高中物理选修3-2学案5：4.1-4.2 划时代的发现 探究感应电流的产生条件

4.1划时代的发现
4.2探究感应电流的产生条件
学习目标知识脉络
1.了解电磁感应现象及相关的物理学史．
2．通过实验探究产生感应电流的条件．(重点、
难点)
3．能正确分析磁通量的变化情况．(重点)
4．能运用感应电流的产生条件判断是否有感
应电流产生．(重点、难点)
知识点1电磁感应的探索历程
基础初探
[填空]
1．“电生磁”的发现
1820年，丹麦物理学家发现了电流的磁效应．
2．“磁生电”的发现
1831年，英国物理学家发现了电磁感应现象．
3．法拉第的概括
法拉第把引起感应电流的原因概括为五类：
(1)变化的；
(2)变化的；
(3)的恒定电流；
(4)的磁铁；
(5)在磁场中运动的．
4．电磁感应
法拉第把他发现的磁生电的现象叫做电磁感应，产生的电流叫．
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，宣告了作为一门统一学科的诞生．
(2)使人们找到了的条件，开辟了人类的电气化时代．
[判断]
1．有电流即生磁场．()
2．有磁场即生电流．()
3．静止的电荷周围也能产生磁场．()
[思考]
很多科学家在磁生电的研究中为什么没有取得成功？
核心突破
[合作探讨]
如图所示，有一个线圈与一个灵敏电流计连成闭合电路．将一条形磁铁的一部分插入线圈中．
探讨1：当条形磁铁向右运动时，电流计的指针是否发生偏转？
探讨2：当条形磁铁向左运动时，电流计的指针是否发生偏转？
[核心点击]
电流的磁效应与电磁感应现象的区别与联系
(1)区别：“动电生磁”和“动磁生电”是两个不同的过程，要抓住过程的本质，“动电生磁”是指运动电荷周围产生磁场；“动磁生电”是指线圈内的磁通量发生变化而在闭合线圈内产生了感应电流．“动电生磁”中的“动”是运动的意思，电荷相对磁场运动，“动磁生电”中的“动”是变化的意思．要从本质上来区分它们．
(2)联系：二者都是反映了电流与磁场之间的关系．
题组冲关
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()
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
2．下列属于电磁感应现象的是()
A．通电导体周围产生磁场
B．磁场对感应电流发生作用，阻碍导体运动
C．由于导体自身电流发生变化，在回路中产生感应电流
D．电荷在磁场中定向移动形成电流
名师指津
是否为电磁感应现象的判断方法
1．由磁生电的现象都是电磁感应现象．
2．所有的电磁感应现象都与变化和运动相联系．
[填空]
1．磁通量的计算
(1)公式：Φ＝BS.
(2)适用条件：①；②S是磁场的有效面积．
(3)单位：韦伯，1 Wb＝1 .
2．磁通量的物理意义
(1)可以形象地理解为磁通量就是穿过某一面积的的条数．
(2)同一个平面，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. [判断]
1．磁通量计算公式Φ＝BS，可计算任何磁场的磁通量．()
2．同一匀强磁场中两个面积不同的线圈，磁通量可能相同．()
3．在匀强磁场中穿过某一闭合回路的磁通量可以为0.()
[思考]
1．在匀强磁场中“磁通量的大小与回路的面积成正比”，这种说法正确吗？
2．穿过某一线圈的磁通量与线圈的匝数有何关系？
核心突破
[合作探讨]
穿过一个线圈的磁感线，可以从不同的方向穿过．
探讨1：磁通量是矢量还是标量？
探讨2：磁通量有正负，其正负的意义是什么？
[核心点击]
1．磁通量的计算
(1)B与S垂直时：Φ＝BS，S为线圈的有效面积．如图(a)所示．
(2)B与S不垂直时：Φ＝BS⊥＝B⊥S，S⊥为线圈在垂直磁场方向上的投影面积．B⊥为B 在垂直于S方向上的分量．如图(b)、(c)所示．
(3)某线圈所围面积内有不同方向的磁场时，规定某个方向的磁通量为正，反方向的磁通量为负，求其代数和，如图(d)所示．
2．磁通量是标量，但有正负，其正负表示与规定的穿入方向相同或相反，穿过某一面的磁通量等于各部分磁通量的代数和．
3．用磁感线的条数表示磁通量．当回路中有不同方向的磁感线穿过时，磁通量是指穿过某一面磁感线的“净”条数，即指不同方向的磁感线的条数差．
题组冲关
3．如图所示的线框，面积为S，处于磁感应强度为B的匀强磁场中，B的方向与线框平面成θ角，当线框转过90°到如图所示的虚线位置时，试求：
(1)初、末位置穿过线框的磁通量的大小Φ1和Φ2；
(2)磁通量的变化量ΔΦ.
4．两个圆环A、B如图所示放置，且半径R A＞R B，一条形磁铁的轴线过两个圆环的圆心处，且与圆环平面垂直，则穿过A、B环的磁通量ΦA和ΦB的关系是()
A．ΦA＞ΦB B．ΦA＝ΦB
C．ΦA＜ΦB D．无法确定
5．如图所示，通有恒定电流I的导线，其右侧的矩形线框第一次从位置Ⅰ平移到位置Ⅱ，磁通量的变化量为ΔΦ1，第二次以其右边为轴从位置Ⅰ转动到位置Ⅱ，磁通量的变化量为ΔΦ2，试比较ΔΦ1与ΔΦ2的大小关系.
名师指津
求解磁通量的方法
1．解答该类题目时，要注意磁感线是从平面的哪一面穿入的．
2．当规定从某一面穿入的磁通量为正值时，则从另一面穿入的就为负值，然后按照求代数和的方法求出磁通量的变化(磁通量是有正、负的标量)．
3．准确地把初、末状态的磁通量表示出来是解题的关键．
知识点3探究感应电流的产生条件
基础初探
[填空]
1．探究导体棒在磁场中运动是否产生电流(如图所示)：
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时，电路中
有电流产生；包围的面积不变时，
电路中无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
线圈中的磁场时，线圈中有感应电流；线
圈中的磁场时，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
只要穿过的发生变化，闭合导体回路中就有感应电流．
[判断]
1．只要闭合导体内有磁通量，就一定有感应电流产生．()
2．穿过螺线管的磁通量发生变化时，螺线管内部就一定有感应电流产生．()
3．即便闭合导体回路中有导体做切割磁感线运动，回路中也不一定有感应电流．() [思考]
引起闭合电路中的磁通量变化的因素有哪些？
核心突破
[合作探讨]
如图所示，有一个导体框，导体棒ab可在导体框上移动，导体框平面与匀强磁场方向垂直．
探讨1：当导体棒ab向右运动时，闭合回路中是否有感应电流产生？
探讨2：当导体棒ab相对导体框静止，整体向右移动时，回路中是否有感应电流产生？
[核心点击]
对产生感应电流的条件的理解
1．导体回路闭合、磁通量变化是产生感应电流的两个必要条件，缺一不可．而导体回路中有没有磁通量不是产生感应电流的条件，如果穿过导体回路的磁通量很大但不发生变化，也不会产生感应电流．
2．穿过闭合导体回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．
(2)线圈面积S不变，磁感应强度B发生变化．
(3)磁感应强度B和回路面积S同时发生变化，此时可由ΔΦ＝Φ2－Φ1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．
题组冲关
6．如选项图所示，A中线圈有一小缺口，B、D中匀强磁场区域足够大，C中通电导线位于水平放置的闭合线圈某一直径的正上方．其中能产生感应电流的是()
7．如图所示，在竖直向下的匀强磁场中，有一闭合导体环，环面与磁场垂直．当导体环在磁场中完成下述运动时，可能产生感应电流的是()
A．导体环保持水平且在磁场中向上或向下运动
B．导体环保持水平向左或向右加速平动
C．导体环以垂直环面、通过环心的轴转动
D．导体环以一条直径为轴，在磁场中转动
8．如图所示，线圈Ⅰ与电源、开关、滑动变阻器相连，线圈Ⅱ与电流计Ⓖ相连，线圈Ⅰ与线圈Ⅱ绕在同一个铁芯上，在下列情况下，电流计Ⓖ中是否有示数？
(1)开关闭合瞬间；
(2)开关闭合稳定后；
(3)开关闭合稳定后，来回移动滑动变阻器的滑动端；
(4)开关断开瞬间．
名师指津
判断是否产生感应电流的方法
1．看回路是否闭合，只有在电路闭合时才有可能产生感应电流．
2．确定磁场方向与回路平面之间的方向关系，即磁场方向与回路平面垂直、平行或成一角度．
3．判断穿过回路的磁感线的条数是否发生变化，如果变化则产生感应电流，否则不产生感应电流．
——★参考答案★——
[填空]
1．奥斯特
2．法拉第
3．(1)电流(2)磁场；(3)运动(4)运动(5)导体
4．感应电流
5．(1)电磁学
(2磁生电
[判断]
1．(√)2．(×)3．(×)
[思考]提示：很多科学家在实验中没有注意到磁场的变化、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，这实际上违背了能量转化与守恒定律．
核心突破
[合作探讨]
探讨1：提示：偏转．
探讨2：提示：偏转．
题组冲关
1．[解析]1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，1831年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象，选项D正确．
[答案]D
2．[解析]根据引起感应电流的原因的五类情况可知，导体中自身电流变化在回路中产生感应电流为电磁感应现象，C正确．
[答案]C
[填空]
1．(2)①匀强磁场；②垂直(3) T·m2
2．(1)磁感线
(2)最大，0
[判断]
1．(×)2．(√)3．(√)
[思考]
1．提示：不正确．
(1)由Φ＝BS⊥可知，Φ除了与S的大小有关之外，还与B和S之间的夹角有关．
(2)Φ＝BS中的面积S是有效面积，如图所示，线圈b与线圈a的有效面积相同，
即Φa＝Φb.
2．提示：无关．磁通量的大小与线圈的匝数无关，即不受线圈匝数的影响．
核心突破
[合作探讨]
探讨1：磁通量是矢量还是标量？
提示：磁通量是标量．没有方向．
探讨2：提示：磁通量的正负表示磁感线贯穿平面的方向．
题组冲关
3．[解析](1)解法一：如题图所示，在初始位置，把面积向垂直于磁场方向进行投影，可得垂直于磁场方向的面积为S⊥＝S sinθ，所以Φ1＝BS sinθ.在末位置，把面积向垂直于磁场方向进行投影，可得垂直于磁场方向的面积为S⊥＝S cosθ.由于磁感线从反面穿入，所以
Φ2＝－BS cosθ.
解法二：如果把磁感应强度B沿垂直于面积S和平行于面积S进行分解，能否得到同样的结论？(请同学们自行推导，[答案]是肯定的)
(2)开始时B与线框平面成θ角，穿过线框的磁通量Φ1＝BS sinθ；当线框平面按顺时针方向转动时，穿过线框的磁通量减少，当转到θ时，穿过线框的磁通量减少为零，继续转动至90°时，磁通量从另一面穿过，变为“负”值，Φ2＝－BS cosθ.所以，此过程中磁通量的变化量为：
ΔΦ＝|Φ2－Φ1|＝|－BS cosθ－BS sinθ|＝BS(cos θ＋sin θ)．
[答案](1)Φ1＝BS sin θΦ2＝－BS cos θ
(2)BS(cos θ＋sin θ)
4．[解析]因为有两个方向的磁感线穿过线圈，磁通量应是抵消之后所剩余的磁感线的净条数．从上向下看，穿过圆环A、B的磁感线如图所示，磁感线有进有出，A、B环向外的磁感线条数一样多，但A环向里的磁感线条数较多，抵消得多，净剩条数少，所以ΦA＜ΦB，故选项C正确．
[答案]C
5．[解析]设线框位于Ⅰ、Ⅱ两个位置时磁通量的大小分别为Φ0、Φt，则第一次平移到位置Ⅱ时，有ΔΦ1＝Φ0－Φt；第二次转动到位置Ⅱ时，磁感线穿过线框平面的方向与初态时相反，则有ΔΦ2＝Φ0－(－Φt)＝Φ0＋Φt.可知ΔΦ1＜ΔΦ2.
[答案]ΔΦ1＜ΔΦ2
知识点3探究感应电流的产生条件
[填空]
1.变化；不变
2.变化，不变
3.闭合导体回路磁通量
[判断]
1．(×)2．(×)3．(√)
[思考]
提示：引起磁通量变化的原因有：
①磁感应强度B发生变化；②闭合电路的面积发生变化；③磁感应强度B和线圈平面的夹角θ发生变化．
核心突破
探讨1：提示：穿过回路的面积变化，磁通量发生变化，有感应电流产生．
探讨2：提示：此时穿过回路中的磁通量没有变化，没有感应电流产生．
题组冲关
6．[解析]图A中线圈没闭合，无感应电流；图B中闭合电路中的磁通量增大，有感应电流；图C中的导线在圆环的正上方，不论电流如何变化，穿过线圈的磁感线都相互抵消，磁通量恒为零，也无电流；图D中回路磁通量恒定，无感应电流．故本题只有选项B正确．[答案]B
7．D．导体环以一条直径为轴，在磁场中转动
[解析]只要导体环保持水平，无论它如何运动，穿过环的磁通量都不变，都不会产生感应电流，只有导体环绕通过直径的轴在磁场中转动时，穿过环的磁通量改变，才会产生感应电流，D项正确．
[答案]D
8．[解析]本题主要考查闭合电路中电流变化导致磁场变化从而产生感应电流的情况．
(1)开关闭合时线圈Ⅰ中电流从无到有，故电流形成的磁场也从无到有，穿过线圈Ⅱ的磁通量也从无到有，故线圈Ⅱ中产生感应电流，电流计Ⓖ有示数．
(2)开关闭合稳定后，线圈Ⅰ中电流稳定不变，电流形成的磁场不变，此时线圈Ⅱ中虽有磁通量但磁通量稳定不变，故线圈Ⅱ中无感应电流产生，电流计Ⓖ无示数．
(3)开关闭合稳定后，来回移动滑动变阻器的滑动端，电阻变化，线圈Ⅰ中的电流变化，电流形成的磁场也发生变化，穿过线圈Ⅱ的磁通量也发生变化，故线圈Ⅱ中有感应电流产生，电流计Ⓖ有示数．
(4)开关断开瞬间，线圈Ⅰ中电流从有到无，电流形成的磁场也从有到无，穿过线圈Ⅱ的磁通量也从有到无，故线圈Ⅱ中有感应电流产生，电流计Ⓖ有示数．
[答案](1)有(2)无(3)有(4)有。