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物理必修 第三册第十三章 电磁感应与电磁波初步3 电磁感应现象及应用集体备课课件ppt
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这是一份物理必修 第三册第十三章 电磁感应与电磁波初步3 电磁感应现象及应用集体备课课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了必备知识·自主学习，奥斯特，电流的磁效，法拉第，磁生电，感应电流，电磁学，磁通量，发电机，电磁感应等内容，欢迎下载使用。
一、电磁感应的探索历程1.奥斯特梦圆“电生磁”:1820年,丹麦物理学家_______发现了______________。2.法拉第心系“磁生电”:(1)1831年,英国物理学家_______发现了电磁感应现象。产生的电流叫作__________。
(2)法拉第的概括法拉第把引起感应电流的原因概括为五类:①变化的_____;②变化的_____;③_____的恒定电流;④_____的磁铁;⑤在磁场中运动的_____。
(3)电磁感应与感应电流法拉第把他发现的_______的现象叫作电磁感应,产生的电流叫作_________。(4)发现电磁感应现象的意义①使人们对电与磁内在联系的认识更加完善,宣告了_______作为一门统一_____的诞生。②使人们找到了_______的条件,开辟了人类的电气化时代。
二、产生感应电流的条件1.探究感应电流的产生条件:(1)探究导体棒在磁场中运动是否产生感应电流(如图所示):
(2)模仿法拉第的实验(如图所示):
2.归纳产生感应电流的条件:只要穿过_____导体回路的_______发生变化,闭合电路中就有感应电流。
三、电磁感应现象的应用【情境思考】 如图所示,变压器和电磁炉都是生产和生活中常见的电器,它们有一个共同的特点,是什么呢?提示:它们工作时都利用了电磁感应的原理。
1._______是根据电磁感应原理制造的,它开辟了人类社会的电气化时代。2.生产、生活中广泛使用的变压器、电磁炉等都是根据_________制造的。
【易错辨析】(1)有电流即生磁场。( )(2)有磁场即生电流。( )(3)静止的电荷周围也能产生磁场。( )(4)穿过闭合回路的磁通量发生变化,一定产生感应电流。( )(5)有变化的磁场即生电流。( )(6)回路中有部分导体做切割磁感线运动即生电流。( )
知识点一 电流的磁效应与电磁感应现象1.区别:“动电生磁”和“动磁生电”是两个不同的过程,要抓住过程的本质,“动电生磁”是指运动电荷周围产生磁场;“动磁生电”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。“动电生磁”中的“动”是运动的意思,电荷相对磁场运动,“动磁生电”中的“动”是变化的意思。要从本质上来区分它们。2.联系:二者都是反映了电流与磁场之间的关系。
【问题探究】如图所示,甲图是美军电磁炮,乙图是家用电磁炉,它们各自是根据什么工作的呢?提示:电磁炮的工作原理是电流的磁效应,电磁炉的工作原理是电磁感应。
【典例示范】【典例】(多选)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。下列四个图中能反映出金属探测器工作原理的是( )
【解析】选B、C。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是闭合回路磁通量发生变化产生感应电流,选项A、D是电流的磁效应。综上所述,选项B、C正确。
【规律方法】是否为电磁感应现象的判断方法(1)磁生电的现象都是电磁感应现象。(2)所有的电磁感应现象都与变化和运动相联系。
【素养训练】法拉第通过精心设计的一系列实验,发现了电磁感应定律,将历史上认为各自独立的学科“电学”和“磁学”联系起来,在下面几个典型的实验设计思想中,所做的推论后来被实验否定的是( )
A.既然磁铁可以使近旁的铁块带磁,静电荷也可以使近旁的导体表面感应出电荷,那么静止导线中的稳恒电流也可在近旁静止的线圈中感应出电流B.既然磁铁可在近旁运动的导体中感应出电动势,那么稳恒电流也可在近旁运动的线圈中感应出电流C.既然运动的磁铁可在近旁静止的线圈中感应出电流,那么静止的磁铁也可在近旁运动的导体中感应出电动势D.既然运动的磁铁可在近旁的导体中感应出电动势,那么运动导线上的稳恒电流也可以在近旁的线圈中感应出电流
【解析】选A。磁铁可使近旁的铁块磁化带磁,静电荷可使近旁的导体感应带电,但静止的稳恒电流,其磁场不变,不会使静止的线圈中磁通量发生变化而产生感应电流,所以A项被实验否定,答案为A。除此之外磁铁可使运动的导体切割磁感线产生感应电动势,稳恒电流尽管磁场不变,但运动的线圈磁通量会变化,同样运动导线上的稳恒电流也会使线圈磁通量变化,综上所述B、C、D都会被实验证实是正确的。
知识点二 产生感应电流的条件角度1 实验探究感应电流的产生条件1.常见的产生感应电流的三种情况:
2.常见的考查方式:(1)对实验原理和实验器材的考查。如给定器材让实物连线或找出不需要的器材或补充缺少的器材等。这类问题要求大家对上述三个实验的原理有深刻的理解,只有这样才能有效应对这类问题。(2)对实验操作和实验现象的考查。这类问题常常给出一定的实验场景,让判断在哪些操作中能产生感应电流,哪些不能。解决这类问题需要深刻理解感应电流的产生条件,并在此基础上结合具体的实验场景做出判断。
【问题探究】如图所示:导体棒在磁场中做切割磁感线运动,灵敏电流计指针偏转吗?为什么?提示:不偏转。原因是电键没闭合,没构成闭合回路。
【典例示范】【典例1】(多选)如图是观察电磁感应现象的实验装置。闭合开关,要使灵敏电流计指针发生偏转,可采取的措施有( )A.将线圈M快速插入线圈N中B.将线圈M快速从线圈N中抽出C.快速移动滑动变阻器的滑片D.将线圈M静置于线圈N中
【解析】选A、B、C。根据题意可知,当将螺线管M插入(或拔出)螺线管N时穿过线圈N的磁通量发生变化,线圈N中产生感应电流,电流计指针偏转,A、B正确,D错误;快速移动滑动变阻器的滑片,穿过线圈N的磁通量发生变化,线圈N中产生感应电流,电流计指针偏转,故C正确。故选A、B、C。
角度2 应用电流的产生条件判断是否产生感应电流1.感应电流产生的必要条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化,所以判断感应电流有无时必须明确以下两点:(1)明确电路是否为闭合电路;(2)判断穿过回路的磁通量是否发生变化。2.判断穿过闭合导体回路的磁通量是否变化时,可充分利用磁感线来进行定性判断。即通过观察穿过闭合导体回路的磁感线的条数是否变化判断某过程中磁通量是否变化。
3.判断电磁感应现象是否发生的一般流程(1)确定研究的闭合回路;(2)弄清楚回路内的磁场分布,并确定该回路的磁通量Φ;(3)磁通量变化与感应电流的产生
【问题探究】如图所示:开关保持闭合,导体棒始终在U形磁铁的磁场中。(1)若导体棒在磁场中上下移动,灵敏电流计指针偏转吗?为什么?提示:导体棒上下移动,不切割磁感线,穿过闭合回路的磁通量不变化,电流计指针不偏转。
(2)若导体棒在磁场中前后移动,电流计指针偏转吗?为什么?提示:导体棒前后移动,不切割磁感线,穿过闭合回路的磁通量不变,电流计指针不偏转。(3)若导体棒在磁场中左右移动, 电流计指针偏转吗?提示:导体棒左右移动,切割磁感线,穿过闭合回路的磁通量发生变化,电流计指针偏转。
【典例示范】【典例2】如图所示,矩形线框abcd由静止开始运动,若要使线框中产生感应电流且磁通量逐渐变大,则线框的运动情况应该是( )A.向右平动(ad边还没有进入磁场)B.向上平动(ab边还没有离开磁场)C.以bc边为轴转动(ad边还没有转入磁场)D.以ab边为轴转动(转角不超过90°)
【解析】选A。选项A和D所描述的情况,线框在磁场中的有效面积S均发生变化(A项中S增大,D项中S变小),穿过线框的磁通量均改变,由产生感应电流的条件知线框中会产生感应电流。而选项B、C所描述的情况中,线框中的磁通量均不改变,不会产生感应电流。D项中磁通量变小。
【素养训练】(教材二次开发·P118【练习与应用】T4变式)如图,通有恒定电流的直导线右侧有一矩形线圈abcd,导线与线圈共面。如果线圈运动时不产生感应电流,线圈可能的运动是( )A.向上平移B.向右平移C.向左平移D.以ab为轴转动
【解析】选A。导线中电流强度不变时,产生的磁场不变,线圈向上移动时,穿过线框的磁通量不变,不可以产生感应电流,故A正确;线框向右运动时,线框中的磁感应强度减小,穿过线框的磁通量减小,可以产生感应电流,故B错误;线框向左运动时,线框中的磁感应强度增大,穿过线框的磁通量增大,可以产生感应电流,故C错误;线框以ab为轴转动,线框的磁通量发生变化,可以产生感应电流,故D错误。所以A正确,B、C、D错误。
【加固训练】1.(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顺着磁感线运动时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】选B、D。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B正确;C中开关S一直接通,回路中为恒定电流,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产生的磁场发生变化,螺线管B中磁通量发生变化,线圈中产生感应电流,故D正确。
2.如图所示,在竖直向下的匀强磁场中,有一闭合导体环,环面与磁场垂直。当导体环在磁场中完成下述运动时,可能产生感应电流的是( )A.导体环保持水平且在磁场中向上或向下运动B.导体环保持水平向左或向右加速平动C.导体环以垂直环面、通过环心的轴转动D.导体环以一条直径为轴,在磁场中转动
【解析】选D。只要导体环保持水平,无论它如何运动,穿过环的磁通量都不变,都不会产生感应电流,只有导体环绕通过直径的轴在磁场中转动时,穿过环的磁通量改变,才会产生感应电流,D项正确。
3.(多选)如图所示,水平面内有两条相互垂直且彼此绝缘的通电长直导线,以它们为坐标轴构成一个平面直角坐标系。四个相同的圆形闭合线圈在四个象限内完全对称放置,两直导线中的电流大小与变化情况完全相同,电流方向如图所示,当两直导线中的电流都增大时,四个线圈a、b、c、d中感应电流的情况是( )A.线圈a中无感应电流 B.线圈b中有感应电流C.线圈c中有感应电流 D.线圈d中无感应电流
【解析】选C、D。根据安培定则可判断出电流产生的磁场方向,线圈a中的磁场方向均垂直于纸面向里,线圈c中的磁场方向均垂直于纸面向外,线圈b、d中的合磁通量始终为零,故增大两直导线中的电流时,线圈a、c中的磁通量发生变化,有感应电流产生,而线圈b、d中无感应电流产生。选项C、D正确,A、B错误。
【拓展例题】考查内容:实验探究感应电流的产生条件【典例】一位同学按照如图所示连接电路,演示如下操作,并观察电流表指针的位置变化情况,根据所学知识,你来分析一下电流表指针位置的变化情况以及发生这种情况的原因。
(1)让插有软铁芯的螺线管A的轴线与线圈C的平面共面,闭合开关。(2)让螺线管A的轴线和线圈C的平面垂直,闭合开关。
【解析】(1)中的闭合线圈,虽然磁场发生了变化,但是磁通量在开关闭合前后没有发生变化,大小都是零,所以没有感应电流产生。(2)中磁场发生了变化,线圈C中的磁通量在开关闭合前后发生变化,故有感应电流产生。答案:见解析
【生活情境】重庆市某中学的几位同学把一条大约10 m 长电线的两端连接在一个灵敏电流计的接线柱上,形成闭合导体回路。甲、乙两位同学沿南北方向站立匀速摇动电线时,灵敏电流计的示数为I1,两位同学沿东西方向站立匀速摇动电线时,灵敏电流计的示数为I2,探究:(1)I1是否为零?(2)I2是否为零?
【解析】(1)沿南北方向站立匀速摇动电线时,由于北半球的磁场有向下的分量,所以穿过线圈的磁通量发生变化,有感应电流,所以I1≠0。(2)由于地球的周围存在磁场,且磁感线的方向是从地理的南极指向地理的北极,所以当两位同学朝东西方向站立,并迅速摇动电线时,导线就会做切割磁感线运动,灵敏电流计的读数I2≠0。答案:(1)I1不为零 (2)I2不为零
【实验情境】如图所示是一种延时装置的原理图,当S1闭合时,电磁铁F将衔铁D吸下,C线路接通;当S1断开时,由于电磁感应作用,D将延迟一段时间才被释放。
探究:(1)若S2闭合,该延时装置是否有延时作用?若有,简述其工作原理;若无,说明理由。(2)若S2断开,该延时装置是否有延时作用?若有,简述其工作原理;若无,说明理由。
【解析】(1)有延时作用。若S2闭合,当S1断开时,导致闭合线圈B中的磁通量变小,从而出现感应电流,致使F中仍有磁性,出现延迟一段时间才被释放,所以由于B线圈的电磁感应作用,才产生延时释放D的作用。(2)无延时作用。原因:如果断开B线圈的开关S2,B线圈构不成闭合回路,当S1断开时,B线圈中不会产生感应电流,电磁铁F的磁性立即消失,该装置也就失去了延时功能。答案:见解析
1.关于产生感应电流的条件,下列说法正确的是( )A.位于磁场中的闭合线圈一定会产生感应电流B.闭合线圈平行磁感线运动时,线圈中一定产生感应电流C.穿过闭合线圈的磁通量发生变化时,一定产生感应电流D.闭合线圈垂直磁感线运动时,线圈中一定产生感应电流
【解析】选C。位于磁场中的闭合线圈,只有磁通量发生变化,才一定会产生感应电流,故A错误;闭合线圈平行磁感线运动时,闭合电路中磁通量没有变化,则闭合电路中就没有感应电流,故B错误;穿过闭合电路的磁感线的条数发生变化,磁通量一定发生变化,则闭合电路中就有感应电流,故C正确;紧紧围绕感应电流产生的条件:闭合电路,磁通量发生变化;导体切割磁感线,磁通量不一定发生变化,故D错误。
2.如图中金属圆环均带有绝缘外皮,A项中直导线与圆环在同一平面内,B项中直导线与环面垂直,C项中直导线在圆环水平直径正上方且与直径平行,D项中直导线与圆环接触且与圆环直径重合,当电流增大时,环中有感应电流的是( )
【解析】选A。图A中电流变化,线圈中磁通量变化,线圈中有感应电流,故A正确;图B中线圈平面与电流产生的磁感线平行,因此回路中磁通量始终为零,没有感应电流,故B错误;图C、D中线圈回路中磁通量均为零,故都没有感应电流,故C、D错误。
3.如图所示,条形磁铁以速度v向螺线管靠近,下面几种说法中正确的是( )A.螺线管中不会产生感应电流B.螺线管中会产生感应电流C.只有磁铁速度足够大时,螺线管中才能产生感应电流D.只有在磁铁的磁性足够强时,螺线管中才会产生感应电流
【解析】选B。螺线管所在的回路是闭合的,当条形磁铁向螺线管靠近时,穿过闭合回路的磁通量发生变化,产生感应电流,故B正确。
4.如图所示,绕在铁芯上的线圈与电源、滑动变阻器和开关组成一闭合回路,在铁芯的右端套有一个表面绝缘的铜环a,下列各种情况铜环a中不产生感应电流的是( )A.线圈中通以恒定的电流B.通电时,使滑动变阻器的滑片P匀速移动C.通电时,使滑动变阻器的滑片P加速移动D.将开关突然断开的瞬间
【解析】选A。线圈中通以恒定电流时,铜环a处磁场不变,穿过铜环的磁通量不变,铜环中不产生感应电流。滑动变阻器滑片移动或开关断开时,线圈中电流变化,铜环a处磁场变化,穿过铜环的磁通量变化,会产生感应电流,故只有A不产生感应电流,故选A。
【加固训练】如图所示,线圈Ⅰ与电源、开关、滑动变阻器相连,线圈Ⅱ与电流计 相连,线圈Ⅰ与线圈Ⅱ绕在同一个铁芯上,在下列情况下、电流计 中是否有示数? (1)开关闭合瞬间;(2)开关闭合稳定后;(3)开关闭合稳定后来回移动滑动变阻器的滑片;(4)开关断开瞬间。
【解析】(1)开关闭合前,线圈Ⅰ、Ⅱ中均无磁场,开关闭合瞬间,线圈Ⅰ中电流从无到有,电流的磁场也从无到有,穿过线圈Ⅱ的磁通量从无到有,线圈Ⅱ中产生感应电流,电流计 有示数。(2)开关闭合稳定后,线圈Ⅰ中电流稳定不变,电流的磁场不变,此时线圈Ⅱ中虽有磁通量但磁通量稳定不变,线圈Ⅱ中无感应电流产生,电流计 无示数。
(3)开关闭合稳定后,来回移动滑动变阻器的滑片,电阻变化,线圈Ⅰ中的电流变化,电流形成的磁场也发生变化,穿过线圈Ⅱ的磁通量也发生变化,线圈Ⅱ中有感应电流产生,电流计 有示数。(4)开关断开瞬间,线圈Ⅰ中电流从有到无,电流的磁场也从有到无,穿过线圈Ⅱ的磁通量也从有到无,线圈Ⅱ中有感应电流产生,电流计 有示数。答案:(1)有 (2)没有 (3)有 (4)有
十八 电磁感应现象及应用【合格性考试】(15分钟·30分)一、选择题(本题共4小题,每题5分,共20分)1.下列属于电磁感应现象的是( )A.通电导体周围产生磁场B.通电线圈对周围小磁针有力的作用C.由于导体自身电流发生变化,在回路中产生感应电流D.电荷在磁场中定向移动形成电流
【解析】选C。根据引起感应电流的原因的五类情况可知,导体中自身电流变化在回路中产生感应电流的现象为电磁感应现象,C正确。
2.一个闭合线圈中没有产生感应电流,因此可以得出( )A.此时该处一定没有磁场B.此时该处一定没有磁场的变化C.闭合线圈的面积一定没有变化D.穿过线圈平面的磁通量一定没有变化
【解析】选D。感应电流的产生条件是闭合线圈的磁通量发生变化,闭合线圈中没有感应电流产生可能线圈始终与磁场平行,故A错误;感应电流的产生条件是闭合线圈的磁通量发生变化,磁通量的变化可以由磁场引起,也可以由线圈的面积的变化引起,闭合线圈中没有感应电流产生,不能判断出此处一定没有磁场的变化或没有面积的变化,故B、C错误;没有电流只能说明穿过闭合线圈的磁通量没有发生变化。故D正确。
3.如图所示的匀强磁场中有一个矩形闭合导线框,在下列四种情况下,线框中会产生感应电流的是( )A.线框平面始终与磁感线平行,线框在磁场中左右运动B.线框平面始终与磁感线平行,线框在磁场中上下运动C.线框绕位于线框平面内且与磁感线垂直的轴线AB转动D.线框绕位于线框平面内且与磁感线平行的轴线CD转动
【解析】选C。四种情况中初始位置线框均与磁感线平行,磁通量为零,线圈按A、B、D三种情况移动后,线框仍与磁感线平行,磁通量保持为零不变,线框中不产生感应电流;C中线圈转动后,穿过线框的磁通量不断发生变化,所以产生感应电流,C项正确。
4.下列选项中能产生感应电流的是( )【解析】选B。A项中线圈没有闭合,有感应电动势,但无感应电流产生,C项中穿过线圈的磁通量始终为零,不发生变化,D项中,线圈在匀强磁场中平动,穿过线圈的磁通量不变化,故A、C、D错误;B项中,闭合回路的面积增大,穿过回路的磁通量增大,有感应电流产生,故B正确
【加固训练】如图所示,矩形线框在磁场内做的各种运动中,能够产生感应电流的是( )
【解析】选B。A中线框的磁通量没有变化,因此没有感应电流,A错误;B中线框转动,线框中磁通量变化,有感应电流,B正确;C、D中线圈平面和磁场方向平行,没有磁通量,更没有磁通量的变化,C、D错误。
二、计算题(10分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)5.如图所示,固定于水平面上的金属架CDEF处在垂直纸面向里的匀强磁场中,金属棒MN沿框架以速度v向右做匀速运动。t=0时刻,磁感应强度为B0,此时刻MN到达的位置使MDEN构成一个边长为l的正方形。为使MN棒中不产生感应电流,从t=0开始,磁感应强度B应怎样随时间t变化?请推导出这种情况下B与t的关系式。
【解析】要使MN棒中不产生感应电流,应使穿过线框平面的磁通量不发生变化,在t=0时刻,穿过线框平面的磁通量Φ1=B0S=B0l2设t时刻的磁感应强度为B,此时刻磁通量为Φ2=Bl(l+vt)由Φ1=Φ2得B= 。答案:见解析
【选择性考试】 (10分钟·20分)6. (6分)(多选)如图所示,A、B两回路中各有一开关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中可能的是( )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
【解析】选A、D。回路A中有电源,当S1闭合后,回路中有电流,产生磁场,回路B中有磁通量。在S1闭合或断开的瞬间,回路A中的电流从无到有或从有到无,产生的磁场发生变化,从而使穿过回路B的磁通量发生变化,此时若S2是闭合的,则回路B中有感应电流,电流计指针偏转,所以选项A、D正确。
【加固训练】 (多选)闭合线圈按如图所示的方式在磁场中运动,则穿过闭合线圈的磁通量发生变化的是( )
【解析】选A、B。A图中,图示状态Φ=0,转至90°过程中Φ增大,因此磁通量发生变化;B图中离直导线越远磁场越弱,磁感线越稀,所以当线圈远离导线时,线圈中磁通量不断变小;C图中一定要把条形磁铁周围的磁感线空间分布图弄清楚,在图示位置,线圈中的磁通量为零,在向下移动过程中,线圈的磁通量一直为零,磁通量不变;D图中,随着线圈的转动,B与S都不变,B又垂直于S,所以Φ=BS始终不变,故选项A、B正确。
7.(14分)我国的探月卫星在进入近地点的地月转移轨道时,假设卫星中有一边长为50 cm的正方形导线框,由于卫星的姿势由水平方向转至竖直方向,此时地磁场磁感应强度B=4×10-5 T,方向如图所示。(sin37°=0.6,cs37°=0.8)问:(1)该过程中磁通量的改变量是多少?(2)该过程导线框中有无感应电流?
【解析】(1)设导线框在水平位置时导线框平面的法线方向竖直向上,则穿过导线框的磁通量:Φ1=BS cs 53°=6.0×10-6 Wb当导线框转至竖直位置时,导线框平面的法线方向水平向右,与磁感线所成的角为143°,穿过导线框的磁通量:Φ2=BS cs 143°=-8.0×10-6 Wb该过程磁通量的改变量:|ΔΦ|=|Φ2-Φ1|=1.4×10-5 Wb。(2)因为该过程穿过闭合导线框的磁通量发生了变化,所以一定有感应电流。答案:(1) 1.4×10-5 Wb (2)有
【加固训练】 如图所示,垂直于纸面的匀强磁场局限在虚线框内,闭合线圈由位置1穿过虚线框运动到位置2,线圈在运动过程中什么时候有感应电流,什么时候没有感应电流?为什么?
一、电磁感应的探索历程1.奥斯特梦圆“电生磁”:1820年,丹麦物理学家_______发现了______________。2.法拉第心系“磁生电”:(1)1831年,英国物理学家_______发现了电磁感应现象。产生的电流叫作__________。
(2)法拉第的概括法拉第把引起感应电流的原因概括为五类:①变化的_____;②变化的_____;③_____的恒定电流;④_____的磁铁;⑤在磁场中运动的_____。
(3)电磁感应与感应电流法拉第把他发现的_______的现象叫作电磁感应,产生的电流叫作_________。(4)发现电磁感应现象的意义①使人们对电与磁内在联系的认识更加完善,宣告了_______作为一门统一_____的诞生。②使人们找到了_______的条件,开辟了人类的电气化时代。
二、产生感应电流的条件1.探究感应电流的产生条件:(1)探究导体棒在磁场中运动是否产生感应电流(如图所示):
(2)模仿法拉第的实验(如图所示):
2.归纳产生感应电流的条件:只要穿过_____导体回路的_______发生变化,闭合电路中就有感应电流。
三、电磁感应现象的应用【情境思考】 如图所示,变压器和电磁炉都是生产和生活中常见的电器,它们有一个共同的特点,是什么呢?提示:它们工作时都利用了电磁感应的原理。
1._______是根据电磁感应原理制造的,它开辟了人类社会的电气化时代。2.生产、生活中广泛使用的变压器、电磁炉等都是根据_________制造的。
【易错辨析】(1)有电流即生磁场。( )(2)有磁场即生电流。( )(3)静止的电荷周围也能产生磁场。( )(4)穿过闭合回路的磁通量发生变化,一定产生感应电流。( )(5)有变化的磁场即生电流。( )(6)回路中有部分导体做切割磁感线运动即生电流。( )
知识点一 电流的磁效应与电磁感应现象1.区别:“动电生磁”和“动磁生电”是两个不同的过程,要抓住过程的本质,“动电生磁”是指运动电荷周围产生磁场;“动磁生电”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。“动电生磁”中的“动”是运动的意思,电荷相对磁场运动,“动磁生电”中的“动”是变化的意思。要从本质上来区分它们。2.联系:二者都是反映了电流与磁场之间的关系。
【问题探究】如图所示,甲图是美军电磁炮,乙图是家用电磁炉,它们各自是根据什么工作的呢?提示:电磁炮的工作原理是电流的磁效应,电磁炉的工作原理是电磁感应。
【典例示范】【典例】(多选)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。下列四个图中能反映出金属探测器工作原理的是( )
【解析】选B、C。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是闭合回路磁通量发生变化产生感应电流,选项A、D是电流的磁效应。综上所述,选项B、C正确。
【规律方法】是否为电磁感应现象的判断方法(1)磁生电的现象都是电磁感应现象。(2)所有的电磁感应现象都与变化和运动相联系。
【素养训练】法拉第通过精心设计的一系列实验,发现了电磁感应定律,将历史上认为各自独立的学科“电学”和“磁学”联系起来,在下面几个典型的实验设计思想中,所做的推论后来被实验否定的是( )
A.既然磁铁可以使近旁的铁块带磁,静电荷也可以使近旁的导体表面感应出电荷,那么静止导线中的稳恒电流也可在近旁静止的线圈中感应出电流B.既然磁铁可在近旁运动的导体中感应出电动势,那么稳恒电流也可在近旁运动的线圈中感应出电流C.既然运动的磁铁可在近旁静止的线圈中感应出电流,那么静止的磁铁也可在近旁运动的导体中感应出电动势D.既然运动的磁铁可在近旁的导体中感应出电动势,那么运动导线上的稳恒电流也可以在近旁的线圈中感应出电流
【解析】选A。磁铁可使近旁的铁块磁化带磁,静电荷可使近旁的导体感应带电,但静止的稳恒电流,其磁场不变,不会使静止的线圈中磁通量发生变化而产生感应电流,所以A项被实验否定,答案为A。除此之外磁铁可使运动的导体切割磁感线产生感应电动势,稳恒电流尽管磁场不变,但运动的线圈磁通量会变化,同样运动导线上的稳恒电流也会使线圈磁通量变化,综上所述B、C、D都会被实验证实是正确的。
知识点二 产生感应电流的条件角度1 实验探究感应电流的产生条件1.常见的产生感应电流的三种情况:
2.常见的考查方式:(1)对实验原理和实验器材的考查。如给定器材让实物连线或找出不需要的器材或补充缺少的器材等。这类问题要求大家对上述三个实验的原理有深刻的理解,只有这样才能有效应对这类问题。(2)对实验操作和实验现象的考查。这类问题常常给出一定的实验场景,让判断在哪些操作中能产生感应电流,哪些不能。解决这类问题需要深刻理解感应电流的产生条件,并在此基础上结合具体的实验场景做出判断。
【问题探究】如图所示:导体棒在磁场中做切割磁感线运动,灵敏电流计指针偏转吗?为什么?提示:不偏转。原因是电键没闭合,没构成闭合回路。
【典例示范】【典例1】(多选)如图是观察电磁感应现象的实验装置。闭合开关,要使灵敏电流计指针发生偏转,可采取的措施有( )A.将线圈M快速插入线圈N中B.将线圈M快速从线圈N中抽出C.快速移动滑动变阻器的滑片D.将线圈M静置于线圈N中
【解析】选A、B、C。根据题意可知,当将螺线管M插入(或拔出)螺线管N时穿过线圈N的磁通量发生变化,线圈N中产生感应电流,电流计指针偏转,A、B正确,D错误;快速移动滑动变阻器的滑片,穿过线圈N的磁通量发生变化,线圈N中产生感应电流,电流计指针偏转,故C正确。故选A、B、C。
角度2 应用电流的产生条件判断是否产生感应电流1.感应电流产生的必要条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化,所以判断感应电流有无时必须明确以下两点:(1)明确电路是否为闭合电路;(2)判断穿过回路的磁通量是否发生变化。2.判断穿过闭合导体回路的磁通量是否变化时,可充分利用磁感线来进行定性判断。即通过观察穿过闭合导体回路的磁感线的条数是否变化判断某过程中磁通量是否变化。
3.判断电磁感应现象是否发生的一般流程(1)确定研究的闭合回路;(2)弄清楚回路内的磁场分布,并确定该回路的磁通量Φ;(3)磁通量变化与感应电流的产生
【问题探究】如图所示:开关保持闭合,导体棒始终在U形磁铁的磁场中。(1)若导体棒在磁场中上下移动,灵敏电流计指针偏转吗?为什么?提示:导体棒上下移动,不切割磁感线,穿过闭合回路的磁通量不变化,电流计指针不偏转。
(2)若导体棒在磁场中前后移动,电流计指针偏转吗?为什么?提示:导体棒前后移动,不切割磁感线,穿过闭合回路的磁通量不变,电流计指针不偏转。(3)若导体棒在磁场中左右移动, 电流计指针偏转吗?提示:导体棒左右移动,切割磁感线,穿过闭合回路的磁通量发生变化,电流计指针偏转。
【典例示范】【典例2】如图所示,矩形线框abcd由静止开始运动,若要使线框中产生感应电流且磁通量逐渐变大,则线框的运动情况应该是( )A.向右平动(ad边还没有进入磁场)B.向上平动(ab边还没有离开磁场)C.以bc边为轴转动(ad边还没有转入磁场)D.以ab边为轴转动(转角不超过90°)
【解析】选A。选项A和D所描述的情况,线框在磁场中的有效面积S均发生变化(A项中S增大,D项中S变小),穿过线框的磁通量均改变,由产生感应电流的条件知线框中会产生感应电流。而选项B、C所描述的情况中,线框中的磁通量均不改变,不会产生感应电流。D项中磁通量变小。
【素养训练】(教材二次开发·P118【练习与应用】T4变式)如图,通有恒定电流的直导线右侧有一矩形线圈abcd,导线与线圈共面。如果线圈运动时不产生感应电流,线圈可能的运动是( )A.向上平移B.向右平移C.向左平移D.以ab为轴转动
【解析】选A。导线中电流强度不变时,产生的磁场不变,线圈向上移动时,穿过线框的磁通量不变,不可以产生感应电流,故A正确;线框向右运动时,线框中的磁感应强度减小,穿过线框的磁通量减小,可以产生感应电流,故B错误;线框向左运动时,线框中的磁感应强度增大,穿过线框的磁通量增大,可以产生感应电流,故C错误;线框以ab为轴转动,线框的磁通量发生变化,可以产生感应电流,故D错误。所以A正确,B、C、D错误。
【加固训练】1.(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顺着磁感线运动时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】选B、D。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B正确;C中开关S一直接通,回路中为恒定电流,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产生的磁场发生变化,螺线管B中磁通量发生变化,线圈中产生感应电流,故D正确。
2.如图所示,在竖直向下的匀强磁场中,有一闭合导体环,环面与磁场垂直。当导体环在磁场中完成下述运动时,可能产生感应电流的是( )A.导体环保持水平且在磁场中向上或向下运动B.导体环保持水平向左或向右加速平动C.导体环以垂直环面、通过环心的轴转动D.导体环以一条直径为轴,在磁场中转动
【解析】选D。只要导体环保持水平,无论它如何运动,穿过环的磁通量都不变,都不会产生感应电流,只有导体环绕通过直径的轴在磁场中转动时,穿过环的磁通量改变,才会产生感应电流,D项正确。
3.(多选)如图所示,水平面内有两条相互垂直且彼此绝缘的通电长直导线,以它们为坐标轴构成一个平面直角坐标系。四个相同的圆形闭合线圈在四个象限内完全对称放置,两直导线中的电流大小与变化情况完全相同,电流方向如图所示,当两直导线中的电流都增大时,四个线圈a、b、c、d中感应电流的情况是( )A.线圈a中无感应电流 B.线圈b中有感应电流C.线圈c中有感应电流 D.线圈d中无感应电流
【解析】选C、D。根据安培定则可判断出电流产生的磁场方向,线圈a中的磁场方向均垂直于纸面向里,线圈c中的磁场方向均垂直于纸面向外,线圈b、d中的合磁通量始终为零,故增大两直导线中的电流时,线圈a、c中的磁通量发生变化,有感应电流产生,而线圈b、d中无感应电流产生。选项C、D正确,A、B错误。
【拓展例题】考查内容:实验探究感应电流的产生条件【典例】一位同学按照如图所示连接电路,演示如下操作,并观察电流表指针的位置变化情况,根据所学知识,你来分析一下电流表指针位置的变化情况以及发生这种情况的原因。
(1)让插有软铁芯的螺线管A的轴线与线圈C的平面共面,闭合开关。(2)让螺线管A的轴线和线圈C的平面垂直,闭合开关。
【解析】(1)中的闭合线圈,虽然磁场发生了变化,但是磁通量在开关闭合前后没有发生变化,大小都是零,所以没有感应电流产生。(2)中磁场发生了变化,线圈C中的磁通量在开关闭合前后发生变化,故有感应电流产生。答案:见解析
【生活情境】重庆市某中学的几位同学把一条大约10 m 长电线的两端连接在一个灵敏电流计的接线柱上,形成闭合导体回路。甲、乙两位同学沿南北方向站立匀速摇动电线时,灵敏电流计的示数为I1,两位同学沿东西方向站立匀速摇动电线时,灵敏电流计的示数为I2,探究:(1)I1是否为零?(2)I2是否为零?
【解析】(1)沿南北方向站立匀速摇动电线时,由于北半球的磁场有向下的分量,所以穿过线圈的磁通量发生变化,有感应电流,所以I1≠0。(2)由于地球的周围存在磁场,且磁感线的方向是从地理的南极指向地理的北极,所以当两位同学朝东西方向站立,并迅速摇动电线时,导线就会做切割磁感线运动,灵敏电流计的读数I2≠0。答案:(1)I1不为零 (2)I2不为零
【实验情境】如图所示是一种延时装置的原理图,当S1闭合时,电磁铁F将衔铁D吸下,C线路接通;当S1断开时,由于电磁感应作用,D将延迟一段时间才被释放。
探究:(1)若S2闭合,该延时装置是否有延时作用?若有,简述其工作原理;若无,说明理由。(2)若S2断开,该延时装置是否有延时作用?若有,简述其工作原理;若无,说明理由。
【解析】(1)有延时作用。若S2闭合,当S1断开时,导致闭合线圈B中的磁通量变小,从而出现感应电流,致使F中仍有磁性,出现延迟一段时间才被释放,所以由于B线圈的电磁感应作用,才产生延时释放D的作用。(2)无延时作用。原因:如果断开B线圈的开关S2,B线圈构不成闭合回路,当S1断开时,B线圈中不会产生感应电流,电磁铁F的磁性立即消失,该装置也就失去了延时功能。答案:见解析
1.关于产生感应电流的条件,下列说法正确的是( )A.位于磁场中的闭合线圈一定会产生感应电流B.闭合线圈平行磁感线运动时,线圈中一定产生感应电流C.穿过闭合线圈的磁通量发生变化时,一定产生感应电流D.闭合线圈垂直磁感线运动时,线圈中一定产生感应电流
【解析】选C。位于磁场中的闭合线圈,只有磁通量发生变化,才一定会产生感应电流,故A错误;闭合线圈平行磁感线运动时,闭合电路中磁通量没有变化,则闭合电路中就没有感应电流,故B错误;穿过闭合电路的磁感线的条数发生变化,磁通量一定发生变化,则闭合电路中就有感应电流,故C正确;紧紧围绕感应电流产生的条件:闭合电路,磁通量发生变化;导体切割磁感线,磁通量不一定发生变化,故D错误。
2.如图中金属圆环均带有绝缘外皮,A项中直导线与圆环在同一平面内,B项中直导线与环面垂直,C项中直导线在圆环水平直径正上方且与直径平行,D项中直导线与圆环接触且与圆环直径重合,当电流增大时,环中有感应电流的是( )
【解析】选A。图A中电流变化,线圈中磁通量变化,线圈中有感应电流,故A正确;图B中线圈平面与电流产生的磁感线平行,因此回路中磁通量始终为零,没有感应电流,故B错误;图C、D中线圈回路中磁通量均为零,故都没有感应电流,故C、D错误。
3.如图所示,条形磁铁以速度v向螺线管靠近,下面几种说法中正确的是( )A.螺线管中不会产生感应电流B.螺线管中会产生感应电流C.只有磁铁速度足够大时,螺线管中才能产生感应电流D.只有在磁铁的磁性足够强时,螺线管中才会产生感应电流
【解析】选B。螺线管所在的回路是闭合的,当条形磁铁向螺线管靠近时,穿过闭合回路的磁通量发生变化,产生感应电流,故B正确。
4.如图所示,绕在铁芯上的线圈与电源、滑动变阻器和开关组成一闭合回路,在铁芯的右端套有一个表面绝缘的铜环a,下列各种情况铜环a中不产生感应电流的是( )A.线圈中通以恒定的电流B.通电时,使滑动变阻器的滑片P匀速移动C.通电时,使滑动变阻器的滑片P加速移动D.将开关突然断开的瞬间
【解析】选A。线圈中通以恒定电流时,铜环a处磁场不变,穿过铜环的磁通量不变,铜环中不产生感应电流。滑动变阻器滑片移动或开关断开时,线圈中电流变化,铜环a处磁场变化,穿过铜环的磁通量变化,会产生感应电流,故只有A不产生感应电流,故选A。
【加固训练】如图所示,线圈Ⅰ与电源、开关、滑动变阻器相连,线圈Ⅱ与电流计 相连,线圈Ⅰ与线圈Ⅱ绕在同一个铁芯上,在下列情况下、电流计 中是否有示数? (1)开关闭合瞬间;(2)开关闭合稳定后;(3)开关闭合稳定后来回移动滑动变阻器的滑片;(4)开关断开瞬间。
【解析】(1)开关闭合前,线圈Ⅰ、Ⅱ中均无磁场,开关闭合瞬间,线圈Ⅰ中电流从无到有,电流的磁场也从无到有,穿过线圈Ⅱ的磁通量从无到有,线圈Ⅱ中产生感应电流,电流计 有示数。(2)开关闭合稳定后,线圈Ⅰ中电流稳定不变,电流的磁场不变,此时线圈Ⅱ中虽有磁通量但磁通量稳定不变,线圈Ⅱ中无感应电流产生,电流计 无示数。
(3)开关闭合稳定后,来回移动滑动变阻器的滑片,电阻变化,线圈Ⅰ中的电流变化,电流形成的磁场也发生变化,穿过线圈Ⅱ的磁通量也发生变化,线圈Ⅱ中有感应电流产生,电流计 有示数。(4)开关断开瞬间,线圈Ⅰ中电流从有到无,电流的磁场也从有到无,穿过线圈Ⅱ的磁通量也从有到无,线圈Ⅱ中有感应电流产生,电流计 有示数。答案:(1)有 (2)没有 (3)有 (4)有
十八 电磁感应现象及应用【合格性考试】(15分钟·30分)一、选择题(本题共4小题,每题5分,共20分)1.下列属于电磁感应现象的是( )A.通电导体周围产生磁场B.通电线圈对周围小磁针有力的作用C.由于导体自身电流发生变化,在回路中产生感应电流D.电荷在磁场中定向移动形成电流
【解析】选C。根据引起感应电流的原因的五类情况可知,导体中自身电流变化在回路中产生感应电流的现象为电磁感应现象,C正确。
2.一个闭合线圈中没有产生感应电流,因此可以得出( )A.此时该处一定没有磁场B.此时该处一定没有磁场的变化C.闭合线圈的面积一定没有变化D.穿过线圈平面的磁通量一定没有变化
【解析】选D。感应电流的产生条件是闭合线圈的磁通量发生变化,闭合线圈中没有感应电流产生可能线圈始终与磁场平行,故A错误;感应电流的产生条件是闭合线圈的磁通量发生变化,磁通量的变化可以由磁场引起,也可以由线圈的面积的变化引起,闭合线圈中没有感应电流产生,不能判断出此处一定没有磁场的变化或没有面积的变化,故B、C错误;没有电流只能说明穿过闭合线圈的磁通量没有发生变化。故D正确。
3.如图所示的匀强磁场中有一个矩形闭合导线框,在下列四种情况下,线框中会产生感应电流的是( )A.线框平面始终与磁感线平行,线框在磁场中左右运动B.线框平面始终与磁感线平行,线框在磁场中上下运动C.线框绕位于线框平面内且与磁感线垂直的轴线AB转动D.线框绕位于线框平面内且与磁感线平行的轴线CD转动
【解析】选C。四种情况中初始位置线框均与磁感线平行,磁通量为零,线圈按A、B、D三种情况移动后,线框仍与磁感线平行,磁通量保持为零不变,线框中不产生感应电流;C中线圈转动后,穿过线框的磁通量不断发生变化,所以产生感应电流,C项正确。
4.下列选项中能产生感应电流的是( )【解析】选B。A项中线圈没有闭合,有感应电动势,但无感应电流产生,C项中穿过线圈的磁通量始终为零,不发生变化,D项中,线圈在匀强磁场中平动,穿过线圈的磁通量不变化,故A、C、D错误;B项中,闭合回路的面积增大,穿过回路的磁通量增大,有感应电流产生,故B正确
【加固训练】如图所示,矩形线框在磁场内做的各种运动中,能够产生感应电流的是( )
【解析】选B。A中线框的磁通量没有变化,因此没有感应电流,A错误;B中线框转动,线框中磁通量变化,有感应电流,B正确;C、D中线圈平面和磁场方向平行,没有磁通量,更没有磁通量的变化,C、D错误。
二、计算题(10分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)5.如图所示,固定于水平面上的金属架CDEF处在垂直纸面向里的匀强磁场中,金属棒MN沿框架以速度v向右做匀速运动。t=0时刻,磁感应强度为B0,此时刻MN到达的位置使MDEN构成一个边长为l的正方形。为使MN棒中不产生感应电流,从t=0开始,磁感应强度B应怎样随时间t变化?请推导出这种情况下B与t的关系式。
【解析】要使MN棒中不产生感应电流,应使穿过线框平面的磁通量不发生变化,在t=0时刻,穿过线框平面的磁通量Φ1=B0S=B0l2设t时刻的磁感应强度为B,此时刻磁通量为Φ2=Bl(l+vt)由Φ1=Φ2得B= 。答案:见解析
【选择性考试】 (10分钟·20分)6. (6分)(多选)如图所示,A、B两回路中各有一开关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中可能的是( )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
【解析】选A、D。回路A中有电源,当S1闭合后,回路中有电流,产生磁场,回路B中有磁通量。在S1闭合或断开的瞬间,回路A中的电流从无到有或从有到无,产生的磁场发生变化,从而使穿过回路B的磁通量发生变化,此时若S2是闭合的,则回路B中有感应电流,电流计指针偏转,所以选项A、D正确。
【加固训练】 (多选)闭合线圈按如图所示的方式在磁场中运动,则穿过闭合线圈的磁通量发生变化的是( )
【解析】选A、B。A图中,图示状态Φ=0,转至90°过程中Φ增大,因此磁通量发生变化;B图中离直导线越远磁场越弱,磁感线越稀,所以当线圈远离导线时,线圈中磁通量不断变小;C图中一定要把条形磁铁周围的磁感线空间分布图弄清楚,在图示位置,线圈中的磁通量为零,在向下移动过程中,线圈的磁通量一直为零,磁通量不变;D图中,随着线圈的转动,B与S都不变,B又垂直于S,所以Φ=BS始终不变,故选项A、B正确。
7.(14分)我国的探月卫星在进入近地点的地月转移轨道时,假设卫星中有一边长为50 cm的正方形导线框,由于卫星的姿势由水平方向转至竖直方向,此时地磁场磁感应强度B=4×10-5 T,方向如图所示。(sin37°=0.6,cs37°=0.8)问:(1)该过程中磁通量的改变量是多少?(2)该过程导线框中有无感应电流?
【解析】(1)设导线框在水平位置时导线框平面的法线方向竖直向上,则穿过导线框的磁通量:Φ1=BS cs 53°=6.0×10-6 Wb当导线框转至竖直位置时,导线框平面的法线方向水平向右,与磁感线所成的角为143°,穿过导线框的磁通量:Φ2=BS cs 143°=-8.0×10-6 Wb该过程磁通量的改变量:|ΔΦ|=|Φ2-Φ1|=1.4×10-5 Wb。(2)因为该过程穿过闭合导线框的磁通量发生了变化,所以一定有感应电流。答案:(1) 1.4×10-5 Wb (2)有
【加固训练】 如图所示,垂直于纸面的匀强磁场局限在虚线框内,闭合线圈由位置1穿过虚线框运动到位置2,线圈在运动过程中什么时候有感应电流,什么时候没有感应电流?为什么?
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