粤教版 (2019)必修 第三册第三节 电磁感应现象学案设计

这是一份粤教版 (2019)必修 第三册第三节 电磁感应现象学案设计，共12页。


一、电磁感应现象的发现
1．“电生磁”的发现
1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应．
2．“磁生电”的发现
1831年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象．
3．电磁感应
法拉第把他发现的磁生电的现象叫作电磁感应现象，由电磁感应现象产生的电流叫作感应电流．
二、产生感应电流的条件
实验：探究感应电流产生的条件
探究一：如图1实验中，让导体棒在磁场中保持相对静止时或者平行于磁场运动时，无论磁场多强，闭合电路中都没有电流，当导体ab做切割磁感线运动时，闭合回路中有电流产生．
图1
探究二：如图2，当磁铁静止在螺线管中时，回路中无电流，在磁铁插入或拔出螺线管的过程中，回路中有感应电流．
图2
探究三：如图3，当螺线管A的电流不变时，螺线管B所在的回路中没有电流产生；当螺线管A的电流变化时，螺线管B所在回路中就有了电流．
图3
三、电磁感应的应用
1．电磁感应在生活中常见的应用有：发电机、电话、漏电保护开关、磁悬浮列车等．
2．汽车防抱死制动系统由轮速传感器、电子控制模块和电磁阀三个部分组成，转速传感器是利用电磁感应现象来测量车轮的转速．
3．无线充电技术是利用供电设备直接将电能传送给用电器的技术．电磁感应是目前实现无线充电的一种重要技术途径．
判断下列说法的正误．
(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．( × )
(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．( × )
(3)闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，电路中会产生感应电流．( √ )
(4)不论电路是否闭合，只要电路中磁通量发生变化，电路中就有感应电流．( × )
一、磁通量的变化
磁通量的变化大致可分为以下几种情况：
(1)磁感应强度B不变，有效面积S发生变化．如图4(a)所示．
(2)面积S不变，磁感应强度B发生变化．如图(b)所示．
(3)磁感应强度B和面积S都不变，它们之间的夹角发生变化．如图(c)所示．
图4
磁通量是研究电磁感应现象的重要物理量，如图5所示，通有恒定电流的导线MN与闭合线框共面，第一次将线框由位置1平移到位置2，第二次将线框绕cd边翻转到位置2，设先后两次通过线框的磁通量变化量的大小分别为ΔΦ1和ΔΦ2，则( )
图5
A．ΔΦ1>ΔΦ2 B．ΔΦ1＝ΔΦ2
C．ΔΦ1<ΔΦ2 D．无法确定
答案 C
解析 设在位置1时穿过闭合线框的磁通量大小为Φ1，在位置2时穿过闭合线框的磁通量大小为Φ2，导线MN中的电流产生的磁场在位置1处的磁感应强度比在位置2处强，故Φ1>Φ2.将闭合线框从位置1平移到位置2，穿过闭合线框的磁感线方向不变，所以ΔΦ1＝|Φ2－Φ1|＝Φ1－Φ2；将闭合线框从位置1绕cd边翻转到位置2，穿过闭合线框的磁感线反向，所以ΔФ2＝|(－Φ2)－Φ1|＝Φ1＋Φ2(以原来磁感线穿过的方向为正方向，则后来从另一面穿过的方向为负方向)，ΔФ1＜ΔФ2，故C正确．
针对训练1 磁通量可以形象地理解为“穿过一个闭合电路的磁感线的条数”．在图6所示磁场中，S1、S2、S3为三个面积相同的相互平行的线圈，穿过S1、S2、S3的磁通量分别为Φ1、Φ2、Φ3，且都不为0.下列判断正确的是( )
图6
A．Φ1最大 B．Φ2最大
C．Φ3最大 D．Φ1、Φ2、Φ3相等
答案 A
解析 由于磁通量可以理解为穿过一个闭合电路的磁感线的条数的多少，从题图中可看出穿过S1的磁感线条数最多，所以Φ1最大，故A正确，B、C、D错误．
二、产生感应电流的条件
1．实验：探究感应电流产生的条件
(1)实验一：如图7所示，导体棒AB做切割磁感线运动时，线路中________电流产生，而导体棒AB顺着磁感线运动时，线路中________电流产生．(均选填“有”或“无”)
图7
(2)实验二：如图8所示，当条形磁铁插入或拔出线圈时，线圈中________电流产生，但条形磁铁在线圈中静止不动时，线圈中________电流产生．(均选填“有”或“无”)
图8
(3)实验三：如图9所示，将小螺线管A插入大螺线管B中不动，当开关S闭合或断开时，电流表中________电流通过；若开关S一直闭合，当改变滑动变阻器的阻值时，电流表中________电流通过；而开关S一直闭合，滑动变阻器的滑动触头不动时，电流表中________电流通过．(均选填“有”或“无”)
图9
(4)归纳总结：
实验一中：导体棒做切割磁感线运动，回路的有效面积发生变化，从而引起了磁通量的变化，产生了感应电流．
实验二中：磁铁插入或拔出线圈时，线圈中的磁场发生变化，从而引起了磁通量的变化，产生了感应电流．
实验三中：开关闭合、断开或滑动变阻器的滑动触头移动时，小螺线管A中电流变化，从而引起穿过大螺线管B的磁通量变化，产生了感应电流．
三个实验共同特点是：产生感应电流时闭合回路的磁通量都发生了变化．
答案 (1)有 无 (2)有 无 (3)有 有 无
2．感应电流产生条件的理解
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，就必然会产生感应电流；反之，只要产生了感应电流，那么电路一定是闭合的，且穿过该电路的磁通量也一定发生了变化．
(多选)下图中能产生感应电流的是( )
答案 BD
解析 A选项中，电路没有闭合，无感应电流；B选项中，面积增大，通过闭合电路的磁通量增大，有感应电流；C选项中，穿过圆环的磁感线相互抵消，磁通量恒为零，无感应电流；D选项中，穿过闭合电路的磁通量减小，有感应电流．
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．若开始时磁通量虽然是零，但是磁通量是变化的，仍然可以产生感应电流．
针对训练2 (多选)如图10所示装置，在下列各种情况中，能使悬挂在螺线管附近的铜质闭合线圈A中产生感应电流的是( )
图10
A．开关S闭合的瞬间
B．开关S闭合后，电路中电流稳定时
C．开关S闭合后，滑动变阻器滑片滑动的瞬间
D．开关S断开的瞬间
答案 ACD
针对训练3 在选项图所示的条件下，闭合矩形线圈能产生感应电流的是(磁场范围足够大)( )
答案 D
解析 A项图中，因为线圈平面平行于磁感线，在以OO′为轴转动的过程中，线圈平面始终与磁感线平行，穿过线圈的磁通量始终为零，所以无感应电流产生，A错误；B项图中，线圈平面也与磁感线平行，穿过线圈的磁通量为零，竖直向上运动过程中，线圈平面始终与磁感线平行，磁通量始终为零，故无感应电流产生，B错误；C项图中，尽管线圈在转动，B始终垂直于S，但B与S都不变，所以Φ＝BS始终不变，则线圈中无感应电流，C错误；D项图中，图示状态Φ＝0，当转过90°时Φ＝BS，所以转动过程中穿过线圈的磁通量在不断地变化，因此转动过程中线圈中产生感应电流，D正确．
1．(电磁感应现象的认识)下列现象中，属于电磁感应现象的是( )
A．通电线圈在磁场中转动
B．因闭合线圈在磁场中运动而产生电流
C．磁铁吸引小磁针
D．小磁针在通电导线附近发生偏转
答案 B
解析 闭合线圈在磁场中由于磁通量的变化而产生电流的现象叫电磁感应现象，B正确；A中通电线圈在磁场中转动是因为受磁场力作用，A错误；D中小磁针在通电导线附近发生偏转是电流的磁效应，D错误；C中磁铁吸引小磁针是磁场的作用，C错误．
2．(磁通量的变化)如图11所示，一环形线圈沿条形磁铁的轴线，从磁铁N极的左侧A点运动到磁铁S极的右侧B点，A、B两点关于磁铁的中心对称，则在此过程中，穿过环形线圈的磁通量将( )
图11
A．先增大，后减小
B．先减小，后增大
C．先增大，后减小，再增大，再减小
D．先减小，后增大，再减小，再增大
答案 A
3．(产生感应电流的条件)(多选)某学生做观察电磁感应现象的实验时，将电流表、线圈A和B、蓄电池、开关用导线连接成如图12所示的实验电路，闭合开关，下列说法正确的是( )
图12
A．线圈A插入线圈B的过程中，有感应电流
B．线圈A从线圈B中拔出过程中，有感应电流
C．线圈A停在线圈B中，有感应电流
D.线圈A拔出线圈B的过程中，线圈B的磁通量在减小
答案 ABD
解析 由感应电流产生的条件知A、B选项正确，C选项错误；在线圈A拔出线圈B的过程中，线圈B的磁通量减小，D选项正确．
4．(产生感应电流的条件)(多选)如图13所示，竖直放置的长直导线通有恒定电流，有一矩形线框与导线在同一平面内，在下列情况中线框产生感应电流的是( )
图13
A．导线中的电流变大
B．线框向右平动
C．线框向下平动
D．线框以AB边为轴转动
答案 ABD
考点一 电磁感应现象的发现及认识
1．首先发现电流的磁效应和电磁感应的物理学家分别是( )
A．安培和法拉第 B．法拉第和楞次
C．奥斯特和安培 D．奥斯特和法拉第
答案 D
解析 1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应；1831年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象，选项D正确．
2．在法拉第时代，下列验证“由磁产生电”设想的实验中，能观察到感应电流的是( )
A．将绕在磁铁上的线圈与电流表组成闭合回路，然后观察电流表示数的变化
B．在通电线圈旁放置一连有电流表的闭合线圈，一段时间后观察电流表示数的变化
C．将一房间内的线圈两端与相邻房间的电流表连接，往线圈中插入条形磁铁后，再到相邻房间去观察电流表示数的变化
D．绕在同一铁环上的两个线圈，分别接电源和电流表，在给线圈通电或断电的瞬间，观察电流表示数的变化
答案 D
解析 同时满足电路闭合和穿过电路的磁通量发生变化这两个条件，电路中才会产生感应电流，A、B选项都不会使电路中的磁通量发生变化，并不满足产生感应电流的条件，故A、B错误；磁铁插入线圈时，虽有短暂电流产生，但未能及时观察，故C错误；在给线圈通电、断电瞬间，会引起穿过另一线圈的磁通量发生变化，产生感应电流，故D正确．
考点二 磁通量变化情况的判断
3．如图1所示，虚线框内有匀强磁场，大环和小环是垂直于磁场方向同心放置的两个圆环，分别用Φ1和Φ2表示穿过大、小两环的磁通量，则有( )
图1
A．Φ1>Φ2
B．Φ1<Φ2
C．Φ1＝Φ2
D．无法确定
答案 C
解析 对于大环和小环来说，磁感线的净条数相同，故C正确．
4.如图2所示，在同一平面内有四根彼此绝缘的直导线，分别通有大小相同、方向如图所示的电流，要使由四根直导线所围成的面积内的磁通量增加，则应切断哪一根导线中的电流( )
图2
A．切断i1 B．切断i2
C．切断i3 D．切断i4
答案 D
解析 根据安培定则判断出四根通电直导线中电流在所围面积内的磁场方向，可知只有i4中电流产生的磁场垂直于纸面向外，则要使磁通量增加，应切断i4.
5.如图3所示，固定的长直导线中通有恒定电流，一矩形线框从abcd位置向右平移到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 (线框平行于纸面且与导线相互绝缘)( )
图3
A．一直增加
B．一直减少
C．先增加后减少
D．先增加，再减少到零，然后再增加，最后再减少
答案 D
解析 离导线越近，磁场越强，当线框从左向右靠近导线的过程中，穿过线框的磁通量增大，当线框跨在导线上向右平移时，磁通量减小，当导线在线框正中央时，磁通量为零，从该位置向右平移，磁通量增大，当线框离开导线向右平移的过程中，磁通量减小，故D正确．
考点三 有无感应电流的判断
6．(多选)下列情况中都是线框在磁场中做切割磁感线运动，其中线框中有感应电流的是( )
答案 BC
解析 A中导体虽然“切割”了磁感线，但穿过闭合线框的磁通量并没有发生变化，没有感应电流．B中线框的一部分导体“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．C中虽然与A近似，但由于是非匀强磁场，运动过程中，穿过线框的磁感线条数增加，线框中有感应电流．D中线框尽管是部分切割，但磁感线条数不变，无感应电流．故选B、C.
7．(多选) 如图4所示，水平面内有两条相互垂直且彼此绝缘的通电长直导线，以它们为坐标轴构成一个平面直角坐标系．四个相同的圆形闭合线圈在四个象限内完全对称地放置，两直导线中的电流大小与变化情况相同，电流方向如图所示，当两直导线中的电流都增大时，四个线圈a、b、c、d中感应电流的情况是( )
图4
A．线圈a中有感应电流
B．线圈b中有感应电流
C．线圈c中无感应电流
D．线圈d中无感应电流
答案 AD
解析 由安培定则可判断出两通电直导线产生的磁场在第Ⅰ象限中方向相同，在第Ⅲ象限中方向也相同，当两直导线中的电流都增大时，线圈a、c中磁通量增大，产生感应电流，选项A正确，C错误．利用对称性和安培定则可判断出两通电直导线产生的磁场在第Ⅱ象限中方向相反，在第Ⅳ象限中方向也相反，且线圈b、d中的磁通量为零，当两直导线中的电流都增大时，线圈b、d中的磁通量仍为零，线圈b、d中无感应电流，选项B错误，D正确．
8．如图5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( )
图5
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
答案 B
9.如图6所示，在竖直向下的匀强磁场中(磁场范围足够大)，有一闭合导体环，环面与磁场方向垂直，当导体环在磁场中完成下述运动时，可能产生感应电流的是( )
图6
A．导体环保持水平方位在磁场中向上或向下运动
B．导体环保持水平方位向左或向右加速平动
C．导体环绕垂直环面、通过环心的轴转动
D．导体环以一条直径为轴，在磁场中转动
答案 D
10．如图7所示，一通电螺线管b放在闭合金属线圈a内，螺线管的中心线恰好和线圈的一条直径MN重合．要使线圈a中产生感应电流，可采用的方法有( )
图7
A．使螺线管在线圈a所在平面内转动
B．使螺线管中的电流发生变化
C．使线圈a以MN为轴转动
D．使线圈a以与MN垂直的直径为轴转动
答案 D
解析 题图所示位置，线圈a所在平面与磁感线平行，穿过线圈的磁通量为零，当按A、B、C所述方式变化时，磁通量不变，不产生感应电流；按D所述方式变化时，由于线圈a与磁场夹角变化引起磁通量变化，能够产生感应电流，故选D.
11.(多选)如图8所示，线圈Ⅰ和线圈Ⅱ绕在同一个铁芯上，下列情况中能引起电流计指针偏转的是( )
图8
A．闭合开关瞬间
B．开关闭合稳定后
C．开关闭合稳定后移动滑动变阻器的滑片
D．断开开关瞬间
答案 ACD
解析 开关闭合瞬间，线圈Ⅰ中电流从无到有，穿过线圈Ⅱ的磁通量也从无到有，线圈Ⅱ中产生感应电流，电流计指针偏转，故A正确；
开关闭合稳定后，线圈Ⅰ中电流稳定不变，穿过线圈Ⅱ的磁通量稳定不变，线圈Ⅱ中无感应电流产生，电流计指针不发生偏转，故B错误；开关闭合稳定后，移动滑动变阻器的滑片，线圈Ⅰ中的电流变化，穿过线圈Ⅱ的磁通量也发生变化，线圈Ⅱ中有感应电流产生，电流计指针偏转，故C正确；
开关断开瞬间，线圈Ⅰ中电流从有到无，穿过线圈Ⅱ的磁通量也从有到无，线圈Ⅱ中有感应电流产生，电流计指针偏转，故D正确．