学年高中物理 第1章 第12节 电磁感应的发现 感应电流产生的条件学案 教科版选修32文档格式.docx
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图1
(1)框架平面与磁感应强度B垂直时,穿过框架平面的磁通量为多少?
(2)若框架绕OO′转过60°
,则穿过框架平面的磁通量为多少?
(3)若从图示位置转过90°
,则穿过框架平面的磁通量的变化量为多少?
(4)若从图示位置转过180°
答案
(1)BS
(2)
BS (3)-BS (4)-2BS
1.磁通量
(1)定义:
闭合导体回路的面积与垂直穿过它的磁感应强度的乘积叫磁通量,符号为Φ.在数值上等于穿过投影面的磁感线的条数.
图2
(2)公式:
Φ=BS.其中S为回路平面在垂直磁场方向上的投影面积,也称为有效面积.所以当回路平面与磁场方向之间的夹角为θ时,磁通量Φ=BSsin_θ,如图2所示.
(3)单位:
韦伯,简称韦,符号Wb.
(4)注意:
①磁通量是标量,但有正负之分.一般来说,如果磁感线从线圈的正面穿入,线圈的磁通量就为“+”,磁感线从线圈的反面穿入,线圈的磁通量就为“-”.②磁通量与线圈的匝数无关.
2.磁通量的变化量ΔΦ
(1)当B不变,有效面积S变化时,ΔΦ=B·
ΔS.
(2)当B变化,S不变时,ΔΦ=ΔB·
S.
(3)B和S同时变化,则ΔΦ=Φ2-Φ1,但此时ΔΦ≠ΔB·
特别提醒 计算穿过某平面的磁通量的变化量时,要注意前后磁通量的正负,如原磁通量Φ1=BS,当平面转过180°
后,磁通量Φ2=-BS,磁通量的变化量ΔΦ=-2BS.
三、感应电流产生的条件
1.实验1(导体在磁场中做切割磁感线的运动):
如图3所示,导体AB垂直磁感线运动时,线路中________电流产生,而导体AB沿着磁感线运动时,线路中________电流产生(均填“有”或“无”).实验表明什么情况下能产生感应电流?
图3
答案 有 无 实验表明:
当闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时,电路中就有感应电流产生.
2.实验2(通过闭合回路的磁场发生变化):
如图4所示,螺线管B套在螺线管A外边,螺线管A经过滑动变阻器和开关与电池相连构成直流电路;
螺线管B接电流计构成闭合电路.进行以下操作并观察电流计指针摆动的情况.将观察结果填入表中.(填空中均填“摆动”或“不摆动”)
图4
观察
操作
电流计指针的摆动情况
螺线管B套在
螺线管A外面
螺线管A、B
相互垂直
开关接通瞬间
摆动
不摆动
电流稳定
开关断开瞬间
滑动片快速推动
(1)实验2中并没有导体在磁场中做切割磁感线的运动,但在接通或断开电源的瞬间或改变滑动变阻器的阻值时,B线圈中却出现感应电流,这说明什么?
答案 说明导体在磁场中做切割磁感线运动不是产生感应电流的本质原因,通过闭合电路的磁场发生变化也可以产生感应电流.
(2)当实验2中开关闭合后,A线圈电流稳定时,B线圈中也存在磁场,但不出现感应电流,这说明什么?
答案 说明感应电流的产生,不在于闭合回路中是否有磁场.
(3)实验2两个线圈相互垂直放置时不能产生感应电流,这又说明什么?
答案 说明感应电流的产生,不在于磁场是否变化.
3.试总结产生感应电流的条件.
答案 实验1中,磁场是稳定的,但在导体切割磁感线运动时,通过回路的磁通量发生变化,回路中产生了感应电流;
实验2通过改变电流从而改变磁场强弱,进而改变了磁通量,从而产生了感应电流,所以可以将产生感应电流的条件描述为“只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路中就会产生感应电流”.
1.产生感应电流的条件:
穿过闭合电路的磁通量发生变化.
2.特例:
闭合电路的一部分导体在磁场内做切割磁感线运动.在利用“切割”来讨论和判断有无感应电流时,应该注意:
(1)导体是否将磁感线“割断”,如果没有“割断”就不能说切割.如图5所示,甲、乙两图中,导体是真“切割”,而图丙中,导体没有切割磁感线.
图5
(2)是否仅是闭合电路的一部分导体在磁场内做切割磁感线运动,如图丁.如果由切割不容易判断,则要回归到磁通量是否变化上去.
[延伸思考] 电路不闭合时,磁通量发生变化是否能产生电磁感应现象?
答案 当电路不闭合时,没有感应电流,但有感应电动势,只产生感应电动势的现象也可以称为电磁感应现象.
一、磁通量Φ及其变化量ΔΦ的理解与计算
例1
如图6所示,水平放置的扁平条形磁铁,在磁铁的左端正上方有一金属线框,线框平面与磁铁垂直,当线框从左端正上方沿水平方向平移到右端正上方的过程中,穿过它的磁通量的变化情况是( )
图6
A.先减小后增大B.始终减小
C.始终增大D.先增大后减小
解析 线框在磁铁两端的正上方时穿过该线框的磁通量最大,在磁铁中央时穿过该线框的磁通量最小,所以该过程中的磁通量先减小后增大,故A对.
答案 A
例2
如图7所示的线框,面积为S,处于磁感应强度为B的匀强磁场中,B的方向与线框平面成θ角,当线框转过90°
到如图所示的虚线位置时,试求:
图7
(1)初、末位置穿过线框的磁通量Φ1和Φ2;
(2)磁通量的变化量ΔΦ.
解析
(1)解法一:
在初始位置,把线框平面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⊥=Ssinθ,所以Φ1=BSsinθ.在末位置,把线框平面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⊥′=Scosθ.由于磁感线从反面穿入,所以Φ2=-BScosθ.
解法二:
如图所示,把磁感应强度B沿垂直于线框平面和平行于线框平面进行分解,得B上=Bsinθ,B左=Bcosθ
所以Φ1=B上S=BSsinθ,
Φ2=-B左S=-BScosθ.
(2)开始时B与线框平面成θ角,穿过线框的磁通量Φ1=BSsinθ;
当线框按顺时针方向转动时,穿过线框的磁通量减小,当转动θ时,穿过线框的磁通量减小为零,继续转动至90°
时,磁感线从另一面穿过,磁通量变为“负”值,Φ2=-BScosθ.所以,此过程中磁通量的变化量为
ΔΦ=Φ2-Φ1=-BScosθ-BSsinθ
=-BS(cosθ+sinθ).
答案
(1)BSsinθ -BScosθ
(2)-BS(cosθ+sinθ)
二、产生感应电流的分析判断及实验探究
例3
如图8所示,在匀强磁场中的矩形金属轨道上有等长的两根金属棒ab和cd,它们以相同的速度匀速运动,则( )
图8
A.断开开关S,ab中有感应电流
B.闭合开关S,ab中有感应电流
C.无论断开还是闭合开关S,ab中都有感应电流
D.无论断开还是闭合开关S,ab中都没有感应电流
解析 两根金属棒ab和cd以相同的速度匀速运动,若断开开关S,两根金属棒与导轨构成的回路中磁通量无变化,则回路中无感应电流,故选项A、C错误;
若闭合开关S,两根金属棒与导轨构成的回路中磁通量发生变化,则回路中有感应电流,故选项B正确,D错误.
答案 B
针对训练 如图9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( )
图9
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的瞬间
D.开关S断开的瞬间
答案 ACD
例4
在研究电磁感应现象的实验中所用器材如图10所示.它们是①电流表、②直流电源、③带铁芯的线圈A、④线圈B、⑤开关、⑥滑动变阻器(用来控制电流以改变磁场强弱).试按实验的要求在实物图上连线(图中已连好一根导线).
图10
答案 连接电路如图所示
1.(对电磁感应现象的认识)下列关于电磁感应现象的认识,正确的是( )
A.它最先是由奥斯特通过实验发现的
B.它说明了电流周围存在磁场
C.它说明了闭合回路中磁通量变化时会产生电流
D.它说明了电流在磁场中会受到安培力
答案 C
解析 奥斯特发现了电流的磁效应,法拉第发现了电磁感应现象,故A错误;
电流周围存在磁场是电流的磁效应,故B错误;
闭合回路的磁通量变化产生电流的现象是电磁感应现象,故C正确;
电磁感应现象并没有说明电流在磁场中会受到安培力,故D错误.
2.(对磁通量Φ及其变化量ΔΦ的理解)如图11所示一矩形线框,从abcd位置移到a′b′c′d′位置的过程中,关于穿过线框的磁通量情况,下列叙述正确的是(线框平行于纸面移动)( )
图11
A.一直增大
B.一直减小
C.先增大后减小
D.先增大,再减小直到零,然后再增大,然后再减小
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运动时,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,磁通量又增大,当线框离开导线向右运动的过程中,磁通量又减小,故A、B、C错误,D正确.
3.(产生感应电流的分析判断)如图12所示,开始时矩形线框与匀强磁场的方向垂直,且一半在磁场内,一半在磁场外,若要使线框中产生感应电流,下列选项中可行的是( )
图12
A.将线框向左拉出磁场
B.以ab边为轴转动
C.以ad边为轴转动(小于60°
)
D.以bc边为轴转动(小于60°
答案 ABC
解析 将线框向左拉出磁场的过程中,线框的bc部分切割磁感线,或者说穿过线框的磁通量减小,所以线框中将产生感应电流.
当线框以ab边为轴转动时,线框的cd边的右半段在做切割磁感线运动,或者说穿过线框的磁通量在发生变化,所以线框中将产生感应电流.
当线框以ad边为轴转动(小于60°
)时,穿过线框的磁通量在减小,所以在这个过程中线框内会产生感应电流.如果转过的角度超过60°
(60°
~300°
),bc边将进入无磁场区,那么线框中将不再产生感应电流.
当线框以bc边为轴转动时,如果转动的角度小于60°
,则穿过线框的磁通量始终保持不变(其值为磁感应强度与矩形线框面积的一半的乘积).
4.(产生感应电流的分析判断)如图13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( )
图13
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
解析 只要通电时滑动变阻器的滑片P移动,电路中的电流就会发生变化,变化的电流产生变化的磁场,铜环A中磁通量发生变
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