研究电磁感应现象

三、研究电磁感应现象【重要知识提示】1．实验目的、原理(1)实验目的研究产生电磁感应的条件，归纳判定感应电流方向的规律．(2)实验原理将零刻度线在刻度盘中央的电流表与线圈一起串联接人闭合电路，通过以不同的方式改变穿过该线圈的磁通量，观察电流表指针是否偏转及偏转方向，从而总结产生电磁感应现象的条件，归纳判定感应电流方向的规律．2．实验器材有软铁棒做铁芯的原线圈(A)、副线圈(B)一副，零刻度在刻度盘中央的灵敏电流计一只，滑动变阻器(阻值范围O～5012)，蓄电池或干电池(电压为3～6V)，保护电阻(阻值约几十千欧)、开关(压触式)、导线若干．3．实验步骤及安装调整(1)首先查明电流表指针的偏转方向和电流方向的关系．具体的作法是：将定值电阻(R)与灵敏电流计(G)、压触式开关(S)串联，并与干电池(E)组成回路，如图5—17所示．用手点压开关，观察、判定电流表指针偏转方向与通过的电流方向之间的关系．(2)观察原、副线圈的绕线方向，并对绕向作下记录．若看不清绕线方向，可将线圈与电源、开关组成回路，将其平放于桌面上，并在其一端放上小磁针，闭合回路开关，观察小磁针转向，根据右手定则确定线圈的绕制方向．(3)将原线圈(A)(内径较小、带铁芯)、滑动变阻器(R)、直流电源(E)和开关(S)串联成一个电路，将灵敏电流计(G)与副线圈(B)(内径较大)串联成另一个电路．将滑动变阻器阻值调到最大．如图5—18所示．(4)设计记录实验现象的表格，如下表所示．(5)按设计方案进行三项研究：(a)使通电原线圈(A)与副线圈(B)发生相对运动；(b)保持原、副线圈不动，接通、断电；(c)改变原线圈中的电流方向，重复上述实验．将研究方式、观察结果填入记录表格．(6)拆除电路，整理好实验器材．(7)根据实验结果进行分析、比较、归纳产生感应电流的条件、感应电流方向与磁通量变化方式之间的关系．4．注意事项(1)实验前，应查明电流表指针的偏转方向与通过的电流方向之间的关系．有人认为：只要电流从表的正接线柱流人，电流表的指针就一定向正接线柱一侧偏转．这种理解是片面的，有些型号的电流表指针偏转情况刚好相反，因此实验前对使用的电流表必须亲自查明．(2)查明原、副线圈的导线绕制方向是总结判定感应电流方向规律的又一关键．(3)此实验使用的电流表不允许通过较大电流，因此查明电流表指针偏转方向与电流方向关系时，应将保护电阻与电流表串联，防止烧坏电流表．(4)由于原线圈电阻非常小，所以不宜将其直接接在电源两端．一般在回路中串联接人滑线变阻器(其阻值只能由大调小)，以免回路电流太大．不仅如此，回路通电时间也不宜过长，以免过热导致烧坏电源、原线圈．本实验尽量选用压触式开关，其目的正是如此．【典型范例导析】【例1】物理课外小组的同学在验证楞次定律时，将实验器材连成如图5—19所示电路，杨小初同学在实验时，进行了以下主要步骤：(1)把蓄电池(E)、开关(S)、线圈(A)串联成一个电路．(2)把电流表(G)与线圈(B)串联成另外一个电路．(3)接通电源(E)，给线圈(A)通电，记下线圈(A)中电流方向，将线圈(A)插入线圈(B)中，停一会儿再取出来．观察线圈(A)在插入、取出过程中以及停止运动时电流表(G)指针有无偏转、偏转方向，并作记录．(4)改变线圈(A)中的电流方向，按步骤(3)重复实验，观察电流表的指针有无偏转及偏转方向，并作下记录．杨小初同学在根据记录的结果进行分析时，发现无法分析、验证，因为他在实验中遗漏了以下重要实验步骤：(a)______________________________________________________________________(b)______________________________________________________________________．解析在实验时，必须查明电流表指针偏转方向与电流方向的关系、查明线圈的绕制方向之间关系，否则即使观察出电流表指针偏转方向，也无法分析出感应电流方向，也不能总结出感应电流磁场方向与原磁场方向之间关系．因此该同学遗漏了以上两个重要步骤，导致无法验证楞次定律．点评重视实验原理理所应当，但注重动手操作尤为必要．在实验教学中切忌“重原理、轻实践”，“纸上谈兵”只是一纸空文．即使将实验原理、操作步骤背得滚瓜烂熟也无法替代亲自动手操作．【例2】如图5-20所示，在测试电流表指针偏转方向与电流方向的关系时，实验室已配有器材：干电池(ε=1．5V，r0=1Ω)，灵敏电流计G(rg=70Ω，Ig=0．3mA)、开关S、导线若干，另备有电阻器的规格如下：A．定值电阻(1Ω，5A)；B．定值电阻(5Ω，1．5A)；C．滑动变阻器(0～20Ω，2A)；D．滑动变阻器(O～200Ω，1．5A)．实验时，应从备用器材中选用_____________作电阻r，选用_________作电阻R；电阻厂所起的作用是___________，电阻R所起的作用是__________．解析在判定电流表指针偏转方向与电流方向之间关系时，从安全角度出发，应考虑电流表、电源的安全．为保证回路电流不太大，在回路中串联阻值较大的滑线变阻器、起分压限流作用；为限制通过电流表电流，在电流表两端并联阻值很小的分流电阻，起分流作用．从而使安全得到保障．与电流表并联的分流电阻(r)选用A，与电源串联的分压限流电阻(R)选用D．【例3】在研究电磁感应现象的实验中：(1)将电流表接人如图5—21(甲)所示电路，闭合开关S，电流表指针向右偏．将这只电流表接人图(乙)所示的电路，当条形磁铁插入线圈的过程中，电流表指针将______偏(选填“左”、“右”)．(2)将这只电流表接人图(丙)所示电路，在闭合开关S的瞬间，电流表指针向左偏，则电源的_______端为正极(选填“A”、“B”)．解析(1)从图5-21(甲)可知：当电流从电流表的正极流人时，其指针向右偏转；在图5-21(乙)中，当条形磁铁插入线圈时，产生的感应电流从电流表的正极流人，因此电流表指针应向右偏转．(2)在图5—21(丙)中，依题意知：电流表指针向左偏，感应电流从电流表负极流人，由安培定则可知，副线圈内感应电流磁场在线圈内是向下的．根据楞次定律可判定，在闭合开关S瞬间，在原线圈内原磁场方向与感应电流磁场方向相反，即原磁场方向在线圈内应向上．由安培定则可判定：在原线圈内的电流方向应是沿逆时针(俯视)，因此A为电源正极、B为电源负极．点评研究电磁感应现象的实验中，其根本目的是让学生从形象思维发展到理性思维，使知识得到升华，加深对楞次定律的理解．【能力跟踪训练】1．某学生做观察电磁感应的实验，将电流表(G)、线圈(A)和(B)，电池(E)、电键(S)用导线连成如图5—22所示的实验电路，当接通、断开开关时，电流表指针都没有偏转，其原因是()A．电流表的正、负极接反B．线圈B的接头3、4接反C．蓄电池的正、负极接反D．开关位置接错2．在《研究电磁感应现象》的实验中，可用如图5—23所示的装置：原线圈(M)与电源相连接，副线圈(N)套在原线圈外面并与灵敏电流表A相连．如果发现副线圈中电流J从以到6流过电流计，则此时正在进行的实验过程可能是()A．滑动变阻器的滑动片P向A端移动B．开关S断开C．滑动变阻器的滑动片P向B端移动．D．把软铁芯插入原线圈中3．实验室备有下列器材：(1)灵敏电流表(0～300衅)；(2)电流表(O～0．6A)；(3)电压表(O～3V)；(4)定值电阻(10kΩ)；(5)滑线变阻器(O～10Ω，2A)；(6)滑线变阻器(O～1700Ω，O．3A)；(7)原、副线圈(附铁芯)；(8)蓄电池一组(6V)；(9)开关和导线若干．从以上器材中选出进行“研究电磁感应现象”实验所需器材，它们是_____(填各器材序号)．4．在图5—24所示的装置中，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实现的是()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瞬间，电流计指针偏转C．先闭合S1，后闭合S2的瞬间，电流计的指针偏转D．S1、S2闭合后，在断开S1瞬间，电流计指针偏转5．做研究电磁感应现象实验时，有下列实验步骤：A．将灵敏电流计与大阻值电阻并联，再与电源、小阻值电阻和开关串联成一个回路；B．将原线圈、电源、滑动变阻器和开关串联成一个电路，将副线圈和灵敏电流计串联成另一个回路；C．闭合开关，查明电流计指针偏转方向与电流方向的关系；D．闭合开关，使原、副线圈相对运动，观察电流计指针有无偏转并记录偏转方向；E．根据实验记录，分析实验结果，得出产生电磁感应现象的条件和判断感应电流方向的规律；F．保持原线圈插人副线圈中的位置不变，观察闭合和断开开关瞬间电流计指针有无偏转，并记录指针偏转方向；G．改变原线圈中的电流方向，再使原、副线圈相对运动，观察电流计指针有无偏转并记录指针偏转方向．上述实验步骤中错误的步骤是______________________________，应改为___________________，将改正后的实验步骤按正确顺序排列：_____________________．6．如图5-25所示，在“研究电磁感应现象”实验中，除原、副线圈和足够的导线以外，还提供了以下器材：A．量程为500mA的电流表；B．量程为300μA的灵敏电流计；C．量程为(0～3V～15V)的电压表；D．10kΩ的定值电阻(R)；E．两只干电池串联的电池组；F．O～20Ω，1A的滑线变阻器；H．开关．试选用图中器材，并连成实验电路(画实线代替导线)．【答案与提示】1．D．(灵敏电流计指针始终不偏转，其原因是副线圈中没有发生电磁感应现象．在A、B、C三个选项说明的情形中，均不会影响到指针不发生偏转．但在图5-22中，错将开关S接在副线圈和灵敏电流计组成的回路中，无论开关接通还是断开，磁场穿过副线圈的磁通总保持定值，因而没有感应电流产生，电流表指针不发生偏转．)2．B、C．(当副线圈(N)中感应电流从a到b流过电流表时，副线圈中感应电流磁场方向与原磁场方向相同，根据楞次定律可知：在副线圈中原磁场产生磁通在减少．因此，引起此现象的原因可能是原线圈所在回路电阻在调大、原线圈中电流随之减弱，也可能是开关断开、原线圈所在回路中电流急剧减小．当将软铁芯插入原线圈时，铁芯被磁化，因而穿过副线圈的磁通量会增加，产生的感应电流方向与题意相反．)3．(1)、(4)、(5)、(7)、(8)、(9)(由于在一般条件下副线圈中产生的感应电流比较微弱，故选用(1)才能明显地显示电磁感应现象；定值电阻(4)是在查明电流表指针偏转方向与电流方向之间关系时，将它与电流表串联作保护电阻之用；选用滑线变阻器(5)，将其与原线圈、电池、开关串联，以便使回路电流方便、显著地调节．)4．A、D(提示：应用楞次定律进行分析．)5．错误的步骤是A(其正确的作法是：将灵敏电流计与小阻值电阻并联，再与电源、大阻值电阻和开关串联组成一个回路，因为小阻值电阻与电流表并联能明显起到分流作用，大阻值电阻与电源串联能明显起到分压限流作用，从而保护电流表、电源．改正后的步骤的正确操作顺序为：A、C、B、D、F、G、E．)6．选用器材有：B、E、F、H及原副线圈、实验电路连接如图5-26所示．