2019-2020学年高中物理 第四章 电磁感应 1+2 探究感应电流的产生条件课件 新人教版选修3

1划时代的发现2探究感应电流的产生条件学习目标素养提炼1.了解电磁感应现象的发现过程，体会人类探究自然规律的科学态度和科学精神．2.通过实验，探究和理解感应电流的产生条件．3.掌握磁通量的概念及其计算．4.能够运用感应电流的产生条件判断感应电流能否产生.物理观念：磁通量、电磁感应、感应电流．科学思维：利用感应电流产生的条件判断电路中是否会产生感应电流．科学探究：感应电流产生的条件.01课前自主梳理02课堂合作探究03随堂演练达标04课后达标检测一、电磁感应的探索历程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．奥斯特法拉第3．法拉第对引起感应电流的原因的概括电流磁场运动运动磁场4．电磁感应现象利用变化或运动的磁场获得的现象叫作电磁感应现象，产生的电流叫作．[思考]电流的磁效应与电磁感应有什么区别？提示：电流的磁效应是指电流周围产生磁场，即“电生磁”．电磁感应现象是利用磁场产生感应电流，即“磁生电”．“电生磁”和“磁生电”是两种因果关系相反的现象，要正确区分这两种现象，弄清现象的因果关系是关键．电流感应电流二、探究电磁感应的产生条件1．探究导体棒在磁场中运动是否产生电流(如图所示)实验操作实验现象(有无电流)分析论证导体棒静止闭合电路包围的磁场的面积时，电路中有电流产生；包围的磁场的面积时，电路中无电流产生导体棒平行磁感线运动导体棒切割磁感线运动无无有变化不变2.探究磁铁在通电螺线管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N极插入线圈线圈中的磁场时，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N极从线圈中抽出S极插入线圈S极停在线圈中S极从线圈中抽出无有变化不变有有有无3.模仿法拉第的实验(如图所示)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线圈B中磁场时，线圈B中有感应电流；磁场时，线圈B中无感应电流开关断开瞬间开关保持闭合，滑动变阻器滑片不动开关保持闭合，迅速移动滑动变阻器的滑片有有无有变化不变[思考]上述三种探究过程中，产生感应电流时，有什么共性？提示：探究1是由于棒的运动，使围起的有效磁场面积变化，引起磁通量的变化；探究2是由于磁铁与螺线管的相对运动，引起磁通量的变化；探究3是改变A线圈的电流，使电流的磁场变化，引起穿过B线圈的磁通量的变化．三者的共性都是引起穿过线圈的磁通量发生变化．三、感应电流产生的条件只要穿过闭合导体回路的发生变化，导体回路中就会产生感应电流．[判断辨析](1)只要闭合电路内有磁通量，闭合电路中就有感应电流产生．()(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)线框不闭合时，即使穿过线框的磁通量发生变化，线框中也没有感应电流产生．()××√磁通量闭合要点一磁通量和磁通量的变化[探究导入]如图甲，竖直向下的匀强磁场中，水平放置一正方形线框；如图乙，竖直向下的匀强磁场中，平行磁感应强度的方向放置正方形线框．若线框的面积是S，磁感应强度为B，试求两种情况下，穿过线框的磁通量分别是多少？提示：题图甲中，磁感线与线框所在平面垂直，穿过线框的磁通量Φ1＝BS；题图乙中，磁感线与线框所在平面平行，穿过线框的磁通量Φ2＝0.1．对磁通量的理解(1)磁通量表示穿过某一面积的磁感线条数的多少．(2)磁通量是标量，但是有正、负．磁通量的正、负不代表大小，只表示磁感线是怎样穿过平面的，若以向里穿过某一面的磁通量为正，则向外穿过该面的磁通量为负．(3)若穿过某一面的磁感线既有穿出，又有穿进，则穿过该面的合磁通量为净磁感线的条数．2．匀强磁场中磁通量的计算(1)B与S垂直时：Φ＝BS，B为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：Φ＝BS⊥，S⊥为线圈在垂直磁场方向上的投影面积，在应用时可将S投影到与B垂直的方向上，或者S不动，将B分解为垂直于S和平行于S的两个分量，则Φ＝B⊥S.如图所示，Φ＝BSsinθ.3．磁通量变化的三种情况(1)磁感应强度B不变，闭合电路的面积S发生变化．如图a.(2)闭合电路的面积S不变，磁感应强度B发生变化．如图b.(3)磁感应强度B和闭合电路的面积S都不变，它们之间的夹角α发生变化．如图c.[特别提醒](1)S是指闭合回路中包含磁场的那部分的有效面积．(2)磁通量与线圈的匝数无关，也就是磁通量大小不受线圈匝数的影响．同理，磁通量的变化量ΔΦ＝Φ2－Φ1也不受线圈匝数的影响．所以，直接用公式求Φ、ΔΦ时，不必考虑线圈匝数n.[典例1]如图所示的n匝线框，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，求：(1)初、末位置穿过线框的磁通量Φ1和Φ2.(2)磁通量的变化量ΔΦ.[思路点拨](1)初、末状态磁场穿过线圈平面的方向不同，以初状态的磁通量为正，则末状态的磁通量为负．(2)磁场方向与线圈平面不垂直时，求解磁通量，可用磁感应强度B与线圈平面在垂直于磁场方向投影面积的乘积表示，也可用B垂直于线圈平面的分量与线圈面积的乘积表示．[解析](1)方法一在初始位置，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⊥＝Ssinθ，所以Φ1＝Bsinθ.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⊥＝Scosθ.由于磁感线从反面穿入，所以Φ2＝－BScosθ.方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，如图所示，则B上＝Bsinθ，B左＝Bcosθ有Φ1＝B上S＝BSsinθΦ2＝－B左S＝－BScosθ.(2)开始时B与线框平面成θ角，穿过线框的磁通量Φ1＝BSsinθ；当线框平面按顺时针方向转动时，穿过线框的磁通量减少，当转动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＝－BScosθ.所以，此过程中磁通量的变化量为ΔΦ＝Φ2－Φ1＝－BScosθ－BSsinθ＝－BS(cosθ＋sinθ)．[答案](1)BSsinθ－BScosθ(2)－BS(cosθ＋sinθ)[总结提升](1)磁通量与线圈匝数无关．(2)磁通量是标量，但有正、负，其正、负分别表示与规定的穿入方向相同、相反．1.如图所示，ab是水平面上一个圆的直径，在过ab的竖直平面内有一根通电导线ef.已知ef平行于ab，当ef竖直向上平移时，ef中的电流I产生的磁场穿过圆面积的磁通量将()A．逐渐增大B．逐渐减小C．始终为零D．不为零，但保持不变解析：利用安培定则判断直线电流产生的磁场，考虑到磁场具有对称性，可以知道，穿过线圈的磁感线的条数与穿出线圈的磁感线条数是相等的，故选C.答案：C2.如图所示，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通过时，穿过三个闭合线圈的磁通量分别为Φa、Φb、Φc，则()A．ΦaΦbΦcB．ΦaΦbΦcC．ΦaΦcΦbD．ΦaΦcΦb解析：当a中有电流通过时，穿过a、b、c三个闭合线圈垂直纸面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，因此穿过闭合线圈的净磁感线条数a最多，b次之，c最少，即ΦaΦbΦc，选项B正确．答案：B要点二感应电流产生的条件[探究导入]瑞士科学家科拉顿用条形磁铁在线圈中进行插进和抽出的实验时，为了排除磁铁对电流表的影响，把电流表和线圈分别放在两个房间里，如图所示．他在两个房间跑来跑去，能否观察到线圈中产生的感应电流呢？提示：不能看到．因为他把条形磁铁插入或拔出时有感应电流通过在另一个房间的电流表，当他跑过去时线圈中的磁通量不再变化，没有感应电流通过电流表了，他不能观察到线圈中产生的感应电流．1．产生感应电流的条件穿过闭合电路的磁通量发生变化．不论什么情况，只要满足电路闭合和磁通量发生变化这两个条件，就必然产生感应电流；反之，只要产生了感应电流，那么电路一定是闭合的，穿过该电路的磁通量也一定发生了变化．2．判断感应电流有无的方法(1)明确电路是否为闭合电路．(2)判断穿过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，回路面积S发生变化，如闭合电路的一部分导体切割磁感线时．②回路面积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，或者磁场是由通电螺线管产生且螺线管中的电流发生变化．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发生变化．④回路面积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．3．ΔΦ与Φ意义不同，大小也没有必然的联系．感应电流的产生与Φ无关，只取决于Φ的变化，即与ΔΦ有关．[特别提醒]磁感线的条数可用来形象地表示一个回路的磁通量大小，所以判断穿过闭合电路的磁通量是否变化时，可充分利用穿过闭合电路的磁感线的条数是否变化来判断某过程中磁通量是否变化．[典例2]如图所示，矩形线圈与磁场垂直，且一半在匀强磁场内，一半在匀强磁场外．下述操作中能使线圈中产生感应电流的是()A．以bc为轴转动45°B．以ad为轴转动45°C．将线圈向下平移D．将线圈向上平移[思路点拨]题中磁感应强度不变，当线圈运动时，看线圈在磁场中垂直于磁场平面上的投影面积是否变化，或者看穿过线圈平面的磁感线条数是否变化．[解析]当线圈以bc为轴转动45°时，ad边刚好还没有进入磁场，这样，穿过线圈的磁感线的条数没有发生变化，磁通量不发生改变，所以在回路中不会产生感应电流，A错误．当以ad为轴转动45°时，bc边刚好要离开磁场，这样，穿过线圈的磁感线的条数不断减少，所以在回路中会产生感应电流，选项B正确．当将线圈向下平移或者向上平移时，穿过线圈的磁感线的条数均没有发生变化，磁通量不发生改变，所以在回路中不会产生感应电流，选项C、D错误．[答案]B[总结提升]判断是否产生感应电流的技巧(1)电路闭合和磁通量发生变化是产生感应电流的两个条件，二者缺一不可．(2)磁通量发生变化，其主要内涵体现在“变化”上，磁通量很大，若没有变化，也不会产生感应电流，磁通量虽然是零，但是变化的，仍然可以产生感应电流．(3)产生感应电流的实质是其他形式的能转化为电能．3．下列图中能产生感应电流的是()解析：根据产生感应电流的条件可判断：A选项中，电路没有闭合，无感应电流；B选项中，面积增大，穿过闭合电路的磁通量增大，有感应电流；C选项中，穿过线圈的磁感线相互抵消，Φ恒为零，ΔΦ＝0，无感应电流；D选项中，磁通量不发生变化，无感应电流．答案：B4．为观察电磁感应现象，某学生将电流表、螺线管A和B、蓄电池、开关用导线连接成如图所示的实验电路．当接通和断开开关时，电流表的指针都没有偏转，其原因是()A．开关位置接错B．电流表的正、负极接反C．线圈B的3、4接头接反D．蓄电池的正、负极接反解析：因感应电流产生的条件是闭合电路中的磁通量发生变化，由电路图可知，把开关接在B与电流表之间，因与1、2接头相连的电路在接通和断开开关时，电流不改变，所以不可能有感应电流，电流表也不可能偏转，开关应接在A与电源之间．答案：A跳绳中的电磁感应问题1．要使在摇绳过程中产生感应电流必须具备以下条件(1)用导线连成闭合回路．(2)穿过闭合回路的磁通量发生变化．2．两同学所站的位置不与磁场平行，摇动导线时能产生感应电流．5．导线连接一个灵敏电流计，形成闭合回路．两名同学手持部分导线(如图)，能产生感应电流的情况是()A．两名同学南北站立摇动导线B．两名同学南北站立不摇动导线C．两名同学东西站立摇动导线D．两名同学东西站立不摇动导线解析：两名同学南北站立，磁场与两位同学的位置平行，摇线和不摇线时穿过闭合电路的磁通量都不发生变化，不产生感应电流，选项A、B错误；两名同学东西站立，磁场与两位同学的位置垂直，摇线时穿过闭合电路的磁通量发生变化，产生感应电流，不摇线时穿过闭合电路的磁通量不发生变化，不产生感应电流，选项C正确，D错误