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物理必修 第三册第2节 电磁感应现象及其应用学案
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这是一份物理必修 第三册第2节 电磁感应现象及其应用学案，共10页。
1.知道磁通量的概念，通过计算磁通量的大小进一步了解定量描述磁场的方法。
2.理解什么是电磁感应现象。
3.掌握产生感应电流的条件。
4.了解电磁感应在生产生活中的应用
【重点】掌握只要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。
一、磁通量
1．磁通量
(1)定义：磁场中穿过磁场某一面积S的磁感线条数叫作穿过这个面积的磁通量。
(2)计算公式：Φ＝BS，此公式的适用条件：
①匀强磁场；②磁感线与平面垂直。
(3)单位：在国际制单位制中是韦伯，简称韦，符号是Wb，1 Wb＝1 T·m2。
(4)磁通量是一个只用大小就能描述的物理量，是标量。
2．磁通密度
磁感应强度又称磁通密度，B＝ eq \f(Φ,S)，其中S为垂直于磁场方向的面积，表示磁感应强度等于穿过垂直磁感线的单位面积的磁感线条数。
3.磁通量Φ及其变化量ΔΦ的理解与计算
(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，又有穿入，则穿过该面的合磁通量为净磁感线的条数．
③由Φ＝BS可知，磁通量的大小与线圈的匝数无关．
（2）匀强磁场中磁通量的计算
①B与S垂直时：Φ＝BS.B指匀强磁场的磁感应强度，S为线圈的面积．
②B与S不垂直时：Φ＝BS⊥.S⊥为线圈在垂直磁场方向上的有效面积，在应用时可将S分解到与B垂直的方向上，如图所示，Φ＝BSsin θ.
③磁通量变化量的计算
当B与S垂直时，通常有以下两种情况：
(1)S不变，B改变，则ΔΦ＝ΔBS.
(2)S改变，B不变，则ΔΦ＝B·ΔS.
二、电磁感应的探索历程
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．产生的电流叫作感应电流．
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，产生的电流叫作感应电流．
5．发现电磁感应现象的意义
(1)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)使人们找到了磁生电的条件，开辟了人类的电气化时代．
三、探究感应电流的产生条件
1．探究导体棒在磁场中运动是否产生感应电流(如图所示)：
2．探究磁铁在通电螺线管中运动是否产生感应电流(如图所示)：
3.模仿法拉第的实验(如图所示)：
4.归纳结论
只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，闭合电路中就有感应电流．
5.感应电流是否产生的判断
（1）.感应电流产生的必要条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化，所以判断感应电流有无时必须明确以下两点：
①明确电路是否为闭合电路；
②判断穿过回路的磁通量是否发生变化．
（2）．判断穿过闭合导体回路的磁通量是否变化时，可充分利用磁感线来进行定性判断．即通过观察穿过闭合导体回路的磁感线的条数是否变化判断某过程中磁通量是否变化．
四. 电磁感应现象的应用
1．变压器
(1)作用：变压器是把交流电的电压升高或者降低的装置．
(2)构造：原线圈(初级线圈)、副线圈(次级线圈)、闭合铁芯．
2．ABS系统
(1)ABS系统的作用：汽车紧急制动时，如果车轮被制动装置抱死，车轮将出现滑动，方向盘就会失灵，汽车将甩尾侧滑，可能发生严重的交通事故．为防止这种现象，人们发明了防抱死制动系统(ABS)．
(2)ABS系统的组成：由轮速传感器、电子控制模块和电磁阀组成．轮速传感器的作用是采集车轮转速信号，它是利用电磁感应现象测量车轮转速的．
3.计算机磁盘及磁记录
4.无线充电
5.动圈式话筒
【例1】(多选)如图所示是等腰直角三棱柱，其中正方形ABCD的边长为L，按图示位置放置在方向竖直向下的匀强磁场中，磁感应强度为B，下列说法中正确的是( )
A．通过ABCD平面的磁通量为BL2
B．通过BCFE平面的磁通量为eq \f(\r(2),2)BL2
C．通过ADFE平面的磁通量为零
D．通过整个三棱柱的磁通量为零
【例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一闭合回路，在铁芯的右端套有一个表面绝缘的铜环a，下列各种情况铜环a中不产生感应电流的是( )
A．线圈中通以恒定的电流
B．通电时，使滑动变阻器的滑片P匀速移动
C．通电时，使滑动变阻器的滑片P加速移动
D．将开关突然断开的瞬间
【例3】矩形线框abcd的两边长分别为l1、l2，可绕它的一条对称轴OO′转动，匀强磁场的磁感应强度为B，方向与OO′垂直，如图所示，初位置时线框平面与B平行．求：
(1)初位置时穿过线框的磁通量Φ0为多少？
(2)当线框绕轴OO′沿图示方向转过60°时，穿过线框的磁通量Φ为多少？这一过程中穿过线框的磁通量的变化量ΔΦ为多少？
1．如图所示，通过恒定电流的导线MN与闭合线框共面，第一次将线框由1平移到2，第二次将线框绕cd边翻转到2，设先后两次通过线框的磁通量变化分别为ΔΦ1和ΔΦ2，则( )
A．ΔΦ1>ΔΦ2 B．ΔΦ1<ΔΦ2
C．ΔΦ1＝ΔΦ2 D．无法确定
2.如图所示，矩形线框abcd由静止开始运动，若要使线框中产生感应电流且磁通量逐渐变大，则线框的运动情况应该是( )
A．向右平动(ad边还没有进入磁场)
B．向上平动(ab边还没有离开磁场)
C．以bc边为轴转动(ad边还没有转入磁场)
D．以ab边为轴转动(转角不超过90°)
3．关于产生感应电流的条件，下列说法正确的是( )
A．位于磁场中的闭合线圈一定会产生感应电流
B．闭合线圈平行磁感线运动时，线圈中一定产生感应电流
C．穿过闭合线圈的磁通量发生变化时，一定产生感应电流
D．闭合线圈垂直磁感线运动时，线圈中一定产生感应电流
4．(多选)如图所示，下列情况能产生感应电流的是( )
A．如图甲所示，导体棒AB顺着磁感线运动
B．如图乙所示，条形磁铁插入或拔出线圈时
C．如图丙所示，小螺线管A插入大螺线管B中不动，开关S一直接通时
D．如图丙所示，小螺线管A插入大螺线管B中不动，开关S一直接通，当改变滑动变阻器的阻值时
5．边长l＝10 cm的正方形线框，固定在匀强磁场中，磁场方向与线圈平面垂直，如图所示．磁感应强度随时间变化的规律为B＝2＋3t(T)，则第3 s内穿过线圈的磁通量的变化量ΔΦ为多少？
参考答案
【例1】 [解析] 磁感应强度B和ABCD平面不垂直，根据Φ＝BScs θ知，穿过ABCD平面的磁通量为eq \f(\r(2),2)BL2，故A项错误；磁感应强度B和BCFE平面垂直，故B项正确；磁感应强度B和ADFE平面平行，故通过ADFE平面的磁通量为零，C项正确；磁感线从ABCD平面穿入，进入三棱柱后不终止，从BCFE平面穿出，若穿入磁通量为正，则穿出磁通量为负，故穿过整个三棱柱的磁通量为零，D项正确．
答案：BCD
【例2】． [解析] 线圈中通以恒定电流时，铜环a处磁场不变，穿过铜环的磁通量不变，铜环中不产生感应电流．滑动变阻器滑片移动或开关断开时，线圈中电流变化，铜环a处磁场变化，穿过铜环的磁通量变化，会产生感应电流．故选A.
答案：A
【例3】．[解析] (1)线框在初始位置时，线框平面与磁场平行，有效面积为零，则Φ0＝0.
(2)当线框绕轴OO′沿图示方向转过60°时，线框与B的夹角为60°，则：
Φ＝B·Ssin 60°＝eq \f(\r(3),2)BS＝eq \f(\r(3),2)Bl1l2
ΔΦ＝Φ－Φ0＝eq \f(\r(3),2)Bl1l2.
[答案] (1)0 (2)eq \f(\r(3),2)Bl1l2 eq \f(\r(3),2)Bl1l2
1．[解析] 设线框在位置1时的磁通量为Φ1，在位置2时的磁通量为Φ2，直线电流产生的磁场在1处比在2处要强，若平移线框，则ΔΦ1＝Φ1－Φ2，若转动线框，磁感线是从线框的正反两面穿过的，一正一负，因此ΔΦ2＝Φ1＋Φ2.根据分析知：ΔΦ1<ΔΦ2，选项B正确．
[答案] B
2.[解析] 选项A和D所描述的情况，线框在磁场中的有效面积S均发生变化(A情况下S增大，D情况下S变小)，穿过线框的磁通量均改变，由产生感应电流的条件知线框中会产生感应电流．而选项B、C所描述的情况中，线框中的磁通量均不改变，不会产生感应电流．D中磁通量大小变小．
[答案] A
3．[解析] 位于磁场中的闭合线圈，只有磁通量发生变化，才一定会产生感应电流，故A错误；闭合线圈平行磁感线运动时，闭合电路中磁通量没有变化，则闭合电路中就没有感应电流，故B错误；穿过闭合电路的磁感线的条数发生变化，磁通量一定发生变化，则闭合电路中就有感应电流，故C正确；紧紧围绕感应电流产生的条件：闭合电路，磁通量发生变化；导体切割磁感线，磁通量不一定发生变化，故D错误．
[答案] C
4．[解析] A中导体棒顺着磁感线运动，穿过闭合电路的磁通量没有发生变化，无感应电流，故A错误；B中条形磁铁插入线圈时线圈中的磁通量增加，拔出线圈时线圈中的磁通量减少，都有感应电流，故B正确；C中开关S一直接通，回路中为恒定电流，螺线管A产生的磁场稳定，螺线管B中的磁通量无变化，线圈中不产生感应电流，故C错误；D中开关S接通，滑动变阻器的阻值变化使闭合回路中的电流变化，螺线管A产生的磁场发生变化，螺线管B中磁通量发生变化，线圈中产生感应电流，故D正确．
[答案] BD
5．[解析] 第3 s内就是从2 s末到3 s末，所以2 s末时磁感应强度为
B1＝(2＋3×2) T＝8 T
3 s末时的磁感应强度为
B2＝(2＋3×3) T＝11 T
所以ΔΦ＝ΔBS＝(11－8)×0.12 Wb＝3×10－2 Wb.
[答案] 3×10－2 Wb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，电路中有感应电流产生；包围的面积不变时，电路中无感应电流产生
导体棒平行磁感线运动
无
导体棒切割磁感线运动
有
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
实验操作
实验现象(线圈B中有无电流)
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；线圈B中磁场不变时，线圈B中无感应电流
开关断开瞬间
有
开关保持闭合，
滑动变阻器的滑片不动
无
开关保持闭合，迅速移动滑动变阻器的滑片
有
1.知道磁通量的概念，通过计算磁通量的大小进一步了解定量描述磁场的方法。
2.理解什么是电磁感应现象。
3.掌握产生感应电流的条件。
4.了解电磁感应在生产生活中的应用
【重点】掌握只要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。
一、磁通量
1．磁通量
(1)定义：磁场中穿过磁场某一面积S的磁感线条数叫作穿过这个面积的磁通量。
(2)计算公式：Φ＝BS，此公式的适用条件：
①匀强磁场；②磁感线与平面垂直。
(3)单位：在国际制单位制中是韦伯，简称韦，符号是Wb，1 Wb＝1 T·m2。
(4)磁通量是一个只用大小就能描述的物理量，是标量。
2．磁通密度
磁感应强度又称磁通密度，B＝ eq \f(Φ,S)，其中S为垂直于磁场方向的面积，表示磁感应强度等于穿过垂直磁感线的单位面积的磁感线条数。
3.磁通量Φ及其变化量ΔΦ的理解与计算
(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，又有穿入，则穿过该面的合磁通量为净磁感线的条数．
③由Φ＝BS可知，磁通量的大小与线圈的匝数无关．
（2）匀强磁场中磁通量的计算
①B与S垂直时：Φ＝BS.B指匀强磁场的磁感应强度，S为线圈的面积．
②B与S不垂直时：Φ＝BS⊥.S⊥为线圈在垂直磁场方向上的有效面积，在应用时可将S分解到与B垂直的方向上，如图所示，Φ＝BSsin θ.
③磁通量变化量的计算
当B与S垂直时，通常有以下两种情况：
(1)S不变，B改变，则ΔΦ＝ΔBS.
(2)S改变，B不变，则ΔΦ＝B·ΔS.
二、电磁感应的探索历程
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．产生的电流叫作感应电流．
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，产生的电流叫作感应电流．
5．发现电磁感应现象的意义
(1)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)使人们找到了磁生电的条件，开辟了人类的电气化时代．
三、探究感应电流的产生条件
1．探究导体棒在磁场中运动是否产生感应电流(如图所示)：
2．探究磁铁在通电螺线管中运动是否产生感应电流(如图所示)：
3.模仿法拉第的实验(如图所示)：
4.归纳结论
只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，闭合电路中就有感应电流．
5.感应电流是否产生的判断
（1）.感应电流产生的必要条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化，所以判断感应电流有无时必须明确以下两点：
①明确电路是否为闭合电路；
②判断穿过回路的磁通量是否发生变化．
（2）．判断穿过闭合导体回路的磁通量是否变化时，可充分利用磁感线来进行定性判断．即通过观察穿过闭合导体回路的磁感线的条数是否变化判断某过程中磁通量是否变化．
四. 电磁感应现象的应用
1．变压器
(1)作用：变压器是把交流电的电压升高或者降低的装置．
(2)构造：原线圈(初级线圈)、副线圈(次级线圈)、闭合铁芯．
2．ABS系统
(1)ABS系统的作用：汽车紧急制动时，如果车轮被制动装置抱死，车轮将出现滑动，方向盘就会失灵，汽车将甩尾侧滑，可能发生严重的交通事故．为防止这种现象，人们发明了防抱死制动系统(ABS)．
(2)ABS系统的组成：由轮速传感器、电子控制模块和电磁阀组成．轮速传感器的作用是采集车轮转速信号，它是利用电磁感应现象测量车轮转速的．
3.计算机磁盘及磁记录
4.无线充电
5.动圈式话筒
【例1】(多选)如图所示是等腰直角三棱柱，其中正方形ABCD的边长为L，按图示位置放置在方向竖直向下的匀强磁场中，磁感应强度为B，下列说法中正确的是( )
A．通过ABCD平面的磁通量为BL2
B．通过BCFE平面的磁通量为eq \f(\r(2),2)BL2
C．通过ADFE平面的磁通量为零
D．通过整个三棱柱的磁通量为零
【例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一闭合回路，在铁芯的右端套有一个表面绝缘的铜环a，下列各种情况铜环a中不产生感应电流的是( )
A．线圈中通以恒定的电流
B．通电时，使滑动变阻器的滑片P匀速移动
C．通电时，使滑动变阻器的滑片P加速移动
D．将开关突然断开的瞬间
【例3】矩形线框abcd的两边长分别为l1、l2，可绕它的一条对称轴OO′转动，匀强磁场的磁感应强度为B，方向与OO′垂直，如图所示，初位置时线框平面与B平行．求：
(1)初位置时穿过线框的磁通量Φ0为多少？
(2)当线框绕轴OO′沿图示方向转过60°时，穿过线框的磁通量Φ为多少？这一过程中穿过线框的磁通量的变化量ΔΦ为多少？
1．如图所示，通过恒定电流的导线MN与闭合线框共面，第一次将线框由1平移到2，第二次将线框绕cd边翻转到2，设先后两次通过线框的磁通量变化分别为ΔΦ1和ΔΦ2，则( )
A．ΔΦ1>ΔΦ2 B．ΔΦ1<ΔΦ2
C．ΔΦ1＝ΔΦ2 D．无法确定
2.如图所示，矩形线框abcd由静止开始运动，若要使线框中产生感应电流且磁通量逐渐变大，则线框的运动情况应该是( )
A．向右平动(ad边还没有进入磁场)
B．向上平动(ab边还没有离开磁场)
C．以bc边为轴转动(ad边还没有转入磁场)
D．以ab边为轴转动(转角不超过90°)
3．关于产生感应电流的条件，下列说法正确的是( )
A．位于磁场中的闭合线圈一定会产生感应电流
B．闭合线圈平行磁感线运动时，线圈中一定产生感应电流
C．穿过闭合线圈的磁通量发生变化时，一定产生感应电流
D．闭合线圈垂直磁感线运动时，线圈中一定产生感应电流
4．(多选)如图所示，下列情况能产生感应电流的是( )
A．如图甲所示，导体棒AB顺着磁感线运动
B．如图乙所示，条形磁铁插入或拔出线圈时
C．如图丙所示，小螺线管A插入大螺线管B中不动，开关S一直接通时
D．如图丙所示，小螺线管A插入大螺线管B中不动，开关S一直接通，当改变滑动变阻器的阻值时
5．边长l＝10 cm的正方形线框，固定在匀强磁场中，磁场方向与线圈平面垂直，如图所示．磁感应强度随时间变化的规律为B＝2＋3t(T)，则第3 s内穿过线圈的磁通量的变化量ΔΦ为多少？
参考答案
【例1】 [解析] 磁感应强度B和ABCD平面不垂直，根据Φ＝BScs θ知，穿过ABCD平面的磁通量为eq \f(\r(2),2)BL2，故A项错误；磁感应强度B和BCFE平面垂直，故B项正确；磁感应强度B和ADFE平面平行，故通过ADFE平面的磁通量为零，C项正确；磁感线从ABCD平面穿入，进入三棱柱后不终止，从BCFE平面穿出，若穿入磁通量为正，则穿出磁通量为负，故穿过整个三棱柱的磁通量为零，D项正确．
答案：BCD
【例2】． [解析] 线圈中通以恒定电流时，铜环a处磁场不变，穿过铜环的磁通量不变，铜环中不产生感应电流．滑动变阻器滑片移动或开关断开时，线圈中电流变化，铜环a处磁场变化，穿过铜环的磁通量变化，会产生感应电流．故选A.
答案：A
【例3】．[解析] (1)线框在初始位置时，线框平面与磁场平行，有效面积为零，则Φ0＝0.
(2)当线框绕轴OO′沿图示方向转过60°时，线框与B的夹角为60°，则：
Φ＝B·Ssin 60°＝eq \f(\r(3),2)BS＝eq \f(\r(3),2)Bl1l2
ΔΦ＝Φ－Φ0＝eq \f(\r(3),2)Bl1l2.
[答案] (1)0 (2)eq \f(\r(3),2)Bl1l2 eq \f(\r(3),2)Bl1l2
1．[解析] 设线框在位置1时的磁通量为Φ1，在位置2时的磁通量为Φ2，直线电流产生的磁场在1处比在2处要强，若平移线框，则ΔΦ1＝Φ1－Φ2，若转动线框，磁感线是从线框的正反两面穿过的，一正一负，因此ΔΦ2＝Φ1＋Φ2.根据分析知：ΔΦ1<ΔΦ2，选项B正确．
[答案] B
2.[解析] 选项A和D所描述的情况，线框在磁场中的有效面积S均发生变化(A情况下S增大，D情况下S变小)，穿过线框的磁通量均改变，由产生感应电流的条件知线框中会产生感应电流．而选项B、C所描述的情况中，线框中的磁通量均不改变，不会产生感应电流．D中磁通量大小变小．
[答案] A
3．[解析] 位于磁场中的闭合线圈，只有磁通量发生变化，才一定会产生感应电流，故A错误；闭合线圈平行磁感线运动时，闭合电路中磁通量没有变化，则闭合电路中就没有感应电流，故B错误；穿过闭合电路的磁感线的条数发生变化，磁通量一定发生变化，则闭合电路中就有感应电流，故C正确；紧紧围绕感应电流产生的条件：闭合电路，磁通量发生变化；导体切割磁感线，磁通量不一定发生变化，故D错误．
[答案] C
4．[解析] A中导体棒顺着磁感线运动，穿过闭合电路的磁通量没有发生变化，无感应电流，故A错误；B中条形磁铁插入线圈时线圈中的磁通量增加，拔出线圈时线圈中的磁通量减少，都有感应电流，故B正确；C中开关S一直接通，回路中为恒定电流，螺线管A产生的磁场稳定，螺线管B中的磁通量无变化，线圈中不产生感应电流，故C错误；D中开关S接通，滑动变阻器的阻值变化使闭合回路中的电流变化，螺线管A产生的磁场发生变化，螺线管B中磁通量发生变化，线圈中产生感应电流，故D正确．
[答案] BD
5．[解析] 第3 s内就是从2 s末到3 s末，所以2 s末时磁感应强度为
B1＝(2＋3×2) T＝8 T
3 s末时的磁感应强度为
B2＝(2＋3×3) T＝11 T
所以ΔΦ＝ΔBS＝(11－8)×0.12 Wb＝3×10－2 Wb.
[答案] 3×10－2 Wb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，电路中有感应电流产生；包围的面积不变时，电路中无感应电流产生
导体棒平行磁感线运动
无
导体棒切割磁感线运动
有
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
实验操作
实验现象(线圈B中有无电流)
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；线圈B中磁场不变时，线圈B中无感应电流
开关断开瞬间
有
开关保持闭合，
滑动变阻器的滑片不动
无
开关保持闭合，迅速移动滑动变阻器的滑片
有
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