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高中物理:4.2《探究电磁感应产生的条件》学案(新人教选修3-2)


二、探究电磁感应产生的条件 [要点导学] 本节主要探究电磁感应产生的条件。 1、探究的方法主要是实验。连同初中学习的一个实验,课文介绍了三个实 验,见图4-2-1,图4-2-2和图4-2-3。我们要认真做好这三个实验,并从这三个实 验中分析、归纳、概括出电磁感应产生的条件。

学习初中物理时,我们已经知道:闭合电路的一部分导体切割磁感应线, 电路就会产生感应电

流。那么在普遍情况下,电磁感应产生的条件是什么呢? 完成下面两张表格可以帮助我们发现三个实验之间的内在联系。 表格一、磁铁相对于线圈运动时的电磁感应现象(图4-2-2)
磁铁的动作情况 N 极插入线圈 N 极停在线圈中 N 极从线圈中抽出 指针无动作 电流计指针的动作 磁铁的动作情况 S 极插入线圈 S 极停在线圈中 S 从线圈中抽出 指针无动作 电流计指针的动作

表格二、线圈中的电流变化时的电磁感应现象(图4-2-3)
线圈 A 中电流的变化情况 开关闭合的瞬间 开关断开的瞬间 开关闭合滑动变阻器不动 开关闭合变阻器电阻变化 B 中的磁场不变 指针无动作 线圈 B 中磁场的变化情况 电流计指针的动作

2、 对实验现象的归纳。 从上面的两张表格中我们可以看到, 指针无动作时, 无一例外地线圈中的磁场都是不变化的,那么在上面的表格中,凡是指针有动 作的,线圈中的磁场又有什么共同点呢?请你用尽可能简单的语言表达它们的 共同点: 。在图4-2-1所示的实验中,磁场是不变的,只是导体 AB 在 切割磁感线运动而产生了电磁感应,这种方式产生电磁感应与上面所说的线圈 中磁场变化产生电磁感应之间肯定是有联系的。前者是磁场不变但闭合电路包 围磁场的面积在变,后者是闭合电路的面积不变,但电路中的磁场在变。由此 可见,穿过闭合电路的磁场变化或者电路包围磁场的面积变化都会引起电磁感
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应。 3、概括电磁感应的条件。由于闭合电路的面积与垂直穿过此面积的磁感应 强度的乘积叫做磁通量,所以产生感应电流的条件是:穿过闭合电路的磁通量 发生变化。从磁感线的角度来看,磁通量就是穿过闭合电路的磁感线的数目, 因此即使磁场和闭合电路的面积都不变,如果磁场与闭合电路所在平面之间的 夹角变化(如由垂直变为不垂直) ,磁通量也会发生变化。 [范例精析]
例1 如图4-2-4所示,在有界匀强磁场中有一矩形线圈 abcd 垂直磁场放置,现使线圈做如 下几种运动: (a)向上加速平移, (未出磁场) , (b)匀速向右平移, (c)绕 ab 边转90°, 其中线圈中能产生感应电流的是 。

解析: 要判断线圈中是否有感应电流产生,则需判断穿过线圈的磁通量是否发 生变化。在(a)中穿过线圈平面的磁感线始终与线圈平面垂直且线圈在磁场中 的面积未发生变化,所以穿过线圈的磁通量没有变化,线圈中没有感应电流产 生。在(b)中线圈平移出磁场的过程中,在磁场中的面积逐渐减少,穿过线圈 的磁通量在减少,所以线圈中有感应电流产生。在(c)中,线圈从图示位置绕 ab 边转动90°的过程中,线圈面积不变,但磁感线与线圈平面的夹角越来越小, 穿过线圈的磁感线条数在减少,故磁通量越来越小,线圈中有感应电流产生。 拓展 :在判断是否有感应电流时,除了确定是闭合电路外,如闭合电路是在匀 强磁场中,则着重判断闭合电路在磁场中的面积是否变化,以及和磁感线的夹 角是否发生变化,以确定磁通量是否变化,从而确定是否有感应电流发生。 例2 如图4-2-5所示,A、B 两回路中各有一开关 S1、S2,且回路 A 中接有电源, 回路 B 中接有灵敏电流计,下列操作及相应的结果可能的是 A、 先闭合 S2,后闭合 S1的瞬间,电流计指针偏转 B、 S1、S2闭合后,在断开 S2的瞬间,电流计指针偏转 C、 先闭合 S1,后闭合 S2的瞬间,电流计指针偏转 D、S1、S2闭合后,在断开 S1的瞬间,电流计指针偏转 解析: 回路 A 中有电源,当 S1闭合后,回路中有电流,在回路的周围产生磁 场,回路 B 中有磁通量,在 S1闭合或断开的瞬间,回路 A 中的电流从无到有或 从有到无,电流周围的磁场发生变化,从而使穿过回路 B 的磁通量发生变化, 产生感应电动势,此时若 S2是闭合的,则回路 B 中有感应电流,电流表指针偏
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转。所以 A、D 正确。 拓展:这类问题,首先要判断该电流的磁场方向,从而确定是否有磁感线穿过 线圈平面,然后再根据电流的变化情况判断磁通量是否变化,若产生磁场的电 流虽然发生了变化,但穿过线圈平面的磁通量始终为零,那么闭合回路中也不 会产生感应电流。 如将图4-2-5中的回路 A 换成一根通过回路 B 的一条直径的充 分长通电直导线,则不论直导线中的电流如何变化,回路 B 也不会产生感应电 流。 例3 恒定的匀强磁场中有一圆形的闭合导体线圈, 线圈平面垂直于磁场方向。 当线圈在此磁场中作下列哪种运动时,线圈能产生感应电流? A.线圈沿自身所在的平面作匀速运动 B.线圈沿自身所在的平面作加速运动 C.线圈绕任意一条直径作匀速转动 D.线圈绕任意一条直径作变速转动 解析:线圈沿自身所在的平面作匀速运动时线圈中磁通量不变;线圈沿自身所 在的平面作加速运动时线圈中磁通量也不变,所以线圈中没有感应电流。线圈 绕任意一条直径作匀速转动时线圈中磁通量有变化,线圈绕任意一条直径作变 速转动时线圈中磁通量也有变化,所以线圈中有感应电流。正确答案是 C、D。 拓展:这道高考题的立意是考查考生对产生感应电流的条件是否掌握。同时也 考查了考生的空间想象能力。 解决这一类问题 的关键是看线圈中的磁通量是否 变化。 [能力训练] 1、如图4-2-6,竖直放置的长直导线 ef 中通有恒定电流,有一矩形线框 abcd 与 导线在同一平面内,在下列情况中线圈产生感应电流的是 (ABD ) A、导线中电流强度变大 B、线框向右平动 C、线框向下平动 D、线框以 ab 边为轴转动 E、线框以直导线 ef 为轴转动 2、下列关于产生感应电流的说法中,正确的是 ( D ) A、只要穿过线圈的磁通量发生变化,线圈中就一定有感应电流产生 B、只要闭合导线做切割磁感线的运动,导线中就一定有感应电流 C、闭合电路的一部分导体,若不做切割磁感线运动,则闭合电路中就一定没有感 应电流 D、当穿过闭合电路的磁通量发生变化时,闭合电路中就一定有感应电流 3、如图4-2-7所示,一个矩形线圈与通有相同大小的电流的平行直导线在同一 平面,且处于两直导线的中央,则线框中有感应电流的是( BC ) A、两电流同向且不断增大 B、两电流同向且不断减小 C、两电流反向且不断增大 D、两电流反向且不断减小

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4、如图4-2-8所示,导线 ab 和 cd 互相平行,则在下列情况中导线 cd 中无电流 的是( D ) A、电键 S 闭合或断开的瞬间 B、电键 S 是闭合的,但滑动触头向左滑 C、电键 S 是闭合的,但滑动触头向右滑 D、电键 S 始终闭合,滑动触头不动

5、如图4-2-9所示,范围很大的匀强磁场平行于 OXY 平面,线圈处在 OXY 平面中,要使线圈中产生感应电流,其运动方式可以是( C ) A、沿 OX 轴匀速平动 B、沿 OY 轴加速平动 C、绕 OX 轴匀速转动 D、绕 OY 轴加速转动 6、目前观察到的一切磁体都存在 N、S 两个极,而科学家却一直在寻找是否存 在只有一个磁极的磁单极子。若确定存在磁单极子,设法让磁单极子 A 通 过一超导材料制成的线圈如图 4-2-10所示,则下列对于线圈中的感应电流 的判断,正确的是( C) A、只有 A 进入线圈的过程有电流 B、只有 A 离开线圈的过程中有电流 C、A 离开线圈后,电流保持不变 D、A 离开线圈后,电流消失 7、如图4-2-11所示,在匀强磁场中有一线圈,线圈平面与磁感线平行。当磁场 突然增大时,线圈中有感应电流吗?为什么?
无感应电流,因为磁通量不变 8、如图4-2-12所示,一有限范围的匀强磁场,宽度为 d,将一边长为 l 的正方形线框以速 度 v 匀速地通过磁场区域,若 d>l,则在线框中产生感应电流的时间为多少?若 d<l,则在 线框中产生感应电流的时间又为多少?

2l/v 2d/v

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