁感应现象的发现过程，体会人类探索自然规律的科学态度和科学精神.

2.知道电磁感应现象和感应电流的定义.

3.掌握探究感应电流产生条件的实验，并理解感应电流产生的条件.（难点）

4.掌握运用感应电流的产生条件判断感应电流能否产生.（重点）

法拉第发现电磁感应的艰难历程

1.1820年，丹麦物理学家奥斯特发现载流导线能使小磁针偏转，说明电流产生磁场，这种作用称为电流的磁效应.

2.1831年，19世纪伟大的物理学家法拉第发现了电磁感应现象.

3.由磁得到电的现象叫做电磁感应现象.在电磁感应现象中产生的电流叫做感应电流.

1.首先发现电磁感应现象的科学家是奥斯特.（×）

2.电磁感应现象是把电转变为磁的过程.（×）

3.穿过闭合线圈的磁通量发生变化，一定能产生感应电流.（√）

研究磁生电的科学家很多，为什么没有成功？

【提示】　很多科学家在实验中没有注意到磁场的变化、导体与磁场之间的相对运动等环节，只想把导体放入磁场中来获得电流，这实际上违背了能量转化与守恒定律.

1821年，英国科学家法拉第评价奥斯特的发现：

“他突然打开了科学中一个黑暗领域的大门，使其充满光明.”

1822年，法拉第在一篇日记中写下了要“由磁生电”的豪言壮语.

探讨1：

奥斯特发现电流磁效应引发了怎样的哲学思考？

法拉第持怎样的观点？

【提示】　奥斯特发现电流磁效应引发了对称性的普遍思考：

既然电流能够引发磁针的运动，那么磁铁也会使导线产生电流.法拉第坚信：

磁与电之间也应该有类似的“感应”.

探讨2：

法拉第经历了多次失败后，终于发现了电磁感应现象，法拉第由此领悟到了什么？

【提示】　多次失败后，1831年8月29日，法拉第终于发现了电磁感应现象.他立即领悟到：

“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应.

1.从“电生磁”到“磁生电”

（1）自1820年奥斯特发现了电流的磁效应后，许多科学家就想到了利用磁场来获得电流，并为之做了很多的努力，但都未获得成功.

（2）很多科学家在利用磁场来获得电流的过程中经历了很多次失败，其主要原因是思想意识问题，即没有从“稳态”的猜想转变到“暂态”的考虑上来.

2.电磁感应现象和电流磁效应的关系

电磁感应现象

电流磁效应

关系

由磁得到电的现象

电流产生磁场

电能够生磁，磁能够生电

1.首先发现电流的磁效应和电磁感应现象的物理学家分别是（　　）

A.安培和法拉第B.法拉第和楞次

C.奥斯特和安培D.奥斯特和法拉第

【解析】　1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，1831年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象，选项D正确.

【答案】　D

2.法拉第发现了“磁生电”的现象，不仅推动了电磁理论的发现，而且推动了电磁技术的发展，引领人类进入了电气时代.下列哪些器件工作时用到了法拉第的“磁生电”的现象（　　）

A.电视机的显像管B.磁流体发电机

C.指南针D.电磁炉

【解析】　电视机的显像管利用了电子在电场中的偏转，故A错；磁流体发电机利用了带电粒子在磁场力作用下的偏转，故B错；指南针利用了地磁场对磁极的作用，故C错；电磁炉利用了变化的磁场使被加热物体（铁锅）中产生感应电流而发热，即利用了“磁生电”，故D对.

【答案】　D

3.下列现象中属于电磁感应现象的是（　　）

【导学号：

72000000】

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.电流周围产生磁场

【解析】　选项A是通电导体在磁场中受到安培力作用，不属于电磁感应现象；选项B是利用磁场产生电流，是电磁感应现象；选项C是铁磁性物质在磁场中被磁化，内部的分子电流方向在外磁场的作用下趋于一致，但不属于利用磁场产生电流，所以它也不属于电磁感应现象；选项D是电流的磁效应，是电磁感应的逆效应.

【答案】　B

1电磁感应现象是磁生电现象.

2电生磁的现象不属于电磁感应现象.

探究感应电流产生的条件

1.能够产生感应电流的三个典型的实验是

（1）条形磁铁和线圈发生相对运动.

（2）闭合电路中导体切割磁感线.

（3）改变原线圈中电流，在副线圈中产生感应电流.

2.法拉第把可以产生电磁感应的情况概括为

（1）变化的电流.

（2）变化的磁场.

（3）运动的磁铁.

（4）在磁场中运动的导体等.

3.实验结论

只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就会产生感应电流.

1.只要闭合线圈做切割磁感线运动，就一定能产生感应电流.（×）

2.当导体棒切割磁感线时，就一定会发生电磁感应现象.（√）

3.闭合线圈和磁场发生相对运动时，一定能产生感应电流.（×）

如图111所示，把一条大约10m长的电线的两端连在一个灵敏电流表的两个接线柱上，形成闭合电路.两个同学迅速摇动这条电线，可以发电吗？

简述你的理由.你认为两个同学沿哪个方向站立时，发电的可能性比较大？

图111

【提示】　闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，闭合电路中有感应电流产生.当两个同学迅速摇动电线时，相当于闭合电路的部分导体切割地磁场的磁感线，因此可以发电.当摇动电线的方向与地磁场平行时无感应电流，而当摇动电线的方向与地磁场垂直时产生的感应电流最大.地磁场是沿南北方向的，故当摇动电线的两个同学东西方向站立时，发电的可能性最大.

通过如图112所示的实验，得到产生感应电流的方法.

图112

（1）线圈不动，条形磁铁上下、左右（小幅度）运动.

（2）条形磁铁不动，线圈上下、左右（小幅度）运动.

探讨1：

以上操作中，线圈的磁通量是否变化？

【提示】　变化

探讨2：

能引起线圈的磁通量变化的因素有哪些？

【提示】　引起磁通量变化的原因有：

①磁感应强度B发生变化；②闭合电路的面积发生变化；③磁感应强度B和线圈平面的夹角θ发生变化.

探讨3：

磁通量有正负吗？

它是矢量吗？

【提示】　磁通量有正负，但它是标量.计算时用多数的磁感线的方向作为线圈所包围的磁场的方向.即一般最终结果取正值.

1.明确基本规律

（1）不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有感应电流产生，这种现象叫电磁感应现象.

（2）感应电流产生的条件：

①电路为闭合回路；②穿过闭合回路的磁通量要发生变化，两个条件必须同时具备.

2.判断有无感应电流的一般方法

分析是否产生感应电流，关键是要分析穿过闭合线圈的磁通量是否发生变化，而分析磁通量是否有变化，关键要知道磁感线是如何分布的.所以在做这类题时应注意：

（1）熟记条形磁铁和蹄形磁铁内、外磁感线分布的立体形状，它是解决问题的基础.

（2）学会找特殊位置并分析其变化.

利用磁感线判断磁通量的变化：

若线圈所包围的磁感线穿过线圈平面的方向相同时，条数增加，磁通量增加；若穿过线圈平面的磁感线方向相反时，某一个方向是多数的磁感线条数增加，则磁通量增加，某一个方向是少数的磁感线条数增加，则磁通量减少.总之，要用穿过线圈磁感线的净条数的增、减判断磁通量的变化，要用多数的磁感线的方向作为线圈所包围的磁场的方向.

3.磁通量变化的几种情况

根据磁通量的计算公式Φ＝BSsinθ（其中θ为闭合电路所围成的平面与磁感线之间的夹角），因此决定磁通量的因素有三个方面，B、S、θ的变化都会导致磁通量的变化，从而使闭合电路产生感应电流.

（1）由于磁场变化而引起穿过闭合回路的磁通量发生变化，即S不变B变化.

当条形磁铁的N极向下插入（离开）线圈时（如图113所示），由于离N极近处的磁感应强度B较强，使得线圈内部空间的磁感应强度变大（小），而线圈所包围的面积不变，导致线圈中的磁通量增大（减少），从而在闭合线圈内产生感应电流.

图113

（2）由于闭合回路的面积S发生变化而引起磁通量变化，即B不变S变化.

如图114所示，金属导体框架处在匀强磁场中，当导体棒ab左右滑动时，由于ab左右滑动使闭合回路的面积变化，引起穿过闭合回路的磁通量发生变化，闭合回路产生感应电流.

图114

（3）当线圈平面与磁场方向的夹角θ发生变化时，即线圈在垂直于磁场方向的投影面积S⊥＝Ssinθ发生变化，从而引起穿过线圈平面的磁通量发生变化，即B、S不变，θ变化.

如图115所示，在匀强磁场中，有闭合矩形线圈abcd，可绕垂直于磁感线的固定轴OO′转动.在转动中，由于线圈平面与磁感线方向的夹角θ不断地变化，所以穿过线圈平面的磁通量也在不断变化，从而在线圈中产生感应电流.

图115

4.有一正方形闭合线圈，在足够大的匀强磁场中运动.图中能产生感应电流的是（　　）

【导学号：

72000001】

图

【解析】　A中线圈不切割磁感线，所以A中线圈没有感应电流产生，故A错.B、C、D中线圈均在切割磁感线，即使切割了磁感线，也不能保证就能产生感应电流，比如B和C中的线圈竖直边切割了磁感线，但闭合线圈的磁通量没有发生变化，故B、C中的线圈也没有感应电流产生.故B、C错，D对.

【答案】　D

5.如图116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，它们的磁通量分别为Φa、Φb、Φc，下列说法中正确的是（　　）

【导学号：

72000002】

图116

A.Φa<Φb<ΦcB.Φa>Φb>Φc

C.Φa<Φc<ΦbD.Φa>Φc>Φb

【解析】　当a中有电流通过时，穿过a、b、c三个闭合线圈的向里的磁感线条数一样多，向外的磁感线的条数c最多，其次是b，a中没有向外的磁感线，因此，根据合磁通量的计算，应该是：

Φa>Φb>Φc.

【答案】　B

6.如图117所示为法拉第研究“磁生电”现象的实验装置原理图.两个线圈分别绕在一个铁环上，线圈A接直流电源，线圈B接灵敏电流计，下列哪种情况不可能使线圈B中产生感应电流（　　）

图117

A.开关S接通或断开瞬间

B.开关S接通一段时间之后

C.开关S接通后，改变滑动变阻器滑片的位置时

D.拿走铁环，再做这个实验，开关S接通或断开的瞬间

【解析】　根据法拉第对产生感应电流的概括，A，C，D中符合变化的电流（变化的磁场）产生感应电流的现象；B中开关S接通一段时间之后，线圈A中是恒定电流，而“磁生电”是一种在变化、运动过程才能出现的效应，故不能使线圈B中产生感应电流.

【答案】　B

感应电流产生条件的两点理解

（1）在闭合回路中是否产生感应电流，取决于穿过回路的磁通量是否发生变化，而不是取决于回路中有无磁通量.

（2）闭合回路的部分导体做切割磁感线运动是引起回路磁通量变化的具体形式之一.但闭合回路的部分导体做切割磁感线运动时，不一定总会引起闭合回路的磁通量变化.如图，矩形线框abcd在范围足够大的匀强磁场中在垂直磁场的平面内向右平动，虽然ad、bc边都切割磁感线，但磁场穿过回路abcd的磁通量没有变化，因而没有产生感应电流.

学业分层测评

（一）

（建议用时：

45分钟）

[学业达标]

1.（2015·江苏高考）静电现象在自然界中普遍存在，我国早在西汉末年已有对静电现象的记载，《春秋纬·考异邮》中有“玳瑁吸

”之说，但下列不属于静电现象的是（　　）

A.梳过头发的塑料梳子吸起纸屑

B.带电小球移至不带电金属球附近，两者相互吸引

C.小线圈接近通电线圈过程中，小线圈中产生电流

D.从干燥的地毯上走过，手碰到金属把手时有被电击的感觉

【解析】　用塑料梳子梳头发时相互摩擦，塑料梳子会带上电荷吸引纸屑，选项A属于静电现象；带电小球移至不带电金属球附近，由于静电感应，金属小球在靠近带电小球一端会感应出与带电小球异号的电荷，两者相互吸引，选项B属于静电现象；小线圈接近通电线圈过程中，由于电磁感应现象，小线圈中产生感应电流，选项C不属于静电现象；从干燥的地毯上走过，由于摩擦生电，当手碰到金属把手时瞬时产生较大电流，人有被电击的感觉，选项D属于静电现象.

【答案】　C

2.下列说法正确的是（　　）

A.磁感应强度B增强，磁通量一定变大

B.线圈面积S增大，磁通量一定变大

C.只要穿过电路的磁通量不为零，电路中一定产生感应电流

D.穿过闭合电路的磁通量增加，电路中产生感应电流

【解析】　磁通量为磁感应强度B与垂直磁场方向的线圈面积S的乘积，磁通量发生变化可能是磁感应强度发生变化，也可能是线圈面积发生变化，还可能是磁场与线圈的夹角发生变化引起的，若磁感应强度和线圈面积同时变化，则磁通量不一定变化，故A，B均错；电路中有无感应电流产生取决于穿过回路的磁通量是否发生变化，而不是回路中有无磁通量，故选项C错，D正确.

【答案】　D

3.如图118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（　　）

【导学号：

72000003】

图118

A.πBR2　　B.πBr2　　C.nπBR2　　D.nπBr2

【解析】　由磁通量的定义式知Φ＝BS＝πBr2；磁通量与线圈的匝数无关.故B正确.

【答案】　B

4.（多选）在匀强磁场中有两根平行的金属导轨，磁场方向与导轨平面垂直，导轨上有两根可沿导轨平动的导体棒ab、cd，两根导体棒匀速移动的速度分别为v1和v2，如图119所示，则下列情况可以使回路中产生感应电流的是（　　）

【导学号：

72000004】

图119

A.ab、cd均向右运动，且v1＝v2

B.ab、cd均向右运动，且v1＞v2

C.ab、cd均向左运动，且v1＞v2

D.ab向右运动，cd向左运动，且v1＝v2

【解析】　ab、cd均向右运动，当v1＝v2时，闭合回路的磁通量不变，故无感应电流产生，A项错误；B、D两项所述情况，闭合回路的磁通量增加，C项所述情况，闭合回路的磁通量减少，均有感应电流产生.

【答案】　BCD

5.如图1110所示，ab是水平面上一个圆的直径，在过ab的竖直平面内有一根通电导线ef.已知ef平行于ab，当ef竖直向上平移时，ef中的电流I产生的磁场穿过圆面积的磁通量将（　　）

图1110

A.逐渐增大B.逐渐减小

C.始终为零D.不为零，但保持不变

【解析】　利用安培定则判断直线电流产生的磁场，考虑到磁场具有对称性，可以知道，穿过线圈的磁感线的条数与穿出线圈的磁感线条数是相等的，故选C.

【答案】　C

6.如图1111为研究电磁感应现象的实验装置.下列哪种情况下电流表指针不会偏转（　　）

【导学号：

72000005】

图1111

A.闭合开关的瞬间

B.闭合开关后，电路中电流稳定时

C.闭合开关后，移动滑动变阻器的滑片时

D.闭合开关后，把线圈A从线圈B中拉出时

【解析】　电流表指针不偏转，说明电流表与B线圈组成的电路中无电流，根据感应电流产生的条件，只需要检查B线圈中磁通量是否变化即可.

闭合开关时，电路中的电流从无到有，A中的磁场从无到有，故穿过B的磁通量发生变化，电流表中有电流流过；当电路中电流稳定时，穿过B的磁通量不再发生变化，电流表中无电流流过；移动滑动变阻器的滑片时，会造成A中电流大小变化，能引起B的磁通量变化，电流表中有电流流过；把线圈A从线圈B中拉出时，穿过B的磁通量减少，电流表中有电流流过.故只有选项B符合要求.

【答案】　B

7.如图1112所示，一有限范围的匀强磁场宽度为d，若将一个边长为L的正方形导线框以速度v匀速地通过磁场区域，已知d＞L，则导线框从开始进入到完全离开磁场的过程中无感应电流的时间等于（　　）

【导学号：

72000006】

图1112

A.

B.

C.

D.

【解析】　只有导线框完全在磁场里面运动时，导线框中才无感应电流.

【答案】　C

8.磁通量是研究电磁感应现象的重要物理量，如图所示，通有恒定电流的直导线MN与闭合线框共面，第一次将线框由位置1平移到位置2，第二次将线框由位置1绕cd边翻转到位置2，设前后两次通过线框的磁通量变化分别为ΔΦ1和ΔΦ2则（　　）

图1113

A.ΔΦ1＞ΔΦ2B.ΔΦ1＝ΔΦ2

C.ΔΦ1＜ΔΦ2D.无法确定

【解析】　第一次将线框由位置1平移到位置2，磁感线从线框的同一侧穿入，ΔΦ1为前后两位置磁通量的绝对值之差.第二次将线框由位置1绕cd边翻转到位置2，磁感线从线框的不同侧穿入，ΔΦ2为前后两位置磁通量的绝对值之和，故ΔΦ1＜ΔΦ2.选项C正确.

【答案】　C

[能力提升]

9.如图1114所示，匀强磁场的磁感应强度为B，B的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）.在此过程中磁通量的改变量大小为（　　）

【导学号：

72000007】

图1114

A.

BSB.BS

C.

BSD.2BS

【解析】　取线圈在水平位置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.

故线圈中的磁通量的改变量ΔΦ＝Φ2－Φ1

＝－

BS，

即改变量大小为|ΔΦ|＝

BS.

【答案】　C

10.如图1115所示，a、b是两个同平面、同心放置的金属圆环，条形磁铁穿过圆环且与两环平面垂直，则通过两圆环的磁通量Φa、Φb（　　）

【导学号：

72000008】

图1115

A.Φa＞Φb

B.Φa＜Φb

C.Φa＝Φb

D.无法比较

【解析】　条形磁铁磁场的磁感线的分布特点是：

①磁铁内外磁感线的条数相同.②磁铁内外磁感线的方向相反.③磁铁外部磁感线的分布是两端密、中间疏.两个同心放置的同平面的金属圆环与磁铁垂直且磁铁在中央时，通过其中的磁感线的俯视图如图所示，穿过圆环的磁通量Φ＝Φ进－Φ出，由于两圆环面积Sa＜Sb，两圆环的Φ进相同，而Φ出a＜Φ出b，所以穿过两圆环的有效磁通量Φa＞Φb，故A正确.

【答案】　A

11.如图1116所示，有一个垂直纸面向里的匀强磁场，B＝0.8T，磁场有明显的圆形边界，圆心为O，半径为1cm.现在纸面内先后放上与磁场垂直的圆线圈，圆心均在O处，A线圈半径为1cm，10匝；B线圈半径为2cm,1匝；C线圈半径为0.5cm,1匝.问：

图1116

（1）在磁感应强度减为0.4T的过程中，A和B中磁通量改变了多少？

（2）在磁场转过30°角的过程中，C中磁通量改变了多少？

【解析】　

（1）对A线圈：

Φ1＝B1πR2

Φ2＝B2πR2

磁通量改变量为ΔΦA＝|Φ2－Φ1|≈（0.8－0.4）×3.14×（1×10－2）2Wb＝1.256×10－4Wb

对B线圈：

ΔΦB＝|Φ2－Φ1|≈（0.8－0.4）×3.14×（1×10－2）2Wb＝1.256×10－4Wb

（2）对C线圈：

ΦC＝Bπr2，磁场转过30°时，ΦC′＝Bπr2·cos30°

磁通量改变量：

ΔΦC＝|ΦC′－ΦC|＝Bπr2（1－cos30°）≈0.8×3.14×（5×10－3）2×（1－0.866）Wb≈8.4×10－6Wb.

【答案】　

（1）1.256×10－4Wb

1.256×10－4Wb

（2）8.4×10－6Wb

12.如图1117所示，磁感应强度大小为B的匀强磁场仅存在于边长为2L的正方形范围内，左右各一半面积的范围内，磁场方向相反，有一个电阻为R、边长为L的正方形导线框abcd，沿垂直磁感线方向以速度v匀速通过磁场，从ab边进入磁场算起.画出穿过线框的磁通量随时间的变化图像.

【导学号：

72000009】

图1117

【解析】　线框穿过磁场的过程可分为三个阶段：

进入磁场阶段（只有ab边在磁场中），在磁场中运动阶段（ab、cd两边都在磁场中），离开磁场阶段（只有cd边在磁场中）.

（1）线框进入磁场阶段：

t为0→

，线框进入磁场中的面积线性增加，S＝L·v·t，最后为Φ＝B·S＝BL2.

（2）线框在磁场中运动阶段：

t为

→

，线框磁通量逐渐减少为零.

（3）线框在磁场中运动阶段：

t为

→

，线框磁通量反向增加，最后为BL2.

（4）线框穿出磁场阶段：

t为

→

，线框磁通量减少，最后为零.Φt图像如图所示.

【答案】　见解析