新教材高考物理一轮复习第11章电磁感应第1节电磁感应现象楞次定律课件

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1.收集资料,了解电磁感应现象的发现过程,体会科学探索中科学思维和科学态度的重要作用。2.通过实验,探究并了解感应电流产生的条件。探究影响感应电流方向的因素,理解楞次定律。3.理解法拉第电磁感应定律。通过实验,了解自感现象和涡流现象。能举例说明自感现象和涡流现象在生产生活中的应用。4.能分析电磁感应中的电路、动力学、能量、动量问题以及生产生活中的应用
本章内容属于高考考查的热点,多为选择题,又有计算题,考查的具体内容主要包括以下几个方面:①对楞次定律和法拉第电磁感应定律理解的考查;②结合新情境的电磁感应问题、电磁感应的图像问题;③电磁感应与动力学、能量、电路、动量等相结合的综合问题
一、磁通量1.概念:在磁感应强度为B的匀强磁场中,与磁场方向　　　　的面积S与B的乘积。 2.公式:Φ=　　　。 适用条件:　　　　磁场。 3.S为　　　　磁场的有效面积。 4.磁通量是标量。　　 没有方向,但有正负
5.磁通量的意义:(1)磁通量可以理解为穿过某一面积的磁感线的条数。(2)同一线圈平面,当它跟磁场方向垂直时,磁通量　　　　;当它跟磁场方向平行时,磁通量为　　;当正向穿过线圈平面的磁感线条数和反向穿过线圈平面的磁感线条数一样多时,磁通量为　　。 易错辨析 (1)磁通量大小与线圈匝数有关。(　　)　　 　　　　　　　　　　　　　　(2)磁通量是标量,但有正负,正负只表示磁感线从闭合回路的哪个面穿过。(　　)
应用提升1.如图所示,匀强磁场方向与圆形线圈平面垂直,b线圈的面积是a线圈面积的2倍,穿过a线圈的磁通量为Φ,则穿过b线圈的磁通量为(　　)A.0B.ΦΦD.2Φ
答案 B解析 由Φ=BS知Φb=Φa=Φ,选项B正确。
二、电磁感应现象1.电磁感应现象当穿过闭合电路的磁通量　　　　　　　　时,电路中产生　　　　　　　　　　的现象。 2.产生感应电流的条件(1)条件:穿过闭合电路的磁通量　　　　　　　　。 (2)特例:闭合电路的一部分导体在磁场内做　　　　　　　　运动。 3.能量转化发生电磁感应现象时,机械能或其他形式的能转化为　　　　。 
三、感应电流方向的判定
易错辨析 (3)穿过闭合电路的磁通量发生变化,电路中不一定有感应电流产生。(　　)(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。(　　)(5)当导体切割磁感线时,一定产生感应电动势。(　　)(6)感应电流的磁场总是与原磁场方向相反。(　　)(7)楞次定律和右手定则都可以判断感应电流的方向,二者没什么区别。(　　)(8)感应电流的磁场一定阻止引起感应电流的磁场的磁通量的变化。(　　)
应用提升2.(多选)(人教版教材选择性必修第二册P29习题改编)如图所示,一轻质绝缘横杆两侧各固定一铝环,横杆可绕中心点自由转动。拿一条形磁体插向A环,后又取出插向B环,看到的现象及现象分析正确的是(　　)A.磁体插向A环,横杆发生转动B.磁体插向B环,横杆发生转动C.磁体插向B环,B环中不产生感应电动势和感应电流D.磁体插向A环,A环中产生感应电动势和感应电流
答案 AD解析 B环不闭合,磁体插向B环时,产生感应电动势,不产生感应电流,环不受力,横杆不转动,故B、C错误;A环闭合,磁体插向A环时,环内产生感应电动势和感应电流,环受到磁场的作用,横杆转动,故A、D正确。
3.(人教版教材选择性必修第二册P27例题改编)如图所示,在通有电流I的长直导线附近有一个矩形线圈ABCD,线圈与导线始终在同一个平面内。线圈在导线的一侧,垂直于导线左右平移时,其中产生了A→B→C→D→A方向的电流。已知距离载流直导线较近的位置磁场较强。请判断:线圈在向哪个方向移动?如果通电导线电流减小,线圈将向哪个方向运动?如果矩形线圈周长不变,由矩形突然变成圆形,在这过程中,线圈中有无感应电流?
答案 向左　向左　有解析 选择矩形线圈为研究对象,画出通电直导线一侧的磁感线分布图如图,磁感线方向垂直于纸面向里,用“×”表示。已知矩形线圈中感应电流的方向是A→B→C→D→A,根据右手螺旋定则,感应电流的磁场方向是垂直于纸面向外的(即指向读者的,用矩形中心的圆点“·”表示)。根据楞次定律,感应电流的磁场应该是阻碍穿过线圈的磁通量变化的。现在已经判明感应电流的磁场垂直于纸面向外指向读者,跟原来磁场的方向相反。因此线圈移动时通过它的磁通量一定是在增大。这说明线圈在向左移动。如果通电导线电流减小,穿过线圈的磁通量将减小,根据楞次定律,感应电流的磁场将阻碍其减小,线圈将向左运动。由矩形突然变成圆形,穿过线圈的磁通量发生变化,在这过程中,线圈中有感应电流。
旁栏边角 人教版教材选择性必修第二册P28阅读“科学方法”——归纳推理楞次定律中“阻碍”的含义可以归纳为:感应电流的效果总是阻碍引起感应电流的原因。列表说明如下:
请体会下列小题:1.(多选)如图甲所示,圆形线圈P静止在水平桌面上,其正上方固定一螺线管Q,P和Q共轴,Q中的电流i随时间t变化的规律如图乙所示,取图甲中电流方向为
正方向,P所受的重力为G,桌面对P的支持力为FN,则(　　)A.在0~t1时间内,FN>G,P有收缩的趋势B.在t1~t2时间内,FN=G,穿过P的磁通量不变C.在t2~t4时间内,线圈所受安培力方向不变D.在t3时刻,FN>G,P有收缩的趋势
答案 AB解析 在0~t1时间内,螺线管中电流增大时,其形成的磁场不断增强,因此线圈P中的磁通量增大,根据楞次定律可知线圈P将阻碍其磁通量的增大,故线圈有远离和收缩的趋势,即FN>G,P有收缩的趋势,A项正确;在t1~t2时间内,螺线管中电流不变时,其形成磁场不变,线圈P中的磁通量不变,因此线圈P中无感应电流产生,则在t2~t3时间内,FN=G,B项正确;在t2~t4时间内,穿过线圈的磁通量先减小后增大,根据楞次定律可知,为阻碍磁通量的变化,线圈所受安培力先向上后向下,C项错误;t3时刻,螺线管Q中电流为0,但P中磁通量变化,此时P中有感应电流,但二者无相互作用力,故t3时刻FN=G,此时P没有收缩的趋势,D项错误。
规律总结 互感现象中,由于产生感应电流而受安培力的方向、线圈的运动(趋势)的判断可以利用楞次定律中“阻碍”的含义去判断。
2.(2022黑龙江哈尔滨期末)如图所示,用轻绳将一条形磁体竖直悬挂于O点,在其正下方的水平绝缘桌面上放置一铜质圆环。现将磁体从A处由静止释放,经过最低处B,再摆到左侧最高处C,圆环始终保持静止,则(　　)A.A、C两点处在同一水平高度B.从A到B的过程中,圆环对桌面压力大于圆环重力C.从A到B的过程中,圆环受到的摩擦力方向水平向左D.从B到C的过程中,圆环受到的摩擦力方向水平向左
答案 B　解析 磁体运动过程使圆环产生了感应电流而发热,损失了部分重力势能,故A到C过程圆环不能回到与A相同高度即A、C两点不在同一水平高度,故A错误;设桌面给圆环的支持力为F,根据受力平衡得F=mg+F安,F安为圆环受到的安培力总和,根据牛顿第三定律可知,圆环给桌面的压力大小与F相等且大于重力,故B正确;A到B过程圆环为了阻碍磁通量增加而受到的安培力驱使圆环远离磁体,有向左的运动趋势,B到C过程,圆环为了阻碍磁通量减小而有向左的运动趋势,两个过程的运动趋势相同,受到的摩擦力均向右,故C、D错误。
常见的产生感应电流的三种情况
【对点演练】1.(2023黑龙江哈尔滨三模)图甲是电动公交车无线充电装置,供电线圈设置在充电站内,受电线圈和电池系统置于车内。供电线路与220 V交流电源相连,将受电线圈靠近供电线圈,不需要导线连接,蓄电池便可以充电(如图乙所示),下列说法正确的是(　　)A.供电线圈和受电线圈无导线连接,所以传输能量时没有损失B.用塑料薄膜将供电线圈包裹起来之后,仍能为蓄电池充电C.无线充电的原理是利用供电线圈发射电磁波传输能量D.充电时,供电线圈的磁场对受电线圈中的电子施加磁场力的作用,驱使电子运动
解析 供电线圈和受电线圈是利用互感传输能量的,并不是发射电磁波,由于线圈存在电阻、传输过程有漏磁等情况,因此传输能量时有损失,故A、C错误。磁场能穿过塑料,因此用塑料薄膜将供电线圈包裹起来之后,仍能为蓄电池充电,故B正确。充电时,供电线圈产生了变化的磁场,变化的磁场穿过受电线圈,会引起受电线圈磁通量变化,进而产生感应电流,故D错误。
2.(多选)(2022广东卷)如图所示,水平地面(xOy平面)下有一根平行于y轴且通有恒定电流I的长直导线。P、M和N为地面上的三点,P点位于导线正上方,MN平行于y轴,PN平行于x轴。一闭合的圆形金属线圈,圆心在P点,可沿不同方向以相同的速率做匀速直线运动,运动过程中线圈平面始终与地面平行。下列说法正确的有(　　)A.N点与M点的磁感应强度大小相等,方向相同B.线圈沿PN方向运动时,穿过线圈的磁通量不变C.线圈从P点开始竖直向上运动时,线圈中无感应电流D.线圈从P点运动到M点产生的感应电动势与从P点运动到N点产生的感应电动势相等
解析 因为M、N两点连线与长直导线平行,两点与长直导线的距离相同,根据右手螺旋定则可知,通电长直导线在M、N两点产生的磁感应强度大小相等,方向相同,选项A正确。根据右手螺旋定则,线圈在P点时,穿进与穿出线圈的磁感线对称,磁通量为零;在向N点平移的过程中,穿进与穿出线圈的磁感线不再对称,线圈的磁通量会发生变化,选项B错误。根据右手螺旋定则,线圈从P点竖直向上运动的过程中,穿进与穿出线圈的磁感线对称,线圈的磁通量始终为零,没有发生变化,线圈中无感应电流,选项C正确。从P点运动到M点与从P点运动到N点,线圈的磁通量变化量相同,依题意从P点运动到M点所用时间较长,根据法拉第电磁感应定律可知,两次产生的感应电动势不相等,选项D错误。
3.(2022陕西西安模拟)下图是公路上安装的一种测速“电子眼”。在“电子眼”前方路面下间隔一段距离埋设两个通电线圈,当车辆通过线圈上方的道路时,会引起线圈中电流的变化,系统根据两次电流变化的时间及线圈之间的距离,对超速车辆进行抓拍。下列判断正确的是(　　)A.汽车经过线圈会产生感应电流B.汽车速度越大,经过线圈时产生的感应电流越小C.若线圈出现断路,汽车经过线圈还会产生感应电流D.如果某个线圈出现故障,没有电流,“电子眼”还可以正常工作
答案 A　解析 在“电子眼”前方路面下间隔一段距离埋设的是“通电线圈”,汽车上大部分是金属,当汽车通过线圈时会引起通电线圈的磁通量变化,从而产生电磁感应现象,产生感应电动势,线圈会产生感应电流,故A正确;汽车速度越大,经过线圈时产生的感应电动势越大,感应电流越大,故B错误;若线圈出现断路,汽车经过线圈还会产生感应电动势,不会产生感应电流,故C错误;如果某个线圈出现故障,没有电流,就会无法计时起点或终点,“电子眼”不能正常工作,故D错误。
楞次定律中“阻碍”的含义
【典例突破】典例1.如图,在方向垂直于纸面向里的匀强磁场中有一U形金属导轨,导轨平面与磁场垂直。金属杆PQ置于导轨上并与导轨形成闭合回路PQRS,一圆环形金属线框T位于回路围成的区域内,线框与导轨共面。现让金属杆PQ突然向右运动,在运动开始的瞬间,关于感应电流的方向,下列说法正确的是(　　)A.PQRS中沿顺时针方向,T中沿逆时针方向B.PQRS中沿顺时针方向,T中沿顺时针方向C.PQRS中沿逆时针方向,T中沿逆时针方向D.PQRS中沿逆时针方向,T中沿顺时针方向
答案 D解析 金属杆从静止开始突然向右运动,产生感应电动势,感应电流从无到有,根据右手定则可知,PQRS中的电流沿逆时针方向;该感应电流在金属线框T中产生的磁通量向外,故穿过金属线框T向里的磁通量减小,根据楞次定律,T中感应电流沿顺时针方向,D正确。
素养点拨1.判断感应电流方向的方法(1)楞次定律。(2)右手定则。2.“四步法”判断感应电流方向
【对点演练】4.(2022广东汕头模拟)如图所示,两根长1 m的空心铝管竖直放置,其中乙管有一条竖直的裂缝。某同学把一块圆柱形的强磁体先后从甲、乙两管的上端由静止放入管口,磁体在管中运动的时间为0.6 s或3 s,最后都从下端穿出。不计磁体与管壁的摩擦。下列判断正确的是(　　)A.磁体在甲管中运动的时间为0.6 sB.磁体在甲管内下落的过程中,重力势能的减少量大于其克服磁场力做的功C.磁体在乙管内下落的过程中,乙管中没有产生感应电动势D.磁体在甲管内下落的过程中,所受合外力的冲量为0
答案 B　解析 磁体在甲管中运动,使得甲管中产生的涡流较大,对磁体产生阻碍运动的磁场力较大,磁体在乙管中运动,由于乙管有一条竖直的裂缝,没有阻碍磁体运动的磁场力,磁体在甲管中运动的时间大于磁体在乙管中运动的时间,故磁体在甲管中运动的时间为3 s,故A错误;磁体在甲管内下落的过程中,磁体的动能增加,合力对磁体做正功,故重力对磁体做的功大于磁体克服磁场力做的功,即重力势能的减少量大于磁体克服磁场力做的功,故B正确;乙管中有磁通量的变化,故有感应电动势,但是由于乙管有一条竖直的裂缝,因此没有闭合回路,故无感应电流产生,故C错误;磁体在甲管中由静止释放,故磁体的初动量为零,由楞次定律可知,磁体下落的过程中存在阻碍它运动的力,但不会使磁体减速为零,故末动量不为零,由动量定理可知,合外力的冲量不为0,故D错误。
5.(2023江西赣州期末)某学校教室墙上有一扇朝南的平开玻璃窗,窗扇由有机玻璃加矩形金属边框构成,如图所示,窗扇一侧由合页固定在绝缘窗框(图中未画出)上,另一侧装有开窗手柄,某同学站在室内面向窗户水平推动开窗手柄,将闭合的窗扇向外(南)推开(开角小于90°)的过程中,下列说法正确的是(　　)A.穿过矩形窗扇的地磁场的磁通量变大B.穿过矩形窗扇的地磁场的磁通量不变C.从推窗者的角度看,窗扇金属边框中的感应电流方向是逆时针方向D.从推窗者的角度看,窗扇金属边框中的感应电流方向是顺时针方向
解析 地磁场由南向北,当闭合的窗扇向外推开时,穿过窗框的磁通量减小,根据楞次定律,穿过窗框的磁通量减小时,从推窗者的角度看,产生的感应电流的方向为逆时针方向,故A、B、D错误,C正确。
6.(2023广东广州三模)如图所示,外环线圈中通有正弦式交变电流,它产生的磁场会与所遇的金属物发生作用,导致金属物自身也会产生微弱的电流,来自金属物的磁场进入内环线圈被接收到后,检测器会发出报警声。若外环线圈某时刻产生向下且增强的磁场,则下列说法正确的是(　　)A.此时金属物产生的感应磁场的方向竖直向下B.此时金属物中的涡流从上往下看是沿顺时针方向C.金属物发出的磁场穿过内环线圈时,内环线圈会产生微弱的电流D.金属物发出磁场是一种电磁感应现象
解析 由题知探测器外环线圈发出的磁场竖直向下且增强,根据楞次定律可确定金属物中感应电流产生的磁场方向应竖直向上,根据安培定则,金属物中的感应电流的方向从上往下看是逆时针方向,故A、B错误。由于外环线圈中通有正弦式交变电流,则金属物产生的涡流也是周期性变化的,所以金属物发出周期性变化的磁场,该磁场穿过内环线圈时,会引起内环线圈产生微弱的电流,使探测器报警,故C正确;金属物发出磁场是因为金属物内有电流产生,电流周围存在磁场,是电流的磁效应现象,故D错误。
2.相互联系(1)应用楞次定律时,一般要用到安培定则。(2)研究感应电流受到的安培力时,一般先用右手定则确定电流方向,再用左手定则确定安培力的方向,有时也可以直接应用楞次定律的推论确定。
【典例突破】典例2.(多选)如图,两个线圈绕在同一根铁芯上,其中一线圈通过开关与电源连接,另一线圈与远处沿南北方向水平放置在纸面内的直导线连接成回路。将一小磁针悬挂在直导线正上方,开关未闭合时小磁针处于静止状态,下列说法正确的是(　　)
A.开关闭合后的瞬间,小磁针的N极朝垂直于纸面向里的方向转动B.开关闭合并保持一段时间后,小磁针的N极指向垂直于纸面向里的方向C.开关闭合并保持一段时间后,小磁针的N极指向垂直于纸面向外的方向D.开关闭合并保持一段时间再断开后的瞬间,小磁针的N极朝垂直于纸面向外的方向转动
思维点拨 开关闭合、保持再断开→右侧线圈内电流是否变化→左侧线圈环绕部分内磁通量是否发生变化→直导线中是否有电流→直导线中的电流产生磁场→小磁针受力转动。
答案 AD解析 如图甲所示,闭合开关瞬间右边线圈产生电流,左边线圈磁通量增强。由楞次定律可知,左边线圈感应磁场方向向左,根据右手螺旋定则可得直导线中电流方向为从南到北,由此可得直导线上方磁场为垂直于纸面向里,则小磁针的N极朝垂直于纸面向里的方向转动,故A正确。开关闭合并保持一段时间后电路稳定,线圈中无磁通量变化,则直导线中无电流,小磁针恢复南北指向,故B、C错误。
如图乙所示,开关闭合并保持一段时间再断开后的瞬间,左边线圈磁通量减小,由楞次定律得其感应磁场方向向右,由右手螺旋定则可得直导线中电流方向为从北到南,直导线上方磁场为垂直于纸面向外,则小磁针的N极朝垂直于纸面向外的方向转动,故D正确。
【对点演练】7.(2023安徽蚌埠期末)如图所示,磁场方向垂直于纸面向里,金属导轨EF、CD在竖直平面内垂直于磁场平行放置,并通过绕在竖直铁芯上的导线连接,铁芯正上方有一水平放置的金属环,金属杆AB竖直放置,与导轨EF、CD垂直且始终接触良好,现突然用外力向右拉动金属杆AB,下列说法正确的是(　　)A.AB中电流由A到B,金属环受到的安培力向上B.AB中电流由A到B,金属环受到的安培力向下C.AB中电流由B到A,金属环受到的安培力向上D.AB中电流由B到A,金属环受到的安培力向下
解析 突然用外力向右拉动金属杆AB,AB向右加速切割磁感线,根据右手定则判断,可知AB中感应电流方向为由B到A,因穿过金属环的磁通量突然增加,根据楞次定律推论可知,金属环受到的安培力向上,故A、B、D错误,C正确。
8.(2023湖南长沙高三月考)如图所示,矩形金属线框abcd置于光滑的绝缘水平面上,直导线MN与cd平行放置且固定在水平面上,直导线MN与电源、滑动变阻器R、开关S构成闭合回路。闭合开关S,将滑动变阻器的滑片从e端移到f端的过程中(　　)A.线框abcd中有沿a→b→c→d→a方向的感应电流,在水平面上静止不动B.线框abcd中有沿a→d→c→b→a方向的感应电流,沿水平面向右运动C.线框abcd中有沿a→b→c→d→a方向的感应电流,沿水平面向右运动D.线框abcd中有沿a→d→c→b→a方向的感应电流,在水平面上静止不动
解析 滑动变阻器的滑片从e端移到f端的过程中,电阻R变大,电路中电流减小,穿过线框的磁通量减小,原磁通量方向为垂直于线框平面向外,则由楞次定律可知感应电流沿a→b→c→d→a方向,由左手定则可知cd边所受安培力向右,ab边所受安培力向左,因为cd边所在位置磁感应强度大于ab边所在位置磁感应强度,所以cd边所受安培力大于ab边所受安培力,线框沿水平面向右运动,故C正确,A、B、D错误。
9.(2022广西河池八校联考)法拉第最初发现电磁感应现象的实验装置、电源、线圈如图所示,软铁环上绕有M、N两个线圈,N线圈串联一个灵敏电流表,下列关于线圈N中产生的感应电流说法正确的是(　　)A.开关S闭合瞬间,G中有由a向b的电流B.开关S闭合瞬间,G中有由b向a的电流C.开关S闭合稳定后,G中有由b向a的电流D.开关S断开瞬间,G中有由a向b的电流