高中物理 第4章 揭開電磁關(guān)系的奧秘 第1節(jié) 磁生電的探索教師用書 魯科版選修1-1

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第1節(jié)　磁生電的探索 課　標　解　讀 重　點　難　點 1.了解電磁感應現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的歷史過程，體會科學家探索自然規(guī)律的科學態(tài)度和科學方法． 2.通過實驗，知道電磁感應現(xiàn)象及其產(chǎn)生的條件． 3.了解法拉第及其對電磁學的貢獻，認識發(fā)現(xiàn)磁生電現(xiàn)象對推動電磁學理論和電磁技術(shù)發(fā)展的重大意義. 1.電磁感應現(xiàn)象產(chǎn)生感應電流的條件．(重點) 2.磁通量變化的理解．(難點) 歷史的回顧 1.基本知識 1820年，丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，它提示了電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象之間存在的某種聯(lián)系． 2．思考判斷 (1)奧斯特發(fā)現(xiàn)了“電生磁”的現(xiàn)象之后，激發(fā)人們?nèi)ヌ剿鳌按派姟钡姆椒ǎ?√) (2)英國科學家牛頓一直堅持探索電磁感應現(xiàn)象，歷時近十年的探索，終于獲得了成功．() 磁生電的實驗探索及意義 1.基本知識 (1)實驗觀察 ①沒有電池也能產(chǎn)生電流：閉合電路的部分導體做切割磁感線運動時，回路中電流表的指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)． ②磁鐵與螺線管有相對運動時也能產(chǎn)生電流：在條形磁鐵插入或拔出螺線管的瞬間，電流表的指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)．條形磁鐵在螺線管中保持不動時，電流表的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)．如圖411所示． 圖411 (2)產(chǎn)生感應電流的條件 穿過閉合回路中的磁通量發(fā)生變化，回路中就產(chǎn)生感應電流．產(chǎn)生感應電流的現(xiàn)象稱為電磁感應現(xiàn)象． (3)電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)具有極大的實用價值，對電生磁與磁生電的正確揭示，展現(xiàn)了電與磁間的密切聯(lián)系和對稱統(tǒng)一，為電磁學理論的發(fā)展創(chuàng)造了條件，進一步推動了電磁技術(shù)的發(fā)展，引領人類進入了電氣時代． 2．探究交流 閉合電路的部分導體在磁場中做切割磁感線運動時，回路中產(chǎn)生感應電流，這時穿過閉合回路的磁通量是否一定發(fā)生了變化？ 【提示】　只要有感應電流產(chǎn)生，穿過閉合回路的磁通量一定發(fā)生變化. 對磁通量變化的理解 【問題導思】　 1．穿過某一面的磁通量的大小和哪些因素有關(guān)？ 【提示】　磁感應強度和線圈垂直磁場方向的投影面積． 2．引起磁通量變化的原因有幾類情況？ 【提示】　兩類． 根據(jù)磁通量的定義式Φ＝BS(其中S是垂直于B平面內(nèi)投影的面積)，引起磁通量變化的類型有： 1．由于磁場變化而引起閉合電路的磁通量的變化 (1)由于磁場和閉合回路的相對運動改變磁場，如圖412甲所示，當磁鐵向下移動時，通過線圈的磁通量增加． (2)由于電流改變而改變磁場，如圖412乙所示，當直線電流I增大時，線圈abcd中的磁通量增加． 　甲　　　　 　　　乙 圖412 2．磁場不變，由于處在磁場中的閉合電路的面積S發(fā)生變化而引起磁通量的變化 (1)閉合回路與磁場的夾角保持不變，改變閉合回路的面積，如圖413甲所示．用力將閉合金屬彈簧圈拉大的過程，線圈磁通量減小． (2)閉合回路的一部分導體做切割磁感線運動而使閉合回路磁通量改變，如圖413乙所示．當導體棒ab向右運動時，閉合回路的磁通量減?。? (3)由于閉合回路和磁場的夾角改變從而改變有效面積，如圖413丙所示，線框abcd繞OO′軸轉(zhuǎn)動． 圖413 (4)由于磁場和處在磁場中閉合回路面積都發(fā)生變化時，引起穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化． 　如圖414所示，下列各種情況中，穿過回路的磁通量增大的有(　　) 圖414 A．圖(甲)所示，在勻強磁場中，先把由彈簧狀導線組成回路撐開，而后放手，到恢復原狀的過程中 B．圖(乙)所示，裸銅線ab在裸金屬導軌上向右勻速運動過程中 C．圖(丙)所示，條形磁鐵拔出線圈的過程中 D．圖(丁)所示，閉合線框遠離與它在同一平面內(nèi)通電直導線的過程中 【審題指導】　本題考查影響磁通量的因素與磁通量大小的關(guān)系． 【解析】　由Φ＝BS得，題圖(甲)穿過回路的磁通量隨閉合回路面積的減小而減小；題圖(乙)穿過回路的磁通量隨閉合回路面積的增大而增加；題圖(丙)穿過線圈的磁通量隨磁極的遠離而減??；題圖(丁)離通電直導線越遠，磁場越弱；穿過線框的磁通量越小，故選項B正確． 【答案】　B 磁通量是指在磁場中穿過某一面積S的磁感線條數(shù)，所以在判斷穿過回路的磁通量是否變化時，可以通過判斷穿過回路的磁感線條數(shù)是否變化來分析判定． 1．如圖415所示，閉合線圈M固定．條形磁鐵S極向下以初速度v0沿過線圈圓心的豎直線下落過程中，以下說法不正確的是(　　) A．穿過線圈的磁通量發(fā)生變化 B．磁鐵位于圖示位置2時，穿過線圈的磁通量最大 C．穿過線圈的磁通量先增多后減少 D．磁鐵位于圖示位置1和位置3時穿過線圈的磁場方向相反 圖415 【解析】 當條形磁鐵恰好位于位置2時，穿過線圈M的合磁通量向上且最大，因此全過程中穿過線圈M的磁通量，先增后減，選項ABC均正確；當磁鐵在位置1時，穿過線圈的磁場方向向上，當磁鐵位于位置3時，穿過線圈的磁場方向也向上，故D錯誤． 【答案】　D 電磁感應現(xiàn)象 【問題導思】　 1．產(chǎn)生感應電流的條件是什么？ 【提示】　穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化． 2．閉合電路的部分導體做切割磁感線運動時，一定產(chǎn)生感應電流嗎？ 【提示】　不一定． 1．產(chǎn)生感應電流的條件 穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化時，閉合回路中就產(chǎn)生感應電流． (1)磁通量的變化是指穿過閉合回路的磁通量從無到有，從有到無，從大到小，從小到大等，即使閉合回路附近有很強的磁場，穿過閉合回路的磁通量盡管很大，但磁通量不發(fā)生變化時，閉合回路中仍沒有感應電流產(chǎn)生． (2)要產(chǎn)生感應電流必須同時具備電路閉合和磁通量發(fā)生變化這兩個條件，如果電路不閉合，當磁通量發(fā)生變化時只產(chǎn)生感應電動勢而不產(chǎn)生感應電流． 2．對閉合電路的一部分導體切割磁感線運動的理解 如圖416所示，閉合電路的一部分導體ab在垂直紙面的勻強磁場中，向右做切割磁感線運動時，由于導體ab的相對運動，使閉合電路的面積發(fā)生了變化，引起穿過閉合電路的磁通量發(fā)生了變化，閉合電路中將產(chǎn)生感應電流． 圖416 3．閉合電路的一部分導體做切割磁感線運動時，不一定會產(chǎn)生感應電流．如圖417所示，閉合導線框在有界勻強磁場中，保持磁場中那部分的面積不變而向上或向下運動時，穿過線框的磁通量不變，閉合電路中不會產(chǎn)生感應電流． 圖417 　如圖418所示，豎直放置的長直導線通過恒定電流，有一個矩形線框與導線在同一平面，在下列情況中線框不能產(chǎn)生感應電流的是(　　) 圖418 【導學號：31870028】 A．導線中電流變大 B．線框向右平動 C．線框以ad邊為軸轉(zhuǎn)動 D．線框以直導線為軸轉(zhuǎn)動 【審題指導】　線框中能否產(chǎn)生感應電流取決于穿過線框的磁通量是否變化． 【解析】　逐項分析如下： 選項 診斷 結(jié)論 A 電流變大引起導線周圍的磁場增強，穿過線框的磁通量增大 B 離導線越遠，磁感線分布越稀疏，穿過線框的磁通量越小 C 線框繞ad邊轉(zhuǎn)動時，矩形線框的磁通量發(fā)生變化 D 線框以直導線為軸轉(zhuǎn)動，穿過線框的磁感線條數(shù)不變，因而穿過線框的磁通量不變 √ 【答案】　D 2．如圖419所示，線圈兩端接在電流表上組成閉合電路．在下列情況中，電流表指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是(　　) 圖419 A．線圈不動，磁鐵插入線圈 B．線圈不動，磁鐵從線圈中撥出 C．磁鐵不動，線圈上、下移動 D．磁鐵插在線圈內(nèi)不動 【解析】　產(chǎn)生感應電流的條件是穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化，線圈和電流計已經(jīng)組成閉合回路，只要穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，線圈中就產(chǎn)生感應電流，電流計指針就偏轉(zhuǎn)．在選項A、B、C三種情況下，線圈和磁鐵發(fā)生相對運動，穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應電流；而當磁鐵插在線圈中不動時，線圈中雖然有磁通量，但磁通量不變化，不產(chǎn)生感應電流． 【答案】　D 【備課資源】(教師用書獨具) 法拉第偉大的發(fā)明 法拉第特別下了一番功夫去研究分析奧斯特實驗．他發(fā)現(xiàn)這個實驗有一個特點，就是當導線通過電流的時候，磁針都是繞著導線偏轉(zhuǎn)，而不是磁針自己偏轉(zhuǎn)，而許多重復奧斯特實驗的科學家都沒有注意到這一特點．于是，他從此入手開始了全面的研究分析，也經(jīng)常做實驗進行嘗試，可每次都失敗了．法拉第堅信自然界是統(tǒng)一的、和諧的，電和磁是彼此有關(guān)聯(lián)的．法拉第反復實驗，反復研究，并不斷改進實驗方案. 終于，在1831年10月17日——這是人類科學史上應當記住的一天，法拉第在圓形鐵環(huán)上繞兩個銅線圈，一個接在電流計上，另一個接在串聯(lián)的伏打電池上，當他把電路接通時，突然電流計的指針輕輕地動了一下，當他把電路斷開時，指針向反方向又動了一下，法拉第的內(nèi)心立刻明亮了．法拉第一次又一次地重復著實驗，他注意到，由磁產(chǎn)生電流的必要條件是相對運動，他把這樣產(chǎn)生的電流叫做感應電流．人們把法拉第由此總結(jié)出來的變化的磁場產(chǎn)生電流的規(guī)律，稱為法拉第電磁感應規(guī)律． 法拉第的實驗成功了．它說明，一根帶電的導線，可以在它的周圍產(chǎn)生磁場，這個磁場可以使磁針繞著導線轉(zhuǎn)動．這是一個多么了不起的發(fā)現(xiàn)呀！在這以前，已經(jīng)有許多科學家研究了自然界中的力，比如像萬有引力、靜電力和磁力，但是這些都表現(xiàn)為可以相互吸引的拉力，或者相互排斥的推力．而法拉第發(fā)現(xiàn)的力，是一種可以轉(zhuǎn)動的力，多么不可思議！ 然而，法拉第并沒有就此止步，因為只有當磁棒在線圈中作往復運動的時候，才有電流感應出來，而磁棒的運動一停止，電流也就隨之消失，他需要制造出穩(wěn)定的電源來．因為法拉第成天跟伏打電池打交道，很清楚它的缺點，伏打電池很笨重，要產(chǎn)生強大的電流，必須用許多伏打電池，而且制造、搬運都很麻煩．更糟的是，伏打電池用不了多久就要更換．要是能用電磁感應原理制造出永久的穩(wěn)定電源，那該多好！ 兩個月后，法拉第創(chuàng)造性地發(fā)明了變壓器和發(fā)電機．雖然這還都是實驗室的產(chǎn)物，還需要一個完善的過程，但這預告了電能夠大規(guī)模地產(chǎn)生，并且輸送到遙遠的地方．電將從實驗室走向工廠、礦山、農(nóng)村，走進每一個家庭. 1．發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象的科學家是(　　) A．安培　　　　　　　　 B．赫茲 C．法拉第 D．麥克斯韋 【答案】　C 2．一個閉合的線圈中沒有感應電流的原因可能是(　　) A．線圈周圍一定沒有磁場 B．線圈周圍雖然有磁場，但穿過線圈的磁通量太小 C．穿過線圈的磁通量沒有發(fā)生變化 D．穿過線圈的磁通量一定為零 【解析】　穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就產(chǎn)生感應電流，而不是看穿過線圈的磁通量是否為零，由于該線圈是閉合的，則沒有感應電流的原因一定是穿過線圈的磁通量沒有發(fā)生變化，所以C選項正確． 【答案】　C 3．閉合電路的一部分導線ab處于勻強磁場中，如圖4110中各情況下導線都在紙面內(nèi)運動，那么下列判斷中正確的是(　　) 圖4110 A．都會產(chǎn)生感應電流 B．都不會產(chǎn)生感應電流 C．甲、乙不會產(chǎn)生感應電流，丙、丁會產(chǎn)生感應電流 D．甲、丙會產(chǎn)生感應電流，乙、丁不會產(chǎn)生感應電流 【解析】　閉合電路的部分導線切割磁感線致使穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化時，閉合回路中產(chǎn)生感應電流． 【答案】　D 4．如圖4111所示，線框abcd從有界的勻強磁場區(qū)域穿過，下列說法中正確的是(　　) 【導學號：31870029】 圖4111 A．進入勻強磁場區(qū)域的過程中，abcd中有感應電流 B．在勻強磁場中加速運動時，abcd中有感應電流 C．在勻強磁場中勻速運動時，abcd中沒有感應電流 D．離開勻強磁場區(qū)域的過程中，abcd中沒有感應電流 【解析】　在有界的勻強磁場中，常常需要考慮線框進場、出場和在場中運動的情況，abcd在勻強磁場中無論勻速還是加速運動，穿過abcd的磁通量都沒有發(fā)生變化． 【答案】　AC 學業(yè)達標測評(十一) (建議用時：45分鐘) 1．關(guān)于產(chǎn)生感應電流的條件，下列說法中正確的是(　　) A．只要閉合電路在磁場中運動，閉合電路中就一定有感應電流 B．只要閉合電路中有磁通量，閉合電路中就有感應電流 C．只要導體做切割磁感線運動，就有感應電流產(chǎn)生 D．只要穿過閉合電路的磁感線條數(shù)發(fā)生變化，閉合電路中就有感應電流 【解析】　只有穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時，才會產(chǎn)生感應電流，D正確． 【答案】　D 2．如圖4112所示，導線ab和cd互相平行，則下列四種情況下導線cd中無電流的是(　　) 圖4112 A．開關(guān)S閉合或斷開的瞬間 B．開關(guān)S是閉合的，但滑動觸頭向左滑 C．開關(guān)S是閉合的，但滑動觸頭向右滑 D．開關(guān)S始終閉合，滑動觸頭不動 【解析】　開關(guān)S閉合或斷開的瞬間、滑動變阻器觸頭向左或向右滑動時，導線ab中的電流都會變化，穿過由導線cd和電流計組成的回路的磁通量發(fā)生變化，導線cd中均有感應電流產(chǎn)生．開關(guān)S閉合，滑動觸頭不動時，ab中的電流不變，穿過回路的磁通量不變，沒有感應電流產(chǎn)生．故應選D. 【答案】　D 3．恒定的勻強磁場中有一圓形的閉合導體線圈，線圈平面垂直于磁場方向，當線圈在此磁場中做下列哪種運動時，線圈中能產(chǎn)生感應電流(　　) A．線圈沿自身所在的平面做勻速運動 B．線圈沿自身所在平面做加速運動 C．線圈繞任意一條直徑做勻速轉(zhuǎn)動 D．線圈繞任意一條直徑做變速轉(zhuǎn)動 【解析】　線圈沿自身所在平面無論做勻速還是加速運動，穿過線圈的磁通量都不變，而繞任意一條直徑運動時，磁通量會發(fā)生變化，故A、B不正確，C、D正確． 【答案】　CD 4．如圖4113所示，將一個矩形線圈ABCD放在勻強磁場中，若線圈平面平行于磁感線，則下列運動中，哪些能在線圈中產(chǎn)生感應電流(　　) 圖4113 A．線圈平行于磁感線平移 B．線圈垂直于磁感線平移 C．線圈繞AD邊轉(zhuǎn)動 D．線圈繞AB邊轉(zhuǎn)動 【解析】　無論線圈平行或垂直于磁感線平移，還是繞AB邊轉(zhuǎn)動，穿過線圈的磁通量始終為零，不發(fā)生變化；故A、B、D均不對；線圈繞AD邊轉(zhuǎn)動時，穿過線圈的磁通量不斷變化，有感應電流產(chǎn)生．故選項C正確． 【答案】　C 5.如圖4114所示，一有限范圍的勻強磁場的寬度為d，將一邊長為l的正方形導線框由磁場邊緣以速度v勻速地通過磁場區(qū)域，若d>l，則在線框通過磁場區(qū)域的過程中，不產(chǎn)生感應電流的時間為(　　) 【導學號：31870030】 圖4114 A.　　　　　　 B． C. D. 【解析】　線框完全進入磁場后，磁通量不變化，線框中無感應電流，當線框離開磁場時，磁通量減少，又會產(chǎn)生感應電流，故不產(chǎn)生感應電流的距離為d－l，時間為t＝. 【答案】　C 6．如圖4115所示，條形磁鐵的上方放置一矩形線框，線框平面水平且與條形磁鐵平行，則線框在由N端勻速平移到S端的過程中，線框中的感應電流的情況是(　　) 圖4115 A．線框中始終無感應電流 B．線框中始終有感應電流 C．線框中開始有感應電流，當線框運動到磁鐵中部上方時無感應電流，以后又有了感應電流 D．線框中開始無感應電流，當線框運動到磁鐵中部上方時有感應電流，以后又沒有感應電流 【解析】　勻速平移過程中，穿過線框的磁通量始終在變化． 【答案】　B 7．如圖4116中的小線圈與滑動變阻器、電源、開關(guān)組成電路，而大線圈則與電流計組成閉合電路．下列能使電流計的指針偏轉(zhuǎn)的是(　　) 圖4116 A．閉合開關(guān)后，將小線圈插入大線圈的過程中 B．小線圈放在大線圈中，閉合開關(guān)后，將小線圈拔出的過程中 C．小線圈放在大線圈中不動，開關(guān)閉合、斷開的瞬間 D．小線圈放在大線圈中不動，開關(guān)閉合，移動滑動變阻器的滑片時 【解析】　題中所述四種情況中都能使大線圈中的磁通量發(fā)生變化，都會產(chǎn)生感應電流，使電流計的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)． 【答案】　ABCD 8．如圖4117所示，閉合的矩形線圈abcd放在范圍足夠大的勻強磁場中，下列哪種情況下線圈中能產(chǎn)生感應電流(　　) 圖4117 A．線圈向左平移 B．線圈向上平移 C．線圈以ab為軸旋轉(zhuǎn) D．線圈不動 【解析】　產(chǎn)生感應電流的條件是穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化，符合題意的只有C選項． 【答案】　C 9.如圖4118所示的裝置，在下列各種情況中，能使懸掛在螺線管附近的銅質(zhì)閉合線圈A中產(chǎn)生感應電流的是(　　) 圖4118 A．開關(guān)S接通的瞬間 B．開關(guān)S接通后，電路中電流穩(wěn)定時 C．開關(guān)S接通后，滑動變阻器滑片滑動的瞬間 D．開關(guān)S斷開的瞬間 【解析】　開關(guān)S接通的瞬間，開關(guān)S接通后滑動變阻器滑片滑動的瞬間，開關(guān)S斷開的瞬間，都使螺線管線圈中的電流變化而引起磁場變化，線圈A中的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應電流． 【答案】　ACD 10．如圖4119所示，通電直導線垂直穿過閉合圓形線圈的中心，下面哪個說法正確(　　) 圖4119 A．當導線中電流增大時，線圈中有感應電流 B．當線圈在垂直于導線的平面內(nèi)左右平動時，線圈中有感應電流 C．當線圈上下平動時，線圈中有感應電流 D．以上各種情況下，線圈中都不會產(chǎn)生感應電流 【解析】　圓形線圈處在直線電流的磁場中，而直線電流磁場的磁感線是一些以導線上各點為圓心的同心圓，這些同心圓都在與導線垂直的平面上．因此，不論導線中的電流大小如何變化，穿過圓形線圈的磁通量始終為零，即穿過圓形線圈的磁通量不變，所以A選項是錯的．當線圈左右平動或上下平動時，同樣穿過線圈的磁通量始終為零，即穿過線圈的磁通量不變，所以B選項和C選項也是錯誤的． 【答案】　D 11．假如未來某一天中國的宇航員登上月球，想探測一下月球表面是否有磁場，他手邊有一只靈敏電流表和一個小線圈，則下列推斷正確的是(　　) A．直接將電流表放于月球表面，看是否有示數(shù)來判斷磁場的有無 B．將電流表與線圈組成閉合回路，使線圈沿某一方向運動，如電流表無示數(shù)，則可判斷月球表面無磁場 C．將電流表與線圈組成閉合回路，使線圈沿某一方向轉(zhuǎn)動，如電流表有示數(shù)，則可判斷月球表面有磁場 D．將電流表與線圈組成閉合回路，使線圈在某一平面內(nèi)沿各個方向運動，如電流表無示數(shù)，則可判斷月球表面無磁場 【解析】　要使線圈中形成感應電流，電流表有示數(shù)，則必須使電流表和線圈構(gòu)成閉合電路，A錯誤；若線圈沿某一方向運動，電流表無示數(shù)，則不能判斷月球表面無磁場，比如線圈平行于磁場方向運動時，線圈中則無電流形成，但若電流表有示數(shù)，則可判斷月球表面有磁場，C正確，B、D均錯誤． 【答案】　C 12．如圖4120所示，一個矩形線圈與兩條通有相同大小電流的平行直導線同一平面，而且處在兩導線的中央，則(　　) 圖4120 A．兩電流同向時，穿過線圈的磁通量為零 B．兩電流反向時，穿過線圈的磁通量為零 C．兩電流同向或反向時，穿過線圈的磁通量都相等 D．因兩電流產(chǎn)生的磁場是不均勻的，因此不能判斷穿過線圈的磁通量是否為零 【解析】　兩電流同向時，由安培定則可知兩電流在線圈處的磁場方向相反，由對稱性得兩電流在線圈中磁通量大小相等，所以穿過線圈的磁通量為零，當兩電流反向時穿過線圈的磁通量不為零，只有選項A正確． 【答案】　A