2018-2019高中物理 第3章 劃時代的發(fā)現 3.1 法拉第的探索 3.2 一條來之不易的規(guī)律——法拉第電磁感應定律學案 滬科版選修1 -1.doc
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3.1 法拉第的探索 3.2 一條來之不易的規(guī)律——法拉第電磁感應定律 1.(3分)如圖所示中磁感應強度B,電流I和安培力F之間的方向關系錯誤的是( ) 【解析】 由左手定則不難判定ABC均正確,D選項錯誤,導線所受安培力方向應向左.故答案為D. 【答案】 D 2.(3分)(多選)如圖311所示,一導體棒放置在處于勻強磁場中的兩條平行金屬導軌上,并與金屬導軌組成閉合回路.當回路中通有電流時,導體棒受到安培力作用,要使安培力增大,可采用的方法有( ) 圖311 A.增大磁感應強度 B.減小磁感應強度 C.增大電流 D.減小電流 【解析】 本題考查安培力的計算,由F=BIL可知A、C正確. 【答案】 AC 3.(4分)(多選)在真空環(huán)境中,原來做勻速直線運動的電子進入到與它運動方向垂直的勻強磁場中,在洛倫茲力的作用下,形成圓弧運動軌跡,下面的說法中正確的是 ( ) A.電子所受的洛倫茲力是恒力 B.進入磁場后電子動能不變 C.進入磁場后電子的速度不變 D.電子所受洛倫茲力的方向始終與運動方向垂直 【解析】 電子所受的洛倫茲力方向總與速度方向垂直,洛倫茲力只改變速度的方向,不改變速度的大小,對電子總不做功,故B、D正確,A、C錯. 【答案】 BD 課 標 導 思 1.了解電磁感應現象發(fā)現的歷史過程,體會科學家探索自然規(guī)律的科學態(tài)度和科學方法. 2.通過實驗,知道電磁感應現象及其產生的條件.(重點) 3.知道法拉第電磁感應定律.會用電磁感應定律計算感應電動勢的大?。?難點) 一、法拉第的探索 1820年,丹麥物理學家奧斯特發(fā)現了電流的磁效應,它揭示了電現象和磁現象之間存在的某種聯系. 奧斯特發(fā)現了“電生磁”的現象之后,激發(fā)人們去探索“磁生電”的方法,比較著名的物理學家有:安培、科拉頓等,都沒有成功或半途而廢. 英國科學家法拉第始終堅信自然界各種不同現象之間有著聯系.一直堅持探索電磁感應現象.前后歷時數十年的探索,終于悟出了磁生電的基本原理.磁生電是一種瞬間效應,磁作用對電流的感應是一種動態(tài)過程. 二、電磁感應定律 1.產生感應電流的幾種典型情況:正在變化的電流;正在變化著的磁場;運動的恒定電流;運動的磁鐵;在磁場中運動的導體. 2.法拉第實驗 (1)閉合電路的部分導體做切割磁感運動時,回路中電流表的指針偏轉.如圖312所示. 圖312 圖313 (2)磁鐵與螺線管有相對運動時也能產生電流:在條形磁鐵插入或撥出螺線管的瞬間,電流表的指針偏轉.條形磁鐵在螺線管中保持不動時,電流表的指針不偏轉.如圖313所示. (3)如圖314,接通或斷開開關S,或接通S后移動變阻器的滑片,改變原線圈A中的電流大小,副線圈B中電流表指針發(fā)生偏轉. 圖314 3.從現象到本質 穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化,電路中就產生電磁感應現象.電磁感應現象中產生的電流叫感應電流. 4.從定性到定量 法拉第電磁感應定律 (1)內容:電路中感應電動勢的大小,跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比. (2)公式E=n,n為線圈的匝數,E、ΔΦ、Δt的單位分別為V、Wb、s. 一、對產生感應電流的條件的理解 1.感應電流產生的條件:一是電路本身必須閉合,二是穿過回路本身的磁通量發(fā)生變化,主要體現在“變化”上,回路中穿過的磁通量大小,是否為零不是產生感應電流的條件,如果穿過回路的磁通量很大但無變化,那么無論多么大,都不會產生感應電流. 【特別提醒】 產生感應電流的條件與磁通量的變化有關,與磁通量的大小無關. 2.產生感應電流的方法 (1)閉合電路的一部分導體做切割磁感線運動 如圖315所示,導體AB做切割磁感線運動時,線路中有電流產生,而導體AB順著磁感線運動時,線路中無電流產生. 圖315 (2)磁鐵在線圈中運動 如圖316所示,條形磁鐵插入或拔出線圈時,線圈中有電流產生,但磁鐵在線圈中靜止不動時,線路中無電流產生. 圖316 (3)改變螺線管AB中的電流 如圖317所示,將小螺線管AB插入大螺線管CD中不動,當開關S接通或斷開時,電流表中有電流通過;若開關S一直接通,當改變滑動變阻器的阻值時,電流表中也有電流通過. 圖317 二、如何區(qū)分磁通量Φ、磁通量的變化量ΔΦ,磁通量的變化率 物理量 單位 物理意義 磁通量Φ Wb 表示某時刻或某位置時穿過某一面積的磁感線條數的多少 磁通量的 變化量ΔΦ Wb 表示在某一過程中穿過某一面積磁通量變化的多少 磁通量的 變化率 Wb/s 表示穿過某一面積的磁通量變化的快慢 1.Φ是狀態(tài)量,是閉合回路在某時刻(某位置)穿過回路的磁感線的條數,當磁場與回路平面垂直時,Φ=BS. 2.ΔΦ是過程量,是表示閉合回路從某一時刻變化到另一時刻的磁通量的增減,即ΔΦ=Φ2Φ1.常見磁通量變化方式有:B不變,S變;S不變,B變;B和S都變,回路在磁場中相對位置改變(如轉動等).總之,只要影響磁通量的因素發(fā)生變化,磁通量就會變化. 3.表示磁通量的變化快慢,即單位時間內磁通量的變化,又稱為磁通量的變化率. 【特別提醒】 Φ、ΔΦ、的大小沒有直接關系,這一點可與運動學中v、Δv、三者類比.值得指出的是:Φ很大,可能很小;Φ很小,可能很大;Φ=0,可能不為零(如線圈平面轉到與磁感線平行時).當Φ按正弦規(guī)律變化時,Φ最大時,=0,反之,當Φ為零時,最大. 三、對法拉第電磁感應定律的理解 1.感應電動勢的大小決定于穿過電路的磁通量的變化率,與Φ的大小、ΔΦ的大小沒有必然的聯系,與電路的電阻R也無關,而感應電流的大小與E和R有關. 2.公式E=n適用于回路中磁通量發(fā)生變化產生的感應電動勢的計算,回路可以閉合,也可以不閉合.感應電動勢是整個閉合電路的感應電動勢,不是電路中某部分導體的電動勢. 3.公式只表示感應電動勢的大小,不涉及方向;切割磁感線產生的感應電流的方向用右手定則來判斷. 【深化探究】 產生感應電流和產生感應電動勢的條件一樣嗎? 提示:不論電路是否閉合,只要穿過回路的磁通量發(fā)生變化,回路中就會產生感應電動勢,而產生感應電流,還需要電路是閉合的. 一、對磁通量變化的認識 磁通量是研究電磁感應現象的重要物理量.如圖318所示,通過恒定電流的導線MN與閉合線框共面,第一次將線框由1平移到2,第二次將線框繞cd邊翻轉到2,設先后兩次通過線框的磁通量的變化量分別為ΔΦ1和ΔΦ2,則( ) 圖318 A.ΔΦ1>ΔΦ2 B.ΔΦ1=ΔΦ2 C.ΔΦ1<ΔΦ2 D.無法確定 【解析】 設線框在位置1時的磁通量為Φ1,在位置2時的磁通量為Φ2,直線電流產生的磁場在1處比在2處要強,若平移線框,則ΔΦ1=Φ1-Φ2;若轉動線框,磁感線是從線框的正反兩面穿過的,一正一負,因此ΔΦ2=Φ1+Φ2.根據分析知ΔΦ1<ΔΦ2,選項C正確. 【答案】 C 磁通量變化的判斷 (1)磁通量不是矢量,而是一個雙向標量,其正負表示與規(guī)定的正方向相同或相反. (2)確定磁通量變化時要注意考慮始末位置磁通量的符號. 1.有一根由金屬絲繞制成的閉合環(huán)套在條形磁鐵上,如圖319所示,當閉合環(huán)收縮導致它所圍的面積減小時: 圖319 (1)穿過它的磁通量是否有變化?如有變化,怎樣變? (2)閉合環(huán)中是否存在感應電流,為什么? 【解析】 條形磁鐵內部的磁感線方向由S極到N極,外部從N極到S極;條形磁鐵外部向下穿過閉合環(huán)的磁通量抵消了一部分內部向上穿過的磁通量,當環(huán)收縮時被抵消的部分減少,所以穿過閉合環(huán)的磁通量增加,由于穿過環(huán)的磁通量有變化,所以在環(huán)中產生感應電流. 【答案】 (1)變化;增加 (2)有;因為穿過閉合環(huán)的磁通量有變化 二、感應電流有無的判斷 (多選)如圖3110所示,豎直放置的長直導線通過恒定電流,有一矩形框與導線在同一平面內,在下列情況中線圈產生感應電流的是( ) 圖3110 A.導線中電流變大 B.線框向右平動 C.線框向下平動 D.線框以ab邊為軸轉動 E.線框以直導線為軸轉動 【導析】 根據產生感應電流的條件來判斷. 【解析】 分析是否產生感應電流,關鍵就是分析穿過閉合線框的磁通量是否變化,而分析磁通量是否有變化,就是搞清楚磁感線的分布,亦即搞清楚磁感線的疏密變化和磁感線方向的變化. 對A選項,因I增大而引起導線周圍的磁場增強,使穿過線框的磁通量增大,故A正確. 對B選項,因離開直導線方向越遠,磁感線分布越疏,因此線框向右平動時,穿過線框的磁通量變小,故B正確. 對C選項,由下圖甲可知線框向下平動時穿過線框的磁通量不變,故C錯. 對D選項,可用一些特殊位置來分析,當線框在圖甲圖示的位置時,穿過線框的磁通量最大,當線框轉過90時,通過線框的磁通量為零,因此可以判定線框以ab軸轉動時磁通量一定變化,故D正確. 對E選項,先畫出俯視圖如下圖乙所示,由圖可看出線框繞直導線轉動時,在任何一個位置穿過線框的磁感線條數均不變,因此無感應電流,故E錯. 【答案】 ABD 分析是否產生感應電流,關鍵是分析穿過閉合線圈的磁通量是否變化,分析磁通量是否變化,可通過分析穿過線圈的磁感線條數是否變化. 2.如圖3111所示,兩個線圈分別繞在一個鐵環(huán)上,線圈A接直流電源,線圈B接靈敏電流表,下列哪種情況不可能使線圈B中產生感應電流( ) 【導學號:17592037】 圖3111 A.將開關S接通或斷開的瞬間 B.開關S接通一段時間之后 C.開關S接通后,改變變阻器滑片的位置時 D.拿走鐵環(huán),再做這個實驗,開關S接通或斷開的瞬間 【解析】 根據法拉第對產生感應電流的五類概括知,A、C、D選項符合變化的磁場(變化的電流)產生感應電流的現象.而開關S接通一段時間之后,線圈A中是恒定電流,故不能使線圈B中產生感應電流. 【答案】 B 三、法拉第電磁感應定律的應用 一個共有10匝的閉合矩形線圈,總電阻為10 Ω,置于水平面上.若穿過線框的磁通量在0.02 s內,由垂直紙面向里,從6.410-2 Wb均勻減小到零,再反向均勻增加到9.610-2 Wb.則在此時間內,線圈內導線中的感應電流大小為________A. 【導析】 1.求出磁通量的變化量ΔΦ; 2.用公式E=n求出感應電動勢的大??; 3.用公式I=求出感應電流的大?。? 【解析】 設垂直紙面向外為正方向,在0.02 s內,磁通量的變化ΔΦ=Φ2-(-Φ1)=Φ2+Φ1=9.610-2 Wb+6.410-2 Wb=0.16 Wb 根據法拉第電磁感應定律: E=n=10 V=80 V 根據閉合電路歐姆定律I== A=8.0 A. 【答案】 8.0 計算ΔΦ時注意的問題 磁通量的變化ΔΦ≠Φ2-Φ1.在0.02 s內磁場的方向發(fā)生了一次反向.設垂直紙面向外為正方向,則ΔΦ=Φ2-(-Φ1)=Φ2+Φ1. 3.有一正方形單匝線圈abcd處于勻強磁場中,線圈平面與磁場方向垂直,在Δt=0.5 s的時間內,磁通量由Φ1=3 Wb均勻增加到Φ2=6 Wb.求: (1)在Δt內線圈中產生的感應電動勢. (2)要使線圈中產生的感應電動勢更大,可采取什么措施? 【解析】 (1)由法拉第電磁感應定律得 E=n== V=6 V. (2)由法拉第電磁感應定律知,要想增大感應電動勢可增加線圈匝數n或增大磁通量的變化率. 【答案】 (1)6 V (2)①增加線圈匝數?、谠龃蟠磐康淖兓? 1.下列現象中涉及電磁感應的是( ) 【解析】 A,D是磁場對運動電荷的作用,C是磁場對電流的作用,B是利用電磁感應現象. 【答案】 B 2.如圖3112所示,將一個矩形線圈放入勻強磁場中,若線圈平面平行于磁感線,則下列運動中,哪些在線圈中會產生感應電流( ) 圖3112 A.矩形線圈做平行于磁感線的平移運動 B.矩形線圈做垂直于磁感線的平移運動 C.矩形線圈繞AB邊轉動 D.矩形線圈繞BC邊轉動 【解析】 A、B、D三個選項中在發(fā)生運動狀態(tài)的變化時,沒有引起磁通量的變化,故都沒有發(fā)生電磁感應現象,所以沒有感應電流的產生.C選項中,線圈的磁通量發(fā)生了改變,故線圈中產生了感應電流. 【答案】 C 3.若某處的地磁場為勻強磁場,一同學在該處手拿矩形線圈面向南方,如圖3113所示,則能夠使線圈中產生感應電流的操作是( ) 圖3113 A.上下移動線圈 B.南北移動線圈 C.東西移動線圈 D.將線圈轉到水平 【解析】 根據感應電流的產生條件,只要讓通過線圈中的磁通量發(fā)生變化,回路中就能產生感應電流.根據該處地磁場分布,無論線圈是上下、南北、還是東西移動,通過線圈的磁通量均不變,不能產生感應電流.而D項操作,線圈中的磁通量發(fā)生變化,能產生感應電流. 【答案】 D 4.一個20匝、面積為200 cm2的圓形線圈放在勻強磁場中,磁場的方向與線圈平面垂直,若該磁場的磁感應強度在0.05 s內由0.1 T增加到0.5 T,在此過程中,穿過線圈的磁通量變化量為________,磁通量的平均變化率為________,線圈中感應電動勢的大小為________. 【解析】 磁通量變化量為ΔΦ=Φ2-Φ1=B2S-B1S =0.50.02 Wb-0.10.02 Wb=0.008 Wb, = Wb/s=0.16 Wb/s, E=n=200.16 V=3.2 V. 【答案】 0.008 Wb 0.16 Wb/s 3.2 V 5.如圖3114所示,水平放置的平行金屬導軌,相距l(xiāng)=0.50 m,左端接一電阻R=0.20 Ω,磁感應強度B=0.40 T的勻強磁場,方向垂直于導軌平面,導體棒ab垂直放在導軌上,并能無摩擦地沿導軌滑動,導軌和導體棒的電阻均可忽略不計,當ab以v=4.0 m/s的速度水平向右勻速滑動時,用兩種方法求解ab棒中感應電動勢的大小. 【導學號:17592038】 圖3114 【解析】 本題主要考查導體棒做切割磁感線運動時感應電動勢的求法. 解法一:根據法拉第電磁感應定律得: E==B==0.80 V. 解法二:(感應電動勢的變形公式) 根據法拉第電磁感應定律,ab棒中的感應電動勢為:E=Blv=0.400.504.0 V=0.80 V. 【答案】 0.80 V- 配套講稿:
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