高中物理第1章电磁感应第1节磁生电的探索教学案鲁科版选修3-2

第1节磁生电的探索一、电磁感应的探索历程事件意义电生磁1820年，奥斯特发现了电流的磁效应拉开了研究电与磁相互关系的序幕磁生电菲涅耳、安培、科拉顿、亨利等致力于磁生电的研究科学探索是曲折的，真理追求是执着的1831年，法拉第发现了电磁感应现象揭示了电和磁的内在联系，引领人类进入电气时代二、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电流(如图1­1­1)图1­1­1实验操作实验现象(有无电流)分析论证1.1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，拉开了研究电与磁相互关系的序幕，法拉第历经10年发现磁生电的原因。

2．感应电流的产生条件有两个，一是电路闭合，一是磁通量发生变化，二者缺一不可。

3．磁通量变化有多种：B不变S变、B变S不变、B与S都变、B与S都不变只是二者夹角变。

导体棒静止无 闭合电路包围的面积变化时，电路中有电流产生；闭合电路包围的面积不变时，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2．探究磁铁在通电螺线管中运动是否产生电流(如图1­1­2)图1­1­2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3．模拟法拉第的实验(如图1­1­3)图1­1­3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；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，滑动变阻器滑片不动无开关保持闭合，迅速移动滑动变阻器的滑片有4．实验结论利用磁场产生电流的条件：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。

1．自主思考——判一判(1)法拉第不但发现了电流的磁效应，还发现了电磁感应现象。

(×)(2)磁通量虽然有正、负之分，但磁通量是标量。

(√)(3)穿过闭合线圈的磁通量发生变化，一定能产生感应电流。

(√)(4)闭合线圈做切割磁感线运动，一定能产生感应电流。

(×)(5)闭合线圈和磁场发生相对运动，不一定能产生感应电流。

(√)2．合作探究——议一议(1)为什么许多大物理学家对“磁生电”的探索失败，而法拉第却能成功呢？提示：许多大物理学家如菲涅耳、安培、科拉顿、亨利等，他们对磁生电探索失败的原因，可归纳为两条：①“磁生电”是一种在变化运动的过程中才能出现的动态效应，大多数物理学家把它看成了静态效应，静等其变，研究思路不对。

②科学实验的多次失败和挫折，使大多数物理学家知难而退、望而却步，而法拉第凭着迎难而上、对科学坚韧不拔的探索精神、献身精神，十年磨一剑，终成大器。

(2)只要磁通量变化就有感应电流产生吗？提示：不一定，要产生感应电流需具备两个条件：①闭合回路②磁通量发生变化如果电路不闭合，即使磁通量发生变化也不会产生感应电流。

(3)闭合电路的部分导体切割磁感线运动时，一定有感应电流吗？提示：不一定。

如图所示，线框ABCD仅有一半置入匀强磁场中，当它在磁场中上下运动时，一半线框在做切割磁感线运动，但磁通量未发生变化，故无感应电流产生。

当线框向左平动，离开磁场时，线框的磁通量减小，故有电流产生，导体做切割磁感线运动，不是导体中产生感应电流的充要条件，归根结底还得要看穿过闭合回路的磁通量是否发生变化。

磁通量及其变化的分析1．磁通量Φ与其变化量ΔΦ的区别磁通量Φ磁通量的变化量ΔΦ物理意义某时刻穿过某个面的磁感线条数始末时刻穿过某个面的磁通量的差值大小计算Φ＝B·S，S为闭合回路线圈在垂直于磁场方向上的有效面积ΔΦ＝Φ2－Φ1ΔΦ＝B·ΔS(B不变)或ΔΦ＝S·ΔB(S不变)说明穿过某个面有方向相反的磁场，则不能直接用Φ＝B·S，应考虑方向相反的磁通量抵消以后所剩余的磁通量与磁场垂直的平面，开始时和转过180°时穿过平面的磁通量是不同的，一正一负，ΔΦ＝－2B·S，而不是零2．磁通量的计算(1)B与S垂直时(匀强磁场中)：Φ＝B·S。

B指匀强磁场的磁感应强度，S为线圈的面积。

(2)B与S不垂直时(匀强磁场中)：Φ＝B·S⊥。

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1­1­4所示，Φ＝B·S sin θ。

图1­1­4(3)磁通量虽然是标量，却有正负之分。

当某面积内有方向相反的磁场时，分别计算不同方向的磁场的磁通量，然后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。

[典例] 如图1­1­5所示，a 、b 是两个同平面、同心放置的金属圆环，条形磁铁穿过)(b Φ、a Φ圆环且与两环平面垂直，则通过两圆环的磁通量图1­1­5b Φ＞a Φ．A b Φ<a Φ．B b Φ＝a Φ．C．无法比较D [思路点拨]条形磁铁磁感线分布特点圆环的合磁通量→ [解析] 条形磁铁磁场的磁感线的分布特点是：①磁铁内外磁感线的条数相同。

②磁铁内外磁感线的方向相反。

③磁铁外部磁感线的分布是两端密、中间疏。

两个同心放置的同平面的金属圆环与磁铁垂直且磁铁在中进Φ＝Φ央时，通过其中的磁感线的俯视图如图所示，穿过圆环的磁通量，所以穿过两圆环的b出Φ＜a出Φ相同，而进Φ，两圆环的b S ＜a S ，由于两圆环面积出Φ－正确。

A ，故b Φ＞a Φ有效磁通量 [答案] A(1)对于穿过某一平面的双向磁场，Φ表示的是合磁通量的大小。

(2)注意有相反方向的磁场产生的磁通量的判断，首先要清楚哪个方向的磁通量大，然后再看它们各自如何变化，进而判断总磁通量情况。

1.如图1­1­6所示，水平放置的扁平条形磁铁，在磁铁的左端正上方有一金属线框，线框平面与磁铁垂直，当线框从左端正上方沿水平方向平移到右端正上方的过程中，穿过它的磁通量的变化情况是( )图1­1­6A ．先减小后增大B ．始终减小C ．始终增大D ．先增大后减小解析：选 A 线框在磁铁两端的正上方时穿过该线框磁通量最大，在磁铁中央时穿过该线框的磁通量最小，所以该过程中的磁通量先减小后增大，故A 对。

2.如图1­1­7所示，a 、b 、c 三个闭合线圈放在同一平面内，当线圈a 中有电流I 通)(，下列说法中正确的是c Φ、b Φ、a Φ过时，它们的磁通量分别为图1­1­7c Φ<b Φ<a Φ．A c Φ>b Φ>a Φ．B b Φ<c Φ<a Φ．C bΦ>c Φ>a Φ．D 解析：选B 当a 中有电流通过时，穿过a 、b 、c 三个闭合线圈的向里的磁感线条数一样多，向外的磁感线的条数c 最多，其次是b ，a 中没有向外的磁感线，因此，根据合磁。

c Φ>b Φ>a Φ通量的计算，应该是 3．如图1­1­8所示，有一通电长直导线MN ，通入向右的电流I ，另有一闭合线圈P 位于导线正下方，现使线圈P 竖直向上运动，问在线圈P 到达MN 上方的过程中，穿过P 的磁通量是如何变化的？图1­1­8解析：根据直线电流磁场特点，靠近导线处磁场强，远离导线处磁场弱，把线圈P 从MN 下方运动到上方的过程中几个特殊位置画出，如图所示(为画清楚，把线圈错开了)。

分析磁通量变化时可以通过穿过线圈的磁感线的条数(注意应是净条数)的变化来分析。

Ⅰ→Ⅱ磁通量增加；Ⅱ→Ⅲ磁通量减小(Ⅲ位置时Φ＝0)；Ⅲ→Ⅳ磁通量增加；Ⅳ→Ⅴ磁通量减小。

所以整个过程磁通量的变化为：增加→减小→增加→减小。

答案：见解析感应电流的产生条件1．对感应电流产生条件的理解(1)两个条件均为必要条件，缺一不可。

(2)闭合电路中是否产生感应电流，取决于穿过回路的磁通量是否发生变化。

2．判断有无感应电流的基本步骤 (1)明确所研究的电路是否为闭合电路。

(2)分析最初状态穿过电路的磁通量情况。

(3)根据相关量变化的情况分析穿过闭合电路的磁通量是否发生变化。

常见的情况有以下几种：①磁感应强度B 不变，线圈面积S 发生变化，例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，例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。

计算并判断磁0Φ－1Φ＝ΦΔ同时发生变化，此时可由S 和线圈面积B 磁感应强度③通量是否发生变化。

④线圈面积S 不变，磁感应强度B 也不变，但二者之间的夹角发生变化，例如线圈在磁场中转动时。

[典例] (多选)如图1­1­9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1­1­9[思路点拨][解析] 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。

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。

[答案] ABD对感应电流产生条件的两点理解(1)在闭合回路中是否产生感应电流，取决于穿过回路的磁通量是否发生变化，而不取决于穿过回路磁通量的大小。

(2)闭合回路的部分导体做切割磁感线运动是引起回路磁通量变化的具体形式之一。

但闭合回路的部分导体做切割磁感线运动时，不一定总会引起闭合回路的磁通量变化。

如图所示，矩形线框abcd在范围足够大的匀强磁场中，在垂直磁场的平面内向右平动，虽然ad、bc边都切割磁感线，但磁场穿过回路abcd的磁通量没有变化，因而没有产生感应电流。