第1节《划时代的发现与探究感应电流的产生条件》讲义

划时代的发现与探究感应电流的产生条件学习目标1、了解电磁感应现象的发现过程，体会人类探究自然规律的科学态度和科学精神。2、通过实验，探究和理解感应电流的产生条件。3、掌握磁通量的概念及其计算。4、能够运用感应电流的产生条件判断感应电流能否产生。知识网络预览知识精讲一、“电生磁”与“磁生电”1、电流的磁效应——“电生磁”1820年，丹麦物理学家发现载流导线能使小磁针偏转，这种作用称为电流的磁效应。2、电磁感应现象——“磁生电”(1)1831年，英国物理学家发现了“磁生电”的现象，这种现象叫做电磁感应现象，产生的电流叫。(2)法拉第把引起电流的原因概括为五类，它们都与变化和运动相联系：变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体。3、电磁感应现象发现的意义(1)的发现使人们对电与磁内在联系的认识更加完善，宣告了电磁学作为一门统一学科的诞生。(2)电磁感应现象的发现使人们找到了磁生电的条件，开辟了人类的电气化时代。二、探究感应电流的产生条件1、导体棒在磁场中运动是否产生电流如图所示，将可移动导体AB放置在磁场中，并和电流表组成闭合回路。实验过程及现象如下：实验操作实验现象(有无电流)分析论证导体棒静止无闭合电路包围的面积变化时，电路中有电流产生；包围的面积不变时，电路中无电流产生导体棒平行磁感线运动无导体棒切割磁感线运动有2、磁铁在螺线管中运动是否产生电流如图所示，将螺线管与电流表组成闭合回路，把条形磁铁插入或拔出螺线管。实验现象如下：实验操作实验现象(有无电流)分析论证N极插入线圈有线圈中的磁场变化时，线圈中有感应电流；线圈中的磁场不变时，线圈中无感应电流N极停在线圈中无N极从线圈中抽出有S极插入线圈有S极停在线圈中无S极从线圈中抽出有3、模拟法拉第的实验如图所示，线圈A通过变阻器和开关连接到电源上，线圈B的两端连到电流表上，把线圈A装在线圈B的里面。实验现象如下：实验操作实验现象(有无电流)分析论证开关闭合瞬间有线圈B中磁场变化时，线圈B中有感应电流；磁场不变时，线圈B中无感应电流开关断开瞬间有开关保持闭合，滑动变阻器滑片不动无开关保持闭合，迅速移动滑动变阻器的滑片有4、归纳结论只要穿过闭合电路的________________，闭合电路中就有感应电流。例题精讲知识点一磁通量1、对磁通量的理解(1)磁通量是标量，但是有正负。磁通量的正负不代表大小，只表示磁感线是怎样穿过平面的。即若以向里穿过某面的磁通量为正，则向外穿过这个面的磁通量为负。(2)若穿过某一面的磁感线既有穿出，又有穿进，则穿过该面的合磁通量为净磁感线的条数，如图。2、匀强磁场中磁通量的计算利用公式:Φ=BS(其中B为匀强磁场的磁感应强度,S为线圈的有效面积).注意以下三种特殊情况:(1)如果磁感线与平面不垂直,如图(甲)所示,有效面积应理解为原平面在垂直磁场方向上的投影面积,如果平面与垂直磁场方向的夹角为θ,则有效面积为Scosθ,穿过该平面的磁通量为Φ=BScosθ.(2)S指闭合回路中包含磁场的那部分有效面积,如图(乙)所示,闭合回路abcd和闭合回路ABCD虽然面积不同,但穿过它们的磁通量却相同:Φ=BS2.(3)某面积内有不同方向的磁场时,分别计算不同方向的磁场的磁通量,然后规定某个方向的磁通量为正,反方向的磁通量为负,求其代数和。3、磁通量的变化(1)S⊥(S⊥为线圈平面在垂直于磁感线方向上的投影面积)不变，磁感应强度发生变化，即ΔΦ＝ΔB·S⊥，如图4。(2)磁感应强度不变，S⊥发生变化，ΔΦ＝ΔS⊥·B，其中S⊥发生变化的情况又分为两种形式：①处在磁场中的闭合回路面积发生变化，引起磁通量发生变化，如图5；②闭合回路面积不变，但与磁场的夹角发生变化，从而引起投影面积发生变化，如图6。(3)磁感应强度和投影面积均发生变化。这种情况较少见，此时应采用公式ΔΦ＝Φ2－Φ1进行分析。(4)磁感应强度B和闭合电路的面积S都不变，它们之间的夹角发生变化。ΔΦ＝Φ2－Φ1，如图6。(5)穿过线圈的磁通量与线圈的匝数无关。因为穿过线圈的磁感线条数与匝数无关，所以线圈多匝时，不影响磁通量的计算。名师点睛1、磁通量虽有正负之分，却是标量。2、磁通量和磁通量的变化ΔΦ与匝数无关，当线圈所围面积大于磁场区时以磁场区的面积为准。解答该类题目时,要注意磁感线是从平面的哪一面穿入的,当规定从某一面穿入的磁通量为正值时,则从另一面穿入的就为负值,并准确地把初、末状态的磁通量表示出来,然后按照求代数和的方法求出磁通量的变化量(磁通量是有正、负的标量)。例1、如图所示，框架的面积为S，匀强磁场的磁感应强度为B。(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°，则穿过框架平面的磁通量变化量为多少？例2、如图所示，a、b是两个同平面、同心放置的金属圆环，条形磁铁穿过圆环且与两环平面垂直，则穿过两圆环的磁通量Φa、Φb的大小关系为(　　)A．Φa>ΦbB．Φa<ΦbC．Φa＝ΦbD．不能比较例3、闭合线圈按如图所示的方式在磁场中运动，则穿过闭合线圈的磁通量发生变化的是(　　)例4、如图所示,通有恒定电流的导线MN与闭合金属框共面,第一次将金属框由Ⅰ平移到Ⅱ,第二次将金属框绕cd边翻转到Ⅱ,设先后两次通过金属框的磁通量变化大小分别为ΔΦ1和ΔΦ2,则(　　)A.ΔΦ1>ΔΦ2B.ΔΦ1=ΔΦ2C.ΔΦ1<ΔΦ2D.不能判断例5、如图所示，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)(　　)A．一直增加B．一直减少C．先增加后减少D．先增加，再减少直到零，然后再增加，最后再减少知识点二感应电流有无的判断1、产生感应电流的条件穿过闭合电路的磁能量发生变化。不论什么情况，只要满足电路闭合和磁通量发生变化这两个条件，就必然产生感应电流；反之，只要产生了感应电流，那么电路一定是闭合的，穿过该电路的磁通量也一定发生了变化。2、判断感应电流有无的方法(1)明确电路是否是闭合电路。(2)判断穿过回路的磁通量是否发生变化。名师点睛引起穿过闭合回路的磁通量变化一般有以下几种情况：(1)由于磁场变化而引起穿过闭合回路的磁通量发生变化，即S不变，B变化。如上图所示当线圈靠近条形磁铁的N极时，由于离N极近处的磁感应强度B较强，使得线圈内部空间的磁感应强度变大，而线圈所包围的面积不变，因此线圈的磁通量增大。(2)由于闭合回路的面积S发生变化而引起磁通量变化，即B不变，S变化。如上图所示，金属导体框架处在匀强磁场中，当导体棒ab左右滑动时，就会引起闭合回路的面积变化，从而引起穿过闭合回路的磁通量发生变化。(3)线圈平面与磁场方向的夹角θ发生变化时，即线圈在垂直于磁场方向的投影面积S⊥＝Ssinθ发生变化，从而引起穿过线圈的磁通量发生变化，即B、S不变，θ变化。如右图所示，在匀强磁场中，有闭合矩形线圈abcd，可绕垂直于磁感线的固定轴OO′转动。在转动中，由于线圈平面与磁感线方向的夹角θ不断变化，所以，穿过线圈平面的磁通量也在不断变化。(4)磁场、线圈面积都变化时，也可引起穿过线圈的磁通量变化。例6、关于感应电流产生的条件，以下说法正确的是(　　)A．只要闭合电路内有磁通量，闭合电路中就一定会有感应电流B．穿过螺线管的磁通量发生变化时，螺线管内部就一定会有感应电流产生C．线圈不闭合时，即使穿过线圈的磁通量发生变化也不会有感应电流产生D．只要电路的一部分做切割磁感线运动，电路中就一定会有感应电流产生例7、如图所示，A中线圈有一小缺口，B、D中匀强磁场区域足够大，C中通电导线位于水平放置的闭合线圈某一直径的正上方。其中能产生感应电流的是(　　)例8、如图所示，导线ab和cd互相平行，则下列四种情况下导线cd中无电流的是(　　)A．开关S闭合或断开的瞬间B．开关S是闭合的，但滑动触头向左滑C．开关S是闭合的，但滑动触头向右滑D．开关S始终闭合，不滑动触头知识点三对导体切割磁感线的理解及注意的问题1、导体切割磁感线，不是在导体中产生感应电流的充要条件，归根结底还得要看穿过闭合电路的磁通量是否发生变化。2、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“割断”，就不能说切割。如下图所示，(a)、(b)两图中，导体是真“切割”，而(c)图中，导体没有切割磁感线。(2)即使导体真“切割”了磁感线，也不能保证就能产生感应电流。如图所示，对于图甲，尽管导体“切割”了磁感线(匀强磁场)，但穿过闭合线框的磁通量并没有发生变化，没有感应电流；对于图乙，导体框的一部分导体“切割”了磁感线，穿过线框的磁感线条数越来越少，线框中有感应电流；对于图丙，闭合导体在非匀强磁场中运动，切割了磁感线，穿过线框的磁感线条数减少，线框中有感应电流。(3)即使是闭合回路的部分导体做切割磁感线的运动，也不能保证一定存在感应电流。如图所示，线框abcd的一部分在匀强磁场中上下平动，尽管是部分切割，但穿过闭合回路的磁通量没有变化，所以在线框中没有感应电流。巩固训练1．下列现象中，属于电磁感应现象的是(　　)A．磁场对电流产生力的作用B．变化的磁场使闭合电路产生感应电流C．插入通电螺线管中的软铁棒被磁化D．电流周围产生磁场2．1823年，科拉顿做了这样一个实验，他将一个磁铁插入连有灵敏电流计的螺旋线圈，来观察在线圈中是否有电流产生．在实验时，科拉顿为了排除磁铁移动时对灵敏电流计的影响，他通过很长的导线把连在螺旋线圈上的灵敏电流计放到另一间房里．他想，反正产生的电流应该是“稳定”的(当时科学界都认为利用磁场产生的电流应该是“稳定”的)，插入磁铁后，如果有电流，跑到另一间房里观察也来得及．就这样，科拉顿开始了实验．然而，无论他跑得多快，他看到的电流计指针都是指在“0”刻度的位置，科拉顿失败了．以下关于科拉顿实验的说法中正确的是(　　)A．实验中根本没有感应电流产生B．实验中有感应电流产生C．科拉顿的实验装置是完全正确的D．科拉顿实验没有观察到感应电流是因为在插入磁铁的过程中会有感应电流产生，但当跑到另一间房观察时，电磁感应过程已经结束，不会看到电流计指针的偏转3．德国《世界报》曾报道个别西方发达国家正在研制电磁脉冲波武器——电磁炸弹．若一枚原始脉冲波功率10kMW，频率5kMHz的电磁炸弹在不到100m的高空爆炸，它将使方圆400～500m2范围内电场强度达到每米数千伏，使得电网设备、通信设施和计算机中的硬盘与软件均遭到破坏．电磁炸弹有如此破坏力的主要原因是(　　)A．电磁脉冲引起的电磁感应现象B．电磁脉冲产生的动能C．电磁脉冲产生的高温D．电磁脉冲产生的强光4．如图所示，一个矩形铁芯上绕制两个线圈A和B.在下列关于B线圈中是否有感应电流的判断中，正确的是(　　)A．S闭合后，B线圈中一直有感应电流B.S闭合一段时间后，B中感应电流消失，但移动变阻器滑片时，B中又有感应电流出现C.在S断开和闭合的瞬间，B中都有感应电流D.因为A、B两线圈是两个不同的回路，所以B中始终没有感应电流5．一磁感应强度为B的匀强磁场，方向水平向右，一面积为S的矩形线圈abcd如图所示放置，平面abcd与竖直方向成θ角，将abcd绕ad轴转180°角，则穿过线圈平面的磁通量的变化量为(　　)A．0　　　　　　　　B．2BSC．2BScosθD．2BSsinθ6．如图所示，用导线做成的圆形回路与一直导线构成几种位置组合，哪些组合中，切断直导线中的电流时，闭合回路中会有感应电流产生(图A、B、C中直导线都与圆形线圈在同一平面内，O点为线圈的圆心，图D中直导线与圆形线圈垂直，并与中心轴重合)(　　)7．如图所示，导线ab和cd互相平行，则下列四种情况下导线cd中无电流的是(　　)A．开关S闭合或断开的瞬间B．开关S是闭合的，但滑动触头向左滑C．开关S是闭合的，但滑动触头向右滑D．开关S始终闭合，不滑动触头8．法拉第通过精心设计的一系列实验，发现了电磁感应定律，将历史上认为各自独立的学科“电学”与“磁学”真正联系起来．在下面几个典型的实验设计思想中，所做的推论后来被实验否定的是(　　)A．既然磁铁可使近旁的铁块带磁，静电荷可使近旁的导体表面感应出电荷，那么静止导线上的稳恒电流也可在近旁静止的线圈中感应出电流B．既然磁铁可在近旁运动的导体中感应出电动势，那么稳恒电流也可在近旁运动的线圈中感应出电流C．既然运动的磁铁可在近旁静止的线圈中感应出电流，那么静止的磁铁也可在近旁运动的导体中感应出电动势D．既然运动的磁铁可在近旁的导体中感应出电动势，那么运动导线上的稳恒电流也可在近旁的线圈中感应出电流9．如图所示，a、b、c三个闭合线圈放在同一平面内，当线圈a中有电流I通过时，穿过它们的磁通量分别为Φa、Φb、Φc，下列说法中正确的是(　　)A．Φa<Φb<ΦcB．Φa>Φb>ΦcC．Φa<Φc<ΦbD．Φa>Φc>Φb图4－1－1110．唱卡拉OK用的话筒内有传感器．其中有一种是动圈式的，如图所示，它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号．下列说法正确的是(　　)动圈式话筒的构造A．该传感器是根据电流的磁效应工作的B．该传感器是根据电磁感应原理工作的C．膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变D．膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势11．如图所示是研究电磁感应现象实验所需的器材，用实线将带有铁芯的线圈A、电源、滑动变阻器和开关连接成原线圈回路，将小量程电流表和线圈B连接成副线圈回路，并列举出在实验中通过改变副线圈回路磁通量，使副线圈回路产生感应电流的三种方法：(1)_________________________________________________；(2)_________________________________________________；(3)_________________________________________________．12．一水平放置的矩形线圈在条形磁铁S极附近下落，下落过程中，线圈平面保持水平，如图所示，位置Ⅰ和Ⅲ都靠近位置Ⅱ，则线圈从位置Ⅰ到位置Ⅱ的过程中，线圈内________感应电流产生；线圈从位置Ⅱ到位置Ⅲ的过程中，线圈内________感应电流产生．(填“有”或“无”)