第十一章电磁感应电磁波

1/21第十一章电磁感应电磁波本章学习提要1．电磁感应现象及感应电流产生的条件。2．判断导体切割磁感线时感应电流的方向——右手定则。3．电磁场、电磁波及其应用。4．法拉第和麦克斯韦的科学贡献。本章教材从法拉第实验开始，通过实验证实了“磁能生电”的重要结论。本章重点是判断产生感应电流的条件；难点是在具体情景中判断能否产生电磁感应现象。在学习过程中，要学会自主学习，从而让你获得学习的乐趣，了解电磁波在现代社会生活中的重要意义。A电磁感应现象一、学习要求知道电磁感应现象的发现过程，会解释日常生活中的电磁感应问题。理解感应电流产生的条件。学会用实验探究电磁感应现象的方法。在学习法拉第发现的电磁感应现象的同时，进一步体会人类探索自然规律的科学态度和科学精神。二、要点辨析1．磁通量变化的判断当穿过闭合线圈的磁通量发生变化时，闭合电路中就有感应电流产生。当线圈平面跟磁场方向垂直时，由于磁通量Φ＝BS，在B、S中只要有一个量发生变化，磁通量Φ就会发生变化。例如，磁感应强度B尽管没有变化，线圈面积S的改变也会使磁通量发生变化，从而产生感应电流。判断穿过线圈中磁通量的变化情况，有时单靠平面图反映不出来，这时可以再画一个立体图、侧视图或俯视图，就能看清闭合线圈在磁场中位置的变化等情况，因而便于判断磁通量是否变化以及怎样变化。2．产生感应电流的条件产生感应电流的条件有两个：①电路是闭合的；②穿过闭合电路的磁通量发生变化。如果缺少一个条件，就不会有感应电流产生。2/213、偶然发现寓必然之中为了证实“磁能生电”的设想，法拉第经过了十年漫长的探索，终于在1831年8月29日这天发现了电磁感应现象。可见科学研究没有捷径可走，更不是靠“运气”，看似偶然的发现，实质上它是包含在必然之中的。这既是一种思想方法，又是一种积极的科学态度。三、例题分析［例1］如图11－1（a）所示，竖直放置的长直导线MN中通以恒定电流，矩形金属线框abcd跟导线在同一平面里。在下列情况中，线框中能产生感应电流的是（）。（A）导线中电流增大（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［分析］穿过闭合回路中的磁通量发生变化，就会有感应电流产生。分析磁通量是否变化，关键是分清磁感线疏密变化及磁感线方向的变化。选项（A）中，导线中电流增大，穿过矩形线框的磁通量增强，产生感应电流；选项（B）中，穿过矩形线框的磁通量减小[图11－1（b）]，会产生感应电流；选项（C）中，穿过矩形线框的磁通量不变，故没有感应电流；选项（D）中，穿过矩形线框的磁通量发生变化，也会产生感应电流；选项（E）中，穿过矩形线框的磁通量不变[俯视图11－1（c）]，没有感应电流。［解答］能产生感应电流的是（A）、（B）、（D）三种情况。［例2］如图11－2所示，将一个金属线环在匀强磁场中捏成一个“8”字型（上、下两个圆半径相等），在这过程中，是否有感应电流产生？为什么？［分析］将圆环捏成“8”字形，导线围成的面积的变化量ΔS＝S0－S8＝πR2－2π（R2）2＞0，即面积S减小。因为Φ＝BS（B⊥S），所以Φ减小，产生感应电流。［解答］因线圈面积减小，穿过闭合回路的磁通量发生变化，所以有感应电流产生。3/21四、基本训练A组1．如图11－3所示，条形磁铁向螺线管靠近，灵敏电流计的指针会偏转吗？为什么？2．如图11－4所示，在磁场中有一个闭合的弹簧线圈。先把线圈撑开［图11－4（a）］，然后放手，让线圈收缩［图11－4（b）］。线圈收缩的过程中有感应电流产生吗？为什么？3．如图11－5所示，在一通电的长直导线旁有大小相同的四个金属线框A、B、C、D。分析下列各种情况下，线框中有没有感应电流产生？（1）线框A向下运动：_______。（2）线框B绕轴转动：_________。（3）线框C面积缩小到一半：_______。（4）线框D向右运动：______。4．自行车发电机的结构如图11－6所示，它有一块永久磁铁，置于绕有线圈的］形软铁芯内。当自行车轮转动时，通过摩擦带动磁铁转动。你能解释这个装置为什么可以对车灯供电的原理吗？4/215．某一实验装置如图11－7所示，在铁芯P上绕着两个线圈A和B，如果线圈A中电流I和时间t的关系有图中的四种情况，那么在t1～t2这段时间内，下列四种情况在线圈B中观察不到感应电流的是（）。6．［小实验］微弱的地磁场变化能产生感应电流吗？如图11－8所示，在教室门的四角分别钉上小木桩，用直径为0.3～1.0mm的绝缘导线，沿门框边缘绕15～20圈，做成一个矩形线圈，其两端接灵敏电流计（50mA）。握住门把手转动教室门时，观察灵敏电流计的指针是否摆动？为什么？B组7．如图11－9所示，在口字形铁芯上绕有一组线圈，与滑动变阻器、电源构成闭合电路。假定通电线圈产生磁场的磁感线全部集中在铁芯中，在滑动变阻器的滑动触头左、右滑动时，a、b两个闭合圆环中（）。（A）a环能产生感应电流（B）b环能产生感应电流（C）a、b两环都能产生感应电流（D）a、b两环都不能产生感应电流8．如图11－10所示，半径为a的圆形区域内有方向垂直于纸面向里的匀强磁场；半径为b的金属圆环与磁场同心地放置，磁场方向与环面垂直。金属环上接有两只相同的小灯泡L1和L2。铜棒MN与金属环接触良好。若铜棒MN以一定速率向右匀速滑动。因为，小灯泡（选填“会”或“不会”）发光；如果撤去铜棒，将右面的半个金属环OL2Oʹ以OOʹ为轴向上翻转90°的过程中，因为，小灯泡（选填“会”或“不会”）发光。5/219．如图11－11所示是常用的一种延时继电器示意图，图中的S2是常闭的。当开关S1闭合时，电磁铁F将衔铁D吸下，C工作电路接通。当S1断开时，由于电磁感应作用，D将延迟一段时间才被释放，延时继电器就是这样得名的。你能说明“延时”的原因吗？10．宇航员飞到某一个不熟悉的行星上，他们想用一只灵敏电流计和一个线圈来探测一下行星周围是否有磁场，应当怎样做这个实验？写出实验原理及方法。11．［小实验］探测地磁场（1）应用如下实验器材：灵敏电流计、长约15m的铜芯双绞线（电阻约2Ω）、小磁针等，设计一个利用地磁场产生感应电流的实验方案。（2）为了使实验效果更明显。应采取什么措施？五、学生实验［实验十四］探究感应电流产生的条件1．实验目的探究感应电流产生的条件。2．实验器材条形磁铁、灵敏电流计、线圈A和B、滑动变阻器、电源、开关、导线等。3．实验方案设计（包括原理、电路、步骤和观察记录）方案1（供参考）：将灵敏电流计和线圈B按课本图11-7连接成闭合回路；线圈A与电源、开关、变阻器串联成另一个闭合回路。合上开关，这时通电螺线管A相当于一根条形磁铁。（1）线圈A在线圈B中静止不动，灵敏电流计指针不偏转。（2）线圈A在线圈B中拔出或插入时，灵敏电流计指针发生偏转。方案2：方案3：4．实验结论（用语言归纳、表达产生感应电流的条件）6/21B感应电流的方向右手定则一、学习要求知道闭合回路中部分导体切割磁感线时有感应电流产生。学会用右手定则判别闭合回路中部分导体做切割磁感线运动时感应电流的方向。感受到通过实验、观察、归纳得出右手定则的过程和方法。感悟电磁感应在现代技术中的广泛应用，如发电机、磁卡、话筒等。二、要点辨析1．右手定则的应用在用右手定则判断导体切割磁感线产生的感应电流方向时，首先要伸开右手，让大拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在同一平面内。然后，让手心向着N极，即让磁感线穿过掌心，且大拇指指向直导线切割磁感线的方向，这时四指指向就是感应电流方向。如果直导线不是垂直切割磁感线（图11－12），而是斜向切割磁感线，那么怎样用右手定则判断感应电流方向呢？我们把导线运动速度正交分解为沿磁感线方向的分量v∥和垂直于磁感线方向的分量v⊥，只要将右手的大拇指指向v⊥的方向，就可以从其余四指指向得知感应电流方向是垂直纸面向外的。另外，要区分右手定则与右手螺旋定则（也叫安培定则）的不同应用：右手定则是用来判断感应电流方向的，而右手螺旋定则是用来判断通电导体周围磁场的方向的。2．应用左、右手定则的比较左、右手定则都可表示导体中电流方向、运动方向和磁场方向之间的关系，那么，究竟如何选择用左手定则还是用右手定则来判断方向呢？这就必须要求搞清题意情景：通电导体在磁场中会受到磁场对它的作用，磁场力方向用左手定则判定；原来不通电的导体，在磁场中做切割磁感线运动时，会产生感应电流，其方向就用右手定则判定。关键是看导体中的电流是由电源提供的，还是做切割磁感线运动而产生的。例如，通电导体在已知方向的磁场中的受力方向是知道的，要问电流方向如何，这时到底用左手定则还是右手定则判别呢？根据上述判断方法可知，既然是通电导体，当然应当用左手定则来判断电源所供给的电流方向。三、例题分析7/21［例1］如图11－13所示，有一固定磁体。线框abcd从上方竖直下落套入磁体。问线圈刚套入磁体时刻的感应电流方向如何？［分析］从图中可很明显看出，线框的每条边都向下切割磁感线，用右手定则很容易判断出电流方向。［解答］感应电流方向是adcba。［例2］如图11－14所示，水平放置的金属杆ab、cd，用两条柔软的导线将它们连接成闭合回路，悬挂在一根光滑、不导电、水平放置的圆棒PQ两侧，整个装置处在一个与回路平面垂直的、方向向外的匀强磁场中。已知ab的质量大于cd的质量，（1）若两金属杆由静止开始释放，指出流过金属杆cd中感应电流的方向。（2）分析金属杆ab的运动情况。（3）如果匀强磁场的方向是垂直于回路平面向里，（1）、（2）两小题的结论如何？［分析］无论匀强磁场方向是垂直回路平面向里还是向外，两杆运动切割磁感线产生的感应电流，在两杆组成的回路中总是串联关系。用左手定则（或从能量角度分析）可知，两杆所受的磁场力均阻碍杆的运动。［解答］（1）用右手定则可知，cd杆中的电流方向向右。（2）ab杆先做加速度不断减小的加速运动，最后达到最大速度而做匀速运动。（3）若匀强磁场方向相反，cd中电流方向向左。由于磁场力方向还是阻碍其运动的，所以运动情况与第（2）小题相同。四、基本训练A组1．图11－15中的小圆圈表示处于匀强磁场中闭合电路一部分导线的截面，速度v沿纸面内所示方向。下列判断正确的是（）。（A）图（a）中有感应电流，方向向外（B）图（b）中有感应电流，方向向外（C）图（c）中无感应电流（D）图（d）中a、b、c、d四个位置均无感应电流8/212．如图11－16所示，朝南的钢窗原来关着，现在将右边那扇窗突然朝外推开90°角，钢窗边框中有感应电流吗？如有电流，是什么方向？3．课本图11－12中直导线AB向右运动时，导线中感应电流的方向如何？导线AB平行于磁感线运动时感应电流又如何？4．如图11－17所示，AB、CD是彼此平行的可在导轨上无摩擦滑动的金属棒，导轨的交叉处O点不导通。整个装置水平放置，并处在竖直方向的匀强磁场中，（）。（A）当AB向左运动时，CD也会向左运动（B）当AB向左运动时，CD会向右运动（C）当AB向右运动时，CD也会向右运动（D）当AB向右运动时，CD会向左运动5．如图11－18所示，两条平行金属导轨ab、cd左端接一个电阻，处于磁场方向垂直于导轨平面的匀强磁场中。金属棒MN可以绕N端转动，且棒与导轨始终导通。当棒MN从图示位置刚开始转动时，流过电阻的电流方向是从指向。6．如图11－19所示，金属棒沿轨道滑动时，小磁针顺时针转动。已知平行轨道间有垂直纸面的匀强磁场，则磁场的方向是。7．如图11－20所示，有一根金属棒ab与竖直放置的金属线框接触良好，且无摩擦，整个线框处在方向垂直于纸面的匀强磁场中。要使ab棒保持静止，框架应当在竖直方向向平动。9/218．［小实验］判断地磁场变化产生的感应电流方向当导线切割微弱的地磁场时也会产生感应电流，用右手定则还能判断电流的方向。现在用下面的器材做一个小实验，来进行验证。在长约2.5～3.0m（以房屋高度而定）的铜丝上悬挂一重物。制成一个单摆。铜丝上下两端各用一根软导线引出．跟灵敏电流计相连接，如图11－21所示。让