2019-2020学年高中物理 第4章 电磁感应 1、2 划时代的发现 探究感应电流的产生条件课件

第1、2节划时代的发现探究感应电流的产生条件第四章电磁感应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。1．奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第发现了电磁感应现象。2．引起电磁感应现象的原因主要有五类，分别是变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体。3．只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，闭合导体回路中就有感应电流。01课前自主学习一、电磁感应的探索历程1．奥斯特梦圆“电生磁”(1)电流的磁效应1820年，丹麦物理学家发现通电导体能使小磁针发生偏转，他把这种作用称为电流的。□1奥斯特□2磁效应(2)发现电流磁效应的意义①电流磁效应的发现证实了电现象和磁现象存在着必然的联系，奥斯特的思维和实践突破了人类对电与磁认识的局限性。②激发了人们对“磁生电”的探索热情，英国科学家经过十年努力，在1831年找到了“磁生电”的条件。□3法拉第2．法拉第心系“磁生电”(1)法拉第对“磁生电”的思考：电流磁效应的发现引起了对称性思考，法拉第认为既然电流能够引起小磁针的运动，那么磁铁也会使导线产生电流。(2)引起“磁生电”的五类原因：①变化的电流②变化的磁场③运动的恒定电流④运动的磁铁⑤在磁场中运动的导体⇒共性变化和运动(3)电磁感应的定义：“磁生电”的现象叫做，产生的电流叫做。(4)发现电磁感应的意义①电磁感应的发现使人们对电与磁内在联系的认识更加完善，宣告了电磁学作为一门统一学科的诞生。②电磁感应的发现使人们找到了“磁生电”的方法。□4电磁感应□5感应电流想一想如果没有电流表，做产生感应电流的实验时，可以用什么方法检测导线中是否有感应电流产生呢？提示：利用电流的磁效应，在南北方向的导线下放一个可旋转的小磁针。当导线中有电流时，小磁针就发生转动，当导线中无电流时，小磁针就指向南北方向。二、探究电磁感应的产生条件1．探究探究1：探究导体棒在磁场中运动是否产生感应电流(如图所示)探究2：探究磁铁在通电螺线管中运动是否产生感应电流(如图所示)探究3：模仿法拉第的实验(如图所示)2．分析论证探究1：观察闭合导体回路的一部分导体在磁场中运动时产生感应电流的条件。导体棒AB做切割磁感线运动时，电路中有感应电流产生(磁场的强弱没有变化，但部分导体做切割磁感线的运动使闭合导体回路包围的面积发生了变化，从而改变了穿过回路的磁通量)。探究2：进一步观察导体棒不动而磁铁运动时是否产生感应电流。将磁铁插入或抽出线圈的过程中，线圈中有感应电流产生(线圈中的磁场发生了变化，从而改变了穿过回路的磁通量)。探究3：研究导体棒和磁场没有相对运动时能否产生感应电流。将开关闭合或断开瞬间以及保持开关闭合并改变滑动变阻器的滑片位置时，电流表中有电流通过(当使线圈A中的电流变化时，线圈B中的磁场发生了变化，从而改变了穿过回路的磁通量)。3．归纳总结进一步分析不难看出：探究1是通过导体棒相对磁场运动改变磁通量的；探究2是通过磁体运动即磁场运动改变磁通量的；探究3是通过改变电流(改变磁场强弱)改变磁通量的，所以可以将产生感应电流的条件描述为“不论用什么方法，只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，闭合导体回路中就有感应电流”。产生感应电流的条件：。说明：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。闭合导体回路中有没有磁通量不是产生感应电流的条件，如果穿过闭合导体回路的磁通量很大但不变化，那么无论有多大，也不会产生感应电流。□20只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，闭合导体回路中就有感应电流判一判(1)只要闭合导体回路内有磁通量，闭合导体回路中就有感应电流产生。()×提示：产生感应电流的条件：一是闭合导体回路，二是磁通量变化。有磁通量而不变化，是不会产生感应电流的。(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。()×提示：磁通量发生变化，而螺线管回路不闭合，不会产生感应电流。(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。()√02课堂合作探究考点磁通量及其变化1．对磁通量的理解(1)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面的。即若以向里穿过某面的磁通量为正，则向外穿过这个面的磁通量为负。(2)若穿过某一面的磁感线既有穿出，又有穿入，则穿过该面的合磁通量为净磁感线的条数，如图1，合磁通量为垂直纸面向里。2．匀强磁场中磁通量的计算(1)B与S垂直．．时：Φ＝BS，B指匀强磁场的磁感应强度，S为磁场中线圈的面积，如图2。(2)B与S不垂直．．．时：如图3，在计算时可将S投影到与B垂直的方向上，Φ＝BS⊥＝BScosθ，S⊥为线圈在垂直磁场方向上的投影面积Scosθ；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，Φ＝BScosθ。3．磁通量的变化(1)S(S为线圈平面在垂直于磁感线方向上的投影面积)不变，磁感应强度发生变化，即ΔΦ＝ΔB·S，如图4。(2)磁感应强度不变，S发生变化，ΔΦ＝ΔS·B，其中S发生变化的情况又分为两种形式：①处在磁场中的闭合回路面积发生变化，引起磁通量发生变化，如图5；②闭合回路面积不变，但与磁场的夹角发生变化，从而引起垂直于磁感线方向上的投影面积发生变化，如图6。(3)磁感应强度和面积均发生变化。这种情况较少见，此时应采用公式ΔΦ＝Φ2－Φ1进行分析。(4)穿过线圈的磁通量与线圈的匝数无关．．．．。因为穿过线圈的磁感线条数与匝数无关，所以线圈有多匝时，不影响磁通量的计算。例1如图所示，有一个100匝的线圈，其横截面是边长为L＝0.20m的正方形，放在磁感应强度B＝0.50T的匀强磁场中，线圈平面与磁场垂直。(1)若将这个线圈横截面的形状由正方形改变成圆形(横截面的周长不变)，则在这一过程中穿过线圈的磁通量改变了多少？(2)若将这个线圈翻转180°，则穿过线圈的磁通量改变了多少？1.什么是磁通量？什么是磁通量的变化量？2．如何求解磁通量？提示：磁通量是Φ＝BS，磁通量的变化量ΔΦ＝Φ2－Φ1。提示：磁通量Φ＝BS中的B是垂直穿过线圈的磁感应强度的大小，S是垂直于磁场方向的线圈的面积。[答案](1)5.5×10－3Wb(2)4×10－2Wb[解析](1)线圈横截面为正方形时的面积：S1＝L2＝(.20)2m2＝4.0×10－2m2。穿过线圈的磁通量：Φ1＝BS1＝0.50×4.0×10－2Wb＝2.0×10－2Wb。横截面形状为圆形时，其半径r＝4L2π＝2Lπ。横截面面积大小S2＝π2Lπ2＝425πm2。穿过线圈的磁通量：Φ2＝BS2＝0.50×425πWb≈2.55×10－2Wb。所以，磁通量的变化量：ΔΦ1＝Φ2－Φ1≈(2.55－2.0)×10－2Wb＝5.5×10－3Wb。(2)设初始时磁通量为正，则翻转180°后磁通量为负Φ3＝－Φ1ΔΦ2＝Φ3－Φ1＝－4.0×10－2Wb即磁通量的变化量为4×10－2Wb。有关磁通量计算的注意事项(1)Φ＝BS中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。(3)磁通量的变化量ΔΦ＝Φ2－Φ1也不受线圈匝数的影响。(4)同一面内的磁感线既有穿出又有穿入时，则穿过该面的合磁通量为净磁感线的条数。[变式训练1]如图所示，线框与通电直导线均位于水平面内，当线框abcd由实线位置在水平面内向右平动逐渐移动到虚线位置，穿过线框的磁通量如何变化？答案线框的水平平动，可分为三个阶段。第一阶段，从实线位置开始至bc边到达直导线位置，穿过线框的磁通量逐渐增大。第二阶段，从bc边抵达直导线处开始至ad边到达直导线为止，由于向外的磁感线逐渐减少，向里的磁感线逐渐增多，所以穿过线框的总磁通量先减少(当ab、dc两边中点连线与直导线重合时，磁通量为零)后增大。第三阶段，从ad边离开直导线向右运动开始至线框抵达虚线位置为止，穿过线框的磁通量逐渐减少。解析直导线上的电流I产生的磁场的磁感线的形状是以导线上的点为圆心的在竖直平面内的一组组同心圆，在电流I的右边磁感线的方向垂直水平面向里，在电流I的左边磁感线的方向垂直水平面向外。磁感线的疏密分布是越靠近导线磁感线越密，离导线越远磁感线越稀疏。如图所示。考点感应电流有无的判断1．判断有无感应电流，应注意并明确两点感应电流产生的条件：①电路为闭合．．电路；②穿过闭合电路的磁通量发生变化．．。两个条件必须同时具备。磁感线的条数可用来形象地表示一个回路中的磁通量大小，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。2．切割磁感线和产生感应电流的关系在利用“切割”来讨论和判断有无感应电流时，应该注意：(1)导体是否将磁感线“割断．．”，如果没有“割断”就不能说切割。如图所示，甲、乙两图中，导体棒沿速度方向运动时“切割”磁感线，而图丙中，导体棒的速度方向与磁场方向相同，导体棒运动时没有切割磁感线。(2)即使导体真“切割”了磁感线，也不能保证就能产生感应电流。如图所示，对于图丁，尽管导体框的左右两段的导体“切割”了磁感线(匀强磁场)，但穿过闭合线框的磁通量并没有发生变化，没有感应电流；对于图戊，导体框的左段导体“切割”磁感线，穿过线框的磁感线条数越来越少，线框中有感应电流；对于图己，闭合导体框在非匀强磁场中运动，切割了磁感线，同时穿过线框的磁感线条数减少，线框中有感应电流。(3)即使是闭合电路的部分导体做切割磁感线运动，也不能保证一定产生感应电流，如图庚所示，线框abcd的一部分在匀强磁场中上下平动，尽管是部分切割，但同样在线框中没有感应电流。由以上讨论可知，导体切割磁感线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．．．．．．。例2关于感应电流产生的条件，以下说法正确的是()A．只要闭合导体回路内有磁通量，闭合导体回路中就一定会有感应电流B．穿过螺线管的磁通量发生变化时，螺线管内部就一定会有感应电流产生C．线圈不闭合时，即使穿过线圈的磁通量发生变化也不会有感应电流产生D．只要导体回路的一部分做切割磁感线运动，电路中就一定会有感应电流产生1.产生感应电流的条件是：①闭合导体回路；②磁通量变化。2．如何判断磁通量是否变化？提示：磁通量的变化量ΔΦ＝Φ2－Φ1，判断磁通量是否变化就是比较过程前后通过导体回路的磁通量(Φ＝BS)，ΔΦ＝0，无变化；ΔΦ≠0，有变化。[解析]感应电流产生的条件有两个，一是导体回路一定要闭合，二是穿过导体回路的磁通量要发生变化，而不是有磁通量就行了，所以选项A错误；选项B中，螺线管不闭合时，无感应电流产生，故B错误；选项D中导体回路不闭合时，或虽然闭合，但通过导体回路的磁通量不发生变化，都无感应电流产生，故D错误；C项说法正确。判断感应电流有无的方法(1)明确导体回路是否为闭合导体回路。(2)判断穿过回路的磁通量是否发生变化。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，回路面积S发生变化，如闭合导体回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，而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。[变式训练2]如图所示，开始时矩形线框与磁场垂直，且一半在匀强磁场中，另一半在匀强磁场外。若要使线框中产生感应电流，下列方法中不可行的是()A．将线框向左拉出磁场B．以ab边为轴转动C．以ad边为轴转动(小于60°)D．以bc边为轴转动(小于60°)解析将线框向左拉出磁场的过程中，线框的bc边做切割磁感线运动，穿过