2019-2020年高中物理 4.1-4.2 劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn) 探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件學(xué)案 新人教版選修3-2.doc
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2019-2020年高中物理 4.1-4.2 劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn) 探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件學(xué)案 新人教版選修3-2 [目標(biāo)定位] 1.知道奧斯特實(shí)驗(yàn)、電磁感應(yīng)現(xiàn)象，了解電生磁和磁生電的發(fā)現(xiàn)過程.2.通過實(shí)驗(yàn)觀察和實(shí)驗(yàn)探究，理解感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件.3.能說出磁通量變化的含義，會利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的條件解決實(shí)際問題． 一、奧斯特夢圓“電生磁” 1820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)載流導(dǎo)線能使小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種作用稱為電流的磁效應(yīng)． 二、法拉第心系“磁生電” 1831年英國科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了磁生電的基本原理．變化的電流、變化的磁場、運(yùn)動(dòng)的恒定電流、運(yùn)動(dòng)的磁鐵、在磁場中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體，它們都能引起電流的產(chǎn)生，我們把這些現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)，產(chǎn)生的電流叫做感應(yīng)電流． 三、探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件 1．導(dǎo)體棒在磁場中運(yùn)動(dòng)是否產(chǎn)生電流 如圖1所示，將可移動(dòng)導(dǎo)體AB放置在磁場中，并和電流表組成閉合回路．實(shí)驗(yàn)(1)操作及現(xiàn)象如下： 圖1 實(shí)驗(yàn)操作 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(有無電流) 導(dǎo)體棒靜止 無 導(dǎo)體棒平行磁感線上、下運(yùn)動(dòng) 無 導(dǎo)體棒垂直磁感線左、右運(yùn)動(dòng) 有 2.磁鐵在螺線管中運(yùn)動(dòng)是否產(chǎn)生電流 如圖2所示，將螺線管與電流表組成閉合回路，把條形磁鐵插入或抽出螺線管．實(shí)驗(yàn)(2)操作及現(xiàn)象如下： 圖2 實(shí)驗(yàn)操作 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(有無電流) N極插入線圈 有 N極停在線圈中 無 N極從線圈中抽出 有 S極插入線圈 有 S極停在線圈中 無 S極從線圈中抽出 有 3.模擬法拉第的實(shí)驗(yàn) 如圖3所示，線圈A通過滑動(dòng)變阻器和開關(guān)連接到電源上，線圈B的兩端連到電流表上，把線圈A裝在線圈B的里面．實(shí)驗(yàn)(3)操作及現(xiàn)象如下： 圖3 實(shí)驗(yàn)操作 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(線圈 B中有無電流) 開關(guān)閉合瞬間 有 開關(guān)斷開瞬間 有 開關(guān)閉合時(shí)，滑動(dòng)變阻器不動(dòng) 無 開關(guān)閉合時(shí)，迅速移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片 有 想一想 1.從磁通量的角度思考以上幾個(gè)產(chǎn)生感應(yīng)電流的實(shí)例 (1)實(shí)驗(yàn)(1)中引起感應(yīng)電流的原因是什么？ (2)實(shí)驗(yàn)(2)中引起感應(yīng)電流的原因是什么？ (3)實(shí)驗(yàn)(3)中，線圈沒有動(dòng)，回路也沒有動(dòng)，引起感應(yīng)電流的原因是什么？將實(shí)驗(yàn)(3)和實(shí)驗(yàn)(2)比較，實(shí)驗(yàn)(3)中的螺線管A的作用是什么？ (4)產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件都跟哪個(gè)物理量有關(guān)？ 答案 (1)面積變化引起磁通量的變化；(2)磁場變化引起磁通量的變化；(3)電流引起的磁場變化引起磁通量的變化，等效磁鐵；(4)磁通量的變化． 4．歸納結(jié)論 產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件：只要穿過閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化，閉合導(dǎo)體回路中就有感應(yīng)電流． 想一想 2.哪些情況可以引起磁通量Φ的變化？ 答案 磁通量的變化有三種情況，由Φ＝BS可知：一種是磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，有效面積S變化；另一種是磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化，有效面積S不變；還有一種是磁感應(yīng)強(qiáng)度B和有效面積S同時(shí)發(fā)生變化. 一、磁通量的理解及變化分析 1．磁通量的計(jì)算 (1)B與S垂直時(shí)：Φ＝BS，S為線圈的有效面積．如圖4(a)所示． (2)B與S不垂直時(shí)：Φ＝BS⊥＝B⊥S，S⊥為線圈在垂直磁場方向上的投影面積．B⊥為B在垂直于S方向上的分量．如圖(b)、(c)所示． (3)某線圈所圍面積內(nèi)有不同方向的磁場時(shí)，規(guī)定某個(gè)方向的磁通量為正，反方向的磁通量為負(fù)，求其代數(shù)和，如圖(d)所示． 圖4 2．磁通量是標(biāo)量，但有正負(fù)，其正負(fù)表示與規(guī)定的穿入方向相同或相反，穿過某一面的磁通量等于各部分磁通量的代數(shù)和． 3．磁通量的變化 大致可分為以下幾種情況： (1)磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，有效面積S發(fā)生變化．如圖5(a)所示． (2)有效面積S不變，磁感應(yīng)強(qiáng)度B發(fā)生變化． 如圖(b)所示． (3)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和有效面積S都不變，它們之間的夾角發(fā)生變化．如圖(c)所示． 圖5 4．用磁感線的條數(shù)表示磁通量．當(dāng)回路中有不同方向的磁感線穿過時(shí)，磁通量是指穿過某一面磁感線的“凈”條數(shù)，即指不同方向的磁感線的條數(shù)差． 例1 圖6 如圖6所示，一根條形磁鐵穿過一個(gè)彈性線圈，將線圈面積拉大，放手后穿過線圈的( ) A．磁通量減少且合磁通量向左 B．磁通量增加且合磁通量向左 C．磁通量減少且合磁通量向右 D．磁通量增加且合磁通量向右 解析 放手后線圈的面積將減小，由條形磁鐵磁感線分布特點(diǎn)可知，當(dāng)彈簧線圈面積減小時(shí)，條形磁鐵外部的磁通量減少，條形磁鐵內(nèi)部的磁通量未發(fā)生變化，合磁通量增加，且合磁通量向左． 答案 B 例2 勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0.8 T，矩形線圈abcd的面積S＝0.5 m2，共10匝，開始時(shí)B與線圈所在平面垂直且線圈有一半在磁場中，如圖7所示．求： 圖7 (1)當(dāng)線圈繞ab邊轉(zhuǎn)過60時(shí)，線圈中的磁通量以及此過程中磁通量的改變量； (2)當(dāng)線圈繞dc邊轉(zhuǎn)過60時(shí)，線圈中的磁通量以及此過程中磁通量的改變量． 解析 (1)當(dāng)線圈繞ab邊轉(zhuǎn)過60時(shí)，Φ＝BS⊥＝BScos 60＝0.80.5 Wb＝0.2 Wb(此時(shí)的線圈正好全部處在磁場中)．在此過程中S⊥沒變，穿過線圈的磁感線條數(shù)沒變，故磁通量變化量ΔΦ＝0. (2)當(dāng)線圈繞dc邊轉(zhuǎn)過60時(shí)，Φ＝BS⊥，此時(shí)沒有磁感線穿過線圈，所以Φ＝0；在圖示位置Φ1＝B＝0.2 Wb，轉(zhuǎn)過60時(shí)Φ2＝0，ΔΦ＝Φ2－Φ1＝－0.2 Wb，故磁通量改變了－0.2 Wb. 答案 (1)0.2 Wb 0 (2)0?。?.2 Wb 針對訓(xùn)練 圖8 如圖8所示，線框與通電直導(dǎo)線均位于水平面內(nèi)，當(dāng)線框abcd由實(shí)線位置在水平面內(nèi)向右平動(dòng)逐漸移動(dòng)到虛線位置，穿過線框的磁通量如何變化？ 答案 線框水平平動(dòng)，可分為三個(gè)階段．第一階段，從實(shí)線位置開始運(yùn)動(dòng)至bc邊到達(dá)直導(dǎo)線位置，穿過線框的磁通量逐漸增大．第二階段，從bc邊抵達(dá)直導(dǎo)線處開始至ad邊到達(dá)直導(dǎo)線為止，由于向外的磁感線逐漸減少，向里的磁感線逐漸增多，所以穿過線框的總磁通量先減少(當(dāng)ab、dc兩邊中點(diǎn)連線與直導(dǎo)線重合時(shí)，磁通量為零)后增大．第三階段，從ad邊離開直導(dǎo)線向右運(yùn)動(dòng)至線框抵達(dá)虛線位置為止，穿過線框的磁通量逐漸減少． 二、產(chǎn)生感應(yīng)電流的判斷 1．產(chǎn)生條件 (1)電路閉合； (2)磁通量發(fā)生變化． 如果電路不閉合，不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，但仍會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，就像直流電路一樣，電路不閉合，沒有電流，但電源仍然存在． 2．注意事項(xiàng) (1)注意磁感線的反穿情況，磁通量指的是穿過某一面的磁感線的“凈”條數(shù)． (2)磁通量是指穿過某一面的合磁通量． 例3 下圖中能產(chǎn)生感應(yīng)電流的是( ) 解析 根據(jù)產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件：A選項(xiàng)中，電路沒閉合，無感應(yīng)電流；B選項(xiàng)中，面積增大，閉合電路的磁通量增大，有感應(yīng)電流；C選項(xiàng)中，穿過線圈的磁感線相互抵消，Φ恒為零，無感應(yīng)電流；D選項(xiàng)中，磁通量不發(fā)生變化，無感應(yīng)電流． 答案 B 磁通量 1．如圖9所示，矩形線框abcd放置在水平面內(nèi)，磁場方向與水平方向成α角，已知sin α＝，回路面積為S，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則通過線框的磁通量為( ) 圖9 A．BS B.BS C.BS D.BS 答案 B 解析 根據(jù)磁通量的定義可得通過線框的磁通量Φ＝BSsin α，代入解得Φ＝BS，所以B選項(xiàng)正確． 磁通量的變化 2．恒定的勻強(qiáng)磁場中有一個(gè)圓形閉合線圈，線圈平面垂直于磁場方向，當(dāng)線圈在此磁場中做下列哪種運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過線圈的磁通量發(fā)生了變化( ) A．線圈沿自身所在的平面做勻速運(yùn)動(dòng) B．線圈沿自身所在的平面做加速運(yùn)動(dòng) C．線圈繞任一直徑做勻速轉(zhuǎn)動(dòng) D．線圈繞任一直徑做變速轉(zhuǎn)動(dòng) 答案 CD 解析 只要線圈沿自身所在平面做運(yùn)動(dòng)，線圈在垂直磁場方向上的投影面積就不發(fā)生變化，即磁通量不發(fā)生變化，A、B選項(xiàng)錯(cuò)．而C、D中線圈在垂直磁場方向上的投影面積會發(fā)生變化，導(dǎo)致磁通量變化． 產(chǎn)生感應(yīng)電流的判斷 3．如圖10所示，L為足夠長的通電直導(dǎo)線，M為一金屬環(huán)，L通過M的圓心并與M所在的平面垂直，且通以向上的電流I，則( ) 圖10 A．當(dāng)L中的I發(fā)生變化時(shí)，環(huán)中有感應(yīng)電流 B．當(dāng)M左右平移時(shí)，環(huán)中有感應(yīng)電流 C．當(dāng)M保持水平，在豎直方向上下移動(dòng)時(shí)環(huán)中有感應(yīng)電流 D．只要L與M保持垂直，則以上幾種情況，環(huán)中均無感應(yīng)電流 答案 D 解析 由安培定則可知導(dǎo)線L中電流產(chǎn)生的磁場方向與金屬環(huán)面平行，即穿過M的磁通量始終為零，保持不變，故只要L與M保持垂直，A、B、C三種情況均不能產(chǎn)生感應(yīng)電流． 4．如圖11所示，在紙面內(nèi)放有一個(gè)條形磁鐵和一個(gè)圓形線圈(位于磁鐵正中央上方)，下列情況中能使線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流的是( ) 圖11 A．將磁鐵在紙面內(nèi)向上平移 B．將磁鐵在紙面內(nèi)向右平移 C．將磁鐵繞垂直紙面的軸轉(zhuǎn)動(dòng) D．將磁鐵的N極轉(zhuǎn)向紙外，S極轉(zhuǎn)向紙內(nèi) 答案 D 解析 磁鐵在線圈所處位置產(chǎn)生的磁感線與線圈平面平行，穿過線圈的磁通量為零，將磁鐵在紙面內(nèi)向上平移、向右平移和將磁鐵繞垂直紙面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，穿過線圈的磁通量始終都是零，沒有發(fā)生變化，所以不會產(chǎn)生感應(yīng)電流．將磁鐵的N極轉(zhuǎn)向紙外，S極轉(zhuǎn)向紙內(nèi)時(shí)，穿過線圈的磁通量由零開始逐漸增大，磁通量發(fā)生了變化，所以有感應(yīng)電流產(chǎn)生，D正確，A、B、C錯(cuò)誤． (時(shí)間：60分鐘) 題組一 電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 1．奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)，使整個(gè)科學(xué)界受到了極大的震驚，通過對電流磁效應(yīng)的逆向思維，人們提出的問題是( ) A．電流具有熱效應(yīng) B．電流具有磁效應(yīng) C．磁能生電 D．磁體具有磁化效應(yīng) 答案 C 2．下面屬于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的是( ) A．通電導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場 B．磁場對電流產(chǎn)生力的作用 C．閉合電路的一部分導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在電路中產(chǎn)生電流的現(xiàn)象 D．電荷在磁場中定向移動(dòng)形成電流 答案 C 解析 電流能產(chǎn)生磁場，是電流的磁效應(yīng)現(xiàn)象，不是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，故A錯(cuò)誤；感應(yīng)電流在磁場中受到安培力作用，不是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，故B錯(cuò)誤；閉合電路的一部分導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在電路中產(chǎn)生電流的現(xiàn)象是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，故C正確；電荷在磁場中定向移動(dòng)形成電流，不是電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電流，所以不是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，故D錯(cuò)誤． 題組二 磁通量及其變化的分析 3．如圖1所示，虛線框內(nèi)有勻強(qiáng)磁場，大環(huán)和小環(huán)是垂直于磁場方向放置的兩個(gè)圓環(huán)，分別用Φ1和Φ2表示穿過大、小兩環(huán)的磁通量，則有( ) 圖1 A．Φ1>Φ2 B．Φ1<Φ2 C．Φ1＝Φ2 D．無法確定 答案 C 解析 對于大環(huán)和小環(huán)來說，磁感線的凈條數(shù)沒有變化，所以選C. 4.如圖2所示，a、b、c三個(gè)閉合線圈放在同一平面內(nèi)，當(dāng)線圈a中有電流I通過時(shí)，穿過它們的磁通量分別為Φa、Φb、Φc，則( ) 圖2 A．Φa＜Φb＜Φc B．Φa＞Φb＞Φc C．Φa＜Φc＜Φb D．Φa＞Φc＞Φb 答案 B 解析 磁通量可以形象地理解為穿過回路的磁感線的條數(shù)，若該回路面積內(nèi)有磁感線穿進(jìn)和穿出兩種情況，可把磁通量理解為穿過回路的凈磁感線的條數(shù)．當(dāng)線圈a中有電流通過時(shí)，穿過a、b、c三個(gè)閉合線圈垂直紙面向里的磁感線條數(shù)一樣多，向外的磁感線的條數(shù)線圈c最多，其次是線圈b，線圈a中沒有向外的磁感線，因此穿過閉合線圈的凈磁感線條數(shù)線圈a最多，線圈b次之，線圈c最少，即Φa＞Φb＞Φc.選項(xiàng)B正確． 5．磁通量是研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象的一個(gè)重要物理量，如圖3所示，通有恒定電流的直導(dǎo)線MN與閉合線框共面，第一次將線框由位置1平移到位置2，第二次將線框由位置1繞cd邊翻轉(zhuǎn)到位置2，設(shè)前后兩次通過線框的磁通量的變化量分別為ΔΦ1和ΔΦ2則( ) 圖3 A．ΔΦ1＞ΔΦ2 B．ΔΦ1＝ΔΦ2 C．ΔΦ1＜ΔΦ2 D．無法確定 答案 C 解析 第一次將線框由位置1平移到位置2，磁感線從線框的同一側(cè)穿入，ΔΦ1為前后兩位置磁通量的絕對值之差．第二次將線框由位置1繞cd邊翻轉(zhuǎn)到位置2，磁感線從線框的不同側(cè)穿入，ΔΦ2為前后兩位置磁通量的絕對值之和．故ΔΦ1 ＜ΔΦ2，選項(xiàng)C正確． 題組三 有無感應(yīng)電流的判斷 6．關(guān)于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，下列說法中正確的是( ) A．閉合線圈放在變化的磁場中，必然有感應(yīng)電流產(chǎn)生 B．閉合正方形線圈在勻強(qiáng)磁場中垂直磁感線運(yùn)動(dòng)，必然產(chǎn)生感應(yīng)電流 C．穿過閉合線圈的磁通量變化時(shí)，線圈中有感應(yīng)電流 D．只要穿過電路的磁通量發(fā)生變化，電路中一定有感應(yīng)電流產(chǎn)生 答案 C 解析 產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件：(1)閉合電路；(2)磁通量Φ發(fā)生變化，兩個(gè)條件缺一不可． 7．下列情況中都是線框在磁場中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，其中線框中有感應(yīng)電流的是( ) 答案 BC 解析 A中雖然導(dǎo)體“切割”了磁感線，但穿過閉合線框的磁通量并沒有發(fā)生變化，沒有感應(yīng)電流；B中線框的一部分導(dǎo)體“切割”了磁感線，穿過線框的磁感線條數(shù)越來越少，線框中有感應(yīng)電流；C中雖然與A近似，但由于是非勻強(qiáng)磁場，運(yùn)動(dòng)過程中，穿過線框的磁感線條數(shù)增加，線框中有感應(yīng)電流；D中盡管線框是部分切割，但磁感線條數(shù)不變，無感應(yīng)電流．故選B、C. 8．下列選項(xiàng)中是用導(dǎo)線做成的圓形或正方形回路，這些回路與一直導(dǎo)線構(gòu)成幾種位置組合(彼此絕緣)，下列組合中，切斷直導(dǎo)線中的電流時(shí)，閉合回路中會有感應(yīng)電流產(chǎn)生的是( ) 答案 CD 解析 利用安培定則判斷直線電流產(chǎn)生的磁場，其磁感線是一些以直導(dǎo)線為軸的無數(shù)組同心圓，即磁感線所在平面均垂直于導(dǎo)線，且直線電流產(chǎn)生的磁場分布情況是：靠近直導(dǎo)線處磁場強(qiáng)，遠(yuǎn)離直導(dǎo)線處磁場弱．所以，A中穿過圓形線圈的磁場如圖甲所示，其有效磁通量為ΦA(chǔ)＝Φ出－Φ進(jìn)＝0，且始終為0，即使切斷導(dǎo)線中的電流，ΦA(chǔ)也始終為0，A中不可能產(chǎn)生感應(yīng)電流；B中線圈平面與導(dǎo)線的磁場平行，穿過線圈的磁通量始終為0，B中不可能產(chǎn)生感應(yīng)電流；C中穿過線圈的磁通量如圖乙所示，Φ進(jìn)>Φ出，即ΦC≠0，當(dāng)切斷導(dǎo)線中電流后，穿過線圈的磁通量ΦC減小為0，所以C中有感應(yīng)電流產(chǎn)生；D中線圈的磁通量ΦD不為0，當(dāng)電流切斷后，ΦD也減小為0，所以D中也有感應(yīng)電流產(chǎn)生． 9.如圖4所示，在勻強(qiáng)磁場中有兩條平行的金屬導(dǎo)軌，磁場方向與導(dǎo)軌平面垂直．導(dǎo)軌上有兩條可沿導(dǎo)軌自由移動(dòng)的金屬棒ab、cd，與導(dǎo)軌接觸良好．這兩條金屬棒ab、cd的運(yùn)動(dòng)速度分別是v1、v2，若井字形回路中有感應(yīng)電流通過，則可能( ) 圖4 A．v1>v2 B．v1下載提示(請認(rèn)真閱讀)
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