2021-2022学年高中物理-第一章-电磁感应-1.2-感应电流产生的条件学案-教科版选修3-2.doc

2021-2022学年高中物理 第一章 电磁感应 1.2 感应电流产生的条件学案 教科版选修3-2

2021-2022学年高中物理 第一章 电磁感应 1.2 感应电流产生的条件学案 教科版选修3-2

年级：
姓名：

- 13 -

电磁感应的发现 感应电流产生的条件

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 必备知识·自主学习
一、电磁感应的发现
1.“电生磁”的发现:1820年,奥斯特发现了电流的磁效应。
2.“磁生电”的发现:1831年,法拉第发现了电磁感应现象。
3.法拉第的分类:

这些现象叫电磁感应,由电磁感应现象产生的电流叫感应电流。
4.电磁感应规律发现的意义:
(1)电磁感应的发现,使人们发明了发电机,把机械能转化成电能;同时又使人们发明了变压器,解决了电能远距离传输中能量大量损耗的问题。
(2)使人们制造出了结构简单的感应电动机反过来把电能转化成机械能。使人类迈进了电气化时代。
(3)电磁感应的发现不仅对物理学和现代技术的发展做出了划时代的贡献,而且对整个现代文明的发展有着深刻的影响。
二、探究感应电流产生的条件

甲

乙
(1)图甲中,AB棒如何运动,灵敏电流计的指针才会摆动?
(2)图乙中,有哪些方式可让灵敏电流计的指针摆动?
提示:(1)左右摆动。
(2)①开关闭合或断开。
②A插入B中或从B中拔出。
③移动滑动变阻器的滑片。
1.导体在磁场中做切割磁感线的运动:
实验操作
实验现象
(指针是否摆动)
分析论证
导体棒静止
不摆动
当闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时,电路中有感应电流产生
导体棒平行
磁感线运动
不摆动
导体棒切割
磁感线运动
摆动
2.通过闭合回路的磁场发生变化:
实验操作
电流计指针摆动情况
分析论证
螺线管B
匝数少
螺线管B
匝数多
开关接通瞬间
摆动
摆动
线圈B中磁通量变化时有感应电流产生,磁通量变化越快,摆角越大,电流越大,线圈B的匝数越多,摆动时角度越大,电流越大
电流稳定
不摆动
不摆动
开关断开瞬间
摆动
摆动
A、B螺线管
相对运动
摆动
摆动
滑片快速推动
摆动
摆动
滑片缓慢推动
摆动
摆动
3.感应电流产生的条件:大量实验证实,穿过闭合电路的磁通量发生变化时,这个闭合电路中就有感应电流产生。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 关键能力·合作学习
　知识点一　磁通量和磁通量的变化
1.磁通量:
(1)磁通量表示穿过某一面积的磁感线条数的多少。
(2)磁通量是标量,但是有正负。磁通量的正负不代表大小,只表示磁感线是怎样穿过平面的。即若以向里穿过某面的磁通量为正,则向外穿过这个面的磁通量为负。
(3)某面积内有相反方向的磁场时,分别计算不同方向的磁场的磁通量,然后规定某个方向的磁通量为正,反方向的磁通量为负,求其代数和。
2.磁通量的计算:
(1)B与S垂直时(匀强磁场中),Φ=BS。B指匀强磁场的磁感应强度,S为线圈的面积。
(2)B与S不垂直时(匀强磁场中),Φ=BS⊥。S⊥为线圈在垂直磁场方向上的投影,S⊥=Ssinθ,称之为有效面积,如图甲所示。也可写为Φ=B⊥S。B⊥为磁感线B垂直线圈平面方向上的分量,B⊥=Bsinθ,如图乙所示。

3.磁通量变化的四种情况:
情况
图示举例
磁通量变化
B不变,S变化

ΔΦ=BΔS
B变化,S不变化

ΔΦ=ΔBS
B变化,S也变化

ΔΦ=B2S2-B1S1
B不变,S不变,θ变化

ΔΦ=BS(sinθ2-sinθ1)(θ为闭合回路与磁场方向的夹角)

(1)公式Φ=BS的适用条件是什么?
提示:①磁场为匀强磁场。
②B与S要垂直。如果B与S不垂直,S投影到与B垂直的平面上(投影面积为
S⊥)或B分解为与S平行和垂直的分量B∥、B⊥,则Φ=BS⊥=B⊥S。
③S是指闭合回路中穿过的那部分有效面积,而不一定是线圈的面积。
(2)Φ、ΔΦ的大小与线圈的匝数有关吗?
提示:无关。

【典例】如图所示,一个垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度B1=0.8 T,磁场有明显的圆形边界,圆心为O,半径为2 cm。现于纸面内先后放上圆线圈,圆心均在O处,A线圈半径为1 cm,10匝,B线圈半径为0.5 cm,20匝。则:

(1)在磁感应强度减为B2=0.4 T的过程中,A线圈中的磁通量改变多少?
(2)当磁场转过30°角的过程中,B线圈中磁通量改变多少?
【解题探究】
(1)B变化,S不变化,磁通量变化为ΔΦ=ΔBS。
(2)B不变,S不变,θ变化(θ为闭合回路与磁场方向的夹角),磁通量变化为ΔΦ=BS(sinθ2-sinθ1)。
【解析】(1)对A线圈:Φ1A=B1π,Φ2A=B2π。磁通量改变量ΔΦA=|Φ2A-
Φ1A|=(0.8-0.4)×3.14×10-4 Wb=1.256×10-4 Wb。
(2)对B线圈:Φ1B=Bπr2,磁场转过30°,线圈面积在垂直磁场方向的投影为
πr2sin60°,则Φ2B=Bπr2sin60°,
磁通量改变量ΔΦB=|Φ2B-Φ1B|=Bπr2(1-sin60°)
=0.8×3.14×(5×10-3)2×(1-0.866) Wb
=8.415×10-6 Wb。
答案:(1)1.256×10-4 Wb　(2)8.415×10-6 Wb

1.关于磁通量,下列说法正确的是 (　　)
A.穿过某个面的磁通量为零,该处的磁感应强度也为零
B.穿过任一平面的磁通量越大,该处的磁感应强度也越大
C.穿过垂直于磁场方向的某个平面的磁感线条数等于该处的磁感应强度
D.当闭合线圈平面跟磁场方向平行时,穿过这个线圈平面的磁通量一定为零
【解析】选D。根据磁通量的计算公式:Φ=BS(B⊥S),式中的S为磁感线垂直穿过线圈的有效面积,当磁感线和线圈平行时,磁感应强度不为零,磁通量为零,A错误,D正确;磁通量大小不变,当磁感线和平面从平行位置变为相互垂直时,磁感应强度也增大,B错误;穿过垂直于磁场方向的某个平面的净磁感线条数等于该处的磁通量,C错误。故选D。
2.(2020·遵义高二检测)如图所示,矩形线框在磁场内做的各种运动中,磁通量发生变化的是 (　　)

【解析】选B。线框在匀强磁场中运动时,穿过线框的磁感线条数不变,即磁通量不变,故A错误。线框在磁场中转动时,穿过线框的磁通量发生变化,故B正确。线框与磁场平行,穿过线框的磁通量为零,当线框向右平动或斜向右上平动时,磁通量始终为零而没有变化,故C、D错误。故选B。
3.一磁感应强度为B的匀强磁场,方向水平向右,一面积为S的矩形线圈abcd如图所示放置,平面abcd与竖直方向成θ角,将abcd绕ad轴转180°角,则穿过线圈平面的磁通量的变化量为 (　　)

A.0　　　　　　　　 B.2BS
C.2BScosθ D.2BSsinθ
【解析】选C。开始时穿过线圈平面的磁通量为Φ1=BScosθ,后来穿过线圈平面的磁通量为Φ2=-BScosθ,则磁通量的变化量为ΔΦ=|Φ2-Φ1|=2BScosθ。
【加固训练】
如图所示,通有恒定电流的导线MN与闭合金属框共面,第一次将金属框由Ⅰ平移到Ⅱ,第二次将金属框绕cd边翻转到Ⅱ,设先后两次通过金属框的磁通量变化分别为ΔΦ1和ΔΦ2,则 (　　)

A.ΔΦ1>ΔΦ2　　　　 B.ΔΦ1=ΔΦ2
C.ΔΦ1<ΔΦ2 D.不能判断
【解析】选C。将金属框从Ⅰ平移到Ⅱ,磁感线是从金属框的同一面穿过的,所以ΔΦⅠ=|ΦⅡ-ΦⅠ|=ΦⅠ-ΦⅡ;将金属框从Ⅰ绕cd边转到Ⅱ,磁感线分别是从金属框的正、反两面穿过的,所以ΔΦ2=|-ΦⅡ-ΦⅠ|=ΦⅠ+ΦⅡ(以原来穿过的为正,则后来从另一面穿过的为负)。
知识点二　感应电流的产生条件
(1)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,就必然产生感应电流。
(2)只要产生了感应电流,那么电路一定是闭合的,穿过该电路的磁通量也一定发生了变化。

【典例】在以下实验中,能观察到电流表指针偏转的是 (　　)
A.把螺线管与电池两极连接,将绝缘直导线穿过螺线管,再在直导线两端连接电流表
B.用两根4 m的导线平行放置,在相隔约两张纸厚的距离,先把其中的一根导线接到电池的两端通电,再把另一根与电流表相连
C.先把磁极放入螺线管中,再让螺线管和电流表连接构成一个回路
D.把A、B两个线圈绕在同一个铁环上,A线圈接入电流表,B线圈接到电源上,在给B线圈通电或断电的瞬间
【解析】选D。将一螺线管两端与电池连接,再把一根导线引进螺线管中并与电流计相连,由于螺线管中的电流不变,产生的磁场不变,穿过绝缘直导线与电流表的回路磁通量不变,则没有感应电流产生,故A错误;与电池相连的导线中的电流不变,产生的磁场不变,穿过另一直导线与电流表的回路磁通量不变,则没有感应电流产生,故B错误;先把磁极放入螺线管中,再让螺线管和电流表连接构成一个回路,由于螺线管中的磁通量不变,所以没有感应电流产生,故C错误;在给B线圈通电或断电的瞬间,B线圈中的电流发生变化,产生的磁场发生变化,穿过A线圈和电流表组成的回路磁通量发生变化,所以有感应电流产生,故D正确。故选D。
　判断感应电流有无的方法
(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)

1. (2020·浦东高二检测)如图,金属线框abcd的平面与匀强磁场方向垂直,将线框从实线位置向右移动到虚线位置的过程中,框内 (　　)

A.先有感应电流,后无感应电流　　 B.始终存在感应电流
C.先无感应电流,后有感应电流 D.始终不存在感应电流
【解析】选C。闭合回路磁通量发生变化,产生感应电流,在bc边未出磁场前,回路磁通量不变,没有感应电流,当bc边出磁场后,回路磁通量减小,产生感应电流,所以先无感应电流,后有感应电流,A、B、D错误,C正确。
2.如图所示,某同学把磁铁插入线圈时,发现电流计的指针会发生偏转,当磁铁 (　　)

A.静止在线圈中,电流计指针不会偏转
B.静止在线圈中,电流计指针会偏转
C.从线圈中抽出时,电流计指针不会偏转
D.从线圈中抽出时,抽出越快电流计指针偏转幅度越小
【解析】选A。当磁铁静止在线圈中时,磁通量不发生变化,没有感应电流,电流计指针不会偏转,A正确,B错误;当磁铁从线圈中抽出时,有磁通量的变化,会产生感应电流,电流计指针会偏转,C错误;当磁铁从线圈中抽出时,抽出越快,磁通量变化越快,感应电流越大,电流计指针偏转幅度越大,D错误。故选A。
3.下列各图中,线框中能产生感应电流的是 (　　)

【解析】选C。产生感应电流的条件有两个,一是闭合回路,二是穿过闭合回路的磁通量发生变化,A、B选项中闭合线框中的磁通量未改变,所以不会产生感应电流,故A、B错误;C选项中闭合线框中磁通量发生改变,可以产生感应电流,故C正确;D选项中线框不闭合,不可以产生感应电流,故D错误。故选C。
【加固训练】
1.关于产生感应电流的条件,以下说法中正确的是 (　　)
A.导体在磁场中运动,导体中就一定有感应电流
B.导体做切割磁感线运动,导体中就一定有感应电流
C.穿过闭合电路的磁通量不为零,闭合电路中就一定产生感应电流
D.无论什么方法,只要穿过闭合回路的磁通量发生变化,闭合电路中就一定产生感应电流
【解析】选D。导体在磁场中运动时,不一定有闭合回路,同时回路中磁通量不一定发生变化,故导体中不一定有感应电流,故A错误;导体在磁场中做切割磁感线运动,磁通量不一定发生变化,不一定产生感应电流,故B错误;根据感应电流产生的条件,不管用什么方法,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,闭合电路放在磁场中,或在磁场中运动,磁通量不一定发生变化,不一定会产生感应电流,故C错误,D正确。所以D正确,A、B、C错误。
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.将绕在磁铁上的线圈与电流表组成一闭合回路,然后观察电流表的变化
B.在一通电线圈旁放置一连有电流表的闭合线圈,然后观察电流表的变化
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铁后,再到相邻房间去观察电流表的变化
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,观察电流表的变化
【解析】选D。电路闭合和穿过电路的磁通量发生变化,同时满足,电路中才会产生感应电流,本题中的A、B选项都不会使得电路中的磁通量发生变化,并不满足产生感应电流的条件,故都不正确。C 选项中磁铁插入线圈时,虽有短暂电流产生,但未能及时观察,C项错误。在给线圈通电、断电瞬间,会引起闭合电路磁通量发生变化,产生感应电流,因此D项正确。
【拓展例题】考查内容:感应电流产生条件的实验探究
【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

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 课堂检测·素养达标
1.如图所示,长直导线通有向右的电流I,金属线圈①垂直放置于直导线正下方,线圈②中心轴线与直导线重合,线圈③直径与直导线重合,线圈④与直导线共面且放置于直导线正下方。在电流I均匀减小的过程中 (　　)

A.线圈①中磁通量减小
B.线圈②中磁通量减小
C.线圈③中没有磁感线穿过
D.线圈④中磁通量减小产生感应电流
【解析】选D。电流的方向向右,由安培定则可知,线圈①与②的方向与磁场的方向平行,所以穿过线圈①、②的磁通量始终都等于0,故A、B错误;③上下两侧的磁场大小是对称的,但方向相反,所以穿过线圈③的磁通量也始终等于0,故C错误;根据安培定则可知,穿过线圈④的磁通量方向向里,当电流减小时,线圈④中磁通量减小,则产生感应电流,故D正确。故选D。
2.下列图中能产生感应电流的是 (　　)

【解析】选B。A图中线圈不闭合,不会产生感应电流,选项A错误;B图中两导线运动时闭合回路的磁通量变大,有感应电流产生,选项B正确;C图中线圈运动时磁通量不变,不会产生感应电流,选项C错误;D图中线圈运动时磁通量不变,不会产生感应电流,选项D错误;故选B。
3.如图所示,在条形磁铁的中央位置的正上方水平固定一铜质圆环。以下判断中正确的是 (　　)

A.释放圆环,环下落过程中产生感应电流
B.释放圆环,环下落过程中无感应电流
C.释放圆环,环下落过程中感应电流大小不变
D.释放圆环,环下落过程中感应电流逐渐增大
【解析】选B。圆环竖直向下运动时,通过圆环的磁通量始终为零,不产生感应电流,故A、C、D错误,B正确。故选B。
4.在如图所示的实验中,能在线圈中产生感应电流的是 (　　)

A.磁铁N极停在线圈中
B.磁铁S极停在线圈中
C.磁铁静止在线圈左侧
D.磁铁从线圈内抽出的过程
【解析】选D。磁铁N极停在线圈中,穿过线圈的磁通量不变,不能产生感应电流,故A错误。磁铁S极停在线圈中,穿过线圈的磁通量不变,不能产生感应电流,故B错误。磁铁静止在线圈左侧,穿过线圈的磁通量不变,不能产生感应电流,故C错误。磁铁从线圈内抽出的过程,穿过线圈的磁通量减小,能产生感应电流,故D正确。
5.(2020·咸阳高二检测)法拉第在1831年发现了“磁生电”现象。如图,他把两个线圈绕在同一个软铁环上,线圈A和电池连接,线圈B用导线连通,导线下面平行放置一个小磁针。实验中可能观察到的现象是 (　　)

A.线圈A和电池连接瞬间,小磁针会偏转
B.线圈A和电池断开瞬间,小磁针不偏转
C.线圈B匝数较少时小磁针不偏转,匝数足够多时小磁针会偏转
D.用一节电池作电源小磁针不偏转,用十节电池作电源小磁针会偏转
【解析】选A。电磁感应现象发生的条件是:闭合导体回路,磁通量发生改变,据此分析。线圈A和电池连接瞬间,A中电流从无到有,电流发生变化,则在线圈B中感应出感应电流,从而产生感应磁场,小磁针偏转,同理线圈A和电池断开瞬间,小磁针也会偏转,故A正确,B错误。线圈中有无感应电流,与线圈匝数的多少无关,故C错误;小磁针能否偏转,与是否有感应电流有关,与电池的节数无关,故D错误;故选A。
6.如图所示,有一个面积S=400 cm2的正方形abcd,平面与竖直方向的夹角θ=60°,放在磁感应强度为B=0.50 T 的水平匀强磁场中,则穿过正方形的磁通量是多少?

【解析】线圈在垂直B方向上的有效面积
S⊥=Scos θ=0.04×cos 60° m2=0.02 m2
穿过正方形的磁通量
Φ=B·S⊥=0.5×0.02 Wb=0.01 Wb。
答案:0.01 Wb