高三物理电磁感应现象右手定则楞次定律及其应用自感现象 知识精讲.docx
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高三物理电磁感应现象右手定则楞次定律及其应用自感现象知识精讲
高三物理电磁感应现象、右手定则、楞次定律及其应用、自感现象知识精讲
【本讲主要内容】
电磁感应现象、右手定则、楞次定律及其应用、自感现象
【知识掌握】
【知识点精析】
一.电磁感应现象:
1.磁通量
(1)概念:
穿过某一面积的磁感线条数,是标量。
(2)公式:
,其中α是B与S的夹角:
当S∥B时,
=0;当S⊥B时,
=B·S。
(3)单位:
韦伯(Wb),1Wb=1T·m2
(4)合磁通:
若通过一个回路中有方向相反的磁场,则不能直接用公式
求
,应考虑相反方向抵消以外剩余的磁通量,亦即此时的磁通是合磁通。
2.产生感应电流的条件:
①穿过闭合回路的磁通量发生变化。
②若电路不闭合,即使有感应电动势,也没有感应电流。
③导致磁通量变化的情况有:
磁感应强度B变化;回路面积变化;线圈在磁场中转动等。
二.感应电流方向的判定:
1.右手定则:
伸开右手,让大姆指跟其余四指垂直,并且都跟手掌在同一平面内,让磁感线垂直或斜着穿入手心,大姆指指向导体运动方向,其余四指所指的方向就是感应电流的方向。
(适用情景:
部分导体切割磁感线运动。
)
2.楞次定律:
(1)内容:
感应电流具有这样的方向,就是感应电流产生的磁场,总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
(适用情景:
一切电磁感应现象。
)
(2)理解:
I:
楞次定律“阻碍”二字含有四层意思:
①谁阻碍谁?
②阻碍什么?
③如何阻碍?
④结果如何?
II:
感应电流与原磁通量变化关系如下图:
(3)楞次定律的应用步骤
①明确所研究的闭合路,判断原磁场方向→②判断闭合回路内原磁通量的变化→③由楞次定律判断感应电流的磁场方向→④由安培定则根据感应电流的磁场方向判断感应电流的方向
三、楞次定律的推广含义:
1.阻碍原磁通的变化:
2.阻碍(导体与磁体间、或导体间的)相对运动;(“来拒去留”)
3.阻碍原电流变化。
(自感现象)
自感:
通过线圈(导体)的电流发生变化时,穿过线圈的磁通量就发生变化,线圈本身就感应出感应电动势(若电路闭合,就产生感应电流,使通过线圈的电流不能突变),这个自感电动势(或自感电流)总是阻碍原电流的变化。
例如:
①通电自感,如下图电路,当电键S闭合后,灯B立刻就亮。
而由于线圈的自感系数很大,灯A要逐渐变亮。
②断电自感:
电键S闭合,使电路中电流达到稳定状态,再断开S,由于自感现象,线圈中的电流只能缓慢变化,而断开S后,线圈L与灯泡D又构成闭合回路,所以会看到灯泡D过一会再灭。
【解题方法指导】
例1.如图所示,导线框abcd与导线在同一平面内,直导线通有恒定电流I,当线框由左向右匀速通过直导线时,线框中感应电流的方向是
A.先abcd,后dcba,再abcd
B.先abcd,后dcba
C.始终dcba
D.先dcba,后abcd,再dcba
E.先dcba,后abcd
解析:
先利用安培定则判断并画出通电直导线的磁感线分布,如图所示。
再分过程分析:
过程一:
线框在导线左边运动(cd边未跨过导线),穿出的原磁通变大,根据“增加反向”可判知感应电流方向为dcba。
过程二:
线框跨在导线两侧的过程,用两种方法判定
①用磁通量变化来判定:
在线圈跨越导线过程中,线圈左边部分磁通量穿出,而右边部分则穿入,我们用合磁通来判定。
当跨在导线左边的线圈面积大于右边面积时,合磁通是向外的且逐渐减小,为阻碍这个方向的磁通量减小,感应电流是沿abcd;当跨在导线右边的线圈面积大于左边面积时,合磁通向内逐渐增大,为阻碍向内的磁通增大,感应电流方向应沿abcd。
②用切割磁感线来判定:
在线圈跨越导线的过程中,用右手定则可得,cd边的感应电动势向上,ab边的感应电动势向下,而ad、bc边不切割磁感线,没有感应电动势产生,因此cd和ab边产生的感应电动势叠加起来使线圈的感应电流的方向是沿abcd。
过程三:
ab边跨过导线后,向里的磁通量减小,根据“减少同向”知:
感应电流方向为dcba。
答案:
D。
点拨:
右手定则是楞次定律在特殊情况下,即导线做切割磁感线运动时,判断感应电流的方向(或感应电动势方向)的一种方法。
右手定则与楞次定律的区别与联系:
①研究对象的区别:
楞次定律研究的是整个闭合回路,右手定则研究的是闭合回路的一部分导体;②适用范围的区别:
楞次定律可应用于由磁通量变化引起感应电流的各种情况。
右手定则只适用于导体切割磁感线的问题;③联系:
右手定则和楞次定律是判断感应电流方向的两种方式,尽管表述不同,但本质是一致的,右手定则可看作是楞次定律的一个特例。
例2.如图所示,一闭合的铜环从静止开始由高处下落通过条形磁铁后继续下落,空气阻力不计,则在圆环的运动过程中,下列说法正确的是()
A.在磁铁的上方时,圆环的加速度小于g,在下方时大于g
B.圆环在磁铁的上方时,加速度小于g,在下方时也小于g
C.圆环在磁铁的上方时,加速度小于g,在下方时等于g
D.圆环在磁铁的上方时,加速度大于g,在下方时小于g
解析:
根据楞次定律的推广含义②来判定:
感应电流总是阻碍导体间的相对运动,意思是:
总是阻碍导体间的距离变化。
因此圆环在磁铁的上方下落时,磁场力总是阻碍圆环下落,即a<g;而下落到磁铁的下方时,由于圆环与磁铁的距离增大,磁场力要阻碍它向下距离增大,因此a<g。
答案:
B。
点拨:
①此题也可以利用楞次定律直接来判断感应电流,再判断磁铁受到的磁场力,进而判断加速度,判断结果一定与用楞次定律的推广含义得出的结果一致。
②一般地凡由于外界因素而先使导体运动,进而产生感应电流的,都可用“阻碍导体间相对运动”来判定。
可简记为“来拒去留”。
例3.如图所示的电路,D1和D2是两个相同的小电珠,L是一个自感系数相当大的线圈,其电阻RL与R相同,由于存在自感现象,在电键S接通和断开时,灯泡D1和D2先后亮暗的次序是()
A.接通时D1先达最亮,断开时D1后暗
B.接通时D2先达最亮,断开时D2后暗
C.接通时D1先达最亮,断开时D1先暗
D.接通时D2先达最亮,断开时D2先暗
解析:
当电键S接通时,D1和D2应该同时亮,但由于自感现象的存在,流过线圈的电流由零变大时,线圈上产生自感电动势的方向是左边正极,右边负极,使通过线圈的电流从零开始慢慢增加,所以开始瞬时电流几乎全部从D1通过,而该电流又将同时分路通过D2和R,所以D1先达最亮,经过一段时间电路稳定后,因为两灯电阻相等,且RL=R,所以I1=I2,且IL=IR,故D1和D2达到一样亮。
当电键S断开时,电源电流立即为零,因此D2立刻熄灭,而对D1,由于通过线圈的电流突然减弱,线圈中产生自感电动势(右端为正极,左端为负极),使线圈L和D1组成的闭合电路中有感应电流,所以D1后灭。
点拨:
分析自感现象,关键是分清电流的变化,确定自感电动势及感应电流的方向及怎样阻碍电流的变化。
【考点突破】
【考点指要】
在近几年的高考中,关于本部分知识的考查,常以选择题或者综合题中的一个知识点出现,分值大约占6分左右。
考查层次也多属基础知识和基本技能的考查。
但是,题目常常与生产和科研相结合,推陈出新,设计出新颖的题目。
要想能完好地答出题目,必须能够灵活地驾驭基础知识。
因此要求复习时多抓基础,积累方法。
【典型例题分析】
例4.(2005·上海)如图所示,A是长直密绕通电螺线管。
小线圈B与电流表连接,并沿A的轴线Ox从O点自左向右匀速穿过螺线管A。
能正确反映通过电流表中电流I随x变化规律的是()
ABCD
本题考查的知识点:
产生感应电流的条件,螺线管的磁感线分布、楞次定律等。
解析:
通电螺线管产生稳定的磁场,磁场特征为:
两极附近最强且不均匀,管内场强似匀强,当小线圈穿越两极时,因磁场均匀,故穿过小线圈的磁通量发生变化,产生感应电流,且因磁场的变化方向不同,故在小线圈中感应方向相反的电流,小线圈在螺线管内部运动时,因穿越区域的磁感应强度不变,小线圈中没有感应电流产生。
故C项正确。
评述:
解答本题时,应结合题目的过程情景和选项来判断,考生得分率较高。
但有些考生不能很好地做题,大致有以下两个原因:
①对通电螺线管的磁感线分布不清楚,不能准确判断穿过小线圈的磁通量变化情况。
②没有抓住问题的关键——判断感应电流的有无及方向。
例5.(2006·广东)如图所示,用一根长为L质量不计的细杆与一个上弧长为l0、下弧长为d0的金属线框的中点联结并悬挂于O点,悬点正下方存在一个上弧长为2l0、下弧长为2d0的方向垂直纸面向里的匀强磁场,且
,先将线框拉开到如图所示位置,松手后让线框进入磁场,忽略空气阻力和摩擦,下列说法正确的是()
A.金属线框进入磁场时感应电流的方向为a→b→c→d→a
B.金属线框离开磁场时感应电流的方向为a→d→c→b→a
C.金属线框dc边进入磁场与ab边离开磁场的速度大小总是相等
D.金属线框最终将在磁场内做简谐运动
本题考查的知识点:
楞次定律及其应用。
解析:
线框在进入磁场过程中,由楞次定律可判得电流方向为a→d→c→b→a。
而摆出磁场过程中同样由楞次定律可判得电流方向为a→b→c→d→a,所以A、B项均错误。
根据楞次定律的推广含义,线框在进入磁场过程中和摆出磁场过程中,均会受到安培阻力的作用,线框ab边离开磁场时的速度大小小于dc边进入时的速度大小,故C项错误。
线框最终在磁场的摆动过程中,由于磁通量不再发生变化,回路中不再产生感应电流,没有机械能损失,在磁场内做简谐运动。
答案:
D。
评述:
本题要求灵活运用楞次定律分析问题,难度不大。
但有些考生,由于楞次定律掌握不牢,左、右手定则运用不当而出错。
这就要求在复习时,弄清运用楞次定律的基本思路后加强训练。
【达标测试】
1.如图所示,矩形线框abcd放置在水平面内,磁场方向与水平方向成α角,已知sinα=4/5,回路面积为S,匀强磁场磁感强度为B,则穿过线框的磁通量为()
A.BSB.4BS/5C.3BS/5D.3BS/4
2.线圈在长直导线电流的磁场中,作如图中的运动:
A向右平动,B向下平动,C绕轴转动(ad边向外),D从纸面向纸外作平动,E向上平动(E线圈有个缺口),线圈中有感应电流的是()(填代号)。
3.如图所示,闭合线框沿垂直于磁场方向放置在匀强磁场中,将它从匀强磁场中匀速拉出,以下说法正确的是()
A.向左或向右拉出时,线框中感应电流方向相反
B.向左或向右拉出时,线框中感应电流都是顺时针方向
C.向左或向右拉出时,线框中感应电流都是逆时针方向
D.线框全部在磁场中运动时,也有感应电流
4.如图所示,条形磁铁水平放置,一线框在条形磁铁正上方且线框平面与磁铁平行,线框由N端匀速移到S端的过程中,判断下列说法正确的是()
A.线圈中无感应电流
B.线圈感应电流的方向是abcd
C.线圈中感应电流方向是先abcd再dcba
D.线圈中感应电流方向是先dcba再abcd
5.有一放于光滑水平面的闭合软导线圈,形状如图所示,当条形磁铁向上运动时,下列说法正确的是()
A.导线圈逐渐变成圆形
B.导线圈面积减小
C.导线圈形状不变
D.因磁感线方向未知,故不能判断导线圈形状如何变化
6.如图所示,铝环套在一根无限长的光滑杆上,将一条形磁铁向左插入铝环(未穿出)的过程中,环的运动情况是()
A.向右运动B.静止
C.向左运动D.不能判定
7.如图所示,金属矩形线框abcd用细线悬挂在蹄形磁铁中央,磁铁可绕OO'轴转动(从上向下看是逆时针转动),则当磁铁转动时,从上往下看,线框abcd的运动情况是
A.顺时针转动B.逆时针转动
C.向外平动D.向里平动
8.如图所示,闭合金属环从高h的曲面滚下,又沿曲面的另一侧上升,设闭合环初速为零,摩擦不计,则()
A.若是匀强磁场,环滚上的高度小于h
B.若是匀强磁场,环滚上的高度等于h
C.若是非匀强磁场,环滚上的高度等于h
D.若是非匀强磁场,环滚上的高度小于h
9.如图所示,金属球(铜球)下端有通电的线圈,今把小球拉离平衡位置后释放,此后关于小球的运动情况是(不计空气阻力)()
A.做等幅振动B.做阻尼振动
C.振幅不断增大D.无法判定
10.如图为两组同心闭合线圈的俯视图,若内线圈通有图示的I1方向的电流,则当I1增大时外线圈中的感应电流I2的方向及I2受到安培力F的方向分别是()
A.I2顺时针方向,F沿半径指向圆心
B.I2顺时针方向,F沿半径背离圆心向外
C.I2逆时针方向,F沿半径指向圆心
D.I2逆时针方向,F沿半径背离圆心向外
11.如图所示,通电螺线管与电源相连,与螺线管同一轴线上套有三个轻质闭合铝环,B在螺线管中央,A、C位置如图所示,当S闭合时(本题忽略三环中感应电流之间相互作用力)()
A.A向左、C向右运动,B不动B.A向右、C向左运动,B不动
C.A、B、C都向左运动D.A、B、C都向右运动
12.如图所示的电路,L为自感线圈,R是一个灯泡,以下判断中正确的是()
A.开关S接通的瞬间和断开的瞬间,电流的方向都是a→R→b
B.S接通的瞬间电流由a→R→b,S断开的瞬间电流由b→R→a
C.S接通的瞬间电流是由a→R→b,S断开的瞬间无电流;
D.S接通的瞬间和断开的瞬间灯泡中均无电流通过
13.如图所示,一个有界匀强磁场区域,磁场方向垂直纸面向外。
一个矩形闭合导线框abcd,沿纸面由位置1(左)匀速运动到位置2(右)。
则()
A.导线框进入磁场时,感应电流方向为a→b→c→d→a
B.导线框离开磁场时,感应电流方向为a→d→c→b→a
C.导线框离开磁场时,受到的安培力方向水平向右
D.导线框进入磁场时,受到的安培力方向水平向左
14.如图所示,闭合线圈上方有一竖直放置的条形磁铁;磁铁的N极朝下。
当磁铁向下运动时(但未插入线圈内部)()
A.线圈中感应电流的方向与图中箭头方向相同,磁铁与线圈相互吸引
B.线圈中感应电流的方向与图中箭头方向相同,磁铁与线圈相互排斥
C.线圈中感应电流的方向与图中箭头方向相反,磁铁与线圈相互吸引
D.线圈中感应电流的方向与图中箭头方向相反,磁铁与线圈相互排斥
【综合测试】
1.一平面线圈用细杆悬于P点,开始时细杆处于水平位置,释放后让它在如图所示的匀强磁场中运动。
已知线圈平面始终与纸面垂直,当线圈第一次通过位置I和位置II时,顺着磁场的方向看去,线圈中感应电流的方向分别为
A.逆时针方向(位置I)逆时针方向(位置II)
B.逆时针方向(位置I)顺时针方向(位置II)
C.顺时针方向(位置I)顺时针方向(位置II)
D.顺时针方向(位置I)逆时针方向(位置II)
2.如图所示,一水平放置的圆形通电线圈I固定,有另一个较小的线圈II从正上方下落,在下落过程中线圈II的平面保持与线圈I的平面平行且两圆心同在一竖直线上,则线圈II从正上方下落到穿过线圈I直至在下方运动的过程中,从上往下看线圈II()
A.无感应电流
B.有顺时针方向的感应电流
C.有先顺时针后逆时针的感应电流
D.有先逆时针后顺时针的感应电流
3.如图所示,在一固定圆柱形磁铁的N极附近放置一平面线圈abcd,磁铁轴线与线圈水平中心线xx'轴重合。
下列说法中正确的是()
A.当线圈刚沿xx'轴向右平移时,线圈中有感应电流,方向为adcba
B.当线圈刚绕xx'轴转动时(ad向外,bc向里),线圈中有感应电流,方向为abcda
C.当线圈刚沿垂直纸面方向向外平移时,线圈中有感应电流,方向为adcba
D.当线圈刚绕yy'轴转动时(ab向里,cd向外),线圈中有感应电流,方向为abcda
4.如图所示,光滑固定导轨,m、n水平放置,两根导体棒p、q平行放于导轨上,形成一个闭合回路,当一条形磁铁从高处下落接近回路时()
A.p、q将互相靠拢
B.p、q将互相远离
C.p、q保持静止
D.因磁铁的极性未知,故无法判断p、q运动方向。
5.如图所示,ab是一个可绕垂直于纸面的O轴转动的闭合矩形导线框,当滑线变阻器R的滑片P自左向右滑行时,线框ab将(从纸外向内看)()
A.保持静止不动
B.逆时针转动
C.顺时针转动
D.发生转动,但因电源极性不明,无法确定转动方向
6.如图所示,当导线ab在电阻不计的金属导轨上滑动时,线圈C向右摆动,则ab的运动情况是()
A.向左或向右做匀速运动B.向左或向右做减速运动
C.向左或向右做加速运动D.只能向右做匀加速运动
7.如图所示,一个有界匀强磁场区域,磁场方向垂直纸面向外,一个矩形闭合导线框abcd,沿纸面由位置1(左)匀速运动到位置2(右),则()
A.导线框进入磁场时,感应电流的方向为a→b→c→d→a
B.导线框离开磁场时,感应电流的方向为a→d→c→b→a
C.导线框离开磁场时,受到的安培力方向水平向右
D.导线框进入磁场时,受到的安培力方向水平向左
8.如图所示,MN是一根固定的通电长直导线,电流方向向上。
今将一金属线框abcd放在导线上,让线框的位置偏向导线的左边,两者彼此绝缘。
当导线中的电流突然增大时,线框整体受力情况为()
A.受力向右B.受力向左
C.受力向上D.受力为零
9.如图所示,通电螺线管置于闭合金属环a的轴线上,当螺线管中电流I减少时(a环在螺线管中央)()
A.a环有缩小的趋势B.a环有扩大的趋势
C.a环向左运动D.a环向右运动
E.螺线管有缩短趋势F.螺线管有伸长趋势
10.如图(a)所示电路中,S是闭合的,此时流过线圈L的电流为i1,流过灯泡A的电流为i2,且i1>i2。
在t1时刻将S断开,那么流过灯泡的电流随时间变化的图象是图(b)中的哪一个()?
11.如图所示(a)、(b)中,R和自感线圈L的电阻都很小,接通S,使电路达到稳定,灯泡A发光,下列说法正确的是()
A.在电路(a)中,断开S,A将渐渐变暗
B.在电路(a)中,断开S,A将先变得更亮,然后渐渐变暗
C.在电路(b)中,断开S,A将渐渐变暗
D.在电路(b)中,断开S,A将先变得更亮,然后渐渐变暗。
12.如图所示是一种延时开关。
当S1闭合时,电磁铁F将衔铁D吸下,将C线路接通。
当S1断开时,由于电磁感应作用,D将延迟一段时间才被释放。
则()
A.由于A线圈的电磁感应作用,才产生延时释放D的作用
B.由于B线圈的电磁感应作用,才产生延时释放D的作用
C.如果断开B线圈的电键S2,无延时作用
D.如果断开B线圈的电键S2,延时将变长
13.如图所示,A、B为大小、形状均相同且内壁光滑,但用不同材料制成的圆管,竖直固定在相同高度。
两个相同的磁性小球,同时从A、B管上端的管口无初速释放,穿过A管的小球比穿过B管的小球先落到地面。
下面对于两管的描述中可能正确的是()
A.A管是用塑料制成的,B管是用铜制成的
B.A管是用铝制成的,B管是用胶木制成的
C.A管是用胶木制成的,B管是用塑料制成的
D.A管是用胶木制成的,B管是用铝制成的
14.如图所示,AOC是光滑的金属轨道,AO沿竖直方向,OC是沿水平方向,PQ是一根金属直杆如图立在导轨上(接近竖直),直杆从图示位置由静止开始在重力作用下运动,运动过程中Q端始终在OC上,P端始终在AO上,直到完全落在OC上,空间存在着垂直纸面向外的匀强磁场。
在PQ棒滑动的过程中,下列判断正确的是()
A.杆中感应电流的方向始终是由P→Q
B.杆中感应电流的方向先是由P→Q,再是Q→P
C.PQ受磁场力的方向垂直于棒向左
D.PQ受磁场力的方向先垂直于棒向左,后垂直于棒向右
【达标测试答案】
1.B
解析:
穿过线框的磁通量:
。
2.BCD
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。
因此,E中一定无感应电流。
长直导线电流产生的磁场如图所示,且都是以导线为圆心的闭合圆周曲线,所以B、C、D中的磁通量变化。
3.B
解析:
当把线圈拉出时,线圈中的磁通量减少,根据楞次定律可知,感应电流的磁场应与原磁场方向相同。
利用右手螺旋定则可判断出感应电流的方向为顺时针。
B项正确。
线框全部在磁场中运动时,磁通量不改变,没有感应电流产生。
4.B
解析:
由条形磁铁的磁感线分布特点知道,在线框运动过程中,穿过线圈的磁通量变化情况是:
从N极到中点,斜向上穿,在逐渐减少;从中点到S极,斜向下穿,在逐渐增加。
由楞次定律可推知,感应电流的磁场应该向上穿过线圈,利用安培定则可判断出感应电流的方向始终为abcda。
5.A
解析:
磁铁向上运动时,穿过线圈的磁通量在减小。
根据楞次定律的推广含义,线圈的运动(或变化)应该阻碍原磁通量的减小,线圈面积应该变大。
故答案为A。
6.C
解析:
由楞次定律的推广含义,“阻碍导体与磁体间的相对运动”,故铝环向左运动。
7.B
解析:
根据楞次定律的推广含义“阻碍导体与磁体间的相对运动”,故线框与磁铁同方向转动。
8.BD
解析:
若是匀强磁场,环在运动过程中磁通量不变,无感应电流,不受安培力作用,机械能守恒,故B对A错。
若是非匀强磁场,环在运动过程中磁通量一定会发生变化,就会产生感应电动势、感应电流,受到安培力作用。
根据楞次定律的推广含义知,安培力一定阻碍线圈相对磁场的运动,做负功,使线圈机械能减少,因此C错、D对。
9.B
解析:
通电螺线管的上方有不均匀的磁场。
小金属球可以看作一圈一圈的闭合回路。
当它上下运动时,都会受到安培阻力的作用。
所以小球做阻尼振动。
10.D
解析:
当I1增大时,穿过外线圈的合磁通向里且增大,I2在线圈内的磁场应该向外穿,由安培定则可判断出I2的方向是逆时针方向。
根据楞次定律的推广含义“阻碍原磁通量的变化”,外线圈在安培力作用下有向阻碍合磁通增多的方向运动趋势,即,向外运动趋势,因此,F沿半径背离圆心向外。
11.A
解析:
根据楞次定律的推广含义,环运动方向应阻碍原磁通量的增多。
故A选项正确。
12.B
解析:
开关S接通瞬间,由电源给灯泡供电,电流方向为由a→R→b。
电路稳定后,流过线圈的电流方向也是自左向右。
断开S的瞬间,由于自感现象,线圈中的电流只能逐渐减小,该电流由b→R→a流经与线圈构成回路的灯泡支路。
13.D
解析:
据楞次定律可知A、B错,据安培定则可得出C错,D正确。
14.B
解析:
由楞次定律和安培定则可判断出感应电流的方向如题图所示,由楞次定律知感应电流的磁场要阻碍磁通量的增加,所以线圈对磁铁
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