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1、第四章 电磁感应,12 划时代的发现 探究感应电流的产生条件,一、奥斯特梦圆“电生磁” 在1820年4月的一次讲演中,奥斯特偶然在直导线附近放置一枚小磁针,当导线中有电流通过时,磁针发生了偏转。这就是著名的奥斯特实验。实验表明:通电导线周围和永磁体周围一样都存在磁场。 电流的磁效应是科学史上的一个重要发现,它揭示了电现象与磁现象之间存在的某种联系,从此把电学和磁学联系起来。 二、法拉第心系“磁生电” 法拉第经过长期不懈的努力最终发现:“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。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,这就是:变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运

2、动的磁铁、在磁场中运动的导体。他把这些现象定名为电磁感应,产生的电流叫做感应电流。,三、探究感应电流的产生条件 实验1 闭合电路一部分导体做切割磁感线运动。实验电路如图甲所示。 产生感应电流的原因分析:导体AB做切割磁感线运动时,匀强磁场的磁感应强度B没有变化,但导体AB与电流表组成的回路面积S发生变化,即回路中磁通量发生了变化。,实验2 条形磁铁在线圈中相对运动。实验电路如图乙所示。 产生感应电流的原因分析:向线圈中插入磁铁,或把磁铁从线圈中抽出时,线圈与电流表组成的回路面积S没有变化,但线圈回路中的磁感应强度B发生了变化,即回路中的磁通量发生了变化。,实验3 模仿法拉第的实验。实验电路如图

3、丙所示。丙 产生感应电流的原因分析:由于迅速移动滑动变阻器的滑片(或由于开关的闭合、断开),线圈A中的电流迅速变化,产生的磁场的强弱也在迅速变化,所以通过线圈B的磁感应强度(或磁场强弱)也在迅速变化,即线圈B回路中的磁通量发生了变化。,1.产生感应电流的条件:既与磁场的变化有关系,也就是说,与磁感应强度的变化有关系;也与闭合电路包围的面积有关系。即与闭合回路的磁通量有关系。 2.实验表明:只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路中就有感应电流。,自我检测 1.正误判断。 (1)只要闭合电路内有磁通量,闭合电路中就有感应电流产生。 ( ) 解析:产生感应电流的条件:一是闭合电路,二是磁通量变化

4、。有磁通量而不变化,是不会产生感应电流的。 答案: (2)穿过螺线管的磁通量发生变化时,螺线管内部就一定有感应电流产生。 ( ) 解析:磁通量发生变化,而螺线管回路不闭合,不会产生感应电流。 答案:,(3)闭合电路的部分导体在磁场中运动就会产生感应电流。 ( ) 解析:只有闭合电路的部分导体做切割磁感线的运动时,闭合回路中才会产生感应电流。 答案: (4)线框不闭合时,即使穿过线框的磁通量发生变化,线框中也没有感应电流产生。 ( ) 解析:产生感应电流的两个条件都满足才会有感应电流产生。 答案:,2.(多选)如图所示,导线ab和cd互相平行,则下列四种情况中,导线cd中有电流的是( ) A.开

5、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,滑动触头不动 解析:开关S闭合或断开的瞬间、开关S闭合但滑动触头向左滑的过程中、开关S闭合但滑动触头向右滑的过程中都会使通过导线ab段的电流发生变化,使穿过cd回路的磁通量发生变化,从而在cd导线中产生感应电流。因此,本题的正确选项应为ABC。 答案:ABC,探究一,探究二,对磁通量概念的理解 问题探究 如图甲,竖直向下的匀强磁场中,水平放置一正方形线框;如图乙,竖直向下的匀强磁场中,平行磁感应强度的方向放置正方形线框。若线框的面积是S,磁感应强度为B,试求两种情况下,穿过线框

6、的磁通量分别是多少?要点提示:题图甲中,磁感线与线框所在平面垂直,穿过线框的磁通量1=BS; 题图乙中,磁感线与线框所在平面平行,穿过线框的磁通量2=0。,探究一,探究二,知识归纳 1.对磁通量的三点理解 (1)磁通量是标量,但是有正负。磁通量的正负不表示大小,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,又有穿入,则穿过该面的合磁通量为净磁感线的条数。 (3)由=BS可知,磁通量的大小与线圈的匝数无关。,探究一,探究二,2.匀强磁场中磁通量的计算 (1)B与S垂直时:=BS,B指匀强磁场的磁感应强度,S为线圈

7、的面积。(2)B与S不垂直时:=BS,S为线圈在垂直磁场方向上的投影面积,在应用时可将S投影到与B垂直的方向上或者S不变,将B分解为垂直于S和平行于S两个分量,则=BS,如图所示=BSsin 。 (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。,探究一,探究二,3.非匀强磁场中磁通量的分析 条形磁铁、通电导线周围的磁场都是非匀强磁场,通常只对穿过线圈的磁通量进行定性分析,分析时应兼顾磁场强弱、线圈面积和磁场与线圈的夹角等因素,并可充分利用磁感线来判断,即磁通量的大小对应穿过线圈的磁感线的条数,穿过线圈的磁感线的条数

8、变化,则说明磁通量变化。,探究一,探究二,典例剖析 【例题1】 如图所示,有一个垂直于纸面向里的匀强磁场,B=0.8 T,磁场有明显的圆形边界,圆心为O,半径为1 cm。现在纸面内先后放上与磁场垂直的圆线圈,圆心均在O处,A线圈半径为1 cm,10匝;B线圈半径为2 cm,1匝;C线圈半径为0.5 cm,1匝。问:(1)在B减为0.4 T的过程中,求A和B中磁通量改变量大小; (2)在磁场转过30角的过程中,求C中磁通量改变量大小。,探究一,探究二,解析:(1)对A线圈:A1=B1r2,A2=B2r2。磁通量的改变量大小: A=|A2-A1|=(0.8-0.4)3.1410-4 Wb=1.25

9、610-4 Wb,其中r为磁场的半径 磁通量的改变量大小: B=|B2-B1|=(0.8-0.4)3.1410-4 Wb=1.25610-4 Wb。,探究一,探究二,答案:(1)1.25610-4 Wb 1.25610-4 Wb (2)8.410-6 Wb,探究一,探究二,与磁通量计算有关的三点注意 (1)线圈为多匝时,磁通量计算不受影响,因为穿过线圈的磁感线的条数不受匝数影响。 (2)若某面积内的磁场不是匀强磁场,但将该面积划分为几块后,每一块都是匀强磁场,可用公式=BS对每一块进行计算,然后求代数和,若每一块都不是匀强磁场,则高中阶段只能根据磁感线的条数对磁通量进行定性判断。 (3)若线圈

10、面积S1大于磁场区域面积S2,那么=BS中的S应指闭合回路中处于磁场中的那部分的有效面积即S2。,探究一,探究二,变式训练1如图所示,一矩形线圈abcd的面积S为110-2 m2,它与匀强磁场方向之间的夹角为30,穿过线圈的磁通量为110-3 Wb。则: (1)磁场的磁感应强度B为多大? (2)若线圈以ab边为轴翻转180,则此过程穿过线圈的磁通量的变化大小为多少? 解析:(1)由磁通量的计算公式,=BS=BSsin ,(2)若规定开始时穿过线圈的磁通量为正, 则转过180时穿过线圈的磁通量为负, 故1=110-3 Wb,2=-110-3 Wb, =|2-1|=210-3 Wb 答案:(1)0

11、.2 T (2)210-3 Wb,探究一,探究二,探究产生感应电流的条件 问题探究 影视剧中常常有这样的情节:特工将并排在一起的两根电话线分开,在其中一根电话线旁边铺设一条两端分别与耳机连接的导线,这条导线与电话线是绝缘的。如图所示,这样就能窃听到电话,这里面有什么科学道理呢?下面我们通过实验来探究:,探究一,探究二,1.如图所示,导体AB放在磁场中,并与电流表相连,按照表中实验操作进行实验,观察有无感应电流产生,完成下表。,无,无,有,变化,不变,探究一,探究二,2.如图所示,条形磁铁放在线圈中,线圈接有电流表,按照表中实验操作进行实验,观察有无感应电流产生,完成下表。,无,有,有,有,无,

12、有,变化,不变,探究一,探究二,3.如图所示,原线圈(小螺线管)接电源、开关和滑动变阻器,副线圈(大螺线管)接电流表,按照表中实验操作进行实验,观察有无感应电流产生,完成下表。,探究一,探究二,有,有,无,有,变化,不变,探究一,探究二,4.上述三个实验产生感应电流的情况不同,但其中肯定有某种共同的原因,完成下表并总结产生感应电流的条件。,变化,不变,变化,变化,不变,闭合,磁通量,探究一,探究二,知识归纳 1.产生感应电流的条件 只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路中就会产生感应电流。 2.感应电流有无的判断 引起感应电流的表面因素很多,但本质的原因是磁通量的变化。只要穿过闭合电路的磁

13、通量变化,闭合电路中就有感应电流产生。,探究一,探究二,穿过闭合电路的磁通量发生变化,大致有以下几种情况:,(1)电路为闭合电路。(2)穿过电路的磁通量发生变化。两条必须同时满足,才能产生感应电流。,探究一,探究二,典例剖析 【例题2】如图所示,矩形线圈与磁场垂直,且一半在匀强磁场内,一半在匀强磁场外。下述操作中能使线圈中产生感应电流的是 ( )A.以bc为轴转动45 B.以ad为轴转动45 C.将线圈向下平移 D.将线圈向上平移,探究一,探究二,解析:当线圈以bc为轴转动45时,ad边刚好还没有进入磁场,这样,穿过线圈的磁感线的条数没有发生变化,磁通量不发生改变,所以在回路中不会产生感应电流

14、,A错误。当以ad为轴转动45时,bc边刚好要离开磁场,这样,穿过线圈的磁感线的条数将不断减少,所以在回路中会产生感应电流,选项B正确。当将线圈向下平移或者向上平移时,穿过线圈的磁感线的条数均没有发生变化,磁通量不发生改变,所以在回路中不会产生感应电流,选项C、D错误。 答案:B,探究一,探究二,判断是否产生感应电流的技巧 (1)电路闭合和磁通量发生变化是产生感应电流的两个条件,二者缺一不可。 (2)磁通量发生变化,其主要内涵体现在“变化”上,磁通量很大,若没有变化,也不会产生感应电流,磁通量虽然是零,但是变化的,仍然可以产生感应电流。 (3)产生感应电流的实质是其他形式的能转化为电能。,探究

15、一,探究二,变式训练2(多选)如图所示,在正方形线圈的内部有一条形磁铁,线圈与磁铁在同一平面内,两者有共同的中心轴线OO,关于线圈中产生感应电流的下列说法正确的是( )A.当磁铁向纸面外平移时,线圈中不产生感应电流 B.当磁铁向上平移时,线圈中不产生感应电流 C.当磁铁向下平移时,线圈中产生感应电流 D.当磁铁N极向纸外、S极向纸里绕OO轴转动时,线圈中产生感应电流,探究一,探究二,解析:由于线圈与磁铁在同一平面内,两者有共同的中心轴线OO,由条形磁铁的磁感线分布的轴对称性可以判断出此时线圈中的磁通量为零。当磁铁向纸面外平移时,N极发出的磁感线从磁铁外部再回到S极,所以在平移过程中,线圈中没有

16、磁通量的改变,不产生感应电流,A正确;当磁铁向上平移时或者当磁铁向下平移时,线圈始终在条形磁铁的轴线上,所以磁通量始终为零,所以线圈中不产生感应电流,所以B正确,C错误;当磁铁N极向纸外、S极向纸里绕OO轴转动时,线圈中的磁通量将由零开始先逐渐增加,所以磁通量发生了变化,将会产生感应电流,所以D正确。 答案:ABD,1,2,3,4,1.如图所示,ab是水平面上一个圆线圈的直径,在过ab的竖直平面内有一根通电直导线ef。已知ef平行于ab,当ef竖直向上平移时,电流磁场穿过圆线圈面积的磁通量将( ) A.逐渐增大 B.逐渐减小 C.始终为零 D.不为零,但保持不变 解析:利用安培定则判断电流产生

17、的磁场,作出如图所示俯视图,考虑到磁场具有对称性,可以知道,穿进圆线圈的磁感线的条数与穿出圆线圈的磁感线条数是相等的,故选C。答案:C,1,2,3,4,2.如图所示,矩形线框abcd放置在水平面内,磁场方向与水平方向成角,已知sin = ,回路面积为S,磁感应强度为B,则通过线框的磁通量为( ),解析:在磁通量=BS公式中,B与S必须垂直,若B与S不垂直,则S要转化为垂直于B的有效面积,也可以将B转化为垂直于S的垂直分量,答案:B,1,2,3,4,3.某学生做观察电磁感应现象的实验,将电流表、线圈A和B、蓄电池、开关用导线连接成如图所示的实验电路,当他接通、断开开关时,电流表的指针都没有偏转,

18、其原因是( )A.开关位置接错 B.电流表的正、负极接反 C.线圈B的接头3、4接反 D.蓄电池的正、负极接反 解析:图中所示开关的连接不能控制含有电源的电路中电流的通断。而本实验的内容之一就是用来研究在开关通断瞬间,电流的有无是否导致磁场发生变化,进而产生感应电流的情况,因而图中接法达不到目的。 答案:A,1,2,3,4,4.1825年,瑞士物理学家德拉里夫的助手科拉顿将一个螺线管与电流计相连,为了避免强磁性磁铁的影响,他把电流计放在另外一个房间,当他把磁铁投入螺线管中后,立即跑到另一个房间去观察。关于科拉顿进行的实验,下列说法正确的是( ),A.在科拉顿整个操作过程中,电流计不发生偏转 B.将磁铁投入螺线管瞬间,电流计发生偏转,但科拉顿跑到房间观察时,电流计已不再偏转 C.科拉顿无法观察到电流计偏转的原因是当时电流计灵敏度不够 D.科拉顿无法观察到电流计偏转的原因是导线过长,电流过小,1,2,3,4,解析:科拉顿将磁铁放入螺线管时,穿过线圈的磁通量发生变化,回路中产生感应电流,电流计偏转,之后,穿过线圈的磁通量保持不变,回路中无感应电流,电流计不偏转。由于科拉顿放完磁铁后还要跑到另一房间观察,所以他观察不到偏转。只有B项正确。 答案:B,