高中物理 第4章 揭开电磁关系的奥秘 第1节 磁生电的探索教师用书 鲁科版选修1-1

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第1节　磁生电的探索 课　标　解　读 重　点　难　点 1.了解电磁感应现象发现的历史过程，体会科学家探索自然规律的科学态度和科学方法． 2.通过实验，知道电磁感应现象及其产生的条件． 3.了解法拉第及其对电磁学的贡献，认识发现磁生电现象对推动电磁学理论和电磁技术发展的重大意义. 1.电磁感应现象产生感应电流的条件．(重点) 2.磁通量变化的理解．(难点) 历史的回顾 1.基本知识 1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，它提示了电现象和磁现象之间存在的某种联系． 2．思考判断 (1)奥斯特发现了“电生磁”的现象之后，激发人们去探索“磁生电”的方法．(√) (2)英国科学家牛顿一直坚持探索电磁感应现象，历时近十年的探索，终于获得了成功．() 磁生电的实验探索及意义 1.基本知识 (1)实验观察 ①没有电池也能产生电流：闭合电路的部分导体做切割磁感线运动时，回路中电流表的指针发生了偏转． ②磁铁与螺线管有相对运动时也能产生电流：在条形磁铁插入或拔出螺线管的瞬间，电流表的指针发生了偏转．条形磁铁在螺线管中保持不动时，电流表的指针不发生偏转．如图411所示． 图411 (2)产生感应电流的条件 穿过闭合回路中的磁通量发生变化，回路中就产生感应电流．产生感应电流的现象称为电磁感应现象． (3)电磁感应现象的发现具有极大的实用价值，对电生磁与磁生电的正确揭示，展现了电与磁间的密切联系和对称统一，为电磁学理论的发展创造了条件，进一步推动了电磁技术的发展，引领人类进入了电气时代． 2．探究交流 闭合电路的部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，回路中产生感应电流，这时穿过闭合回路的磁通量是否一定发生了变化？ 【提示】　只要有感应电流产生，穿过闭合回路的磁通量一定发生变化. 对磁通量变化的理解 【问题导思】　 1．穿过某一面的磁通量的大小和哪些因素有关？ 【提示】　磁感应强度和线圈垂直磁场方向的投影面积． 2．引起磁通量变化的原因有几类情况？ 【提示】　两类． 根据磁通量的定义式Φ＝BS(其中S是垂直于B平面内投影的面积)，引起磁通量变化的类型有： 1．由于磁场变化而引起闭合电路的磁通量的变化 (1)由于磁场和闭合回路的相对运动改变磁场，如图412甲所示，当磁铁向下移动时，通过线圈的磁通量增加． (2)由于电流改变而改变磁场，如图412乙所示，当直线电流I增大时，线圈abcd中的磁通量增加． 　甲　　　　 　　　乙 图412 2．磁场不变，由于处在磁场中的闭合电路的面积S发生变化而引起磁通量的变化 (1)闭合回路与磁场的夹角保持不变，改变闭合回路的面积，如图413甲所示．用力将闭合金属弹簧圈拉大的过程，线圈磁通量减小． (2)闭合回路的一部分导体做切割磁感线运动而使闭合回路磁通量改变，如图413乙所示．当导体棒ab向右运动时，闭合回路的磁通量减小． (3)由于闭合回路和磁场的夹角改变从而改变有效面积，如图413丙所示，线框abcd绕OO′轴转动． 图413 (4)由于磁场和处在磁场中闭合回路面积都发生变化时，引起穿过闭合回路的磁通量发生变化． 　如图414所示，下列各种情况中，穿过回路的磁通量增大的有(　　) 图414 A．图(甲)所示，在匀强磁场中，先把由弹簧状导线组成回路撑开，而后放手，到恢复原状的过程中 B．图(乙)所示，裸铜线ab在裸金属导轨上向右匀速运动过程中 C．图(丙)所示，条形磁铁拔出线圈的过程中 D．图(丁)所示，闭合线框远离与它在同一平面内通电直导线的过程中 【审题指导】　本题考查影响磁通量的因素与磁通量大小的关系． 【解析】　由Φ＝BS得，题图(甲)穿过回路的磁通量随闭合回路面积的减小而减小；题图(乙)穿过回路的磁通量随闭合回路面积的增大而增加；题图(丙)穿过线圈的磁通量随磁极的远离而减小；题图(丁)离通电直导线越远，磁场越弱；穿过线框的磁通量越小，故选项B正确． 【答案】　B 磁通量是指在磁场中穿过某一面积S的磁感线条数，所以在判断穿过回路的磁通量是否变化时，可以通过判断穿过回路的磁感线条数是否变化来分析判定． 1．如图415所示，闭合线圈M固定．条形磁铁S极向下以初速度v0沿过线圈圆心的竖直线下落过程中，以下说法不正确的是(　　) A．穿过线圈的磁通量发生变化 B．磁铁位于图示位置2时，穿过线圈的磁通量最大 C．穿过线圈的磁通量先增多后减少 D．磁铁位于图示位置1和位置3时穿过线圈的磁场方向相反 图415 【解析】 当条形磁铁恰好位于位置2时，穿过线圈M的合磁通量向上且最大，因此全过程中穿过线圈M的磁通量，先增后减，选项ABC均正确；当磁铁在位置1时，穿过线圈的磁场方向向上，当磁铁位于位置3时，穿过线圈的磁场方向也向上，故D错误． 【答案】　D 电磁感应现象 【问题导思】　 1．产生感应电流的条件是什么？ 【提示】　穿过闭合回路的磁通量发生变化． 2．闭合电路的部分导体做切割磁感线运动时，一定产生感应电流吗？ 【提示】　不一定． 1．产生感应电流的条件 穿过闭合回路的磁通量发生变化时，闭合回路中就产生感应电流． (1)磁通量的变化是指穿过闭合回路的磁通量从无到有，从有到无，从大到小，从小到大等，即使闭合回路附近有很强的磁场，穿过闭合回路的磁通量尽管很大，但磁通量不发生变化时，闭合回路中仍没有感应电流产生． (2)要产生感应电流必须同时具备电路闭合和磁通量发生变化这两个条件，如果电路不闭合，当磁通量发生变化时只产生感应电动势而不产生感应电流． 2．对闭合电路的一部分导体切割磁感线运动的理解 如图416所示，闭合电路的一部分导体ab在垂直纸面的匀强磁场中，向右做切割磁感线运动时，由于导体ab的相对运动，使闭合电路的面积发生了变化，引起穿过闭合电路的磁通量发生了变化，闭合电路中将产生感应电流． 图416 3．闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，不一定会产生感应电流．如图417所示，闭合导线框在有界匀强磁场中，保持磁场中那部分的面积不变而向上或向下运动时，穿过线框的磁通量不变，闭合电路中不会产生感应电流． 图417 　如图418所示，竖直放置的长直导线通过恒定电流，有一个矩形线框与导线在同一平面，在下列情况中线框不能产生感应电流的是(　　) 图418 【导学号：31870028】 A．导线中电流变大 B．线框向右平动 C．线框以ad边为轴转动 D．线框以直导线为轴转动 【审题指导】　线框中能否产生感应电流取决于穿过线框的磁通量是否变化． 【解析】　逐项分析如下： 选项 诊断 结论 A 电流变大引起导线周围的磁场增强，穿过线框的磁通量增大 B 离导线越远，磁感线分布越稀疏，穿过线框的磁通量越小 C 线框绕ad边转动时，矩形线框的磁通量发生变化 D 线框以直导线为轴转动，穿过线框的磁感线条数不变，因而穿过线框的磁通量不变 √ 【答案】　D 2．如图419所示，线圈两端接在电流表上组成闭合电路．在下列情况中，电流表指针不发生偏转的是(　　) 图419 A．线圈不动，磁铁插入线圈 B．线圈不动，磁铁从线圈中拨出 C．磁铁不动，线圈上、下移动 D．磁铁插在线圈内不动 【解析】　产生感应电流的条件是穿过闭合回路的磁通量发生变化，线圈和电流计已经组成闭合回路，只要穿过线圈的磁通量发生变化，线圈中就产生感应电流，电流计指针就偏转．在选项A、B、C三种情况下，线圈和磁铁发生相对运动，穿过线圈的磁通量发生变化，产生感应电流；而当磁铁插在线圈中不动时，线圈中虽然有磁通量，但磁通量不变化，不产生感应电流． 【答案】　D 【备课资源】(教师用书独具) 法拉第伟大的发明 法拉第特别下了一番功夫去研究分析奥斯特实验．他发现这个实验有一个特点，就是当导线通过电流的时候，磁针都是绕着导线偏转，而不是磁针自己偏转，而许多重复奥斯特实验的科学家都没有注意到这一特点．于是，他从此入手开始了全面的研究分析，也经常做实验进行尝试，可每次都失败了．法拉第坚信自然界是统一的、和谐的，电和磁是彼此有关联的．法拉第反复实验，反复研究，并不断改进实验方案. 终于，在1831年10月17日——这是人类科学史上应当记住的一天，法拉第在圆形铁环上绕两个铜线圈，一个接在电流计上，另一个接在串联的伏打电池上，当他把电路接通时，突然电流计的指针轻轻地动了一下，当他把电路断开时，指针向反方向又动了一下，法拉第的内心立刻明亮了．法拉第一次又一次地重复着实验，他注意到，由磁产生电流的必要条件是相对运动，他把这样产生的电流叫做感应电流．人们把法拉第由此总结出来的变化的磁场产生电流的规律，称为法拉第电磁感应规律． 法拉第的实验成功了．它说明，一根带电的导线，可以在它的周围产生磁场，这个磁场可以使磁针绕着导线转动．这是一个多么了不起的发现呀！在这以前，已经有许多科学家研究了自然界中的力，比如像万有引力、静电力和磁力，但是这些都表现为可以相互吸引的拉力，或者相互排斥的推力．而法拉第发现的力，是一种可以转动的力，多么不可思议！ 然而，法拉第并没有就此止步，因为只有当磁棒在线圈中作往复运动的时候，才有电流感应出来，而磁棒的运动一停止，电流也就随之消失，他需要制造出稳定的电源来．因为法拉第成天跟伏打电池打交道，很清楚它的缺点，伏打电池很笨重，要产生强大的电流，必须用许多伏打电池，而且制造、搬运都很麻烦．更糟的是，伏打电池用不了多久就要更换．要是能用电磁感应原理制造出永久的稳定电源，那该多好！ 两个月后，法拉第创造性地发明了变压器和发电机．虽然这还都是实验室的产物，还需要一个完善的过程，但这预告了电能够大规模地产生，并且输送到遥远的地方．电将从实验室走向工厂、矿山、农村，走进每一个家庭. 1．发现电磁感应现象的科学家是(　　) A．安培　　　　　　　　 B．赫兹 C．法拉第 D．麦克斯韦 【答案】　C 2．一个闭合的线圈中没有感应电流的原因可能是(　　) A．线圈周围一定没有磁场 B．线圈周围虽然有磁场，但穿过线圈的磁通量太小 C．穿过线圈的磁通量没有发生变化 D．穿过线圈的磁通量一定为零 【解析】　穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就产生感应电流，而不是看穿过线圈的磁通量是否为零，由于该线圈是闭合的，则没有感应电流的原因一定是穿过线圈的磁通量没有发生变化，所以C选项正确． 【答案】　C 3．闭合电路的一部分导线ab处于匀强磁场中，如图4110中各情况下导线都在纸面内运动，那么下列判断中正确的是(　　) 图4110 A．都会产生感应电流 B．都不会产生感应电流 C．甲、乙不会产生感应电流，丙、丁会产生感应电流 D．甲、丙会产生感应电流，乙、丁不会产生感应电流 【解析】　闭合电路的部分导线切割磁感线致使穿过闭合回路的磁通量发生变化时，闭合回路中产生感应电流． 【答案】　D 4．如图4111所示，线框abcd从有界的匀强磁场区域穿过，下列说法中正确的是(　　) 【导学号：31870029】 图4111 A．进入匀强磁场区域的过程中，abcd中有感应电流 B．在匀强磁场中加速运动时，abcd中有感应电流 C．在匀强磁场中匀速运动时，abcd中没有感应电流 D．离开匀强磁场区域的过程中，abcd中没有感应电流 【解析】　在有界的匀强磁场中，常常需要考虑线框进场、出场和在场中运动的情况，abcd在匀强磁场中无论匀速还是加速运动，穿过abcd的磁通量都没有发生变化． 【答案】　AC 学业达标测评(十一) (建议用时：45分钟) 1．关于产生感应电流的条件，下列说法中正确的是(　　) A．只要闭合电路在磁场中运动，闭合电路中就一定有感应电流 B．只要闭合电路中有磁通量，闭合电路中就有感应电流 C．只要导体做切割磁感线运动，就有感应电流产生 D．只要穿过闭合电路的磁感线条数发生变化，闭合电路中就有感应电流 【解析】　只有穿过闭合电路的磁通量发生变化时，才会产生感应电流，D正确． 【答案】　D 2．如图4112所示，导线ab和cd互相平行，则下列四种情况下导线cd中无电流的是(　　) 图4112 A．开关S闭合或断开的瞬间 B．开关S是闭合的，但滑动触头向左滑 C．开关S是闭合的，但滑动触头向右滑 D．开关S始终闭合，滑动触头不动 【解析】　开关S闭合或断开的瞬间、滑动变阻器触头向左或向右滑动时，导线ab中的电流都会变化，穿过由导线cd和电流计组成的回路的磁通量发生变化，导线cd中均有感应电流产生．开关S闭合，滑动触头不动时，ab中的电流不变，穿过回路的磁通量不变，没有感应电流产生．故应选D. 【答案】　D 3．恒定的匀强磁场中有一圆形的闭合导体线圈，线圈平面垂直于磁场方向，当线圈在此磁场中做下列哪种运动时，线圈中能产生感应电流(　　) A．线圈沿自身所在的平面做匀速运动 B．线圈沿自身所在平面做加速运动 C．线圈绕任意一条直径做匀速转动 D．线圈绕任意一条直径做变速转动 【解析】　线圈沿自身所在平面无论做匀速还是加速运动，穿过线圈的磁通量都不变，而绕任意一条直径运动时，磁通量会发生变化，故A、B不正确，C、D正确． 【答案】　CD 4．如图4113所示，将一个矩形线圈ABCD放在匀强磁场中，若线圈平面平行于磁感线，则下列运动中，哪些能在线圈中产生感应电流(　　) 图4113 A．线圈平行于磁感线平移 B．线圈垂直于磁感线平移 C．线圈绕AD边转动 D．线圈绕AB边转动 【解析】　无论线圈平行或垂直于磁感线平移，还是绕AB边转动，穿过线圈的磁通量始终为零，不发生变化；故A、B、D均不对；线圈绕AD边转动时，穿过线圈的磁通量不断变化，有感应电流产生．故选项C正确． 【答案】　C 5.如图4114所示，一有限范围的匀强磁场的宽度为d，将一边长为l的正方形导线框由磁场边缘以速度v匀速地通过磁场区域，若d>l，则在线框通过磁场区域的过程中，不产生感应电流的时间为(　　) 【导学号：31870030】 图4114 A.　　　　　　 B． C. D. 【解析】　线框完全进入磁场后，磁通量不变化，线框中无感应电流，当线框离开磁场时，磁通量减少，又会产生感应电流，故不产生感应电流的距离为d－l，时间为t＝. 【答案】　C 6．如图4115所示，条形磁铁的上方放置一矩形线框，线框平面水平且与条形磁铁平行，则线框在由N端匀速平移到S端的过程中，线框中的感应电流的情况是(　　) 图4115 A．线框中始终无感应电流 B．线框中始终有感应电流 C．线框中开始有感应电流，当线框运动到磁铁中部上方时无感应电流，以后又有了感应电流 D．线框中开始无感应电流，当线框运动到磁铁中部上方时有感应电流，以后又没有感应电流 【解析】　匀速平移过程中，穿过线框的磁通量始终在变化． 【答案】　B 7．如图4116中的小线圈与滑动变阻器、电源、开关组成电路，而大线圈则与电流计组成闭合电路．下列能使电流计的指针偏转的是(　　) 图4116 A．闭合开关后，将小线圈插入大线圈的过程中 B．小线圈放在大线圈中，闭合开关后，将小线圈拔出的过程中 C．小线圈放在大线圈中不动，开关闭合、断开的瞬间 D．小线圈放在大线圈中不动，开关闭合，移动滑动变阻器的滑片时 【解析】　题中所述四种情况中都能使大线圈中的磁通量发生变化，都会产生感应电流，使电流计的指针发生偏转． 【答案】　ABCD 8．如图4117所示，闭合的矩形线圈abcd放在范围足够大的匀强磁场中，下列哪种情况下线圈中能产生感应电流(　　) 图4117 A．线圈向左平移 B．线圈向上平移 C．线圈以ab为轴旋转 D．线圈不动 【解析】　产生感应电流的条件是穿过闭合回路的磁通量发生变化，符合题意的只有C选项． 【答案】　C 9.如图4118所示的装置，在下列各种情况中，能使悬挂在螺线管附近的铜质闭合线圈A中产生感应电流的是(　　) 图4118 A．开关S接通的瞬间 B．开关S接通后，电路中电流稳定时 C．开关S接通后，滑动变阻器滑片滑动的瞬间 D．开关S断开的瞬间 【解析】　开关S接通的瞬间，开关S接通后滑动变阻器滑片滑动的瞬间，开关S断开的瞬间，都使螺线管线圈中的电流变化而引起磁场变化，线圈A中的磁通量发生变化而产生感应电流． 【答案】　ACD 10．如图4119所示，通电直导线垂直穿过闭合圆形线圈的中心，下面哪个说法正确(　　) 图4119 A．当导线中电流增大时，线圈中有感应电流 B．当线圈在垂直于导线的平面内左右平动时，线圈中有感应电流 C．当线圈上下平动时，线圈中有感应电流 D．以上各种情况下，线圈中都不会产生感应电流 【解析】　圆形线圈处在直线电流的磁场中，而直线电流磁场的磁感线是一些以导线上各点为圆心的同心圆，这些同心圆都在与导线垂直的平面上．因此，不论导线中的电流大小如何变化，穿过圆形线圈的磁通量始终为零，即穿过圆形线圈的磁通量不变，所以A选项是错的．当线圈左右平动或上下平动时，同样穿过线圈的磁通量始终为零，即穿过线圈的磁通量不变，所以B选项和C选项也是错误的． 【答案】　D 11．假如未来某一天中国的宇航员登上月球，想探测一下月球表面是否有磁场，他手边有一只灵敏电流表和一个小线圈，则下列推断正确的是(　　) A．直接将电流表放于月球表面，看是否有示数来判断磁场的有无 B．将电流表与线圈组成闭合回路，使线圈沿某一方向运动，如电流表无示数，则可判断月球表面无磁场 C．将电流表与线圈组成闭合回路，使线圈沿某一方向转动，如电流表有示数，则可判断月球表面有磁场 D．将电流表与线圈组成闭合回路，使线圈在某一平面内沿各个方向运动，如电流表无示数，则可判断月球表面无磁场 【解析】　要使线圈中形成感应电流，电流表有示数，则必须使电流表和线圈构成闭合电路，A错误；若线圈沿某一方向运动，电流表无示数，则不能判断月球表面无磁场，比如线圈平行于磁场方向运动时，线圈中则无电流形成，但若电流表有示数，则可判断月球表面有磁场，C正确，B、D均错误． 【答案】　C 12．如图4120所示，一个矩形线圈与两条通有相同大小电流的平行直导线同一平面，而且处在两导线的中央，则(　　) 图4120 A．两电流同向时，穿过线圈的磁通量为零 B．两电流反向时，穿过线圈的磁通量为零 C．两电流同向或反向时，穿过线圈的磁通量都相等 D．因两电流产生的磁场是不均匀的，因此不能判断穿过线圈的磁通量是否为零 【解析】　两电流同向时，由安培定则可知两电流在线圈处的磁场方向相反，由对称性得两电流在线圈中磁通量大小相等，所以穿过线圈的磁通量为零，当两电流反向时穿过线圈的磁通量不为零，只有选项A正确． 【答案】　A