魯科版（2019）高中物理必修第三冊(cè)講義第5章 第2節(jié)　電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其應(yīng)用練習(xí)（含答案）

第2節(jié)電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.[物理觀念]知道磁通量的概念、電磁感應(yīng)現(xiàn)象及產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，能解釋電磁感應(yīng)的相關(guān)現(xiàn)象。2.[科學(xué)思維]理解磁通量的概念并會(huì)相關(guān)計(jì)算，理解產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，能處理相關(guān)的問題。3.[科學(xué)探究]通過實(shí)驗(yàn)探究產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，學(xué)會(huì)歸納總結(jié)法，能與他人交流合作完成實(shí)驗(yàn)。4.[科學(xué)態(tài)度與責(zé)任]體會(huì)電磁技術(shù)應(yīng)用對(duì)人類生活和社會(huì)發(fā)展帶來的影響，體驗(yàn)人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)是不斷發(fā)展的，培養(yǎng)學(xué)科學(xué)、用科學(xué)的積極態(tài)度。一、磁通量1．磁通量(1)定義：磁感應(yīng)強(qiáng)度B與面積S的乘積，稱為穿過這個(gè)平面的磁通量。(2)計(jì)算公式：Φ＝BS，此公式的適用條件：①勻強(qiáng)磁場(chǎng)；②磁感線與平面垂直。(3)單位：在國(guó)際制單位制中是韋伯，簡(jiǎn)稱韋，符號(hào)是Wb,1Wb＝1T·m2。(4)磁通量是一個(gè)只用大小就能描述的物理量，是標(biāo)量。2．磁通密度磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱磁通密度，B＝eq\f(Φ,Sn)，其中Sn為垂直于磁場(chǎng)方向的面積，表示磁感應(yīng)強(qiáng)度在數(shù)值上等于穿過垂直磁感線的單位面積的磁通量。說明：磁通量是標(biāo)量，但有正負(fù)，正、負(fù)號(hào)表示磁感線穿過同一個(gè)面的方向不同二、電磁感應(yīng)現(xiàn)象1．電磁感應(yīng)現(xiàn)象：因閉合回路的磁通量變化而產(chǎn)生電流的現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。2．感應(yīng)電流：由電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流。注意：電磁感應(yīng)只指“磁生電”，不指“電生磁”三、電磁感應(yīng)的應(yīng)用1．計(jì)算機(jī)磁盤與磁記錄計(jì)算機(jī)磁盤在錄制時(shí)，磁頭產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨數(shù)字信息而改變，當(dāng)磁性盤片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，變化的磁場(chǎng)將磁盤上的磁性材料磁化，就記錄下相應(yīng)的磁信號(hào)。讀取信息時(shí)，磁盤再次通過磁頭，電磁感應(yīng)使磁頭產(chǎn)生的電流與錄制時(shí)的電流一致，從而獲得錄制的信息。2．無線充電無線充電時(shí)，充電座和手機(jī)分別內(nèi)置線圈，當(dāng)手機(jī)放在充電座上時(shí)，充電座的線圈產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，使手機(jī)的線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流經(jīng)轉(zhuǎn)換變?yōu)橹绷麟姾蟊隳芙o手機(jī)電池充電了。3．動(dòng)圈式話筒話筒是把聲音轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置，動(dòng)圈式話筒由膜片、線圈、永磁體等構(gòu)成。當(dāng)人對(duì)著話筒講話時(shí)，聲波使金屬膜片振動(dòng)，連接在膜片上的線圈(音圈)隨之在永磁鐵的磁場(chǎng)里振動(dòng)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流的大小和方向不斷發(fā)生變化，這種帶有聲音信號(hào)的感應(yīng)電流經(jīng)擴(kuò)音器放大后，揚(yáng)聲器就能放出被放大的聲音了。說明：動(dòng)圈式話筒里講話時(shí)線圈振動(dòng)使磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流。1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)磁通量不僅有大小而且有方向，所以是矢量。 (×)(2)穿過某一面積的磁通量為零，該處磁感應(yīng)強(qiáng)度不一定為零。 (√)(3)磁只能用來記錄聲音和影像。 (×)(4)只要閉合電路內(nèi)有磁通量，閉合電路中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生。 (×)2．下列關(guān)于磁通量的說法正確的是()A．磁通量不僅有大小，而且有正負(fù)，所以磁通量是矢量B．磁通量大的地方，磁場(chǎng)一定強(qiáng)C．穿過某面的磁感線條數(shù)越多，磁通密度越大D．某截面的面積發(fā)生變化，磁通量可能不變D[磁通量雖然有正負(fù)之分，但正負(fù)不表示方向，其運(yùn)算不符合平行四邊形定則，故磁通量是標(biāo)量，A錯(cuò)誤；穿過某面的磁感線條數(shù)越多，磁通量越大，但磁通量與磁感應(yīng)強(qiáng)度、平面的面積和磁場(chǎng)與平面的夾角都有關(guān)系，所以磁場(chǎng)越強(qiáng)，磁通密度不一定越大，B、C錯(cuò)誤；截面的面積發(fā)生變化，若磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)與面的夾角也發(fā)生變化，磁通量可能不變，D正確。]3．(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(yùn)動(dòng)B．如圖乙所示，條形磁鐵插入或拔出線圈時(shí)C．如圖丙所示，小螺線管A插入大螺線管B中不動(dòng)，開關(guān)S一直接通時(shí)D．如圖丙所示，小螺線管A插入大螺線管B中不動(dòng)，開關(guān)S一直接通，當(dāng)改變滑動(dòng)變阻器的阻值時(shí)BD[A中導(dǎo)體棒順著磁感線運(yùn)動(dòng)，穿過閉合電路的磁通量沒有發(fā)生變化，無感應(yīng)電流，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；B中條形磁鐵插入線圈時(shí)線圈中的磁通量增加，拔出線圈時(shí)線圈中的磁通量減少，都有感應(yīng)電流，故選項(xiàng)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(chǎng)恒定，螺線管B中的磁通量無變化，線圈中不產(chǎn)生感應(yīng)電流，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；D中開關(guān)S接通，滑動(dòng)變阻器的阻值變化使閉合回路中的電流變化，螺線管A的磁場(chǎng)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，故選項(xiàng)D正確。]磁通量的理解與計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度越大的地方，磁通量一定越大嗎？提示：不是。由Φ＝BScosα知，磁通量大小與B、S、及夾角都有關(guān)。1．對(duì)磁通量Φ的進(jìn)一步分析(1)磁通量是標(biāo)量，但有正負(fù)。當(dāng)磁感線從某一平面穿入時(shí)，若規(guī)定磁通量為正值，則穿出此平面時(shí)為負(fù)值。(2)磁通量是表示穿過某平面的磁感線條數(shù)的多少，在今后的應(yīng)用中往往根據(jù)穿過平面的凈磁感線條數(shù)的多少定性判斷穿過該面的磁通量的大小。(3)B是勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，S為某一平面的面積，α為S與垂直于B的平面的夾角，則當(dāng)α＝0°時(shí)Φmax＝BS；當(dāng)α＝90°時(shí)，Φ＝0；當(dāng)0°＜α＜90°時(shí)，有Φ＝BScosα。2．磁通量的變化量ΔΦ磁通量的變化等于末狀態(tài)的磁通量減去初狀態(tài)的磁通量的絕對(duì)值。磁通量的變化一般有三種情況(S為平面在垂直磁場(chǎng)方向的投影面積)：(1)B不變，S變化，則ΔΦ＝|Φ2－Φ1|＝|B·ΔS|。(2)B變化，S不變，則ΔΦ＝|Φ2－Φ1|＝|ΔB·S|。(3)當(dāng)B和S同時(shí)變化時(shí)，ΔΦ＝|Φ2－Φ1|，但ΔΦ≠ΔB·ΔS。【例1】如圖所示，有一個(gè)垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B0＝0.8T，磁場(chǎng)有明顯的圓形邊界，圓心為O，半徑為1.0cm，現(xiàn)在紙面內(nèi)先后放上圓線圈A、B、C，圓心均在O處，A線圈半徑為1.0cm,10匝；B線圈半徑為2.0cm,1匝；C線圈半徑為0.5cm,1匝。問：(取π＝3.14，eq\r(3)＝1.732)(1)在B0減為0.4T的過程中，A和B中磁通量各改變多少？(2)在磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)過30°角的過程中，C中的磁通量改變多少？(計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)思路點(diǎn)撥：(1)磁通量的計(jì)算要注意公式Φ＝B·S中各符號(hào)的意義。(2)磁通量變化的計(jì)算可用公式ΔΦ＝|Φ2－Φ1|。[解析](1)A線圈半徑為1.0cm，正好和圓形磁場(chǎng)區(qū)域的半徑相等，而B線圈半徑為2.0cm，大于圓形磁場(chǎng)區(qū)域的半徑，故穿過A、B線圈的磁感線的條數(shù)相等。設(shè)圓形磁場(chǎng)區(qū)域的半徑為R，對(duì)線圈A、B，磁通量的改變量ΔΦA(chǔ)＝ΔΦB＝|Φ2－Φ1|＝(0.8－0.4)×3.14×(1×10－2)2Wb＝1.256×10－4Wb。(2)題圖中線圈平面與磁場(chǎng)方向垂直，即磁場(chǎng)方向與線圈平面之間夾角為θ1＝90°，當(dāng)磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)過30°角時(shí)，磁場(chǎng)方向與線圈平面之間的夾角為θ2＝60°。對(duì)線圈C：Φ′1＝B0πr2sinθ1，Φ′2＝B0πr2sinθ2磁通量的改變量ΔΦ＝|Φ′2－Φ′1|＝B0πr2(sin90°－sin60°)＝0.8×3.14×(5×10－3)2×(1－0.866)Wb＝8.4×10－6Wb。[答案](1)1.256×10－4Wb(2)8.4×10－6Wb磁通量Φ＝BS的計(jì)算要注意以下兩點(diǎn)(1)S是指閉合回路中的有效面積。如圖所示。若閉合回路abcd和ABCD所在平面均與勻強(qiáng)磁場(chǎng)B垂直，面積分別為S1和S2，且S1＞S2，但磁場(chǎng)區(qū)域恰好只有ABCD那么大，則穿過S1和S2的磁通量是相同的，因此，Φ＝BS中的S應(yīng)是指閉合回路中包含磁場(chǎng)的那部分有效面積。(2)磁通量與線圈的匝數(shù)無關(guān)，也就是磁通量大小不受線圈匝數(shù)的影響，同理，磁通量的變化量ΔΦ＝Φ2－Φ1也不受線圈匝數(shù)的影響。所以，直接用公式時(shí)，不必考慮線圈匝數(shù)n。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])1．關(guān)于磁通量，下列說法中正確的是()A．磁場(chǎng)中某處的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，面積越大，則穿過線圈的磁通量一定就越大B．放在某處的一個(gè)平面，穿過它的磁通量為零，則該處磁感應(yīng)強(qiáng)度一定為零C．磁通量的變化不一定是由于磁場(chǎng)的變化而引起的D．磁場(chǎng)中某處的磁感應(yīng)強(qiáng)度不變，放在該處線圈的面積也不變，則磁通量一定不變C[磁通量的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小、面積的大小以及磁場(chǎng)和平面的夾角有關(guān)，所以A、B、D錯(cuò)誤，C正確。]2．磁通量是研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象的重要物理量，如圖所示，通有恒定電流的導(dǎo)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)到位置2，設(shè)先后兩次通過線框的磁通量變化量的大小分別為ΔΦ1和ΔΦ2，則()A．ΔΦ1>ΔΦ2 B．ΔΦ1＝ΔΦ2C．ΔΦ1<ΔΦ2 D．無法確定C[設(shè)閉合線框在位置1時(shí)穿過閉合線框的磁通量為Φ1，平移到位置2時(shí)穿過閉合線框的磁通量為Φ2，導(dǎo)線MN中的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在位置1處的磁感應(yīng)強(qiáng)度比在位置2處要強(qiáng)，故Φ1>Φ2。將閉合線框從位置1平移到位置2，穿過閉合線框的磁感線方向不變，所以ΔΦ1＝|Φ2－Φ1|＝Φ1－Φ2；將閉合線框從位置1繞cd邊翻轉(zhuǎn)到位置2，穿過閉合線框的磁感線反向，所以ΔФ2＝|(－Φ2)－Φ1|＝Φ1＋Φ2(以原來磁感線穿過的方向?yàn)檎较颍瑒t后來從另一面穿過的方向?yàn)樨?fù)方向)，故正確選項(xiàng)為C。]科學(xué)探究：產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件試探究：(1)只要穿過電路的磁通量發(fā)生變化，電路中就一定有感應(yīng)電流嗎？(2)某一時(shí)刻穿過閉合回路的磁通量為零時(shí)，回路一定無感應(yīng)電流對(duì)嗎？提示：(1)不是，還必須是組成閉合電路(2)不一定，如果穿過閉合回路的磁通量正在變化，只是某一時(shí)刻磁通量為零，則回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。1．實(shí)驗(yàn)探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件(1)閉合電路的部分導(dǎo)體切割磁感線在初中學(xué)過，當(dāng)閉合電路的一部分導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，電路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，如圖所示。導(dǎo)體棒左右平動(dòng)、前后平動(dòng)、上下平動(dòng)，觀察電流計(jì)的指針，把觀察到的現(xiàn)象記錄在表1中。表1導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)表針的擺動(dòng)方向?qū)w棒的運(yùn)動(dòng)表針的擺動(dòng)方向向右平動(dòng)向左向后平動(dòng)不擺動(dòng)向左平動(dòng)向右向上平動(dòng)不擺動(dòng)向前平動(dòng)不擺動(dòng)向下平動(dòng)不擺動(dòng)結(jié)論：只有左右平動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體棒切割磁感線，才有感應(yīng)電流產(chǎn)生；前后平動(dòng)、上下平動(dòng)，導(dǎo)體棒都不切割磁感線，沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生。(2)向線圈中插入磁鐵，把磁鐵從線圈中拔出如圖所示，把磁鐵的某一個(gè)磁極向線圈中插入，或從線圈中抽出，或靜止地放在線圈中。觀察電流計(jì)的指針，把觀察到的現(xiàn)象記錄在表2中。表2磁鐵的運(yùn)動(dòng)表針的擺動(dòng)方向磁鐵的運(yùn)動(dòng)表針的擺動(dòng)方向N極插入線圈向右S極插入線圈向左N極停在線圈中不擺動(dòng)S極停在線圈中不擺動(dòng)N極從線圈中抽出向左S極從線圈中抽出向右結(jié)論：只有磁鐵相對(duì)線圈運(yùn)動(dòng)時(shí)，才有感應(yīng)電流產(chǎn)生；磁鐵相對(duì)線圈靜止時(shí)，沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生。(3)模擬法拉第的實(shí)驗(yàn)如圖所示，線圈A通過滑動(dòng)變阻器和開關(guān)連接到電源上，線圈B的兩端與電流計(jì)連接，把線圈A裝在線圈B的里面。觀察以下四項(xiàng)操作中線圈B中是否有電流產(chǎn)生。把觀察到的現(xiàn)象記錄在表3中。表3操作現(xiàn)象開關(guān)閉合瞬間有電流產(chǎn)生開關(guān)斷開瞬間有電流產(chǎn)生開關(guān)閉合時(shí)，滑動(dòng)變阻器的滑片不動(dòng)無電流產(chǎn)生開關(guān)閉合時(shí)，迅速移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片有電流產(chǎn)生結(jié)論：只有當(dāng)線圈A中電流變化時(shí)，線圈B中才有感應(yīng)電流產(chǎn)生。2.結(jié)論不論用什么方法，不論何種原因，只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生。3．產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件(1)閉合電路；(2)磁通量發(fā)生變化?！纠?】線圈在長(zhǎng)直導(dǎo)線電流的磁場(chǎng)中做如圖所示的運(yùn)動(dòng)：A向右平動(dòng)，B向下平動(dòng)，C繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)(ad邊向里)，D垂直于紙面向紙外做平動(dòng)，E向上平動(dòng)(E線圈有個(gè)缺口)，判斷線圈中有沒有感應(yīng)電流。ABCDE[解析]在直導(dǎo)線電流磁場(chǎng)中的五個(gè)線圈，原來磁通量都是垂直紙面向里的。對(duì)直線電流來說，離電流越遠(yuǎn)，磁場(chǎng)就越弱。A向右平動(dòng)，穿過線圈的磁通量沒有變化，故線圈中沒有感應(yīng)電流。B向下平動(dòng)，穿過線圈的磁通量減少，必產(chǎn)生感應(yīng)電流。C繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，穿過線圈的磁通量變化(開始時(shí)減少)，必產(chǎn)生感應(yīng)電流。D離紙面越遠(yuǎn)，線圈中磁通量越少，線圈中有感應(yīng)電流。E向上平動(dòng)，穿過線圈的磁通量增加，但由于線圈沒有閉合，因此無感應(yīng)電流。[答案]A、E中無感應(yīng)電流；B、C、D中有感應(yīng)電流判斷是否產(chǎn)生感應(yīng)電流的關(guān)鍵是明確電路是否閉合，分清磁感線的疏密分布，從而判斷磁通量是否變化，而不是看磁通量的有無。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])3．下圖中能在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流的是()B[A選項(xiàng)中，電路沒有閉合，無感應(yīng)電流；B選項(xiàng)中，面積增大，通過閉合電路的磁通量增大，有感應(yīng)電流；C選項(xiàng)中，穿過線圈的磁感線相互抵消，Φ恒為零，無感應(yīng)電流；D選項(xiàng)中，磁通量不發(fā)生變化，無感應(yīng)電流，B符合題意。]4．(多選)如圖所示，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中有兩條平行的金屬導(dǎo)軌，磁場(chǎng)方向與導(dǎo)軌平面垂直。導(dǎo)軌上有兩條可沿導(dǎo)軌自由移動(dòng)的金屬棒ab、cd，與導(dǎo)軌接觸良好。這兩條金屬棒ab、cd的運(yùn)動(dòng)速度分別是v1、v2，且井字形回路中有感應(yīng)電流產(chǎn)生，則可能()A．v1＞v2 B．v1＜v2C．v1＝v2 D．無法確定AB[只要金屬棒ab、cd的運(yùn)動(dòng)速度不相等，穿過井字形回路的磁通量就發(fā)生變化，閉合回路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。故選項(xiàng)A、B正確。]1．物理觀念：磁通量、電磁感應(yīng)、感應(yīng)電流。2．科學(xué)思維：磁通量的理解與計(jì)算，產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件的探究與應(yīng)用。3．科學(xué)方法：實(shí)驗(yàn)法、控制變量法、歸納法等。1．(多選)下列說法正確的是()A．通過某平面的磁感線條數(shù)為零，則此平面處的磁感應(yīng)強(qiáng)度一定為零B．空間某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向就是該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向C．凡是磁感應(yīng)強(qiáng)度大小處處相等的磁場(chǎng)就是勻強(qiáng)磁場(chǎng)D．磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，則通過放在該處的某平面的磁感線條數(shù)一定為零BD[磁感應(yīng)強(qiáng)度反映磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向，它的方向就是該處磁場(chǎng)的方向，故B項(xiàng)正確；磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，放在該處的某平面無磁感線穿過，故D項(xiàng)正確；若某平面無磁感線穿過，可能磁場(chǎng)很強(qiáng)，只是平面平行于磁場(chǎng)放置而導(dǎo)致磁感線穿過該平面的條數(shù)為零，所以A項(xiàng)錯(cuò)誤；磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量，既有大小又有方向，只有磁感應(yīng)強(qiáng)度大小和方向處處相同的磁場(chǎng)才是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，C項(xiàng)錯(cuò)誤。]2．如圖所示的磁場(chǎng)中垂直磁場(chǎng)放置兩個(gè)面積相同的閉合線圈S1(左)、S2(右)，由圖可知穿過線圈S1、S2的磁通量大小關(guān)系正確的是()A．穿過線圈S1的磁通量比較大B．穿過線圈S2的磁通量比較大C．穿過線圈S1、S2的磁通量一樣大D．不能比較A[穿過線圈S1的磁感線條數(shù)多，故穿過線圈S1的磁通量比較大，A正確。]3．如圖所示，矩形線框abcd放置在水平面內(nèi)，磁場(chǎng)方向與水平方向成α角，已知sinα＝eq\f(4,5)，回路面積為S，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則通過線框的磁通量為()A．BS B.eq\f(4,5)BSC.eq\f(3,5)BS D.eq\f(3,4)BSB[根據(jù)磁通量的定義可得通過線框的磁通量Φ＝BSsinα，代入解得Φ＝eq\f(4,5)BS，所以B選項(xiàng)正確。]4．如圖所示，用導(dǎo)線做成圓形或正方形回路，這些回路與一直導(dǎo)線構(gòu)成幾種位置組合(彼此絕緣)，下列組合中，切斷直導(dǎo)線中的電流時(shí)，閉合回路中會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生的是()eq\o(\s\up(導(dǎo)線與線圈共面，,O為線圈圓心)