2019-2020学年高中物理第4章电磁感应第12划时代的发现节探究感应电流的产生条件课件 人教版选修3-2

2019-2020学年高中物理第4章电磁感应第12划时代的发现节探究感应电流的产生条件课件 人教版选修3-2

第 1 节　划时代的发现 第 2 节　探究感应电流的产生条件 1 ． 奥斯特梦圆 “ 电生磁 ” 1820 年，丹麦物理学家 __________ 发现载流导线能使小磁针偏转，这种现象称为 ________________. 要点一　电磁感应的发展史 奥斯特　 课前教材预案 电流的磁效应　 2 ． 法拉第心系 “ 磁生电 ” (1)1831 年，英国物理学家 __________ 发现了“磁生电”的现象，这种现象叫做 ____________ ，产生的电流叫 ____________. 法拉第　 电磁感应　 感应电流　 变化　 运动　 1 ．磁通量的计算 (1) 公式： Φ ＝ BS . (2) 适用条件： ①____________ ； ② S 是 ________ 磁场的有效面积． (3) 单位：韦伯， 1 Wb ＝ 1________. 匀强磁场　 要点二　磁通量的计算和物理意义 垂直　 T · m 2 　 2 ．磁通量的物理意义 (1) 可以形象地理解为磁通量就是穿过某一面积的 __________ 的条数． (2) 同一个平面，当它跟磁场方面垂直时，磁通量 ________ ；当它跟磁场方向平行时，磁通量为 _____. 磁感线　 最大　 0 　 1 ． 探究导体棒在磁场中运动是否产生感应电流 ( 如图所示 ) 要点三　探究电磁感应的产生条件 实验操作 实验现象 ( 有无电流 ) 分析论证 导体棒静止 无 闭合回路包围的面积 ________ 时，回路中有电流产生；包围的面积 ________ 时，回路中无电流产生 导体棒平行 磁感线运动 无 导体棒切割 磁感线运动 有 变化　 不变　 2 ． 探究磁铁在线圈中运动是否产生感应电流 ( 如图所示 ) 实验操作 实验现象 ( 有无电流 ) 分析论证 N 极插入线圈 有 线圈中的磁场 ________ 时，线圈中有感应电流；线圈中的磁场 ________ 时，线圈中无感应电流 N 极停在线圈中 无 N 极从线圈中抽出 有 S 极插入线圈 有 S 极停在线圈中 无 S 极从线圈中抽出 有 变化　 不变　 3 ． 模仿法拉第的实验 ( 如图所示 ) 实验操作 实验现象 ( 线圈 B 中有无电流 ) 分析论证 开关闭合瞬间 有 线圈 B 中磁场 ________ 时，线圈 B 中有感应电流；磁场 ________ 时，线圈 B 中无感应电流 开关断开瞬间 有 开关保持闭合，滑动变阻器滑片不动 无 开关保持闭合，迅速移动滑动变阻器的滑片 有 玉　 玉　 课堂深度拓展 考点一　磁通量及其变化 1 ． 磁通量的计算与定性说明 (1) B 与 S 垂直时， Φ ＝ BS ， B 指匀强磁场的磁感应强度， S 为线圈有效面积．如图甲所示， ABCD 围成的面积 S 2 才是有效面积． 　甲　　　　　　乙　　　丙 (2) B 与 S 不垂直时，如果平面与垂直磁场方向的夹角为 θ ，则 Φ ＝ BS ⊥ ＝ B ⊥ · S ＝ BS cos θ ， S ⊥ 为线圈在垂直磁场方向上的投影面积， B ⊥ 为 B 在垂直于 S 方向上的分量，如图乙所示． (3) 某线圈所围面积内有不同方向的磁场时，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，如图丙所示． (4) 线圈为多匝时，磁通量的计算不受影响，因为穿过线圈的磁感线的条数不受线圈匝数影响． (5) 与磁感线的关系 通过某一平面的磁通量的大小，可以用通过这个平面的磁感线的条数的多少来形象地说明．在同一磁场中，磁感应强度越大的地方，磁感线越密．因此， B 越大， S 越大，磁通量就越大，意味着穿过这个面的磁感线条数越多． 2 ． 磁通量变化的四种情况 3. 非匀强磁场中磁通量的变化 条形磁铁、通电导线周围的磁场都是非匀强磁场，通常只对穿过其中的线圈的磁通量进行定性分析，分析时应兼顾磁场强弱、线圈面积和磁场与线圈的夹角等因素，并可充分利用磁感线来判断，即磁通量的大小对应穿过线圈的磁感线的条数，穿过线圈的磁感线的条数变化，则说明磁通量变化． 正确理解磁通量的正负 (1) 磁通量的正负并不表示磁通量的方向，仅表示磁感线的贯穿方向． (2) 当规定磁感线从某一面穿入的磁通量为正值时，则从另一面穿入的就为负值，然后用末磁通量减去初磁通量求出磁通量的变化 ( 磁通量是有正、负的标量 ) ． 思维导引： 如果将线框构成的面分别约定为正面和反面，转动前磁感线从什么面穿入？转动 90° 后磁感线又从什么面穿入？ Φ 的正负变化吗？ 解析　 (1) 方法一　在初始位置，把面积向垂直于磁场方向进行投影，可得垂直于磁场方向的面积为 S ⊥ ＝ S sin θ ，所以 Φ 1 ＝ BS sin θ . 在末位置，把面积向垂直于磁场方向进行投影，可得垂直于磁场方向的面积为 S ′ ⊥ ＝ S cos θ . 由于磁感线从反面穿入，所以 Φ 2 ＝－ BS cos θ . 方法二　如果把磁感应强度 B 沿垂直于面积 S 和平行于面积 S 进行分解，如图所示，则 B 上 ＝ B sin θ ， B 左 ＝ B cos θ ， 有 Φ 1 ＝ B 上 · S ＝ BS sin θ ， Φ 2 ＝－ B 左 · S ＝－ BS cos θ . (2) 开始时 B 与线框平面成 θ 角，穿过线框的磁通量 Φ 1 ＝ BS sin θ ；当线框平面按顺时针方向转动时，穿过线框的磁通量减少，当转动 θ 时，穿过线框的磁通量减少为零，继续转动至 90° 时，磁通量从另一面穿过，变为负值 Φ 2 ＝－ BS cos θ . 所以，此过程中磁通量的变化量为 Δ Φ ＝ | Φ 2 － Φ 1 | ＝ | － BS cos θ － BS sin θ | ＝ BS (cos θ ＋ sin θ ) ． 答案　 (1) BS sin θ － BS cos θ 　 (2) BS (cos θ ＋ sin θ ) (1) 在磁感应强度 B 减为 0.4 T 的过程中， A 和 B 中磁通量改变了多少？ (2) 当磁场转过 30° 角的过程中， C 中磁通量改变了多少？ 解析　 (1) 对 A 线圈， Φ 1 A ＝ B 1 π r ， Φ 2 A ＝ B 2 π r . Δ Φ A ＝ | Φ 2 A － Φ 1 A | ＝ (0.8 － 0.4) × 3.14 × 10 － 4 Wb ＝ 1.256 × 10 － 4 Wb ；　 对 B 线圈，有效面积等于磁场区域的面积， Δ Φ B ＝ | Φ 2 B － Φ 1 B | ＝ (0.8 － 0.4) × 3.14 × 10 － 4 Wb ＝ 1.256 × 10 － 4 Wb. 　 答案　 (1)1.256×10 － 4 Wb 　 1.256×10 － 4 Wb 　 (2)8.4×10 － 6 Wb 【例题 2 】 两圆环 A 、 B 同心放置且半径 R A ＞ R B ，将一条形磁铁置于两环圆心处，且与圆环平面垂直，如图所示，则穿过 A 、 B 两圆环的磁通量的大小关系为 ( 　　 ) A ． Φ A ＞ Φ B B ． Φ A ＝ Φ B C ． Φ A ＜ Φ B D ．无法确定 答案　 C 　 解析　 磁通量为穿过某一面积磁感线的条数，如果穿过某一面积的磁场方向不同，则规定某方向为正，与之相反为负，求代数和就是通过该面积的磁通量．此题可设向上通过圆环 A 、 B 的磁通量为正，则向下穿过 A 、 B 的磁通量为负，条形磁铁的磁感线在磁铁内部由 S 极到 N 极，在外部由 N 极到 S 极， 通过 A 、 B 两圆环的向上的磁感线总条数相同，而由磁铁外部从上向下穿过 A 、 B 的磁感线的条数，面积越大的越多，故向下穿过 A 的磁通量大于向下穿过 B 的磁通量，所以穿过 A 的总磁通量小于穿过 B 的总磁通量，故选项 C 正确． 【变式 2 】　 一平面线圈用细杆悬于 P 点，开始时细杆处于水平位置，释放后让它在如图所示的匀强磁场中运动，磁场方向水平向右，已知线圈平面始终与纸面垂直，当线圈第一次由位置 D 到位置 C 的过程中，下列对穿过线圈磁通量的变化判断正确的是 ( 　　 ) A ．一直变大 B ．一直变小 C ．先变大后变小 D ．先变小后变大 答案　 C 　 解析　 线圈在位置 D 和位置 C 时都不与磁场方向垂直，而根据磁通量的计算公式 Φ ＝ BS cos θ ，当线圈平面与磁场方向垂直时，穿过线圈的磁通量最大，所以线圈第一次由位置 D 到位置 C 的过程中，穿过线圈的磁通量先变大后变小，故选项 C 正确． 考点二　探究感应电流产生的条件 实验结论： 只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，闭合导体回路中就会产生感应电流． 对导体切割磁感线的理解 (1) 如图所示，甲、乙两图中，导体是有 “ 切割 ” 磁感线，而丙图中，导体没有 “ 切割 ” 磁感线． (2) 如图所示，对于图丁，尽管导体 “ 切割 ” 了磁感线 ( 匀强磁场 ) ，但穿过闭合线框的磁通量并没有发生变化，感生电动势抵消，没有感应电流；对于图戊，导体框的一部分导体 “ 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． (3) 导体 “ 切割 ” 磁感线运动不是回路中产生感应电流的充要条件，归根结底还得看穿过回路的磁通量是否发生变化． 【例题 3 】　 某学生做观察电磁感应现象的实验，将电流计、线圈 A 和 B 、蓄电池和开关用导线连接成如图所示的实验电路，当它接通、断开开关时，电流计的指针都没有偏转，其原因是 ( 　　 ) A ．开关位置接错 B ．电流计的正、负极接反 C ．线圈 B 的接头 3 、 4 接反 D ．蓄电池的正、负极接反 思维导引： 产生感应电流的条件是什么？怎样做才能满足该条件？ 易错指津： 只关注表面现象，不透过现象看本质． 答案　 A 　 解析　 图中所示开关的连接不能控制含有电源的电路中电流的通断，而本实验的内容之一就是用来研究在开关通断瞬间，电流的变化有无导致磁场变化进而产生感应电流的情况，但图中的接法是达不到目的． 【变式 3 】　 ( 多选 ) 如图所示装置，在下列各种情况中，能使悬挂在螺线管附近的铜质闭合线圈 A 中产生感应电流的是 ( 　　 ) A ．开关 S 接通的瞬间 B ．开关 S 接通后，电路中电流稳定时 C ．开关 S 接通后，滑动变阻器触头滑动时 D ．开关 S 断开的瞬间答案　 答案　 ACD 　 解析　 当电流改变时，螺线管附近的磁场改变，线圈 A 的磁通量发生变化，线圈 A 中产生感应电流，故选项 A 、 C 、 D 正确． 判断电磁感应现象中是否产生感应电流，必须关注以下两个条件是否同时具有： (1) 电路闭合． (2) 穿过回路的磁通量发生变化． 考点三　感应电流有无的判断 判断磁通量的变化 判断穿过闭合电路的磁通量是否变化时，可充分利用穿过闭合电路的磁感线的条数是否变化来判断某过程中磁通量是否变化． 【例题 4 】 矩形闭合线圈所在的平面与磁感线方向平行，如图所示．下列情况能使线圈中产生感应电流的是 ( 　　 ) A ．线圈绕 ab 轴转动 B ．线圈垂直纸面向外平动 C ．线圈沿 ab 轴下移 D ．线圈绕 cd 轴转动 思维导引： 讨论是否产生感应电流，需分析回路在运动过程中穿过的磁感线的变化情况，从而明确回路的磁通量是否发生变化，最终判断感应电流的有无． 答案　 A 　 解析　 四个选项中，只有线圈绕 ab 轴转动时，穿过线圈的磁通量才会发生变化，线圈中才会产生感应电流，选项 A 正确． 【变式 4 】　 如图所示，导线框 abcd 放在光滑的平行导轨上，与导轨接触良好，现使导线框 abcd 向右运动， G 1 、 G 2 是两只电流表，则 ( 　　 ) A ． G 1 、 G 2 中都有电流通过　 B ． G 1 、 G 2 中都没有电流通过 C ．只有 G 1 中有电流通过　 D ．只有 G 2 中有电流通过 答案　 A 　 解析　 虽然线框 abcd 构成的闭合回路中没有磁通量的变化，但电流表 G 1 与线框 abcd 构成的闭合回路中磁通量发生变化，有感应电流流过 G 1 和 G 2 ，所以选项 A 正确． 1 ．　首先发现电流的磁效应和电磁感应的物理学家分别是 ( 　　 ) 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　 奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第发现了电磁感应，选项 D 正确． 课末随堂演练 2 ． 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 　 ( 　　 ) 答案　 B 　 解析　 根据产生感应电流的条件，闭合回路内磁通量发生变化才能产生感应电流，选项 B 正确． 3 ． 如图所示，三个闭合线圈放在同一平面内，当线圈 a 中有电流 I 通过时，穿过 a 、 b 、 c 的磁通量大小分别为 Φ a ， Φ b ， Φ c ，则 ( 　　 ) A ． Φ a < Φ b < Φ c B ． Φ a > Φ b > Φ c C ． Φ a < Φ c < Φ b D ． Φ a > Φ c > Φ b 答案　 B 　 解析　 当 a 中有电流通过时，穿过 a 、 b 、 c 三个闭合线圈垂直纸面向里的磁感线条数一样多，向外的磁感线的条数 c 最多，其次是 b ， a 中没有向外的磁感线，因此穿过闭合线圈的净磁感线条数 a 最多， b 次之， c 最少，即 Φ a > Φ b > Φ c ，选项 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 ，下列各种情况中铜环 A 中没有感应电流的是 ( 　　 ) 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 做匀速移动 C ．通电时，使滑动变阻器的滑片 P 做加速移动 D ．将开关突然断开的瞬间 答案　 A 　 解析　 只要通电时滑动变阻器的滑片 P 移动，电路中电流就会发生变化，变化的电流产生变化的磁场，铜环 A 中磁通量发生变化，有感应电流；同样，将开关断开瞬间，电路中电流从有到无，仍会在铜环 A 中产生感应电流，故选项 A 正确． 5 ．如图所示，通有恒定电流的导线 MN 与闭合金属框共面，第一次将金属框由位置 Ⅰ 平移到位置 Ⅱ ，第二次将金属框绕 cd 边翻转到位置 Ⅱ ，设先后两次通过金属框的磁通量变化量大小分别为 Δ Φ 1 和 Δ Φ 2 ，则 ( 　　 ) A ． Δ Φ 1 ＞ Δ Φ 2 B ． Δ Φ 1 ＝ Δ Φ 2 C ． Δ Φ 1 ＜ Δ Φ 2 D ．不能判断 答案　 C 　 解析　 设在位置 Ⅰ 时磁通量大小为 Φ 1 ，在位置 Ⅱ 时磁通量大小为 Φ 2 ，第一次将金属框由位置 Ⅰ 平移到位置 Ⅱ ，穿过金属框的磁感线方向没有改变，磁通量变化量大小 Δ Φ 1 ＝ Φ 1 － Φ 2 ，第二次将金属框绕 cd 边翻转到位置 Ⅱ ，穿过金属框的磁感线的方向发生改变，磁通量变化量大小 Δ Φ 2 ＝ Φ 1 ＋ Φ 2 ，故 Δ Φ 1 <Δ Φ 2 ，选项 C 正确．