第1章 第1节 磁生电的探索

第1节 磁生电的探索
[知识梳理]
一、电磁感应的探索历程
1．探究导体棒在磁场中运动是否产生电流(如图1-
1-1所示)
图1-1-1
图1-1-2
图1-1-3
只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就会产生电流．
[基础自测]
[思考判断]
1．如图1-1-4所示：
图1-1-4
把一条导线平行地放在磁针的上方附近，当导线中有电流通过时，磁针会发生偏转，首先观察到这个实验现象的物理学家是安培．(×)
2．“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应．(√)
3．首先发现电磁感应现象的科学家是奥斯特．(×)
4．只要闭合线圈内有磁通量，闭合线圈就有感应电流产生．(×)
5．闭合线圈内有磁场，就有感应电流．(×)
6．穿过闭合线圈的磁通量发生变化，线圈中一定会有感应电流．(√)
[合作探究]
1．为什么很多科学家在磁生电的探究中没有获得成功？
【提示】很多科学家在实验中没有注意磁场的变化、导体与磁场之间的相对运
动等环节，只想把导体放入磁场中来获得电流，这实际上违反了能量转化和守恒定律，磁生电是一种在变化、运动过程中才能出现的效应．
2．闭合导体回路在磁场中运动一定产生感应电流吗？
【提示】不一定．若闭合导体回路在磁场中运动时，穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，导体回路中就会产生感应电流；若闭合导体回路在磁场中运动时，穿过闭合导体回路的磁通量不变，导体回路中就没有感应电流．
[合作探究·攻重难]
电磁感应的探索历程
1．奥斯特的“电生磁”
电流的磁效应显示了载流导体对磁针的作用力，揭示了电现象与磁现象之间存在的某种联系．奥斯特实验中，通电导线南北方向放置，导线下面的小磁针发生偏转．
2．法拉第的“磁生电”
“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才出现的效应，法拉第把引起电流的原因概括为五类，它们都与变化和运动相联系，这就是：变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体．他把这些现象定名为电磁感应现象，产生的电流叫做感应电流．
如图1-1-5所示，小磁针正上方的直导线与小磁针平行，当导线中通有电流时，小磁针会发生偏转．首先观察到这个实验现象的物理学家和观察到的现象分别是()
图1-1-5
A．奥斯特，小磁针的N极转向纸内
B．法拉第，小磁针的S极转向纸内
C．库仑，小磁针静止不动
D．洛伦兹，小磁针的N极转向纸内
A[首先发现电流周围存在磁场的科学家是奥斯特，根据安培定则可知该导线下方的磁场方向垂直纸面向里，因此小磁针的N极转向纸内，A正确．]
科学探究过程与方法
下面的框图可以简要展示法拉第发现电磁感应规律的科学探究过程与方法．[针对训练]
1．首先发现电流的磁效应和电磁感应现象的物理学家分别是()
【导学号：11452019】A．安培和法拉第B．法拉第和楞次
C．奥斯特和安培D．奥斯特和法拉第
D[1820年，丹麦著名物理学家奥斯特发现了电流的磁效应.1831年，英国著名物理学家法拉第发现了电磁感应现象．选项D正确．]
2．1825年，瑞士物理学家德拉里夫的助手科拉顿将一个螺线管与电流计相连．为了避免强磁性磁铁影响，他把电流计放在另外一个房间，当他把磁铁插入螺线管中后，立即跑到另一个房间去观察，关于科拉顿进行的实验，下列说法正确的是()
A．在科拉顿整个操作过程中，电流计指针不发生偏转
B．将磁铁插入螺线管瞬间，电流计指针发生偏转，但科拉顿跑到另一房间观察时，电流计指针已不再偏转
C．科拉顿无法观察到电流计指针偏转的原因是当时电流计灵敏度不够
D．科拉顿无法观察到电流计指针偏转的原因是导线过长，电流过小
B[科拉顿将磁铁放入螺线管时，穿过线圈的磁通量变化，回路中产生感应电流，电流计指针偏转，之后，穿过线圈的磁通量保持不变，回路中无感应电流，电流计指针不偏转，但由于科拉顿放完磁铁后跑到另一室观察，电流计已不再偏转，所以他观察不到偏转．只有B项正确．]
科学探究——感应电流产生的条件
1．感应电流产生的两个条件
(1)电路闭合；
(2)穿过电路的磁通量发生变化．
2．判断穿过闭合回路的磁通量是否发生变化
穿过闭合电路的磁通量发生变化，大致有以下几种情况：
(1)磁感应强度B不变，线圈面积S发生变化，如闭合电路的一部分导体切割磁感线时．
(2)线圈面积S不变，磁感应强度B发生变化，如线圈与磁体之间发生相对运动时或者磁场是由通电螺线管产生而螺线管中的电流变化时．
(3)磁感应强度B和线圈面积S同时发生变化，此时可由ΔΦ＝Φ1－Φ0计算并判断磁通量是否变化．
(4)线圈面积S不变，磁感应强度B也不变，但二者之间夹角发生变化，如线圈在磁场中转动时．
(多选)如图1-1-6所示，竖直放置的长直导线通以恒定电流，一矩形线框abcd与通电导线共面放置，且ad边与通电导线平行．下列情况中能产生感应电流的是()
A．导线中电流变大
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．线框以直导线为轴转动
图1-1-6
思路点拨：由安培定则
判断电流产生
的磁场方向
―→
根据电流的变化或
线框的运动情况确
定磁通量是否变化
―→
判断线框
中有无感
应电流
ABD[讨论是否产生感应电流，需分析通电直导线周围的磁场分布情况，通电直导线周围的磁感线是一系列的同心圆，且离导线越远磁感线越稀疏．只要穿过线框的磁通量发生变化，线框中就能产生感应电流．因I增大而引起导线周围磁场的磁感应强度增大，穿过线框的磁通量增大，故A正确．因离直导线越远，磁感线分布越稀疏(如图甲)，因此线框向右平动时，穿过线框的磁通量变小，故B正确．由甲图可知线框向下平动时穿过线框的磁通量不变，故C错误．线框以ab边为轴转动时，当线框在如图甲所示位置时，穿过线框的磁通量最大，当线框转过90°时，穿过线框的磁通量最小：Φ＝0，因此可以判定线框以ab边为轴转动时磁通量一定变化，故D正确．对E选项，先画出俯视图(如图乙)，由图可看出线框绕直导线转动时，在任何一个位置穿过线框的磁感线条数不变，因此无感应电流产生，故E错误．]
判断是否产生感应电流的方法
判断一个回路中是否产生感应电流，可以用以下方法：
(1)看回路是否闭合，如果回路不闭合时，无论如何也不会产生感应电流．
(2)看磁场方向与回路平面之间的关系，即磁场的方向与回路平面是垂直、平行或成某一夹角．
(3)看穿过回路的磁感线的条数是否发生变化，若变化则产生感应电流，否则不产生感应电流．
[针对训练]
3．在如图所示的条件下，闭合矩形线圈能产生感应电流的是()
D[A选项中因为线圈平面平行于磁感线，在以OO′为轴转动的过程中，线圈平面始终与磁感线平行，穿过线圈的磁通量始终为零，所以无感应电流产生；B 选项中，线圈平面也与磁感线平行，穿过线圈的磁通量为零，竖直向上运动过程中，线圈平面始终与磁感线平行，磁通量始终为零，故无感应电流产生；C选项中尽管线圈在转动，但B与S都不变，B又垂直于S，所以Φ＝BS始终不变，线圈中无感应电流；而D选项，图示状态Φ＝0，当转过90°时Φ＝BS，所以转动过程中穿过线圈的磁通量在不断地变化，因此转动过程中线圈中产生感应电流．] 4．(多选)匀强磁场中有两条平行的金属导轨，磁场方向与导轨平面垂直；导轨上有两条可沿导轨自由移动的导体棒ab、cd，这两个导体棒的运动速度分别为v1、v2，如图1-1-7所示，则下列四种情况，ab棒中有感应电流通过的是()
【导学号：11452019】
图1-1-7
A．v1＞v2B．v1＜v2
C．v1≠v2D．v1＝v2
ABC[题中导轨位于匀强磁场中，只要满足v1≠v2，回路的面积发生变化，从而磁通量发生变化，回路中就有感应电流产生．]
[当堂达标·固双基]
1．下列现象中，属于电磁感应现象的是()
A．接入电路后的电流表指针发生了偏转
B．变化的磁场使闭合电路产生感应电流
C．插入通电螺线管中的软铁棒被磁化
D．接通电源后的电铃不断发出响声
B[A中表针偏转是靠磁场对电流的作用，A错；B中变化的磁场引起闭合回路磁通量的变化，产生感应电流，属于电磁感应现象，B对；C中软铁棒被磁化是磁现象，C错；通电的电铃不断发出铃声是利用了电流的磁效应，D错．] 2．用导线将灵敏电流表与金属棒连接成一个磁生电的实验电路，如图1-1-8所示，则下列哪种操作能使指针偏转()
【导学号：11452019】
图1-1-8
A．使导体ab向左(或向右)移动
B．使导体ab向上(或向下)移动
C．使导体ab沿a→b的方向移动
D．使导体ab沿b→a的方向移动
A[要使闭合回路中产生感应电流，导体棒需切割磁感线，选项B、C、D中导体棒在磁场中运动，但没有切割磁感线，均错误．]
3．(多选)如图1-1-9所示，开始时矩形线圈与磁场垂直，且一半在匀强磁场中，另一半在匀强磁场外，若要使线圈中产生感应电流，下列方法中可行的是()
图1-1-9
A．将线圈向左平移一小段距离
B．将线圈向上平移
C．以AB边为轴转动(小于60˚)
D．以AD边为轴转动(小于90˚)
ACD[线圈左右移动时，线圈在匀强磁场中的面积发生变化，故有感应电流产生．上下移动线圈时，B与S均未发生变化，故无感应电流产生．若以AB边为轴转动，B与S的夹角发生变化，同样以AD边为轴转动时，B与S的夹角发生变化引起磁通量的变化，产生感应电流．故选项A、C、D正确．]
4．如图1-1-10所示，导线ab和cd互相平行，则下列四种情况下导线cd中无电流的是()
【导学号：11452019】
图1-1-10
A．开关S闭合或断开的瞬间
B．开关S是闭合的，但滑动触头向左滑
C．开关S是闭合的，但滑动触头向右滑
D．开关S始终闭合，不滑动触头
D[如果导线cd中无电流产生，则说明通过上面的闭合线圈的磁通量没有发生变化，也就说明通过导线ab段的电流没有发生变化．显然，开关S闭合或断开的瞬间、开关S是闭合的但滑动触头向左滑的过程、开关S是闭合的但滑动触头向右滑的过程都会使通过导线ab段的电流发生变化，都能在导线cd中产生感应电流，故A、B、C错误，D正确．]。