高中物理滬科版1第三章劃時代的發(fā)現(xiàn) 教師用書第3章

法拉第的探索一條來之不易的規(guī)律——法拉第電磁感應定律1．(3分)如圖3-1-1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()圖3-1-1【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】D2．(3分)(多選)如圖3-1-2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3-1-2A．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】AC3．(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(xiàn)象發(fā)現(xiàn)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(xiàn)象及其產(chǎn)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(xiàn)了電流的磁效應，它揭示了電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象之間存在的某種聯(lián)系．奧斯特發(fā)現(xiàn)了“電生磁”的現(xiàn)象之后，激發(fā)人們?nèi)ヌ剿鳌按派姟钡姆椒ǎ容^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(xiàn)象之間有著聯(lián)系．一直堅持探索電磁感應現(xiàn)象．前后歷時數(shù)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(chǎn)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3-1-3所示．圖3-1-3圖3-1-4(2)磁鐵與螺線管有相對運動時也能產(chǎn)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3-1-4所示．(3)如圖3-1-5，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3-1-53．從現(xiàn)象到本質(zhì)穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，電路中就產(chǎn)生電磁感應現(xiàn)象．電磁感應現(xiàn)象中產(chǎn)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(nèi)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＝neq\f(ΔΦ,Δt)，n為線圈的匝數(shù)，E、ΔΦ、Δt的單位分別為V、Wb、s.一、對產(chǎn)生感應電流的條件的理解1．感應電流產(chǎn)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(xiàn)在“變化”上，回路中穿過的磁通量大小，是否為零不是產(chǎn)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(chǎn)生感應電流．【特別提醒】產(chǎn)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(chǎn)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3-1-6所示，導體AB做切割磁感線運動時，線路中有電流產(chǎn)生，而導體AB順著磁感線運動時，線路中無電流產(chǎn)生．圖3-1-6(2)磁鐵在線圈中運動如圖3-1-7所示，條形磁鐵插入或拔出線圈時，線圈中有電流產(chǎn)生，但磁鐵在線圈中靜止不動時，線路中無電流產(chǎn)生．圖3-1-7(3)改變螺線管AB中的電流如圖3-1-8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3-1-8二、如何區(qū)分磁通量Φ、磁通量的變化量ΔΦ，磁通量的變化率eq\f(ΔΦ,Δt)物理量單位物理意義磁通量ΦWb表示某時刻或某位置時穿過某一面積的磁感線條數(shù)的多少磁通量的變化量ΔΦWb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eq\f(ΔΦ,Δt)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(shù)，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＝Φ2-Φ1.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．\f(ΔΦ,Δt)表示磁通量的變化快慢，即單位時間內(nèi)磁通量的變化，又稱為磁通量的變化率．【特別提醒】Φ、ΔΦ、eq\f(ΔΦ,Δt)的大小沒有直接關系，這一點可與運動學中v、Δv、eq\f(Δv,Δt)三者類比.值得指出的是：Φ很大，eq\f(ΔΦ,Δt)可能很??；Φ很小，eq\f(ΔΦ,Δt)可能很大；Φ＝0，eq\f(ΔΦ,Δt)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，eq\f(ΔΦ,Δt)＝0，反之，當Φ為零時，eq\f(ΔΦ,Δt)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eq\f(ΔΦ,Δt)，與Φ的大小、ΔΦ的大小沒有必然的聯(lián)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＝neq\f(ΔΦ,Δt)適用于回路中磁通量發(fā)生變化產(chǎn)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(chǎn)生的感應電流的方向用右手定則來判斷．【深化探究】產(chǎn)生感應電流和產(chǎn)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(chǎn)生感應電動勢，而產(chǎn)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(xiàn)象的重要物理量．如圖3-1-9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3-1-9A．ΔΦ1>ΔΦ2B．ΔΦ1＝ΔΦ2C．ΔΦ1<ΔΦ2D．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(chǎn)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(jù)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3-1-10所示，當閉合環(huán)收縮導致它所圍的面積減小時：圖3-1-10(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(nèi)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(nèi)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(chǎn)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3-1-11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(nèi)，在下列情況中線圈產(chǎn)生感應電流的是()圖3-1-11A．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(jù)產(chǎn)生感應電流的條件來判斷．【解析】分析是否產(chǎn)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(shù)均不變，因此無感應電流，故E錯．【答案】ABD分析是否產(chǎn)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(shù)是否變化.2．(多選)如圖3-1-12所示，線圈M和線圈P繞在同一鐵芯上，則()【導學號：22940023】圖3-1-12A．當合上開關S的瞬間，線圈P中沒有感應電流B．當合上開關S的瞬間，線圈P中有感應電流C．當斷開開關S的瞬間，線圈P中沒有感應電流D．當斷開開關S的瞬間，線圈P中有感應電流【解析】閉合開關S的瞬間，線圈M中有電流通過，電流產(chǎn)生磁場，穿過線圈P的磁通量增大，線圈P中產(chǎn)生感應電流．斷開開關S的瞬間，線圈M中電流消失，電流產(chǎn)生的磁場消失，穿過線圈P的磁通量減小，線圈P中產(chǎn)生感應電流．【答案】BD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10Ω，置于水平面上．若穿過線框的磁通量在s內(nèi)，由垂直紙面向里，從×10－2Wb均勻減小到零，再反向均勻增加到×10－2Wb.則在此時間內(nèi)，線圈內(nèi)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＝neq\f(ΔΦ,Δt)求出感應電動勢的大??；3．用公式I＝eq\f(E,R)求出感應電流的大?。窘馕觥吭O垂直紙面向外為正方向，在s內(nèi)，磁通量的變化ΔΦ＝Φ2－(－Φ1)＝Φ2＋Φ1＝×10－2Wb＋×10－2Wb＝Wb根據(jù)法拉第電磁感應定律：E＝neq\f(ΔΦ,Δt)＝10×eq\f,V＝80V根據(jù)閉合電路歐姆定律I＝eq\f(E,R)＝eq\f(80,10)A＝A.【答案】計算ΔΦ時注意的問題磁通量的變化ΔΦ≠Φ2－Φ1.在s內(nèi)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＝s的時間內(nèi)，磁通量由Φ1＝3Wb均勻增加到Φ2＝6Wb.求：(1)在Δt內(nèi)線圈中產(chǎn)生的感應電動勢．(2)要使線圈中產(chǎn)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＝neq\f(ΔΦ,Δt)＝eq\f(Φ2－Φ1,Δt)＝eq\f(6－3,V＝6V.(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(shù)n或增大磁通量的變化率．【答案】(1)6V(2)①增加線圈匝數(shù)②增大磁通量的變化率1．下列現(xiàn)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(xiàn)象．【答案】B2．如圖3-1-13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(chǎn)生感應電流()圖3-1-13A．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(xiàn)象，所以沒有感應電流的產(chǎn)生．C選項中，線圈的磁通量發(fā)生了改變，故線圈中產(chǎn)生了感應電流．【答案】C3．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3-1-14所示，則能夠使線圈中產(chǎn)生感應電流的操作是()圖3-1-14A．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(jù)感應電流的產(chǎn)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(chǎn)生感應電流．根據(jù)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(chǎn)生感應電流．而D項操作，線圈中的磁通量發(fā)生變化，能產(chǎn)生感應電流．【答案】D4．一個20匝、面積為200cm2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s內(nèi)由T增加到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＝×Wb－×Wb＝Wb，eq\f(ΔΦ,Δt)＝eq\f,Wb/s＝Wb/s，E＝neq\f(ΔΦ,Δt)＝20×V＝V.【答案】WbWb/sV學業(yè)達標測評(八)(建議用時：45分鐘)1．關于電磁感應現(xiàn)象，下列說法正確的是()A．只要電路中的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動，此電路中就必然有感應電流B．只要閉合電路中的一部分導體在磁場中運動，此電路中就必然有感應電流C．只要閉合電路中的磁通量發(fā)生變化，此電路中就必然有感應電流D．只要閉合線圈在磁場中轉動，此線圈中就一定有感應電流【解析】產(chǎn)生感應電流必須同時滿足電路閉合和磁通量變化這兩個條件．選項A不明確電路是否閉合，選項B不明確導體是否切割磁感線運動(磁通量是否變化)，故選項A、B錯誤．選項D線圈在磁場中轉動時，如果轉軸平行于勻強磁場的磁感線，則磁通量不變，故選項D錯誤．【答案】C2．(多選)在圖3-1-15的各種情況中，穿過回路的磁通量增大的有()圖3-1-15A．圖3-1-15(1)所示，在勻強磁場中，先把由彈簧狀導線組成回路撐開，而后放手，到恢復原狀的過程中B．圖3-1-15(2)所示，裸銅線ab在裸金屬導軌上向右勻速運動過程中C．圖3-1-15(3)所示，條形磁鐵插入線圈的過程中D．圖3-1-15(4)所示，閉合線框遠離與它在同一平面內(nèi)通電直導線的過程中【解析】四種情況下，穿過閉合回路的磁通量均發(fā)生變化，故都有感應電流產(chǎn)生．但(1)中電路的面積減小，磁通量減??；(2)中的ab向右移動時在磁場的閉合電路的面積增大，磁通量增大；(3)中磁鐵向下運動時通過線圈的磁場變強，磁通量也增大；(4)中直線電流近處的磁場強，遠處的磁場弱．所以線圈遠離通電直導線時，磁通量減?。訠、C正確．【答案】BC3.(多選)如圖3-1-16所示，線框abcd從有界的勻強磁場區(qū)域穿過，下列說法中正確的是()圖3-1-16A．進入勻強磁場區(qū)域的過程中，abcd中有感應電流B．在勻強磁場中加速運動時，abcd中有感應電流C．在勻強磁場中勻速運動時，abcd中沒有感應電流D．離開勻強磁場區(qū)域的過程中，abcd中沒有感應電流【解析】在有界的勻強磁場中，常常需要考慮線框進場、出場和在場中運動的情況，abcd在勻強磁場中無論勻速運動還是加速運動，穿過abcd的磁通量都沒有發(fā)生變化．【答案】AC4.(多選)如圖3-1-17所示的裝置，在下列各種情況中，能使懸掛在螺線管附近的銅質(zhì)閉合線圈A中產(chǎn)生感應電流的是()圖3-1-17A．開關S接通的瞬間B．開關S接通后，電路中電流穩(wěn)定時C．開關S接通后，滑動變阻器滑片滑動的瞬間D．開關S斷開的瞬間【解析】開關S接通的瞬間、開關S接通后滑動變阻器滑片滑動的瞬間、開關S斷開的瞬間都使螺線管線圈中的電流變化而引起磁場變化，線圈A中的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應電流．【答案】ACD5．如圖3-1-18所示，在磁感應強度為T的勻強磁場中，長為0.5m的導體棒AB在金屬框架上以10m/s的速度向右滑動．R1＝R2＝20Ω，其他電阻不計，則流過AB的電流是()圖3-1-18A．0.2A B．0.4AC．0.05A D．0.1A【解析】導體棒AB做切割磁感線運動產(chǎn)生的感應電動勢E＝Blv＝××10V＝V.總電阻R＝eq\f(R1R2,R1＋R2)＝10Ω，I＝eq\f(E,R)＝eq\f,10)A＝0.1A，故D正確．【答案】D6．如圖3-1-19所示，有限范圍的勻強磁場寬度為d，將一個邊長為l的正方形導線框以速度v勻速通過磁場區(qū)域，若d>l，則線框中不產(chǎn)生感應電流的時間應等于()【導學號：22940024】圖3-1-19\f(d,v) \f(l,v)\f(d－l,v) \f(d－2l,v)【解析】線框中不產(chǎn)生感應電流，則要求線框中的磁通量不發(fā)生變化，即線框全部在磁場中勻速運動時沒有感應電流，所以線框從左邊框進入磁場時開始到線框右邊將要離開磁場時為止，這個過程中線框中沒有感應電流，路程為d－l，所以時間為eq\f(d－l,v)，所以C正項．【答案】C7．“嫦娥一號”順利升空以后，我國已經(jīng)制定了登月計劃．假如未來某一天中國的宇航員登上月球，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，看是否有示數(shù)來判斷磁場的有無B．將電流表與線圈組成閉合回路，使線圈沿某一方向運動，如電流表無示數(shù)，則可判斷月球表面無磁場C．將電流表與線圈組成閉合回路，使線圈沿某一方向轉動，如電流表有示數(shù)，則可判斷月球表面有磁場D．將電流表與線圈組成閉合回路，使線圈在某一平面內(nèi)沿各個方向運動，如電流表無示數(shù)，則可判斷月球表面無磁場【解析】要使線圈中形成感應電流，電流表有示數(shù)，則必須使電流表和線圈構成閉合電路，A錯誤；若線圈沿某一方向運動，電流表無示數(shù)，則不能判斷月球表面無磁場，比如線圈平行于磁場方向運動時，線圈中則無電流形成，但若電流表有示數(shù)，則可判斷月球表面有磁場，C正確，B、D均錯誤．【答案】C8．如圖3-1-20所示