第2课时探究电磁感应产生的条件

1第2课时探究电磁感应产生的条件【自主探究】情景导入“穿越电磁隧道”如图所示，让大小相同的小铁球和磁体球分别穿越侧壁开有小口（以便观察）的铝管，会观察到磁体球比小铁球所用时间要长的现象。两球都从同一管口静止释放，做的应当是自由落体运动，用时应该相等。为何磁体球用的时间要长呢？这其中又有何奥秘呢？知识清单1．实验探究认真做好以下三个实验，并从这三个实验中分析、归纳、概括出电磁感应产生的条件。2．分析论证探究1：磁场不变，但闭合电路包围磁场的面积变化时，有感应电流产生；闭合电路包围磁场的面积不变时，无感应电流产生。探究2：闭合电路的面积不变，线圈中的磁场变化时，有感应电流产生；线圈中的磁场不变时，无感应电流产生。探究3：线圈A产生的磁场变化时，线圈B中磁场变化，有感应电流产生；线圈A产生的磁场不变时，线圈B中磁场不变，无感应电流产生。3．归纳结论（1）磁通量Φ：穿过某一面积的磁感线条数叫做穿过这个面积的磁通量，其大小的计算公式是Φ=BS。该式只适用于匀强磁场的情况，且式中的S是跟磁场方向垂直的面积；若不垂直，则需取平面在垂直于磁场方向上的投影面积。单位：韦伯，简称韦，符号Wb。（2）实验结论：不同的实验，其共同处在于产生感应电流的前提均为穿过闭合回路的磁通量的变化，只不过引起磁通量变化的原因各不相同。【互动新课堂】疑难分析1．.磁通量变化的几种情形根据公式Φ=BSsinθ（其中θ为闭合回路所围面积和磁感线间的夹角）可知，有四种情形：（1）B不变，S变，则ΔΦ=BΔS；（2）B变化，S不变，则ΔΦ=ΔBS；（3）B变，S也变，则ΔΦ=B2S2-B1S1；（4）B不变，S不变，θ变化，则ΔΦ=BS(sinθ2－sinθ1)。2．产生感应电流的条件（1）不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有感应电2流产生。（2）在闭合电路中有磁通量但不变化，即使磁场很强，磁通量很大，也不会产生感应电流。（3）产生感应电流的条件可以归纳为两个：一个是电路本身的属性，即电路必须是闭合的；另一个是穿过电路的磁通量必须发生变化。3．电磁感应中的能量转化电磁感应现象遵循“能的转化和守恒定律”。由于运动而产生感应电流时，感应电流的电能是由外界机械能转化或外力做功而来的；无机械运动而产生感应电流，感应电流的电能是由产生变化的电路中的电能转化而来的。典型例题1．关于磁通量的理解和计算磁通量不是矢量，而是一个双向标量，其正负表示与规定的正方向（垂直线框面向里或向外）。分析磁通量及其变化时，要区分磁场是匀强磁场还是非匀强磁场。【例1】矩形线框abcd的边长分别为l1、l2，可绕它的一条对称轴OO′转动，匀强磁场的磁感应强度为B，方向与OO′垂直，初位置时线圈平面与B平行，如图所示。（1）初位置时穿过线框的磁通量Φ0为多少？（2）当线框沿图甲所示方向绕过60°时，磁通量Φ2为多少？这一过程中磁通量的变化ΔΦ1为多少？（3）当线框绕轴沿图示方向由图乙中的位置再转过60°位置时，磁通量Φ2为多少？这一过程中ΔΦ2=Φ3-Φ2为多少？【解析】本题的关键是分析矩形线框的平面是否与B垂直，只有垂直时才能应用Φ=B·S，不垂直时可把面积沿与B垂直方向投影，为能清晰地观察面积与B夹角的情况，可作出其俯视图如图所示。（1）当处于如图所示初始位置时，从俯视图可看出没有磁感线穿过矩形线框，故Φ0=0.（2）当绕轴（从上往下看）沿逆时针方向转动60°到a′d′位置时，线框与B的夹角θ=60°。所以Φ2=B·Ssin60°=23BS，ΔΦ1=Φ2-Φ0=23BS（3）当再由a′d′位置逆时针转60°时，到a″d″，这时线框与B方向成120°角.所以Φ2=B·Ssin120°=23BS，ΔΦ2=Φ3-Φ2=23BS-23BS=0.注意：a′d′位置和a″d″位置时，穿过线框磁通量的方向没有发生变化.32．关于电磁感应现象产生的条件理解和应用判断电磁感应现象能否产生，关键是确定穿过闭合回路的磁通量是否变化。【例3】如图（甲）所示，有一通电直导线MN水平放置，通入向右的电流I，另有一闭合线圈P位于导线正下方且与导线位于同一竖直平面，正竖直向上运动。问在线圈P到达MN上方的过程中，穿过P的磁通量是如何变化的？在何位置时P中会产生感应电流？【解析】根据直流电流磁场特点，靠近导线处磁场强，远离导线处磁场弱。把线圈P从MN下方运动到上方过程中的几个特殊位置如图（乙）所示，可知Ⅰ→Ⅱ磁通量增加，Ⅱ→Ⅲ磁通量减小，Ⅲ→Ⅳ磁通量增加，Ⅳ→Ⅴ磁通量减小，所以整个过程磁通量变化经历了增加→减小→增加→减小，所以在整个过程中P中都会有感应电流产生。3．电磁感应现象的实际应用【例3】如图所示是生产中常用的一种延时继电器的示意图。铁芯上有两个线圈A和B。线圈A跟电源连接，线圈B的两端接在一起，构成一个闭合回路。在断开开关S的时候，弹簧E并不能立即将衔铁D拉起，因而不能使触头C（连接工作电路）立即离开，过一段时间后触头C才能离开，延时继电器就是这样得名的。试说明这种继电器的原理。【解析】线圈A与电源连接，线圈A中有恒定电流，产生恒定磁场，有磁感线穿过线圈B，但穿过线圈B的磁通量不变化，线圈B中无感应电流。断开开关S时，线圈A中电流迅速减减小为零，穿过线圈B的磁通量也迅速减少，由于电磁感应，线圈B中产生感应电流，由于感应电流的磁场对衔铁D的吸引作用，触头C不离开；经过一小段时间后感应电流减弱，感应电流磁场对衔铁D的吸引力减小，当弹簧E的作用力比磁场力大时，才将衔铁D拉起，触头C离开．【创新训练】基础巩固1．）A．磁感应强度越大的地方，磁通量越大B．穿过某线圈的磁通量为零时，由B=SΦ可知磁通密度为零C．磁通密度越大，磁感应强度越大D．磁感应强度在数值上等于1m2的面积上穿过的最大磁通量【答案】CD42）A．只要穿过线圈的磁通量发生变化，线圈中就一定有感应电流B．只要闭合导线做切割磁感线运动，导线中就一定有感应电流C．若闭合电路的一部分导体不做切割磁感线运动，闭合电路中一定没有感应电流D．当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，闭合电路中一定有感应电流【解析】根据产生感应电流的两个条件：一个是电路本身的属性，即电路必须是闭合的；另一个是穿过电路的磁通量必须发生变化。只有选项D正确。【答案】D3．在图所示的条件下，闭合矩形线圈中能产生感应电流的是（）【答案】EF4．如图所示，竖直通电直导线与闭合导线环的平面垂直，且过圆环中心，下列说法正确的是（）A．电流增强或减弱时，环中无感应电流B．环竖直向上或向下运动时，环中有感应电流C．环以导线为轴，在垂直于电流的平面内转动时，环中有感应电流D．环以自身的任意直径为轴转动时，环中无感应电流【解析】根据直线电流的磁场特点和感应电流产生的条件，知A、D正确。【答案】AD5．磁通量是研究电磁感应现象的重要物理量，如图所示，通过恒定电流的导线MN与闭合线框共面，第一次将线框由1平移到2，第二次将线框绕cd边翻转到2，设先后两次通过线框的磁通量变化分别为ΔΦ1和ΔΦ2，则（）A．ΔΦ1ΔΦ2B．ΔΦ1=ΔΦ2C．ΔΦ1ΔΦ2D．无法确定5【解析】设线框在位置1时的磁通量为Φ1，在位置2时的磁通量为Φ2，直线电流产生的磁场在1处比在2处要强，若平移线框，则ΔΦ1=Φ1-Φ2，若转动线框，磁感线是从线框的正反两面穿过的，一正一负，因此ΔΦ2=Φ1+Φ2.根据分析知：ΔΦ1＜ΔΦ2，选项C正确。【答案】C6．如图所示，在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一个边长为L的正方形线框，线框平面与磁场垂直，则穿过线框的磁通量为_________.若线框向右平移，线框中有无感应电流？_________.若将线框翻转180°，该过程磁通量的变化为_________.该过程有无感应电流？_________.若将线框绕其中一边向外转90°，磁通量的变化为_________.该过程中有无感应电流？_________.【答案】BS无2BS有BS有7．两根长直导线平行放置，导线内通有等大的同向电流，当一矩形线框在两直导线所在的平面内从靠右侧的导线处向左侧导线平移靠近时，如图所示，线框中磁通量的变化情况是___________，线框中有无感应电流？___________.【解析】先根据叠加原理判断两直线电流的磁场分布特点，再根据感应电流产生的条件判断。【答案】先减小后增大有拓展训练8．行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象中所包含的相同的物理过程A．物体克服阻力做功B．物体的动能转化为其他形式的能量C．物体的势能转化为其他形式的能量D．物体的机械能转化为其他形式的能量【解析】都是宏观的机械运动对应的能量形式——机械能的减少，相应转化为其他形式能（如内能、电能）。能的转化过程也就是做功的过程。【答案】AD9．如图所示，线圈A中接有电源，线圈B有一半的面积处在线圈A中，两线圈平行但不6接触，则在开关S闭合的瞬间，线圈B中有无感应电流？【解析】将S闭合的瞬间，与线圈A组成的闭合电路有电流通过，线圈A产生的磁通量要穿过线圈B，线圈A是环形电流，其磁场不仅穿过所包围的面积，方向向外；也穿过线圈外的广大面积，方向向里，所包围的面积内磁通密度大，外围面积上的磁通密度小，对线圈B与A重合的一半面积上向外的磁通量大于另一半面积上向内的磁通量，因此线圈B所包围的总磁通量不为零，而是方向向外，也就是说在开关S闭合的瞬间，穿过线圈B的磁通量增加，所以有感应电流.【答案】有感应电流10．如图所示器材可用来研究电磁感应现象及判定感应电流方向：（1）在给出的实物图中，用实线作为导线将实验器材连成实验电路？（2）将线圈1L插入2L中，合上开关能使感应电流与原电流的绕行方向相同的实验操作是（）Ａ．插入软铁棒Ｂ．拔出线圈Ｌ１Ｃ．使变阻器阻值变大Ｄ．断开开关【答案】（1）如图所示（2）ＢＣＤ【休闲阅读】科拉顿为什么失败了？史料记载“1831年8月29日这一天，法拉第在接通电池的一刹那，偶然看到检流计指针动了一下，接着便回到了原位，然后就一直停住不动。……”法拉第因此发现了电磁感应现象，图4-1-1是这个实验的示意图。又有史料记载“瑞士物理学家科拉顿设计了一个利用磁铁在闭合线圈中获取电流的实验：将一块磁铁在螺线管中移动，使导线中产生感应电流。为了排除磁铁移动对检流计指针偏转的影响，他把检流计放到隔壁房间中去，用长导线把检流计和螺线管连接起来。实验开始了，科拉顿把磁铁插到线圈中去以后，就跑到隔壁房间中去，但他十分痛心地看到检流计的小磁针静止在原位。”科拉顿没能发现电磁感应现象，他的实7验示意图见图4-1-2。请你分析一下，科拉顿没能看到电磁感应现象的原因是什么？科拉顿没能看到电磁感应现象的原因是因为电磁感应现象是在变化或运动的过程中出现的，当科拉顿赶到隔壁房间去时，检流小磁针已经动过了，所以他没能看到电磁感应现象。