高中物理教科版 (2019)必修 第三册第三章 电磁场与电磁波初步3 电磁感应现象及其应用导学案

电磁感应现象及其应用

学习目标：

1．[物理观念]知道电流的磁效应和电磁感应的概念，知道感应电流产生的条件。　

2．[科学思维]会根据磁通量的变化判断回路中是否有感应电流的产生，能解决有关的问题。　

3．[科学探究]通过实验探究产生感应电流的现象，分析归纳感应电流产生的条件。　

4．[科学态度与责任]　感知科学家们科学探索的艰辛与百折不挠的精神，体验由实验发现规律的成功喜悦，培养学生的科学兴趣。

一、奥斯特实验的启迪

1．1820年，奥斯特发现了电流的磁效应。

2．科学家们根据对称性的思考提出，既然电能产生磁，是否也存在逆效应，即磁产生电呢？

注意：做奥斯特电流磁效应实验时，直线电流南北放置，小磁针放在导线下方，效果明显。

二、电磁感应现象的发现

1．法拉第经历长达10年的探索，于1831年向英国皇家学会提交了一篇论文，论文将“磁生电”的现象分为五类并把这些现象命名为电磁感应。

2．五类“磁生电”的现象：

(1)变化中的电流　(2)变化中的磁场

(3)运动中的恒定电流　(4)运动中的磁铁

(5)运动中的导线。

3．感应电流：由电磁感应现象产生的电流叫作感应电流。

说明：“磁生电”是一种变化、运动的过程中才能出现的效应。

三、感应电流产生的条件

1．实验表明：当闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，电路中有感应电流产生。

2．实验探究表明：两个线圈相互不连通，也没有相对运动，B线圈中的电流是靠“感应”而产生的。引起“感应”的必要条件是穿过B线圈的磁通量发生了变化。

3．产生感应电流的条件：只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，闭合导体回路中就有感应电流产生。

注意：产生感应电流有两个条件(1)闭合回路　(2)磁通量变化

四、电磁感应规律的发现对社会发展的意义

1．法拉第发明了人类历史上第一台感应发电机。

2．发电机、变压器、感应电动机使人类进入电气时代。

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)法拉第发现了电磁感应现象。  (√)

(2)法拉第完成了“由磁产生电”的设想。 (√)

(3)闭合电路中的磁通量发生变化就会产生感应电流。 (√)

(4)只要电路中磁通量发生变化，就有感应电流产生。 (×)

2．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中产生电流

C．插在通电螺线管中的软铁棒被磁化

D．电流周围产生磁场

B　[电磁感应现象指的是处在变化的磁场中的闭合回路中产生电流的现象，选项B正确。]

3．(多选)如图所示，线框ABCD从有界的匀强磁场区域穿过，下列说法正确的是(　　)

A．进入匀强磁场区域的过程中，ABCD中有感应电流

B．在匀强磁场中加速运动时，ABCD中有感应电流

C．在匀强磁场中匀速运动时，ABCD中没有感应电流

D．离开匀强磁场区域的过程中，ABCD中没有感应电流

AC　[从磁通量有无“变化”来判断产生感应电流与否，能抓住要点得出正确结论。若从切割磁感线的角度考虑问题，需注意全面比较闭合电路各部分切割的情况。在有界的匀强磁场中，常常需要考虑闭合回路进磁场、出磁场和在磁场中运动的情况，线框ABCD在匀强磁场中无论匀速，还是加速运动，穿过线框ABCD的磁通量都没有发生变化，AC正确。]

如图所示，由S1到S2再到S3

试探究：磁通量如何变化？

提示：设S1处的磁通量为Φ1，S2处的磁通量为Φ2，S3处的磁通量为Φ3，由图可知Φ1＞Φ2＞Φ3，线圈由S1到S2再到S3处磁通量减少。

1．闭合回路面积S的变化引起磁通量的变化。如图所示是导体做切割磁感线运动使面积发生变化而改变了穿过回路的磁通量。

2．磁感应强度的变化引起磁通量的变化。如图甲是通过磁极的运动改变穿过回路的磁通量；图乙通过改变原线圈中的电流从而改变磁场的强弱，进而改变穿过回路的磁通量。

甲　　　　　　　　　　乙

3．磁场和闭合电路的面积都不发生变化，二者的夹角发生变化，从而引起穿过线圈的磁通量发生变化。如图所示，闭合线圈在匀强磁场中绕轴OO′转动的过程。

【例1】　如图所示，一水平放置的矩形闭合线圈abcd在细长磁铁N极附近下落，保持bc边在纸外，ad边在纸内，由图中的位置Ⅰ经过位置Ⅱ到位置Ⅲ，且位置Ⅰ和Ⅲ都很靠近位置Ⅱ，在这个过程中，线圈中的磁通量(　　)

A．是增加的　　 B．是减少的

C．先增加．后减少     D．先减少，后增加

思路点拨：(1)先画出N极附近磁感线的分布。

(2)当矩形闭合线圈在Ⅱ位置处磁通量Φ为零。

D　[要知道线圈在下落过程中磁通量的变化情况，就必须知道条形磁铁在磁极附近磁感线的分布情况，条形磁铁在N极附近磁感线的分布情况如图所示，由图可知线圈中磁通量是先减少，后增加，D选项正确。]

由公式Φ＝BScos θθ为线圈与垂直于磁感线方向上的夹角，可以看出Φ的变化是由B、S或θ的变化引起的，因此在求磁通量的变化时要先弄清Φ的变化是由哪一个量的变化引起的，然后根据此量的变化情况分析磁通量的变化情况。

1．如图所示，通电螺线管水平固定，OO′为其轴线，a、b、c三点在该轴线上，在这三点处各放一个完全相同的小圆环，且各圆环平面垂直于OO′轴。则关于这三点的磁感应强度Ba、Bb、Bc的大小关系及穿过三个小圆环的磁通量Φa、Φb、Φc的大小关系，下列判断正确的是(　　)

A．Ba＝Bb＝Bc，Φa＝Φb＝Φc

B．Ba＞Bb＞Bc，Φa＜Φb＜Φc

C．Ba＞Bb＞Bc，Φa＞Φb＞Φc

D．Ba＞Bb＞Bc，Φa＝Φb＝Φc

C　[由通电螺线管的磁场分布特点可知，a、b、c三点的磁感应强度Ba、Bb、Bc的大小关系为Ba＞Bb＞Bc；三个小圆环的面积相同，根据磁通量的定义Φ＝BS可知，Φa＞Φb＞Φc，所以ABD错误，C正确。]

甲　　　　　　　乙　　　　　　丙

保持线框平面始终与磁感线垂直，图甲中线框在磁场中上下运动；图乙中线框在磁场中左右运动；如图丙所示，有一个线圈与一个灵敏电流计连成闭合电路，将一条形磁铁的一部分插入线圈中。(科学探究)

(1)保持线框平面始终与磁感线垂直，线框在磁场中上下运动(图甲)。线框中是否产生感应电流？

(2)保持线框平面始终与磁感线垂直，线框在磁场中左右运动(图乙)，线框中是否产生感应电流？

(3)条形磁铁向左右运动时(丙图)，电流计的指针是否发生偏转？为什么？

提示：(1)图甲中，线框在磁场中上下运动的过程中，导体没有切割磁感线，穿过线框的磁通量没有发生变化，所以无感应电流产生。

(2)图乙中，线框在磁场中左右运动的过程中，尽管导体切割磁感线，但是整个线框都处在磁场中，穿过线框的磁通量没发生变化，所以无感应电流产生。

(3)发生偏转，闭合螺线管线圈中磁通量发生变化。

1．感应电流的产生条件

(1)闭合电路。

(2)磁通量发生变化。

2．产生感应电流的常见类型

(1)导线ab切割磁感线时，闭合回路产生的电流(如图甲所示)。

(2)磁铁插入和拉出线圈时，回路中产生的电流(如图乙所示)。

(3)如图丙所示，当开关S闭合或断开时，回路B中产生电流。当开关闭合，滑动变阻器滑片向上或向下滑时，回路B中产生电流。

【例2】　线圈在长直导线电流的磁场中做如图所示的运动：A．向右平动，B．向下平动，C．绕轴转动(ad边向里)，D．从纸面向纸外做平动，E．向上平动(线圈有个缺口)，判断线圈中有没有感应电流？

A　　B　　C　　D　　E

思路点拨：根据导线周围的磁感线分布以及产生感应电流的条件即可判断各图中感应电流的有无。

[解析]　在直导线电流磁场中的五个线圈，原来磁通量都是垂直纸面向里的，对直线电流来说，离电流越远，磁场就越弱。

A．向右平动，穿过线圈的磁通量没有变化，故线圈中没有感应电流。

B．向下平动，穿过线圈的磁通量减少，必产生感应电流。

C．绕轴转动，穿过线圈的磁通量变化(开始时减少)，必产生感应电流。

D．离纸面越远，线圈中磁通量越少，线圈中有感应电流。

E．向上平动，穿过线圈的磁通量增加，但由于线圈没有闭合，因此无感应电流。

[答案]　A、E中无感应电流，B、C、D中有感应电流。

判断是否产生感应电流的关键是明确电路是否闭合，分清磁感线的疏密分布，从而判断磁通量是否变化，而不是看磁通量的有无。

2．如图所示，绕在铁芯上的线圈与电源、滑动变阻器和开关组成闭合回路，在铁芯的右端套有一个表面绝缘的铜环A，下列各种情况中铜环A中没有感应电流的是(　　)

A．线圈中通以恒定的电流

B．通电时，使变阻器的滑片P做匀速移动

C．通电时，使变阻器的滑片P做加速移动

D．将开关突然断开的瞬间

A　[线圈中通以恒定的电流时，线圈产生稳恒的磁场，穿过铜环Z的磁通量不变，没有感应电流产生；通电时，使变阻器的滑片P滑动时，变阻器接入电路的电阻变化，回路中电流变化，线圈产生的磁场变化，穿过铜环A磁通量变化，产生感应电流；将开关突然断开的瞬间，线圈产生的磁场从有到无，穿过铜环A的磁通量减小，产生感应电流。A正确。]

1．(多选)下列说法正确的是(　　)

A．发现电磁感应现象的科学家是奥斯特，发现电流磁效应的科学家是法拉第

B．奥斯特的思维和实践没有突破当时人类对电和磁认识的局限性

C．产生感应电流的原因都与变化或运动有关

D．电磁感应现象的发现使人们找到了“磁生电”的方法，开辟了人类的电气化时代

CD　[奥斯特发现了电流的磁效应，他的思维和实践突破了人类对电与磁认识的局限性，B错误；发现电磁感应现象的科学家是法拉第，A错误；产生感应电流的原因都与变化或运动有关，C正确；电磁感应现象的发现，宣告了电磁学的诞生，开辟了人类的电气化时代，D正确。]

2．一个匝数为n、面积为S的闭合线圈置于水平面上，若线圈内的磁感应强度在时间t内由竖直向下从B1减少到零，再反向增加到B2，则线圈内的磁通量的变化量ΔΦ为(　　)

A．n(B2－B1)S B．n(B2＋B1)S

C．(B2－B1)S   D．(B2＋B1)S

D　[末状态的磁通量Φ2＝B2S，初状态的磁通量Φ1＝－B1S，则线圈内的磁通量的变化量ΔΦ＝(B2＋B1)S，故D正确，ABC错误。]

3．在如图所示的实验中，能在线圈中产生感应电流的情况是(　　)

A．磁铁静止在线圈上方

B．磁铁静止在线圈右侧

C．磁铁静止在线圈里面

D．磁铁插入或抽出线圈的过程

D　[磁铁静止在线圈上方、右侧和里面，穿过闭合电路的磁通量均不发生变化，但磁铁插入或抽出时，磁通量变化，故选项D正确。]

4．如图所示，闭合的矩形线圈abcd放在范围足够大的匀强磁场中，下列哪种情况下线圈中能产生感应电流(　　)

A．线圈向左平移   B．线圈向上平移

C．线圈以ab为轴旋转   D．线圈不动

C　[A、B、D项三种情况穿过线圈的磁通量都不变，线圈中不会产生感应电流，只有C项所述线圈以ab为轴旋转，穿过线圈的磁通量发生改变，线圈中会产生感应电流，选项C正确。]

5．情境：如图所示，一个金属薄圆盘水平放置在竖直向上的匀强磁场中。

问题：下列情况下能使圆盘中产生感应电流的是

(a)　　　　　　　(b)

(1)圆盘绕过圆心的竖直轴匀速转动；

(2)圆盘以某一水平直径为轴匀速转动。

[解析]　(1)当圆盘绕过圆心的竖直轴匀速转动，无论转到什么位置，圆盘中的磁通量不发生变化，不能产生感应电流；

(2)当圆盘以某一水平直径为轴匀速转动时，穿过圆盘的磁感线条数不断变化，即圆盘中的磁通量发生变化，圆盘中将产生感应电流。

[答案]　见解析