高中物理人教版特色专题营第5讲楞次定律《讲义教师版》文档格式.docx
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安培力F斜向前,在这个力的作用下,此点将顺时针转动(从右往左看)将这个力分解为水平向前的分力和指向圆心的分力,在这两个力的作用下,环将向右运动且有缩小的趋势,因此环受到安培力作用下会向右运动。
情境导入
电磁学中也有惯性吗?
知识精讲
探究电磁感应的产生条件
知识讲解
一、感应电流的产生
1.奥斯特实验的启迪
1820年,奥斯特从实验中发现了电流的磁效应,启迪人们去探究是不是存在磁产生电.
2.电磁感应现象的发现
1831年,英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象,产生的电流叫做感应电流.他把“磁生电”的现象分为五类:
变化中的电流、变化中的磁场、运动中的恒定电流、运动中的磁铁、运动中的导线.
二、磁通量
1.定义:
闭合导体回路的面积与垂直穿过它的磁感应强度的乘积叫磁通量,符号为Φ.在数值上等于穿过投影面积的磁感线的条数.
2.公式:
Φ=BS.其中S为回路平面在垂直磁场方向上的投影面积,也称为有效面积.所以当回路平面与磁场方向之间的夹角为θ时,磁通量Φ=BSsinθ,如图所示.
3.单位:
韦伯,简称韦,符号Wb.
4.注意:
①磁通量是标量,但有正负之分.一般来说,如果磁感线从线圈的正面穿入,线圈的磁通量就为“+”,磁感线从线圈的反面穿入,线圈的磁通量就为“-”.②磁通量与线圈的匝数无关.
三、磁通量的变化量ΔΦ
1.当B不变,有效面积S变化时,ΔΦ=B·
ΔS.
2.当B变化,S不变时,ΔΦ=ΔB·
S.
3.B和S同时变化,则ΔΦ=Φ2-Φ1,但此时需注意方向
四、感应电流产生的条件
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
无
闭合电路包围的面积变化时,电路中有电流产生;
包围的面积不变时,电路中无电流产生
导体棒平行
磁感线运动
导体棒切割
有
2.探究磁铁在通电螺线管中运动是否产生电流(如图所示):
N极插入线圈
线圈中的磁场变化时,线圈中有感应电流;
线圈中的磁场不变时,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
3.产生感应电流的条件:
穿过闭合电路的磁通量发生变化.
4.特例:
闭合电路的一部分导体在磁场内做切割磁感线运动.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,导体是真“切割”,而图丙中,导体没有切割磁感线.
是否仅是闭合电路的一部分导体在磁场内做切割磁感线运动,如图丁.如果由切割不容易判断,则要回归到磁通量是否变化上去.
例题精讲
例1.
如图所示,将水平金属导轨、可沿导轨移动的垂直导轨的金属棒放在磁场中,和电流表组成闭合电路,下列几种操作,电流表中有电流的是( )
A.导体棒在磁场中不动时
B.导体棒做切割磁感线运动时
C.导体棒连同金属导轨平行于磁感线运动时
D.以上操作都没有电流产生
【答案】B
A、导体棒在磁场中不动时,磁通量没有变化,故没有电流产生,故A错误;
B、导体棒做切割磁感线运动时,回路中磁通量发生变化,故可以产生感应电流,故B正确;
C、导体棒连同金属导轨平行于磁感线运动时,回路中磁通量没有变化,故没有感应电流,故C错误;
D、因B正确,故D错误.
例2.
矩形线框abcd的两边长分别为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,如图所示,初位置时线框平面与B平行.求:
(1)初位置时穿过线框的磁通量Φ0为多少?
(2)当线框绕轴OO′沿图示方向转过60°
时,磁通量Φ为多少?
这一过程中磁通量的变化量ΔΦ为多少?
(1)0
(2)
Bl1l2
(1)线框在初始位置时,线框平面与磁场平行,有效面积为零,则Φ0=0.
(2)当线框绕轴OO′沿图示方向转过60°
时,线框与B的夹角为60°
,则:
Φ=B·
Ssin60°
=
BS=
Bl1l2ΔΦ=Φ-Φ0=
Bl1l2.
例3.
如图所示,框架的面积为S,匀强磁场的磁感应强度为B.试求:
(1)框架平面与磁感应强度B垂直时,穿过框架平面的磁通量为多少?
(2)若框架绕OO′转过60°
,则穿过框架平面的磁通量为多少?
(3)若从图示位置转过90°
,则穿过框架平面的磁通量的变化量为多少?
(4)若从图示位置转过180°
(1)BS
(2)
BS(3)-BS(4)-2BS
例4.
如图所示的线框,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,试求:
(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.
(1)BSsinθ-BScosθ
(2)-BS(cosθ+sinθ)
(1)解法一:
在初始位置,把线框平面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=BSsinθ.在末位置,把线框平面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.解法二:
如图所示,把磁感应强度B沿垂直于线框平面和平行于线框平面进行分解,得B上=Bsinθ,B左=Bcosθ
所以Φ1=B上S=BSsinθ,Φ2=-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;
当线框按顺时针方向转动时,穿过线框的磁通量减小,当转动θ时,穿过线框的磁通量减小为零,继续转动至90°
时,磁感线从另一面穿过,磁通量变为“负”值,Φ2=-BScosθ.所以,此过程中磁通量的变化量为
例5.
在研究电磁感应现象的实验中所用器材如图所示.它们是①电流表、②直流电源、③带铁芯的线圈A、④线圈B、⑤开关、⑥滑动变阻器(用来控制电流以改变磁场强弱).试按实验的要求在实物图上连线(图中已连好一根导线).
连接电路如图所示
例6.
(2021秋∙杭州月考)下列物体周围不存在着磁场的是( )
A.地球
B.通电导线
C.磁化后的钢片
D.精致的带电金属球
【答案】D
A、地球就是一个巨大的磁体,在它周围存在着磁场,即地磁场,
B、通电导体周围也存在着磁场,即电流周围存在磁场
C、钢条已被磁化时,在它周围会存在磁场,
D、带电金属球,周围存在电场,若果其没有运动,周围不会存在磁场
本题选物体周围不存在着磁场的,
例7.
(2021春∙金华月考)如图所示,一根条形磁铁,左端为S极,右端为N极。
下列表示从S极到N极磁性强弱变化情况的图象中正确的是( )
A.
B.
C.
D.
【答案】C
A.如图反应S极磁性最强,N极磁性最弱,故A错误;
BD.如图反应S极磁性最弱,N极磁性最强,故BD错误;
C.图中反应S和N两极磁性最强,中间磁性最弱,故C正确;
楞次定律
楞次定律
1、内容:
感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化.
2、适用情况:
所有的电磁感应现象.
3、右手定则
①内容:
伸开右手,使拇指与其余四个手指垂直,并且都与手掌在同一个平面内,让磁感线从掌心进入,并使拇指指向导体运动的方向,这时四指所指的方向就是感应电流的方向.
②适用情况:
导体切割磁感线产生感应电流.
4、深入理解
(1)安培定则、左手定则、右手定则、楞次定律应用于不同的现象:
基本现象
应用的定则或定律
运动电荷、电流产生的磁场
安培定则
磁场对运动电荷、电流的作用(安培力)
左手定则
电磁感应
部分导体做切割磁感线运动
右手定则
闭合电路磁通量变化
(2)右手定则与左手定则区别:
抓住“因果关系”分析才能无误.
“因电而动”——用左手,“力”字的最后一笔向左钩,可以联想到左手定则用来判断安培力.
“因动而电”——用右手;
“电”字的最后一笔向向右钩,可以联想到右手定则用来判断感应电流方向.
(3)楞次定律中的因果关联
楞次定律所揭示的电磁感应过程中有两个最基本的因果联系,一是感应磁场与原磁场磁通量变化之间的阻碍与被阻碍的关系,二是感应电流与感应磁场间的产生和被产生的关系.抓住“阻碍”和“产生”这两个因果关联点是应用楞次定律解决物理问题的关键.
(4)运用楞次定律处理问题的思路
★判断感应电流方向类问题的思路
运用楞次定律判定感应电流方向的基本思路可归结为:
“一原、二感、三电流”,即为:
①明确原磁场:
弄清原磁场的方向及磁通量的变化情况.
②确定感应磁场:
即根据楞次定律中的"
阻碍"
原则,结合原磁场磁通量变化情况,确定出感应电流产生的感应磁场的方向:
原磁通量增加,则感应磁场与原磁场方向相反;
原磁通量减少,则感应磁场与原磁场方向相同——“增反减同”.
③判定电流方向:
即根据感应磁场的方向,运用安培定则判断出感应电流方向.
(4)楞次定律中“阻碍”的含义
楞次定律中“阻碍”的含义可以推广为:
感应电流的效果总是阻碍引起感应电流的原因。
列表说明如下:
(2021春∙平潭县校级月考)如图所示,通电直导线与线圈abcd在同一平面内,且通电直导线电流方向竖直向上,则( )
A.线圈向右平动时,感应电流沿adcb方向
B.线圈竖直向下平动,则无感应电流
C.线圈以ab边为轴转动,则无感应电流
D.线圈沿垂直纸面方向远离导线,则产生的感应电流沿abcd方向
【答案】BD
A、若线圈向右平动,穿过线圈的磁通量减少,根据楞次定律可知,感应电流方向是a→b→c→d,故A错误;
B、若线圈竖直向下平动,穿过线圈的磁通量不变,无感应电流产生,故B正确;
C、当线圈从图示位置以ab边为轴转动时,穿过线圈的磁场发生变化,根据楞次定律可知,会产生感应电流,故C错误;
D、当线圈沿垂直纸面方向远离导线时,穿过线圈的磁场减小,根据楞次定律可知,产生感应电流为顺时针方向,即沿abcd方向,故D正确;
(2021春∙东湖区校级期中)某实验小组用如图所示的实验装置来验证楞次定律,当条形磁铁自上而下穿过固定的线圈时( )
A.N极从上向下靠近线圈时,将受到线圈的排斥力
B.S极从上向下远离线圈时,将受到线圈的排斥力
C.通过电流表的感应电流方向是先a→
→b,后b→
→a
D.通过电流表的感应电流方向是先b→
→a,后a→
→b
【答案】AD
A、根据楞次定律可知,当N极从上向下靠近线圈时,线圈内产生的感应电流的对条形磁铁的运动有阻碍作用,可知条形磁铁将受到线圈的排斥力,故A正确,
B、根据楞次定律可知,当S极从上向下远离线圈时,线圈内产生的感应电流的对条形磁铁的运动有阻碍作用,可知条形磁铁将受到线圈的吸引力,故B错误;
CD、当条形磁铁沿固定线圈的中轴线自上至下经过固定线圈时,穿过线圈的磁通量向下,且先增加后减小,根据楞次定律,感应电流的磁场总是阻碍磁通量的变化,故感应电流的磁场先向上后向下,故感应电流先逆时针后顺时针(俯视),即先b→G→a,后a→G→b,故C错误,D正确。
(2021春∙定远县月考)磁悬浮高速列车在我国上海已投入正式运行。
如图所示就是磁悬浮的原理,图中A是圆柱形磁铁,B是用高温超导材料制成的超导圆环。
将超导圆环B水平放在磁铁A上,它就能在磁力的作用下悬浮在磁铁A的上方空中,则( )
A.在B放入磁场的过程中,B中将产生感应电流;
当稳定后,感应电流消失
B.在B放入磁场的过程中,B中将产生感应电流;
当稳定后,感应电流仍存在
C.若A的N极朝上,B中感应电流的方向为顺时针方向
D.若A的N极朝上,B中感应电流的方向为逆时针方向
【答案】BC
AB、在B放入磁场的过程中,根据楞次定律不难判断出B中会产生感应电流,而因为B是超导体没有电阻,故即使B稳定后电磁感应现象消失B中的电流也不会消失,故A错误,B正确;
CD、根据楞次定律可知,如A的N极朝上,放入线圈时,线圈中的磁通量向上增大,则感应电流的磁场应向下,B中感应电流方向从上向下看应为顺时针,故C正确,D错误;
(2021春∙浦东新区校级期中)验证“楞次定律实验”采用的主要方法是通过______(填“归纳总结”、“理想模型”、“假设推理”)得出结论:
感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的___________。
归纳总结,原磁场磁通量的变化
验证“楞次定律实验”采用的主要方法是通过归纳总结得出结论;
感应电流的磁场,而是阻碍引起感应电流原磁场磁通量的变化,不是阻碍原磁场的变化;
(2021春∙博望区校级期中)如图所示,线圈丙端与电阻相连构成闭合回路,在线圈上方有一坚直放置的条形磁铁,磁铁的S极朝下。
在将磁铁的S极插入线圈的过程中,通过电阻的感应电流的方向为_____(a→b,b→a)线圈与磁铁相互____(“吸引”、“排斥”)。
b→a;
排斥
当磁铁向下运动时,穿过线圈的磁通量变大,原磁场方向向上,所以感应磁场方向向下,根据右手螺旋定则,拇指表示感应磁场的方向,四指弯曲的方向表示感应电流的方向,即通过电阻的电流方向为b→a。
根据楞次定律“来拒去留”可判断线圈对磁铁的作用是阻碍作用,故磁铁与线圈相互排斥。
综上所述:
线圈中感应电流的方向为电阻的电流方向为b→a,磁铁与线圈相互排斥。
当堂练习
多选题
(2021∙揭阳一模)如图所示,一根长导线弯曲成“π”形,通以直流电I,正中间用绝缘线悬挂一金属环C,环与导线处于同一竖直平面内。
在电流I增大的过程中,下列判断正确的是( )
A.金属环中无感应电流产生
B.金属环中有逆时针方向的感应电流
C.悬挂金属环C的竖直线的拉力大于环的重力
D.悬挂金属环C的竖直线的拉力小于环的重力
AB、根据安培定则知,弯曲成“π”导线中电流的磁场方向为:
垂直纸面向里,且大小增加,由楞次定律可知,感应电流的方向为逆时针,故A错误,B正确;
CD、根据左手定则可知,安培力的方向指向圆心,由于弯曲成是“π”导线,所以金属环下边
圆弧没有安培力,因此导致挂环的拉力大于环的重力,但环仍处于静止状态,故C正确,D错误,
当堂总结
出门测
(2021∙海淀区模拟)法拉第最初发现电磁感应现象的实验如图所示。
软铁环上绕有M、N两个线圈,当M线圈电路中的开关断开的瞬间,以下说法正确的是( )
A.线圈N中的磁通量正在增加
B.线圈N中的磁通量正在减少
C.通过电流表G的电流方向为a→b
D.通过电流表G的电流方向为b→a
根据安培定则可知,原线圈产生的磁场是按顺时针方向通过原副线圈的,当M线圈电路中的开关断开的瞬间,M线圈磁通量减少,而变压器原副线圈的磁通量的变化是相同的,则线圈N中的磁通量也在向下减少,根据楞次定律知N中产生感应电流,感应电流磁场的方向向下,所以通过电流表G的电流方向为a→b,故BC正确,AD错误;
B.S极从上向下远离线圈
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