魯科版選修32 第一章 第1節(jié) 磁生電的探索 學案.doc

第1節(jié)磁生電的探索1.1820年，丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，拉開了研究電與磁相互關系的序幕，法拉第歷經(jīng)10年發(fā)現(xiàn)磁生電的原因。2感應電流的產(chǎn)生條件有兩個，一是電路閉合，一是磁通量發(fā)生變化，二者缺一不可。3磁通量變化有多種：b不變s變、b變s不變、b與s都變、b與s都不變只是二者夾角變。 一、電磁感應的探索歷程事件意義電生磁1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應拉開了研究電與磁相互關系的序幕磁生電菲涅耳、安培、科拉頓、亨利等致力于磁生電的研究科學探索是曲折的，真理追求是執(zhí)著的1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象揭示了電和磁的內(nèi)在聯(lián)系，引領人類進入電氣時代二、感應電流的產(chǎn)生條件1探究導體棒在磁場中運動是否產(chǎn)生電流(如圖111)圖111實驗操作實驗現(xiàn)象(有無電流)分析論證導體棒靜止無閉合電路包圍的面積變化時，電路中有電流產(chǎn)生；閉合電路包圍的面積不變時，電路中無電流產(chǎn)生導體棒平行磁感線運動無導體棒切割磁感線運動有2探究磁鐵在通電螺線管中運動是否產(chǎn)生電流(如圖112)圖112實驗操作實驗現(xiàn)象(有無電流)分析論證n極插入線圈有線圈中的磁場變化時，線圈中有感應電流；線圈中的磁場不變時，線圈中無感應電流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模擬法拉第的實驗(如圖113)圖113實驗操作實驗現(xiàn)象(線圈b中有無電流)分析論證開關閉合瞬間有線圈b中磁場變化時，線圈b中有感應電流；磁場不變時，線圈b中無感應電流開關斷開瞬間有開關保持閉合，滑動變阻器滑片不動無開關保持閉合，迅速移動滑動變阻器的滑片有4實驗結(jié)論利用磁場產(chǎn)生電流的條件：只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就會產(chǎn)生電流。1自主思考判一判(1)法拉第不但發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，還發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象。()(2)磁通量雖然有正、負之分，但磁通量是標量。()(3)穿過閉合線圈的磁通量發(fā)生變化，一定能產(chǎn)生感應電流。()(4)閉合線圈做切割磁感線運動，一定能產(chǎn)生感應電流。()(5)閉合線圈和磁場發(fā)生相對運動，不一定能產(chǎn)生感應電流。()2合作探究議一議(1)為什么許多大物理學家對“磁生電”的探索失敗，而法拉第卻能成功呢？提示：許多大物理學家如菲涅耳、安培、科拉頓、亨利等，他們對磁生電探索失敗的原因，可歸納為兩條：“磁生電”是一種在變化運動的過程中才能出現(xiàn)的動態(tài)效應，大多數(shù)物理學家把它看成了靜態(tài)效應，靜等其變，研究思路不對?？茖W實驗的多次失敗和挫折，使大多數(shù)物理學家知難而退、望而卻步，而法拉第憑著迎難而上、對科學堅韌不拔的探索精神、獻身精神，十年磨一劍，終成大器。(2)只要磁通量變化就有感應電流產(chǎn)生嗎？提示：不一定，要產(chǎn)生感應電流需具備兩個條件：閉合回路磁通量發(fā)生變化如果電路不閉合，即使磁通量發(fā)生變化也不會產(chǎn)生感應電流。(3)閉合電路的部分導體切割磁感線運動時，一定有感應電流嗎？提示：不一定。如圖所示，線框abcd僅有一半置入勻強磁場中，當它在磁場中上下運動時，一半線框在做切割磁感線運動，但磁通量未發(fā)生變化，故無感應電流產(chǎn)生。當線框向左平動，離開磁場時，線框的磁通量減小，故有電流產(chǎn)生，導體做切割磁感線運動，不是導體中產(chǎn)生感應電流的充要條件，歸根結(jié)底還得要看穿過閉合回路的磁通量是否發(fā)生變化。 磁通量及其變化的分析1磁通量與其變化量的區(qū)別磁通量磁通量的變化量物理意義某時刻穿過某個面的磁感線條數(shù)始末時刻穿過某個面的磁通量的差值大小計算bs，s為閉合回路線圈在垂直于磁場方向上的有效面積21bs(b不變) 或sb(s不變)說明穿過某個面有方向相反的磁場，則不能直接用bs，應考慮方向相反的磁通量抵消以后所剩余的磁通量與磁場垂直的平面，開始時和轉(zhuǎn)過180時穿過平面的磁通量是不同的，一正一負，2bs，而不是零2磁通量的計算(1)b與s垂直時(勻強磁場中)：bs。b指勻強磁場的磁感應強度，s為線圈的面積。 (2)b與s不垂直時(勻強磁場中)：bs。s為線圈在垂直磁場方向上的有效面積，在應用時可將s分解到與b垂直的方向上，如圖114所示，bs sin 。圖114(3)磁通量雖然是標量，卻有正負之分。當某面積內(nèi)有方向相反的磁場時，分別計算不同方向的磁場的磁通量，然后規(guī)定某個方向的磁通量為正，反方向的磁通量為負，求其代數(shù)和。典例如圖115所示，a、b是兩個同平面、同心放置的金屬圓環(huán)，條形磁鐵穿過圓環(huán)且與兩環(huán)平面垂直，則通過兩圓環(huán)的磁通量a、b()圖115aabbabcab d無法比較思路點撥解析條形磁鐵磁場的磁感線的分布特點是：磁鐵內(nèi)外磁感線的條數(shù)相同。磁鐵內(nèi)外磁感線的方向相反。磁鐵外部磁感線的分布是兩端密、中間疏。兩個同心放置的同平面的金屬圓環(huán)與磁鐵垂直且磁鐵在中央時，通過其中的磁感線的俯視圖如圖所示，穿過圓環(huán)的磁通量進出，由于兩圓環(huán)面積sasb，兩圓環(huán)的進相同，而出a出b，所以穿過兩圓環(huán)的有效磁通量ab，故a正確。答案a(1)對于穿過某一平面的雙向磁場，表示的是合磁通量的大小。(2)注意有相反方向的磁場產(chǎn)生的磁通量的判斷，首先要清楚哪個方向的磁通量大，然后再看它們各自如何變化，進而判斷總磁通量情況。 1.如圖116所示，水平放置的扁平條形磁鐵，在磁鐵的左端正上方有一金屬線框，線框平面與磁鐵垂直，當線框從左端正上方沿水平方向平移到右端正上方的過程中，穿過它的磁通量的變化情況是()圖116a先減小后增大b始終減小c始終增大 d先增大后減小解析：選a線框在磁鐵兩端的正上方時穿過該線框磁通量最大，在磁鐵中央時穿過該線框的磁通量最小，所以該過程中的磁通量先減小后增大，故a對。2.如圖117所示，a、b、c三個閉合線圈放在同一平面內(nèi)，當線圈a中有電流i通過時，它們的磁通量分別為a、b、c，下列說法中正確的是()圖117aabbccaccb解析：選b當a中有電流通過時，穿過a、b、c三個閉合線圈的向里的磁感線條數(shù)一樣多，向外的磁感線的條數(shù)c最多，其次是b，a中沒有向外的磁感線，因此，根據(jù)合磁通量的計算，應該是abc。3如圖118所示，有一通電長直導線mn，通入向右的電流i，另有一閉合線圈p位于導線正下方，現(xiàn)使線圈p豎直向上運動，問在線圈p到達mn上方的過程中，穿過p的磁通量是如何變化的？圖118解析：根據(jù)直線電流磁場特點，靠近導線處磁場強，遠離導線處磁場弱，把線圈p從mn下方運動到上方的過程中幾個特殊位置畫出，如圖所示(為畫清楚，把線圈錯開了)。分析磁通量變化時可以通過穿過線圈的磁感線的條數(shù)(注意應是凈條數(shù))的變化來分析。磁通量增加；磁通量減小(位置時0)；磁通量增加；磁通量減小。所以整個過程磁通量的變化為：增加減小增加減小。答案：見解析感應電流的產(chǎn)生條件1對感應電流產(chǎn)生條件的理解(1)兩個條件均為必要條件，缺一不可。(2)閉合電路中是否產(chǎn)生感應電流，取決于穿過回路的磁通量是否發(fā)生變化。2判斷有無感應電流的基本步驟(1)明確所研究的電路是否為閉合電路。(2)分析最初狀態(tài)穿過電路的磁通量情況。(3)根據(jù)相關量變化的情況分析穿過閉合電路的磁通量是否發(fā)生變化。常見的情況有以下幾種：磁感應強度b不變，線圈面積s發(fā)生變化，例如閉合電路的一部分導體切割磁感線時。線圈面積s不變，磁感應強度b發(fā)生變化，例如線圈與磁體之間發(fā)生相對運動時或者磁場是由通電螺線管產(chǎn)生而螺線管中的電流變化時。磁感應強度b和線圈面積s同時發(fā)生變化，此時可由10計算并判斷磁通量是否發(fā)生變化。線圈面積s不變，磁感應強度b也不變，但二者之間的夾角發(fā)生變化，例如線圈在磁場中轉(zhuǎn)動時。典例 (多選)如圖119所示，豎直放置的長直導線通以恒定電流，一矩形線框abcd與通電導線共面放置，且ad邊與通電導線平行。下列情況中能產(chǎn)生感應電流的是()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(zhuǎn)動e線框以直導線為軸轉(zhuǎn)動圖119思路點撥 解析討論是否產(chǎn)生感應電流，需分析通電直導線周圍的磁場分布情況，通電直導線周圍的磁感線是一系列的同心圓，且離導線越遠磁感線越稀疏。只要穿過線框的磁通量發(fā)生變化，線框中就能產(chǎn)生感應電流。因i增大而引起導線周圍磁場的磁感應強度增大，穿過線框的磁通量增大，故a正確。因離直導線越遠，磁感線分布越稀疏(如圖甲)，因此線框向右平動時，穿過線框的磁通量變小，故b正確。由甲圖可知線框向下平動時穿過線框的磁通量不變，故c錯。線框以ab邊為軸轉(zhuǎn)動時，當線框在如圖甲所示位置時，穿過線框的磁通量最大，當線框轉(zhuǎn)過90時，穿過線框的磁通量最小：0，因此可以判定線框以ab邊為軸轉(zhuǎn)動時磁通量一定變化，故d正確。對e選項，先畫出俯視圖(如圖乙)，由圖可看出線框繞直導線轉(zhuǎn)動時，在任何一個位置穿過線框的磁感線條數(shù)不變，因此無感應電流產(chǎn)生，故e錯。答案abd對感應電流產(chǎn)生條件的兩點理解(1)在閉合回路中是否產(chǎn)生感應電流，取決于穿過回路的磁通量是否發(fā)生變化，而不取決于穿過回路磁通量的大小。(2)閉合回路的部分導體做切割磁感線運動是引起回路磁通量變化的具體形式之一。但閉合回路的部分導體做切割磁感線運動時，不一定總會引起閉合回路的磁通量變化。如圖所示，矩形線框abcd在范圍足夠大的勻強磁場中，在垂直磁場的平面內(nèi)向右平動，雖然ad、bc邊都切割磁感線，但磁場穿過回路abcd的磁通量沒有變化，因而沒有產(chǎn)生感應電流。1如圖所示，各導體框在勻強磁場中運動方向圖中已標出，能產(chǎn)生感應電流的是()解析：選da圖中，回路不閉合，回路中無感應電流。b、c中雖有切割且回路閉合，但磁通量不發(fā)生變化，回路中無感應電流。2.如圖1110所示，條形磁鐵的上方放置一矩形線框，線框平面水平且和條形磁鐵平行，則線框在由磁鐵n極勻速平移到磁鐵s極的過程中()圖1110a線框中始終無感應電流b線框中始終有感應電流c線框中開始有感應電流，當線框運動到磁鐵中部上方時無感應電流，以后又有了感應電流d開始無電流，當運動到磁鐵中部的上方時有感應電流，后來又沒有電流解析：選b線框移動過程中，穿過線框的磁通量先減小后增大，即穿過線框的磁通量始終是變化的，故線框始終有感應電流，故b正確。3圖1111所示的勻強磁場中有一個矩形閉合導線框。在下列幾種情況下，線框中是否產(chǎn)生感應電流？(1)保持線框平面始終與磁感線垂直，線框在磁場中上下運動(圖甲)。(2)保持線框平面始終與磁感線垂直，線框在磁場中左右運動(圖乙)。(3)線框繞軸線ab轉(zhuǎn)動(圖丙)。圖1111解析：(1)圖甲中，線框在磁場中上下運動的過程中，穿過線框的磁通量沒有發(fā)生變化，所以無感應電流產(chǎn)生。(2)圖乙中，線框在磁場中左右運動的過程中，盡管切割磁感線，但是穿過線框的磁通量沒發(fā)生變化，所以無感應電流產(chǎn)生。(3)圖丙中，線框繞ab轉(zhuǎn)動，會使穿過線框的磁通量發(fā)生改變，有感應電流產(chǎn)生。答案：見解析1下列現(xiàn)象中，屬于電磁感應現(xiàn)象的是()a磁場對電流產(chǎn)生力的作用b變化的磁場使閉合電路產(chǎn)生感應電流c插入通電螺線管中的軟鐵棒被磁化d電流周圍產(chǎn)生磁場解析：選b電磁感應現(xiàn)象是指由于穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應電流的現(xiàn)象，只有選項b符合。2有一宇航員登月后，想探測一下月球表面是否有磁場，他手邊有一只靈敏電流表和一個小線圈，則下列推斷正確的是()a直接將電流表放于月球表面，根據(jù)電流表有無示數(shù)來判斷磁場的有無b將電流表與線圈連成閉合回路，使線圈沿某一方向運動，若電流表無示數(shù)，則可以判斷月球表面無磁場c將電流表與線圈連成閉合回路，使線圈沿某一方向運動，若電流表有示數(shù)，則可以判斷月球表面有磁場d將電流表與線圈連成閉合回路，使線圈在某一平面內(nèi)沿各個方向運動，若電流表無示數(shù)，則可以判斷月球表面無磁場解析：選c假設月球表面有磁場，其磁場分布規(guī)律類似于地磁場，當電流表與線圈組成閉合電路，穿過該回路的磁通量發(fā)生變化時，電流表就會有示數(shù)，就可證明有磁場存在，a中電流表不在回路中，故a錯；當線圈平面與月球的磁場(假設月球有磁場)方向平行時，線圈沿任一方向運動，穿過線圈的磁通量都不發(fā)生變化，電流表無示數(shù)，故該情況下不能判定月球表面是否無磁場，故b、d錯；使線圈沿某一方向運動，電流表有示數(shù)，說明穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，證明月球表面有磁場，故c對。3.磁通量是研究電磁感應現(xiàn)象的重要物理量。如圖1所示，通有恒定電流的導線mn與閉合線框共面，第一次將線框由位置1平移到位置2，第二次將線框繞cd邊翻轉(zhuǎn)到2，設先后兩次通過線框的磁通量變化分別為1和2，則()圖1a12b12c12 d無法確定解析：選c設線框在位置1時的磁通量為1，在位置2時的磁通量為2，直線電流產(chǎn)生的磁場在1處比在2處要強。若平移線框，則112，若轉(zhuǎn)動線框，磁感線是從線框的正反兩面穿過的，一正一負，因此212。根據(jù)分析知：1l，則在線框通過磁場區(qū)域的過程中，不產(chǎn)生感應電流的時間為()圖8a. b.c. d.解析：選c線框完全進入磁場后，磁通量不變化，線框中無感應電流，當線框進入、離開磁場時，磁通量變化，都會產(chǎn)生感應電流，故不產(chǎn)生感應電流的距離為dl，時間為t。11逆向思維是一種重要的思想方法，在這種思想方法的引領下，許多重要的科學定律被發(fā)現(xiàn)。“電生磁，磁生電”這種逆向互生的關系，體現(xiàn)了物理學中的一種對稱美。請思考：(1)你還能指出物理學中的其他對稱性和對稱實例嗎？(2)1831年，物理學家法拉第用如圖9所示的實驗，成功發(fā)現(xiàn)了磁生電現(xiàn)象，當開關始終處于閉合狀態(tài)時，a線圈中_(選填“有”或“無”)感應電流產(chǎn)生，當開關閉合或斷開瞬間，a線圈中_(選填“有”或“無”)感應電流產(chǎn)生。圖9(3)如圖10是某興趣小組研究磁生電現(xiàn)象所需的器材。圖10請你協(xié)助該小組完成如下