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【三维设计】2014届高三物理一轮 (14年+目标定位+规律总结) 9.1电磁感应现象 楞次定律教学案 新人教版


第九章

电磁感应

一、三年高考考点统计与分析 考点 试题 2012 北京 T19 2012 山东 T14 2012 海南 T5 电磁感应现象 楞次定律 2012 全国新课标 T20 2011 海南 T7 2011 上海 T13 2011 山东 T16 2010 全国新课标 T14 2012 全国新课标 2012 江苏 T7 法拉第电磁感

应定律、 自感和 涡流 2011 北京 T19 201 1 广东 T15 2011 江苏 T2 2010 江苏 T2 2010 山东 T21 2012 全国新课标 T20 2012 福建 T18 电磁 感应中的 图象问题 2011 海南 T21 2011 山东 T22 2011 江苏 T5 2010 北京 T19 2010 上海 T19 2012 山东 T20 2012 天津 T11 电磁感应定律 的综合应用 2012 浙江 T25 2012 广东 T35 2011 福建 T17 2011 天津 T11 题型 选择 选择 选择 选择 选择 选择 选择 选择 选择 选择 选择 选择 选择 选择 选择 选择 选择 选择 选择 选择 选择 选择 选择 计算 计算 计算 选择 计算 分值 6分 6分 3分 6分 4分 3分 6分 6分 6分 4分 6分 4分 3分 4分 4分 6分 6分 3分 4分 3分 6分 4分 5分 18 分 22 分 18 分 6分 18 分

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2011 浙江 T23 2011 上海 T32 2010 安徽 T20 2010 福建 T21 2010 天津 T11 2010 江苏 T13

计算 计算 选择 计算 计算 计算

16 分 14 分 6分 19 分 18 分 15 分

(1)从近三年高考试题考点分布可以看出,高考对本章内容的考查重点有感应电流的产 生、感应电动势方向的判断、感应电动势大小的计算、自感现象和涡流现象等。 (2)高考对本章知识的考查多以选择题和计算题形式出现,常以选择题形式考查基础知 识、基本规律的理解和应用;计算题主要是以综合性的题目出现,考查本章知识与其他相关 知识综合,如与运动、力学、能量、电路、图象等,题目综合性强,分值较重。 二、2014 年高考考情预测 预计在 2014 年的高考中,本章热点仍是滑轨类问题,线框穿越有界匀强磁场问题,电 磁感应图象问题,电磁感应的能量问题,其涉及的知识多,考查学生的分析综合能力及运用 数学知识解决物理问题的能力, 命题仍会倾向于上述热点内容, 侧重于本章知识与相关知识 的综合应用,以大型综合题出现的可能性非常大。 [备课札记]

第九章 电 磁 感 应 [学习目标定位]

考 纲 下 载 1.电磁感应现象(Ⅰ) 2.法拉第电磁感应定律(Ⅱ) 3.楞次定律(Ⅱ) 高考 地位

考 情 上 线 本章是高考的必考内容, 在历年高考中所占分值较高, 考查的题型一般 多为选择,考查的难度中等,试题的 综合程度较高。

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4.自感、涡流(Ⅰ)

考点 布设

1.感应电流的产生及方向的判定,图象的考查。 2.法拉第电磁感应定律的应用。 3.电磁感应现象与磁场、电路、力学等知识的综合。

第 1 单元

电磁感应现象__楞次定律

电磁感应现象

[想一想] 磁通量是研究电磁感应现象的重要物理量。如图 9-1-1 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 2,
设先后两次通过线框的磁通量变化分别为 Δ Φ 1 和 Δ Φ 2, Δ Φ 1 和 Δ Φ 2 大小关系是什么? 则

图 9-1-1 [提示] 设线框在位置 1 时的磁通量为 Φ 1,在位置 2 时的 磁通量为 Φ 2,直线电流产 生的磁场在 1 处比在 2 处要强。若平移线框,则 Δ Φ 1=Φ 1-Φ 2,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 Δ Φ 2=Φ 1+Φ 2。根据分析知:Δ Φ 1<Δ Φ 2。 [记一记] 1.电磁感应现象 当穿过 闭合电路的磁通量发生变化时,电路中有感应电流产 生的现象。 2.产生感应电流的条件 表述 1 闭合电路的一部分导体在磁场内做切割磁感线运动。 表述 2 穿过闭合电路的磁通量发生变化。 [试一试]

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1.试分析图 9-1-2 中各种情形,金属线框或线圈里能否产生感应电流?

图 9-1-2 答案:B、C、D 均能产生感应电流。

楞次定律 右手定则

[想一想] 用如图 9-1-3 所示的实验装置来验证楞次定律, 当条形磁铁自上而下穿过固定的线圈 时,通过电流计的感应电流方向是怎样的。

图 9-1-3 [提示] 磁铁磁感线的方向是从上到下, 磁铁穿过的过程中, 磁通量向下先增加后减少, 由楞次定律判断知,磁通量向下增加时,感应电流的磁场阻碍增加,方向向上,根据安培定 则知感应电流的方向为 a→G→b;磁通量向下减少时,感应电流的磁场应该向下,感应电流 方向为 b→G→a。 [记一记] 1.楞次定律 (1)内容:感应电流具有这样的方 向,即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通 量的变化. (2)适用范围:一切电磁感应现象。 2.右手定则 (1)内容:伸开右手,使拇指与其余四个手指垂直,并且都与手掌在同一个平面内;让

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磁感线从掌心进入, 并使拇指指向导线运动的方向, 这时四指所指的方向就是感应电流的方 向。 (2)适用 情况:导体切割磁感线产生感应电流。 [试一试] 2.电阻 R、电容 C 与一线圈连成闭合回路,条形磁铁 静止于线圈的正上方,N 极朝下, 如图 9-1-4 所示。现使磁铁开始自由下落,在 N 极接近线圈上端的过程中,流过 R 的电流 方向和电容器极板的带电情况是( )

图 9-1-4 A.从 a 到 b,上极板带正电 C.从 b 到 a,上极板带正电 B.从 a 到 b,下极板带正电 D.从 b 到 a,下极板带正电

解析:选 D 由楞次定律知线圈中感应电流方向从上向下看为逆时针,线圈下端为电源 正极,所以流过 R 的电流方向为从 b 向 a,电容器下极板带正电,故 D 正确,A、B、C 错误。

楞次定律的应用

1.楞次定律中“阻碍”的含义

2.应用楞次定律判断感应电流方向的步骤 (1)确定原磁场的方向;

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(2)明确回路中磁通量变化情况; (3)应用楞次定律的“增反减同”,确立感应电流磁场的方向。 [例 1] (2011·上海高考)如图 9-1-5 所示,磁场垂直于纸面,磁感应强度在竖直方 向均匀分布,水平方向非均匀分布。一铜制圆环用丝线悬挂于 O 点,将圆环拉至位置 a 后无 初速释放,在圆环从 a 摆向 b 的过程中( )

图 9-1-5 A.感应电流方向先逆时针后顺时针再逆时针 B.感应电流的方向一直是逆时针 C.安培力方向始终与速度方向相反 D.安培力方向始终沿水平方向 [尝试解题] 圆环从位置 a 无初速释放,在到达磁场分界线之前,穿过圆环向里的磁感线条数增加, 根据楞次定律可知,圆环内感应电流的方向为逆时针,圆环经过磁场分界线之时,穿过圆环 向里的磁感线条数减少,根据楞次定律可知,圆环内感应电流的方向为顺时针;圆环 通过 磁场分界线之后,穿过圆环向外的磁感线条数减少,根据楞次定律可知,圆环内感应电流的 方向为逆时针;因磁场在竖直方向分布均匀,圆环所受竖直方向的安培力平衡,故总的安培 力沿水平方向。综上所述,正确选项为 A、D。 [答案] AD

对安培定则的理解和应用

(1)利用右手定则判断闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时产生的感应电流方 向。 常见的几种切割情况: ①导体平动切割磁感线; ②导体转动切割磁感线; ③导体不动,磁场运动,等效为磁场不动,导体反方向切割磁感线; ④应用安培定则,确立感应电流的方向。 (2)切割磁感线的导体相当于电源,如果不能构成闭合回路,其两端的电压就是电源电

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动势;若构成了闭合回路,有感应电流产生,其两端电压是路端电压。感应电流在导体内部 从低电势流向高电势。 (3)楞次定律和右手定则的关系: ①从研究对象上说, 楞次定律研究的是整个闭合回路, 右手定则研究的是闭合电路的一 部分导体,即一段导体做切割磁感线运动。 ②从适用范围上说,楞次定律可应用于磁通量变化引起感应电流的各种情况(包括一部 分导体切割磁感线运动的情况),右手定则只适用于一段导体在磁场中做切割磁感线运动的 情况。因此,右手定则是楞次定律的一种特殊情况。 [例 2] 如图 9-1-6 所示,水平地面上方有正交的匀强电场和匀强磁场,电场竖直向 下,磁场垂直纸面向外。半圆形铝框从直径处于水平位置时,沿竖直平面由静止开始下落。 不计阻力,a、b 两端落到地面的次序是( )

图 9-1-6 A.a 先于 b C.a、b 同时落地 [尝试解题] 下落时虽然只有感应电动势没有安培力,但正电荷向 a 端运动、负电荷向右运动,a 端 受电场力方向向下,加速度大,先落地。 [答案] A B.b 先于 a D.无法判定

闭合导体框在磁场中平动切割磁感线, 穿过导体框的磁通量没有发生变化, 不能产生感 应电流但仍能产生感应电动势。

楞次定律、右手定则、左手定则、安培定则的综合应用

1.规律比较 基本现象 运动电荷、电流产生磁场 磁场对运动电荷、电流的作用力 电磁 部分导体切割磁感线运动 应用的定则或定律 安培定则 左手定则 右手定则

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感应

闭合回路磁通量的变化

楞次定律

2.应用区别 关键是抓住因果关系: (1)因电而生磁(I→B)→安培定则; (2)因动而生电(v、B→I)→右手定则; (3)因电而受力(I、B→F 安)→左手定则。 3.相互联系 (1)应用楞次定律,一般要用到安培定则; (2)研究感应电流受到的安培力,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。

[例 3] 如图 9-1-7 所示, 两个线圈套在同一个铁芯上, 线圈的绕向在图中已经标出。 左线圈连着平行导轨 M 和 N,导轨电阻不计,在导轨垂直方向上放着金属棒 ab,金属棒处在 垂直于纸面向外的匀强磁场中。下列说法中正确的是( )

图 9-1-7 A.当金属棒 ab 向右匀速运动时,a 点电势高于 b 点,c 点电势高于 d 点 B.当金属棒 ab 向右匀速运动时,b 点电势高于 a 点,c 点与 d 点等电势 C.当金属棒 ab 向右加速运动时,b 点电势高于 a 点,c 点电势高于 d 点 D.当金属棒 ab 向右加速运动时,b 点 电势高于 a 点,d 点电势高于 c 点 [审题指导] 解答本题首先要明确磁场的方向, 再假设能形成闭合电路, 然后用右手定则判断感应电 流的电流方向,从而判断电势的高低端。 [尝试解题] 当金属棒向右匀速运动而切割磁感线时, 金属棒产生恒定感应电动势, 由右手定则判断 电流方向由 a→b。 根据电流从电源(ab 相当于电源)正极流出沿外电路回到电源负极的特点, 可以判断 b 点电势高于 a 点。又左线圈中的感应电动势恒定,则 感应电流也恒定,所以穿 过右线圈的磁通量保持不变,不产生感应电流。 当 ab 向右做加速运动时, 由右手定则可推断 φ b>φ a, 电流沿逆时针方向。 又由 E=BLv 可知 ab 导体两端的 E 不断增大,那么左边电路中的感应电流也不断增大,由安培定则可判 断它在铁芯中的磁感线方向是沿逆时针方向的, 并且场强不断增强, 所以右边电路的线圈中

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的向上的磁通量不断增加。 由楞次定律可判断右边电路的感应电流方向应沿逆时针, 而在右 线圈组成的电路中, 感应电动势仅产生在绕在铁芯上的那部分线圈上。 把这个线圈看作电源, 由于电流是从 c 沿内电路(即右线圈)流向 d,所以 d 点电势高于 c 点。 [答案] BD

楞次定律描述的是感应电流与磁通量变化之间的关 系,常用于判断感应电流的方向或其所受安培力的方向, 一般有以下四种呈现方式: (1)阻碍原磁通量的变化,即“增反减同”。 (2)阻碍相对运动,即“来拒去留”。 (3)使线圈面积有扩大或缩小的趋势, 即“增缩减扩”。 (4)阻碍原电流的变化(自感现象),即“增反减同”。

[典例] 如图 9-1-8 所示,光滑固定的金属导轨 M、N 水平放置,两根导体棒 P、Q 平行放置在导轨上,形成一个闭合回路,一条形磁铁从高处下落接近回路时( )

图 9-1-8 A.P、Q 将相互靠拢 C.磁铁的加速度仍为 g [审题指导] 可以应用楞次定律确定 P、Q 中的感应电流的方向,再根据左手定则确定感应电流受到 的安培力来确定 P、 的运动方向, Q 根据感应电流的磁场的“阻碍”作用确定磁铁的加速度。 还可以根据楞次定律的一些结论直接解答。 B.P、Q 将相互远离 D.磁铁的加速度小于 g

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[解析] 法一:设磁铁下端为 N 极,如图 9-1-9 所示,根据楞次定律可判断出 P、Q 中的感应电流方向,根据左手定则可判断 P、Q 所受安培力的方向。可见,P、Q 将互相靠拢。 由于回路所受安培力的合力向下,由牛顿第三定律,磁铁将受到向上的反作用力,从而加速 度小于 g。当磁铁下端为 S 极时, 根据类似的分析可得到相同的结果,所以,本题应选 A、D。

图 9-1-9 法二: 根据楞次定律的另一种表述——感应电流的效果, 总要反抗产生感应电流的原因。 本题中“原因”是回路中磁通量的增加, 归根结底是磁铁靠近回路, “效果”便是阻碍磁通 量的增加和磁铁的靠近。所以,P、Q 将互相靠近且磁铁的加速度小于 g,应选 A、D。 [答案] AD [题后悟道] 应用楞次定律及其推论时,要注意“阻碍”的具体含义 (1)从阻碍磁通量的变化理解为:当磁通量增大时,会阻碍磁通量增大,当磁通量减小 时,会阻碍磁通量减小。 (2)从阻碍相对运动理解为:阻碍相对运动是“阻碍”的又一种体现,表现在“近斥远 吸,来拒去留”。 (3)从阻碍电流的变化(自感现象)理解为:阻碍电流的变化,增则反,减则同。

如图 9-1-10 所示, 导轨间的磁场方向垂直于纸面向里, 当导线 MN 在导轨上向右加速 滑动时,正对电磁铁 A 的圆形金属环 B 中( )

图 9-1-10 A.有感应电流,且 B 被 A 吸引 B.无感应电流 C.可能有,也可能没有感应电流 D.有感应电流,且 B 被 A 排斥 解析:选 D MN 向右加速滑动,根据右手定则,MN 中的电流方向从 N→M,且大小在逐 渐变大, 根据安培定则知, 电磁铁 A 的左端为 N 极, 且磁场强度逐渐增强, 根据楞次定律知,

B 环中的感应电流产生的内部磁场方向向右,B 被 A 排斥。故 D 正确。

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