新教材物理粵教版必修第三冊學(xué)案第六章第三節(jié)電磁感應(yīng)現(xiàn)象

第三節(jié)電磁感應(yīng)現(xiàn)象必備知識·自主學(xué)習(xí)一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1.奧斯特夢圓“電生磁”:1820年,丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)。2.法拉第心系“磁生電”:(1)1831年,英國物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。產(chǎn)生的電流叫作感應(yīng)電流。(2)法拉第的概括。法拉第把引起感應(yīng)電流的原因概括為五類:①變化的電流;②變化的磁場;③運動的恒定電流;④運動的磁鐵;⑤在磁場中運動的導(dǎo)體。(3)電磁感應(yīng)與感應(yīng)電流。法拉第把他發(fā)現(xiàn)的磁生電的現(xiàn)象叫作電磁感應(yīng),產(chǎn)生的電流叫作感應(yīng)電流。(4)發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的意義。①使人們對電與磁內(nèi)在聯(lián)系的認識更加完善,宣告了電磁學(xué)作為一門統(tǒng)一學(xué)科的誕生。②使人們找到了磁生電的條件,開辟了人類的電氣化時代。二、產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件1.探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件:(1)探究導(dǎo)體棒在磁場中運動是否產(chǎn)生感應(yīng)電流(如圖所示):實驗操作實驗現(xiàn)象(有無電流)分析論證導(dǎo)體棒靜止無閉合電路包圍的面積變化時,電路中有感應(yīng)電流產(chǎn)生;包圍的面積不變時,電路中無感應(yīng)電流產(chǎn)生導(dǎo)體棒平行磁感線運動無導(dǎo)體棒切割磁感線運動有(2)模仿法拉第的實驗(如圖所示):實驗操作實驗現(xiàn)象(線圈B中有無電流)分析論證開關(guān)閉合瞬間有線圈B中磁場變化時,線圈B中有感應(yīng)電流;線圈B中磁場不變時,線圈B中無感應(yīng)電流開關(guān)斷開瞬間有開關(guān)保持閉合,滑動變阻器的滑片不動無開關(guān)保持閉合,迅速移動滑動變阻器的滑片有2.歸納產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件:只要穿過閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化,閉合電路中就有感應(yīng)電流。三、電磁感應(yīng)的應(yīng)用如圖所示,變壓器和電磁爐都是生產(chǎn)和生活中常見的電器,它們有一個共同的特點,是什么呢?提示:它們工作時都利用了電磁感應(yīng)的原理。1.汽車防抱死制動系統(tǒng)(ABS):(1)組成:ABS由輪速傳感器、電子控制模塊和電磁閥三個部分組成,其中輪速傳感器是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象來測量車輪的轉(zhuǎn)速的。(2)原理:①如圖所示,鐵質(zhì)齒輪P與車輪同步轉(zhuǎn)動,它的右側(cè)有一個繞著線圈的磁鐵,當(dāng)每個輪齒在接近和離開磁鐵時,穿過線圈的磁通量會發(fā)生變化,線圈中出現(xiàn)感應(yīng)電流。②隨著各個輪齒的運動,磁通量的變化會使線圈中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流。③電流由電流檢測器D檢測,并送到電子控制模塊以控制電磁閥,為制動器提供合適的制動力,有效避免了汽車后輪側(cè)滑的現(xiàn)象。2.無線充電技術(shù):(1)概念:無線充電,又稱非接觸式感應(yīng)充電,是利用供電設(shè)備直接將電能傳送給用電器的技術(shù)。(2)原理:充電器與用電器之間通過電感耦合傳送電能。充電器中有發(fā)射線圈,給線圈一定頻率的交變電流,通過電磁感應(yīng),用電器的接收線圈中產(chǎn)生的電流給電池充電。(3)優(yōu)點:無線充電具有安全、耐用、方便等優(yōu)點。(1)有電流即生磁場。 (√)(2)有磁場即生電流。 (×)(3)靜止的電荷周圍也能產(chǎn)生磁場。 (×)(4)穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化,一定產(chǎn)生感應(yīng)電流。 (√)(5)有變化的磁場即生電流。 (×)(6)回路中有部分導(dǎo)體做切割磁感線運動即生電流。 (×)關(guān)鍵能力·合作學(xué)習(xí)知識點一電流的磁效應(yīng)與電磁感應(yīng)現(xiàn)象1.區(qū)別:“動電生磁”和“動磁生電”是兩個不同的過程,要抓住過程的本質(zhì),“動電生磁”是指運動電荷周圍產(chǎn)生磁場;“動磁生電”是指線圈內(nèi)的磁通量發(fā)生變化而在閉合線圈內(nèi)產(chǎn)生了感應(yīng)電流?！皠与娚拧敝械摹皠印笔沁\動的意思,電荷相對磁場運動,“動磁生電”中的“動”是變化的意思。要從本質(zhì)上來區(qū)分它們。2.聯(lián)系:二者都是反映了電流與磁場之間的關(guān)系。如圖所示,甲圖是美軍電磁炮,乙圖是家用電磁爐,它們各自是根據(jù)什么工作的呢?提示:電磁炮的工作原理是電流的磁效應(yīng),電磁爐的工作原理是電磁感應(yīng)?！镜淅?多選)如圖是機場的安檢人員用手持金屬探測器檢查乘客的情境。當(dāng)探測線圈靠近金屬物體時,在金屬物體中就會產(chǎn)生電流,如果能檢測出這種變化,就可以判定探測線圈附近有金屬物體了。下列四個圖中能反映出金屬探測器工作原理的是 ()【解析】選B、C。探測器靠近金屬物體時,相當(dāng)于閉合電路的部分導(dǎo)體在切割磁感線,從而產(chǎn)生了電流;選項B是導(dǎo)體棒切割磁感線,選項C是閉合回路磁通量發(fā)生變化產(chǎn)生感應(yīng)電流,選項A、D是電流的磁效應(yīng)。綜上所述,選項B、C正確。是否為電磁感應(yīng)現(xiàn)象的判斷方法(1)磁生電的現(xiàn)象都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。(2)所有的電磁感應(yīng)現(xiàn)象都與變化和運動相聯(lián)系。法拉第通過精心設(shè)計的一系列實驗,發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律,將歷史上認為各自獨立的學(xué)科“電學(xué)”和“磁學(xué)”聯(lián)系起來,在下面幾個典型的實驗設(shè)計思想中,所做的推論后來被實驗否定的是 ()A.既然磁鐵可以使近旁的鐵塊帶磁,靜電荷也可以使近旁的導(dǎo)體表面感應(yīng)出電荷,那么靜止導(dǎo)線中的穩(wěn)恒電流也可在近旁靜止的線圈中感應(yīng)出電流B.既然磁鐵可在近旁運動的導(dǎo)體中感應(yīng)出電動勢,那么穩(wěn)恒電流也可在近旁運動的線圈中感應(yīng)出電流C.既然運動的磁鐵可在近旁靜止的線圈中感應(yīng)出電流,那么靜止的磁鐵也可在近旁運動的導(dǎo)體中感應(yīng)出電動勢D.既然運動的磁鐵可在近旁的導(dǎo)體中感應(yīng)出電動勢,那么運動導(dǎo)線上的穩(wěn)恒電流也可以在近旁的線圈中感應(yīng)出電流【解析】選A。磁鐵可使近旁的鐵塊磁化帶磁,靜電荷可使近旁的導(dǎo)體感應(yīng)帶電,但靜止的穩(wěn)恒電流,其磁場不變,不會使靜止的線圈中磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電流,所以A項被實驗否定,答案為A。除此之外磁鐵可使運動的導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,穩(wěn)恒電流盡管磁場不變,但運動的線圈磁通量會變化,同樣運動導(dǎo)線上的穩(wěn)恒電流也會使線圈磁通量變化,綜上所述B、C、D都會被實驗證實是正確的。知識點二產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件角度1實驗探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件1.常見的產(chǎn)生感應(yīng)電流的三種情況:2.常見的考查方式:(1)對實驗原理和實驗器材的考查。如給定器材讓實物連線或找出不需要的器材或補充缺少的器材等。這類問題要求大家對上述三個實驗的原理有深刻的理解,只有這樣才能有效應(yīng)對這類問題。(2)對實驗操作和實驗現(xiàn)象的考查。這類問題常常給出一定的實驗場景,讓判斷在哪些操作中能產(chǎn)生感應(yīng)電流,哪些不能。解決這類問題需要深刻理解感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合具體的實驗場景做出判斷。如圖所示:導(dǎo)體棒在磁場中做切割磁感線運動,靈敏電流計指針偏轉(zhuǎn)嗎?為什么?提示:不偏轉(zhuǎn)。原因是電鍵沒閉合,沒構(gòu)成閉合回路?！镜淅?】(多選)如圖是觀察電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實驗裝置。閉合開關(guān),要使靈敏電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn),可采取的措施有 ()A.將線圈M快速插入線圈N中B.將線圈M快速從線圈N中抽出C.快速移動滑動變阻器的滑片D.將線圈M靜置于線圈N中【解析】選A、B、C。根據(jù)題意可知,當(dāng)將螺線管M插入(或拔出)螺線管N時穿過線圈N的磁通量發(fā)生變化,線圈N中產(chǎn)生感應(yīng)電流,電流計指針偏轉(zhuǎn),A、B正確,D錯誤;快速移動滑動變阻器的滑片,穿過線圈N的磁通量發(fā)生變化,線圈N中產(chǎn)生感應(yīng)電流,電流計指針偏轉(zhuǎn),故C正確。故選A、B、C。角度2應(yīng)用電流的產(chǎn)生條件判斷是否產(chǎn)生感應(yīng)電流1.感應(yīng)電流產(chǎn)生的必要條件是穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化,所以判斷感應(yīng)電流有無時必須明確以下兩點:(1)明確電路是否為閉合電路;(2)判斷穿過回路的磁通量是否發(fā)生變化。2.判斷穿過閉合導(dǎo)體回路的磁通量是否變化時,可充分利用磁感線來進行定性判斷。即通過觀察穿過閉合導(dǎo)體回路的磁感線的條數(shù)是否變化判斷某過程中磁通量是否變化。3.判斷電磁感應(yīng)現(xiàn)象是否發(fā)生的一般流程:(1)確定研究的閉合回路;(2)弄清楚回路內(nèi)的磁場分布,并確定該回路的磁通量Φ;(3)磁通量變化與感應(yīng)電流的產(chǎn)生如圖所示:開關(guān)保持閉合,導(dǎo)體棒始終在U形磁鐵的磁場中。(1)若導(dǎo)體棒在磁場中上下移動,靈敏電流計指針偏轉(zhuǎn)嗎?為什么?提示:導(dǎo)體棒上下移動,不切割磁感線,穿過閉合回路的磁通量不變化,電流計指針不偏轉(zhuǎn)。(2)若導(dǎo)體棒在磁場中前后移動,電流計指針偏轉(zhuǎn)嗎?為什么?提示:導(dǎo)體棒前后移動,不切割磁感線,穿過閉合回路的磁通量不變,電流計指針不偏轉(zhuǎn)。(3)若導(dǎo)體棒在磁場中左右移動,電流計指針偏轉(zhuǎn)嗎?提示:導(dǎo)體棒左右移動,切割磁感線,穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化,電流計指針偏轉(zhuǎn)?！镜淅?】如圖所示,矩形線框abcd由靜止開始運動,若要使線框中產(chǎn)生感應(yīng)電流且磁通量逐漸變大,則線框的運動情況應(yīng)該是 ()A.向右平動(ad邊還沒有進入磁場)B.向上平動(ab邊還沒有離開磁場)C.以bc邊為軸轉(zhuǎn)動(ad邊還沒有轉(zhuǎn)入磁場)D.以ab邊為軸轉(zhuǎn)動(轉(zhuǎn)角不超過90°)【解析】選A。選項A和D所描述的情況,線框在磁場中的有效面積S均發(fā)生變化(A項中S增大,D項中S變小),穿過線框的磁通量均改變,由產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件知線框中會產(chǎn)生感應(yīng)電流。而選項B、C所描述的情況中,線框中的磁通量均不改變,不會產(chǎn)生感應(yīng)電流。D項中磁通量變小。(教材二次開發(fā)·P142【練習(xí)】T1變式)如圖,通有恒定電流的直導(dǎo)線右側(cè)有一矩形線圈abcd,導(dǎo)線與線圈共面。如果線圈運動時不產(chǎn)生感應(yīng)電流,線圈可能的運動是 ()A.向上平移B.向右平移C.向左平移D.以ab為軸轉(zhuǎn)動【解析】選A。導(dǎo)線中電流強度不變時,產(chǎn)生的磁場不變,線圈向上移動時,穿過線框的磁通量不變,不可以產(chǎn)生感應(yīng)電流,故A正確;線框向右運動時,線框中的磁感應(yīng)強度減小,穿過線框的磁通量減小,可以產(chǎn)生感應(yīng)電流,故B錯誤;線框向左運動時,線框中的磁感應(yīng)強度增大,穿過線框的磁通量增大,可以產(chǎn)生感應(yīng)電流,故C錯誤;線框以ab為軸轉(zhuǎn)動,線框的磁通量發(fā)生變化,可以產(chǎn)生感應(yīng)電流,故D錯誤。所以A正確,B、C、D錯誤。【加固訓(xùn)練】1.(多選)如圖所示,下列情況能產(chǎn)生感應(yīng)電流的是()A.如圖甲所示,導(dǎo)體棒AB順著磁感線運動時B.如圖乙所示,條形磁鐵插入或拔出線圈時C.如圖丙所示,小螺線管A插入大螺線管B中不動,開關(guān)S一直接通時D.如圖丙所示,小螺線管A插入大螺線管B中不動,開關(guān)S一直接通,當(dāng)改變滑動變阻器的阻值時【解析】選B、D。A中導(dǎo)體棒順著磁感線運動,穿過閉合電路的磁通量沒有發(fā)生變化,無感應(yīng)電流,故A錯誤;B中條形磁鐵插入線圈時線圈中的磁通量增加,拔出線圈時線圈中的磁通量減少,都有感應(yīng)電流,故B正確;C中開關(guān)S一直接通,回路中為恒定電流,螺線管A產(chǎn)生的磁場穩(wěn)定,螺線管B中的磁通量無變化,線圈中不產(chǎn)生感應(yīng)電流,故C錯誤;D中開關(guān)S接通,滑動變阻器的阻值變化使閉合回路中的電流變化,螺線管A產(chǎn)生的磁場發(fā)生變化,螺線管B中磁通量發(fā)生變化,線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流,故D正確。2.如圖所示,在豎直向下的勻強磁場中,有一閉合導(dǎo)體環(huán),環(huán)面與磁場垂直。當(dāng)導(dǎo)體環(huán)在磁場中完成下述運動時,可能產(chǎn)生感應(yīng)電流的是 ()A.導(dǎo)體環(huán)保持水平且在磁場中向上或向下運動B.導(dǎo)體環(huán)保持水平向左或向右加速平動C.導(dǎo)體環(huán)以垂直環(huán)面、通過環(huán)心的軸轉(zhuǎn)動D.導(dǎo)體環(huán)以一條直徑為軸,在磁場中轉(zhuǎn)動【解析】選D。只要導(dǎo)體環(huán)保持水平,無論它如何運動,穿過環(huán)的磁通量都不變,都不會產(chǎn)生感應(yīng)電流,只有導(dǎo)體環(huán)繞通過直徑的軸在磁場中轉(zhuǎn)動時,穿過環(huán)的磁通量改變,才會產(chǎn)生感應(yīng)電流,D項正確。3.(多選)如圖所示,水平面內(nèi)有兩條相互垂直且彼此絕緣的通電長直導(dǎo)線,以它們?yōu)樽鴺?biāo)軸構(gòu)成一個平面直角坐標(biāo)系。四個相同的圓形閉合線圈在四個象限內(nèi)完全對稱放置,兩直導(dǎo)線中的電流大小與變化情況完全相同,電流方向如圖所示,當(dāng)兩直導(dǎo)線中的電流都增大時,四個線圈a、b、c、d中感應(yīng)電流的情況是 ()A.線圈a中無感應(yīng)電流B.線圈b中有感應(yīng)電流C.線圈c中有感應(yīng)電流 D.線圈d中無感應(yīng)電流【解析】選C、D。根據(jù)安培定則可判斷出電流產(chǎn)生的磁場方向,線圈a中的磁場方向均垂直于紙面向里,線圈c中的磁場方向均垂直于紙面向外,線圈b、d中的合磁通量始終為零,故增大兩直導(dǎo)線中的電流時,線圈a、c中的磁通量發(fā)生變化,有感應(yīng)電流產(chǎn)生,而線圈b、d中無感應(yīng)電流產(chǎn)生。選項C、D正確,A、B錯誤?！就卣估}】考查內(nèi)容:實驗探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件【典例】一位同學(xué)按照如圖所示連接電路,演示如下操作,并觀察電流表指針的位置變化情況,根據(jù)所學(xué)知識,你來分析一下電流表指針位置的變化情況以及發(fā)生這種情況的原因。(1)讓插有軟鐵芯的螺線管A的軸線與線圈C的平面共面,閉合開關(guān)。(2)讓螺線管A的軸線和線圈C的平面垂直,閉合開關(guān)?！窘馕觥?1)中的閉合線圈,雖然磁場發(fā)生了變化,但是磁通量在開關(guān)閉合前后沒有發(fā)生變化,大小都是零,所以沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生。(2)中磁場發(fā)生了變化,線圈C中的磁通量在開關(guān)閉合前后發(fā)生變化,故有感應(yīng)電流產(chǎn)生。答案:見解析情境·模型·素養(yǎng)重慶市某中學(xué)的幾位同學(xué)把一條大約10m長電線的兩端連接在一個靈敏電流計的接線柱上,形成閉合導(dǎo)體回路。甲、乙兩位同學(xué)沿南北方向站立勻速搖動電線時,靈敏電流計的示數(shù)為I1,兩位同學(xué)沿東西方向站立勻速搖動電線時,靈敏電流計的示數(shù)為I2,探究:(1)I1是否為零?(2)I2是否為零?【解析】(1)沿南北方向站立勻速搖動電線時,由于北半球的磁場有向下的分量,所以穿過線圈的磁通量發(fā)生變化,有感應(yīng)電流,所以I1≠0。(2)由于地球的周圍存在磁場,且磁感線的方向是從地理的南極指向地理的北極,所以當(dāng)兩位同學(xué)朝東西方向站立,并迅速搖動電線時,導(dǎo)線就會做切割磁感線運動,靈敏電流計的讀數(shù)I2≠0。答案:(1)I1不為零(2)I2不為零如圖所示是一種延時裝置的原理圖,當(dāng)S1閉合時,電磁鐵F將銜鐵D吸下,C線路接通;當(dāng)S1斷開時,由于電磁感應(yīng)作用,D將延遲一段時間才被釋放。探究:(1)若S2閉合,該延時裝置是否有延時作用?若有,簡述其工作原理;若無,說明理由。(2)若S2斷開,該延時裝置是否有延時作用?若有,簡述其工作原理;若無,說明理由?！窘馕觥?1)有延時作用。若S2閉合,當(dāng)S1斷開時,導(dǎo)致閉合線圈B中的磁通量變小,從而出現(xiàn)感應(yīng)電流,致使F中仍有磁性,出現(xiàn)延遲一段時間才被釋放,所以由于B線圈的電磁感應(yīng)作用,才產(chǎn)生延時釋放D的作用。(2)無延時作用。原因:如果斷開B線圈的開關(guān)S2,B線圈構(gòu)不成閉合回路,當(dāng)S1斷開時,B線圈中不會產(chǎn)生感應(yīng)電流,電磁鐵F的磁性立即消失,該裝置也就失去了延時功能。答案:見解析課堂檢測·素養(yǎng)達標(biāo)1.關(guān)于產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件,下列說法正確的是 ()A.位于磁場中的閉合線圈一定會產(chǎn)生感應(yīng)電流B.閉合線圈平行磁感線運動時,線圈中一定產(chǎn)生感應(yīng)電流C.穿過閉合線圈的磁通量發(fā)生變化時,一定產(chǎn)生感應(yīng)電流D.閉合線圈垂直磁感線運動時,線圈中一定產(chǎn)生感應(yīng)電流【解析】選C。位于磁場中的閉合線圈,只有磁通量發(fā)生變化,才一定會產(chǎn)生感應(yīng)電流,故A錯誤;閉合線圈平行磁感線運動時,閉合電路中磁通量沒有變化,則閉合電路中就沒有感應(yīng)電流,故B錯誤;穿過閉合電路的磁感線的條數(shù)發(fā)生變化,磁通量一定發(fā)生變化,則閉合電路中就有感應(yīng)電流,故C正確;緊緊圍繞感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件:閉合電路,磁通量發(fā)生變化;導(dǎo)體切割磁感線,磁通量不一定發(fā)生變化,故D錯誤。2.如圖中金屬圓環(huán)均帶有絕緣外皮,A項中直導(dǎo)線與圓環(huán)在同一平面內(nèi),B項中直導(dǎo)線與環(huán)面垂直,C項中直導(dǎo)線在圓環(huán)水平直徑正上方且與直徑平行,D項中直導(dǎo)線與圓環(huán)接觸且與圓環(huán)直徑重合,當(dāng)電流增大時,環(huán)中有感應(yīng)電流的是 ()【解析】選A。圖A中電流變化,線圈中磁通量變化,線圈中有感應(yīng)電流,故A正確;圖B中線圈平面與電流產(chǎn)生的磁感線平行,因此回路中磁通量始終為零,沒有感應(yīng)電流,故B錯誤;圖C、D中線圈回路中磁通量均為零,故都沒有感應(yīng)電流,故C、D錯誤。3.如圖所示,條形磁鐵以速度v向螺線管靠近,下面幾種說法中正確的是 ()A.螺線管中不會產(chǎn)生感應(yīng)電流B.螺線管中會產(chǎn)生感應(yīng)電流C.只有磁鐵速度足夠大時,螺線管中才能產(chǎn)生感應(yīng)電流D.只有在磁鐵的磁性足夠強時,螺線管中才會產(chǎn)生感應(yīng)電流【解析】選B。螺線管所在的回路是閉合的,當(dāng)條形磁鐵向螺線管靠近時,穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化,產(chǎn)生感應(yīng)電流,故