高中物理人教版 (2019)必修 第三册3 电磁感应现象及应用同步训练题

3　电磁感应现象及应用

[学习目标]　1.知道什么是电磁感应现象.2.通过实验探究感应电流产生的条件.3.了解电磁感应现象的应用．

一、划时代的发现

1．“电生磁”的发现

1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应．

2．“磁生电”的发现

1831年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象．

3．电磁感应

法拉第把他发现的磁生电的现象叫作电磁感应，产生的电流叫作感应电流．

二、产生感应电流的条件

1．实验：探究感应电流产生的条件

探究一：如图1甲实验中，让导体棒在磁场中保持相对静止时或者平行于磁场运动时，无论磁场多强，闭合回路中都没有电流，当导体ab做切割磁感线运动时，闭合回路中有电流产生．

图1

探究二：如图乙，当线圈A的电流不变时，线圈B所在的回路中没有电流产生；当线圈A的电流变化时，线圈B所在回路中就有了电流．

2．产生感应电流的条件：当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，闭合导体回路中就产生感应电流．

三、电磁感应现象的应用

生产、生活中广泛使用的变压器、电磁炉等都是根据电磁感应制造的．

1．判断下列说法的正误．

(1)只要闭合电路内有磁通量，闭合电路中就有感应电流产生．(　×　)

(2)穿过线圈的磁通量发生变化时，线圈内部就一定有感应电流产生．(　×　)

(3)闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，电路中会产生感应电流．(　√　)

(4)不论电路是否闭合，只要电路中磁通量发生变化，电路中就有感应电流．(　×　)

2.如图2所示，条形磁体A沿竖直方向插入线圈B的过程中，电流表G的指针        (选填“不偏转”或“偏转”)；若条形磁体A在线圈B中保持不动，电流表G的指针        (选填“不偏转”或“偏转”)．

图2

答案　偏转　不偏转

一、磁通量的变化

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3(a)所示．

(2)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．

图3

如图4所示，一环形线圈沿条形磁体的轴线，从磁体N极的左侧A点运动到磁体S极的右侧B点，A、B两点关于磁体的中心对称，则在此过程中，穿过环形线圈的磁通量将(　　)

图4

A．先增大，后减小

B．先减小，后增大

C．先增大，后减小、再增大，再减小

D．先减小，后增大、再减小，再增大

答案　A

针对训练1　如图5所示，通电直导线右边有一个矩形线框，线框平面与直导线共面，若使线框逐渐远离(平动)通电导线，则穿过线框的磁通量将(　　)

图5

A．逐渐增大   B．逐渐减小

C．保持不变   D．不能确定

答案　B

解析　线框远离导线时，穿过线框的磁感应强度减小，线框的面积不变，所以穿过线框的磁通量减小．

二、产生感应电流的条件

1．实验：探究感应电流产生的条件

(1)实验一：如图6所示，导体棒AB做切割磁感线运动时，线路中        电流产生，而导体棒AB顺着磁感线运动时，线路中        电流产生．(均选填“有”或“无”)

图6

(2)实验二：如图7所示，当条形磁体插入或拔出线圈时，线圈中        电流产生，但条形磁体在线圈中静止不动时，线圈中        电流产生．(均选填“有”或“无”)

图7

(3)实验三：如图8所示，将小线圈A插入大线圈B中不动，当开关S闭合或断开时，电流表中        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        电流通过；而开关S一直闭合，滑动变阻器的滑动触头不动时，电流表中        电流通过．(均选填“有”或“无”)

图8

(4)归纳总结：

实验一中：导体棒做切割磁感线运动，回路的有效面积发生变化，从而引起了磁通量的变化，产生了感应电流．

实验二中：磁体插入或拔出线圈时，线圈中的磁场发生变化，从而引起了磁通量的变化，产生了感应电流．

实验三中：开关闭合、断开或滑动变阻器的滑动触头移动时，小线圈A中电流变化，从而引起穿过大线圈B的磁通量变化，产生了感应电流．

三个实验共同特点是：产生感应电流时闭合回路的磁通量都发生了变化．

答案　(1)有　无　(2)有　无　(3)有　有　无

2．感应电流产生条件的理解

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，就必然会产生感应电流；反之，只要产生了感应电流，那么电路一定是闭合的，且穿过该电路的磁通量也一定发生了变化．

如图9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(　　)

图9

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

答案　B

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，只需要分析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．

针对训练2　某学生做观察电磁感应现象的实验，将电流计、线圈A和B、蓄电池、开关用导线连接成如图10所示的实验电路．当他接通、断开开关时，电流计的指针都没有偏转，其原因是(　　)

图10

A．开关位置接错

B．电流计的正、负接线柱接反

C．线圈B的接头3、4接反

D．蓄电池的正、负极接反

答案　A

解析　题图中的开关不能控制含有电源的电路的通断，而本实验的目的是研究在电流通断的瞬间，线圈B中是否产生感应电流，故开关应接在线圈A所在的回路中．

(多选)下图中能产生感应电流的是(　　)

答案　BD

解析　A选项中，电路没有闭合，无感应电流；B选项中，面积增大，通过闭合电路的磁通量增大，有感应电流；C选项中，穿过圆环的磁感线相互抵消，磁通量恒为零，无感应电流；D选项中，穿过闭合电路的磁通量减小，有感应电流．

判断是否产生感应电流的技巧

1．电路闭合和磁通量发生变化是产生感应电流的两个条件，二者缺一不可．

2．磁通量发生变化，其主要内涵体现在“变化”上，磁通量很大，若没有变化，也不会产生感应电流．若开始时磁通量虽然是零，但是磁通量是变化的，仍然可以产生感应电流．

针对训练3　(多选)如图11所示装置，在下列各种情况中，能使悬挂在螺线管附近的铜质圆形闭合线圈A中产生感应电流的是(　　)

图11

A．开关S闭合的瞬间

B．开关S闭合后，电路中电流稳定时

C．开关S闭合后，滑动变阻器滑片滑动的瞬间

D．开关S断开的瞬间

答案　ACD

针对训练4　在选项图所示的条件下，闭合矩形线圈能产生感应电流的是(磁场范围足够大)(　　)

答案　D

解析　A项图中，因为线圈平面平行于磁感线，在以OO′为轴转动的过程中，线圈平面始终与磁感线平行，穿过线圈的磁通量始终为零，所以无感应电流产生，A错误；B项图中，线圈平面也与磁感线平行，穿过线圈的磁通量为零，竖直向上运动过程中，线圈平面始终与磁感线平行，磁通量始终为零，故无感应电流产生，B错误；C项图中，尽管线圈在转动，B始终垂直于S，且B与S都不变，所以Φ＝BS始终不变，则线圈中无感应电流，C错误；D项图中，图示状态Φ＝0，当转过90°时Φ＝BS，所以转动过程中穿过线圈的磁通量在不断地变化，因此转动过程中线圈中产生感应电流，D正确．

考点一　电磁感应现象的发现及认识

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

答案　D

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．

2．在法拉第时代，下列验证“由磁产生电”设想的实验中，能观察到感应电流的是(　　)

A．将绕在条形磁体上的线圈与电流表组成闭合回路，然后观察电流表示数的变化

B．在通电线圈旁放置一连有电流表的闭合线圈，一段时间后观察电流表示数的变化

C．将一房间内的线圈两端与相邻房间的电流表连接，往线圈中插入条形磁体后，再到相邻房间去观察电流表示数的变化

D．绕在同一铁环上的两个线圈，分别接电源和电流表，在给线圈通电或断电的瞬间，观察电流表示数的变化

答案　D

解析　同时满足电路闭合和穿过电路的磁通量发生变化这两个条件，电路中才会产生感应电流，A、B选项都不会使电路中的磁通量发生变化，并不满足产生感应电流的条件，故A、B错误；条形磁体插入线圈时，虽有短暂电流产生，但未能及时观察，故C错误；在给线圈通电、断电瞬间，会引起穿过另一线圈的磁通量发生变化，产生感应电流，故D正确．

考点二　磁通量变化情况的判断

3．(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(　　)

答案　AB

解析　A图中，图示状态Φ＝0，转动过程中Φ不断变化，因此磁通量发生变化；B图中线圈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A、B正确．

4.如图1所示，在同一平面内有四根彼此绝缘的直导线，分别通有大小相同、方向如图所示的电流，要使由四根直导线所围成的面积内的磁通量增加，则应切断哪一根导线中的电流(　　)

图1

A．切断i1   B．切断i2

C．切断i3   D．切断i4

答案　D

解析　根据安培定则判断出四根通电直导线中电流在所围面积内的磁场方向，可知只有i4中电流产生的磁场垂直于纸面向外，则要使磁通量增加，应切断i4.

5.如图2所示，固定的长直导线中通有恒定电流，一矩形线框从abcd位置向右平移到a′b′c′d′位置的过程中，关于穿过线框的磁通量变化情况，下列叙述正确的是 (线框平行于纸面且与导线相互绝缘)(　　)

图2

A．一直增加

B．一直减少

C．先增加后减少

D．先增加，再减少到零，然后再增加，最后再减少

答案　D

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平移时，磁通量减小，当导线在线框正中央时，磁通量为零，从该位置向右平移，磁通量增大，当线框离开导线向右平移的过程中，磁通量减小，故D正确．

考点三　有无感应电流的判断

6．(2020·凤阳县二中高二月考)如图3甲所示为法拉第在研究电磁感应时用过的线圈，其工作原理如图乙所示，则实验中不会使电流表指针发生偏转的是(　　)

图3

A．保持开关闭合

B．开关闭合瞬间

C．开关断开瞬间

D．移动滑动变阻器滑片

答案　A

解析　开关闭合状态下，线圈中电流恒定，穿过线圈的磁通量不发生变化，没有感应电流，电流表指针不会发生偏转，故A正确；当开关闭合的瞬间、开关断开的瞬间或者移动滑动变阻器滑片时，线圈中磁通量发生变化，产生感应电流，指针发生偏转，故B、C、D错误．

7．(多选)下列情况中都是线框在磁场中做切割磁感线运动，其中线框中有感应电流的是(　　)

答案　BC

解析　A中导体虽然“切割”了磁感线，但穿过闭合线框的磁通量并没有发生变化，没有感应电流．B中线框的一部分导体“切割”了磁感线，穿过线框的磁感线条数越来越少，线框中有感应电流．C中虽然与A近似，但由于是非匀强磁场，运动过程中，穿过线框的磁感线条数增加，线框中有感应电流．D中线框尽管是部分切割，但磁感线条数不变，无感应电流．故选B、C.

8.如图4所示，矩形线圈与磁场垂直，且一半在匀强磁场内，一半在匀强磁场外．下述操作中能使线圈中产生感应电流的是(　　)

图4

A．以bc为轴转动45°

B．以ad为轴转动45°

C．将线圈向下平移

D．将线圈向上平移

答案　B

9.(多选) 如图5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地放置，两直导线中的电流大小与变化情况相同，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(　　)

图5

A．线圈a中有感应电流

B．线圈b中有感应电流

C．线圈c中无感应电流

D．线圈d中无感应电流

答案　AD

解析　由安培定则可判断出两通电直导线产生的磁场在第Ⅰ象限中方向相同，在第Ⅲ象限中方向也相同，当两直导线中的电流都增大时，线圈a、c中磁通量增大，产生感应电流，选项A正确，C错误．利用对称性和安培定则可判断出两通电直导线产生的磁场在第Ⅱ象限中方向相反，在第Ⅳ象限中方向也相反，且线圈b、d中的磁通量为零，当两直导线中的电流都增大时，线圈b、d中的磁通量仍为零，线圈b、d中无感应电流，选项B错误，D正确．

10．如图6所示，一通电螺线管b放在闭合金属线圈a内，螺线管的中心线恰好和线圈的一条直径MN重合．要使线圈a中产生感应电流，可采用的方法有(　　)

图6

A．使螺线管在线圈a所在平面内转动

B．使螺线管中的电流发生变化

C．使线圈a以MN为轴转动

D．使线圈a以与MN垂直的直径为轴转动

答案　D

解析　题图所示位置，线圈a所在平面与磁感线平行，穿过线圈的磁通量为零，当按A、B、C所述方式变化时，磁通量不变，不产生感应电流；按D所述方式变化时，由于线圈a与磁场夹角变化引起磁通量变化，能够产生感应电流，故选D.

11．(多选)如图7所示，在“口”字形闭合铁芯上绕有一组线圈，线圈与滑动变阻器、电池、开关构成闭合电路，a、b、c、d四个闭合金属圆环套在铁芯上．假定线圈产生

的磁感线全部集中在铁芯内，当滑动变阻器的滑片左右滑动时，能产生感应电流的圆环是(　　)

图7

A．a环   B．b环

C．c环   D．d环

答案　ACD

解析　滑动变阻器的滑片滑动时，线圈产生的磁场的磁感应强度发生变化，a、c、d环内的磁通量发生变化，产生感应电流，而穿过b环的正、负磁通量相互抵消，净磁通量始终为零，故没有感应电流产生，A、C、D正确，B错误．

12.(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大小分别为v1和v2，如图8所示，则下列情况可以使回路中产生感应电流的是(　　)

图8

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

答案　BCD

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，故B、C、D正确．

13.如图9所示，一有界匀强磁场，宽度为d，使一边长为l的正方形导线框以速度v向右匀速通过磁场区域，若d＞l，则导线框通过磁场过程中，导线框中不产生感应电流的时间应等于(　　)

图9

A.  B.  C.  D.

答案　C

解析　当导线框刚好完全进入磁场时至导线框刚好要出磁场时，穿过导线框的磁通量不发生变化，导线框中不会产生感应电流，对应的位移为d－l，所以时间为t＝，选项C正确．