课堂新坐标学年高中物理第2章楞次定律和自感现象第1节感应电流的方向.docx
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课堂新坐标学年高中物理第2章楞次定律和自感现象第1节感应电流的方向
第1节 感应电流的方向
学习目标
知识脉络
1.通过实验探究感应电流的方向,理解楞次定律的内容.(重点)
2.理解右手定则与楞次定律的关系;能区别右手定则和左手定则.(重点、难点)
3.能从能量守恒的角度来理解楞次定律.
4.会应用楞次定律和右手定则解决有关问题(重点)
探究感应电流的方向 楞次定律
1.实验探究
将螺线管与电流表组成闭合回路,分别将条形磁铁的N极、S极插入、抽出螺线管,如图所示,记录感应电流方向.
甲 乙 丙 丁
图211
2.实验记录
(1)线圈内磁通量增加时的情况.
图号
磁场方向
感应电流的方向(俯视)
感应电流的磁场方向
归纳总结
甲
向下
逆时针
向上
感应电流的磁场阻碍磁通量的增加
丙
向上
顺时针
向下
(2)线圈内磁通量减少时的情况.
图号
磁场方向
感应电流方向(俯视)
感应电流的磁场方向
归纳总结
乙
向下
顺时针
向下
感应电流的磁场阻碍磁通量的减少
丁
向上
逆时针
向上
3.实验结论
当穿过螺线管的磁通量增加时,感应电流的磁场与原磁场的方向相反;当穿过螺线管的磁通量减少时,感应电流的磁场与原磁场的方向相同.
4.楞次定律
感应电流具有这样的方向,即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化.(另一种表述:
感应电流引起的效果总是阻碍引起感应电流的原因).
1.在楞次定律中,阻碍的是磁通量的变化,而不是阻碍磁通量本身.(√)
2.感应电流的磁场总是阻碍磁通量,与磁通量方向相反.(×)
3.感应电流的磁场可阻止原磁场的变化.(×)
感应电流的磁场方向与原磁场方向总是相反吗?
【提示】 不是,由上面的探究实验分析可知,当原磁通量增加时,感应电流的磁场方向与原磁场方向相反;当原磁通量减小时,感应电流的磁场方向与原磁场方向相同.可概括为“增反减同”.
图
探讨1:
如图磁铁插入线圈时,线圈中磁通量怎样变化?
有感应电流吗?
【提示】 磁通量增加,有.
探讨2:
如图磁铁拔出线圈时,线圈中磁通量怎样变化?
两次感应电流方向相同吗?
【提示】 磁通量减少,相反.
对楞次定律的理解
1.因果关系
楞次定律反映了电磁感应现象中的因果关系,磁通量发生变化是原因,产生感应电流是结果,原因产生结果,结果反过来影响原因.
2.“阻碍”的几个层次
谁阻
碍谁
是感应电流的磁场阻碍引起感应电流的磁场(原磁场)的磁通量的变化
阻碍
什么
阻碍的是磁通量的变化,而不是阻碍磁通量本身
如何
阻碍
当原磁场磁通量增加时,感应电流的磁场方向与原磁场的方向相反;当原磁场磁通量减少时,感应电流的磁场方向与原磁场的方向相同,即“增反减同”
结果
如何
阻碍并不是阻止,只是延缓了磁通量的变化快慢,这种变化将继续进行
3.楞次定律的另一类描述
感应电流的效果,总是要反抗产生感应电流的原因.具体原因不同,反抗的形式也有所不同,具体情况见下表
产生感应电流的原因
感应电流的效果
磁通量增加或减少
增反减同
Φ增加时,感应电流产生反向磁场
Φ减少时,感应电流产生同向磁场
磁体与回路间的相对运动
来拒去留
磁体靠近时,感应电流利用磁场产生斥力
磁体远离时,感应电流利用磁场产生引力
回路发生形变
增缩减扩
回路面积增大时,感应电流利用所受安培力使面积缩小;回路面积减小时,感应电流利用所受安培力使面积扩大
通过线圈自身的电流发生变化
增反减同
原电流增大时,感应电流与之反向
原电流减小时,感应电流与之同向
1.图213所示,在磁感应强度大小为B、方向竖直向上的匀强磁场中,有一质量为m、阻值为R的闭合矩形金属线框abcd用绝缘轻质细杆悬挂在O点,并可绕O点摆动.金属线框从右侧某一位置由静止开始释放,在摆动到左侧最高点的过程中,细杆和金属线框平面始终处于同一平面,且垂直纸面.则线框中感应电流的方向是( )
图213
A.a→b→c→d→a
B.d→c→b→a→d
C.先是d→c→b→a→d,后是a→b→c→d→a
D.先是a→b→c→d→a,后是d→c→b→a→d
【解析】 一开始由下向上的磁通量在减少,由楞次定律可知感应电流方向是d→c→b→a→d;越过竖直位置后,反向穿过的磁通量增加,由楞次定律可知,感应电流方向不变,B对.
【答案】 B
2.如图214所示,一个N极朝下的条形磁铁竖直下落,恰能穿过水平放置的固定矩形导线框,则
图214
A.磁铁经过位置①时,线框中感应电流沿abcd方向;经过位置②时,沿adcb方向
B.磁铁经过位置①时,线框中感应电流沿adcb方向;经过位置②时,沿abcd方向
C.磁铁经过位置①和②时,线框中感应电流都沿abcd方向
D.磁铁经过位置①和②时,线框中感应电流都沿adcb方向
【解析】 当磁铁经过位置①时,穿过线框的磁通量向下且不断增加,由楞次定律可确定感应电流的磁场方向向上,阻碍磁通量的增加,根据安培定则可判定感应电流应沿abcd方向.同理可判定当磁铁经过位置②时,感应电流沿adcb方向.
【答案】 A
3.(多选)如图215所示,光滑固定的金属导轨M、N水平放置,两根导体棒P、Q平行放置在导轨上,形成一个闭合回路,一条形磁铁从高处下落接近回路时( )
图215
A.P、Q将相互靠拢
B.P、Q将相互远离
C.磁铁的加速度仍为g
D.磁铁的加速度小于g
【解析】 当磁铁向下运动时,闭合回路的磁通量增加,根据楞次定律可判断出P、Q将相互靠拢,故A正确,B错误;磁铁受向上的斥力,故磁铁的加速度小于g,所以C错误,D正确.
【答案】 AD
运用楞次定律判定感应电流方向的思路
右手定则
伸开右手,让拇指与其余四指在同一个平面内,使拇指与并拢的四指垂直;让磁感线垂直穿入手心,使拇指指向导体运动的方向,其余四指所指的方向就是感应电流的方向.
1.通过右手定则可判定感应电流或感应电动势的方向.(√)
2.右手定则适用于判定闭合导体回路中的部分导线切割磁感线运动产生感应电流的方向.(√)
3.产生感应电动势的那部分导体,相当于电源,感应电动势的方向从高电势指向低电势.(×)
楞次定律与右手定则在使用范围上有什么区别?
【提示】 楞次定律适用于一切电磁感应现象,而右手定则只适用于导体切割磁感线的情况.
如图216所示,导体棒ab向右做切割磁感线运动.
图216
探讨1:
根据楞次定律判断导体棒ab中的电流方向?
【提示】 b→a
探讨2:
能否找到一种更简单的方法来判断闭合回路中部分导体切割磁感线产生的电流的方向呢?
(提示:
研究电流I的方向、原磁场B的方向、导体棒运动的速度v的方向三者之间的关系)
【提示】 右手定则
楞次定律与右手定则的区别及联系
楞次定律
右手定则
区
别
研究
对象
整个闭合回路
闭合回路的一部分,即做切割磁感线运动的导体
适用
范围
各种电磁感应现象
只适用于导体在磁场中做切割磁感线运动的情况
应用
用于磁感应强度B随时间变化而产生的电磁感应现象较方便
用于导体切割磁感线产生的电磁感应现象较方便
联系
右手定则是楞次定律的特例
4.如图217所示,匀强磁场与圆形导体环平面垂直,导体ef与环接触良好,当ef向右匀速运动时( )
图217
A.圆环中磁通量不变,环中无感应电流产生
B.整个环中有顺时针方向的电流
C.整个环中有逆时针方向的电流
D.环的右侧有逆时针方向的电流,环的左侧有顺时针方向的电流
【解析】 导体ef向右切割磁感线,由右手定则可判断导体ef中感应电流由e→f.而导体ef分别与导体环的左右两部分构成两个闭合回路,故环的右侧有逆时针方向的电流,环的左侧有顺时针方向的电流.
【答案】 D
5.下图表示闭合电路中的一部分导体ab在磁场中做切割磁感线运动的情景,其中能产生由a到b的感应电流的是( )
【解析】 判别导体切割磁感线产生的感应电流方向时,可以用右手定则,也可以用楞次定律.A中电流方向由a→b,B中电流方向由b→a,C中电流沿a→c→b→a方向,D中电流方向由b→a.
【答案】 A
6.(多选)在北半球地磁场的竖直分量向下,飞机在我国上空匀速巡航,机翼保持水平,飞行高度不变.由于地磁场的作用,金属机翼上有电势差,设飞行员左方机翼末端处的电势为U1,右方机翼末端处的电势为U2,则( )
A.若飞机从西往东飞,U1比U2高
B.若飞机从东往西飞,U2比U1高
C.若飞机从南往北飞,U1比U2高
D.若飞机从北往南飞,U2比U1高
【解析】 我国地处北半球,地磁场有竖直向下的分量,用右手定则判断无论机翼向哪个水平方向切割磁感线,机翼中均产生自右向左的感应电动势,左侧电势高于右侧.
【答案】 AC
右手定则的应用
(1)右手定则只适用于一段导体在磁场中做切割磁感线运动的情况,导体不运动不能应用.
(2)右手定则判定导体切割磁感线产生的感应电动势时,四指的指向由低电势指向高电势.
学业分层测评(四)
(建议用时:
45分钟)
[学业达标]
1.根据楞次定律可知感应电流的磁场一定( )
A.阻碍引起感应电流的磁通量
B.与引起感应电流的磁场反向
C.阻碍引起感应电流的磁通量的变化
D.与引起感应电流的磁场方向相同
【解析】 感应电流的磁场阻碍引起感应电流的磁通量的变化,而不是阻碍磁通量,它和引起感应电流的磁场可以同向,也可以反向.
【答案】 C
2.如图218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)( )
图218
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
【解析】 当磁铁向下运动时,感应电流产生的磁场阻碍磁铁的相对运动,所以线圈上端为N极.根据安培定则,判断感应电流的方向与图中箭头方向相同.
【答案】 B
3.(多选)两根相互平行的金属导轨水平放置于如图219所示的匀强磁场中,与导轨接触良好的导体棒AB和CD可以在导轨上自由滑动,当AB在外力F作用下向右运动时,下列说法正确的是( )
【导学号:
78870023】
图219
A.导体棒CD内有电流通过,方向是D→C
B.导体棒CD内有电流通过,方向是C→D
C.磁场对导体棒CD的作用力向左
D.磁场对导体棒CD的作用力向右
【解析】 AB棒向右运动时,由右手定则知,感应电流的方向由B→A,故在CD中电流由C→D,A错,B对.再由左手定则判CD所受安培力为向右,C错,D对.
【答案】 BD
4.如图2110所示,A、B都是很轻的铝环,分别吊在绝缘细杆的两端,杆可绕竖直轴在水平面内转动,环A是闭合的,环B是断开的.若用磁铁分别靠近这两个圆环,则下面说法正确的是( )
图2110
A.图中磁铁N极接近A环时,A环被吸引,而后被推开
B.图中磁铁N极远离A环时,A环被排斥,而后随磁铁运动
C.用磁铁N极接近B环时,B环被推斥,远离磁铁运动
D.用磁铁的任意一磁极接近A环时,A环均被排斥
【解析】 根据楞次定律的推广含义,用磁铁的任意一磁极接近A环时,A环均被排斥,远离A环时,A环被吸引,A、B错误,D正确;用磁铁N极接近B环时,B环不会产生感应电流,B环不动,C错误.
【答案】 D
5.如图2111所示,导线框abcd与直导线在同一平面内,直导线通有恒定电流I,当线框由左向右匀速通过直导线的过程中,线框中感应电流的方向是( )
【导学号:
78870024】
图2111
A.先abcd,后dcba,再abcd
B.先abcd,后dcba
C.始终dcba
D.先dcba,后abcd,再dcba
【解析】 线框在直导线左侧时,随着线框向右运动,磁通量增加,根据楞次定律线框中感应电流的方向为dcba.在线框的cd边跨过直导线后,如图所示,根据右手定则ab边产生的感应电流方向为a→b,cd边产生的感应电流方向为c→d.线框全部跨过直导线后,随着向右运动,磁通量减少,根据楞次定律知线框中感应电流的方向为dcba.故选项D正确.
【答案】 D
6.某实验小组用如图2112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,通过电流表的感应电流方向是( )
【导学号:
78870025】
图2112
A.a→G→b
B.先a→G→b,后b→G→a
C.b→G→a
D.先b→G→a,后a→G→b
【解析】 条形磁铁自上而下穿入线圈时,磁场方向向下,由楞次定律可知线圈中感应电流产生的磁场方向向上,再应用安培定则可以判断感应电流的方向为逆时针(俯视),即b→G→a.同理可以判断出条形磁铁穿出线圈的过程中,感应电流的方向为顺时针(俯视),即a→G→b.
【答案】 D
7.如图2113所示,一根长导线弯成如图中abcd的形状,在导线框中通以直流电,在框的正中间用绝缘的橡皮筋悬挂一个金属环P,环与导线框处于同一竖直平面内,当电流I增大时,下列说法中正确的是( )
【导学号:
78870026】
图2113
A.金属环P中产生顺时针方向的电流
B.橡皮筋的长度增大
C.橡皮筋的长度不变
D.橡皮筋的长度减小
【解析】 导线框中的电流产生的磁场垂直于纸面向里,当电流I增大时,金属环P中的磁通量增大,由楞次定律和安培定则可知金属环P中产生逆时针方向的感应电流,故A项错;根据对称性及左手定则可知金属环P所受安培力的合力方向向下,并且随电流I的增大而增大,所以橡皮筋会被拉长,故B项正确,C、D项错.
【答案】 B
8.(多选)如图2114所示,一用绝缘材料做的玩偶两脚固定在矩形闭合线圈两个边上,现将其放置在水平薄板上,有一块蹄形磁铁如图所示置于平板的正下方(磁极间距略大于矩形线圈的宽度),当磁铁匀速向右通过线圈时,玩偶却静止不动,那么下列说法正确的是( )
图2114
A.线圈受摩擦力方向一直向左
B.线圈受摩擦力方向先向左、后向右
C.感应电流的方向顺时针→逆时针→顺时针(从上向下看)
D.感应电流的方向顺时针→逆时针(从上向下看)
【解析】 根据楞次定律“阻碍”的效果,阻碍导体、磁体间的相对运动.当蹄形磁铁接近线圈时,线圈有向右的运动趋势,所受静摩擦力方向向左,当蹄形磁铁远离线圈时,两者吸引,线圈仍有向右的运动趋势,所受静摩擦力方向仍向左,A对,B错.穿过线圈的磁通量先向上的增加,再向下的增多,最后向下的减少.由楞次定律知,从上往下看,感应电流的方向先顺时针,再逆时针,最后顺时针,C对,D错.
【答案】 AC
[能力提升]
9.如图2115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( )
【导学号:
78870027】
图2115
A.受力向右B.受力向左
C.受力向上D.受力为零
【解析】 本题可用两种解法:
解法一:
根据安培定则可知通电直导线周围的磁场分布如图所示.当直导线上电流突然增大时,穿过矩形回路的合磁通量(方向向外)增大,回路中产生顺时针方向的感应电流,因ad、bc两边对称分布,所受的安培力合力为零.而ab、cd两边虽然通过的电流方向相反,但它们所在处的磁场方向也相反,由左手定则可知它们所受的安培力均向右,所以线框整体受力向右,A正确.
解法二:
从楞次定律的另一表述分析可知当MN中电流突然增大时,穿过线框的磁通量增大,感应电流引起的结果必是阻碍磁通量的增大,即线框向右移动,故线框整体受力向右,A正确.
【答案】 A
10.如图2116所示,在水平地面下有一条沿东西方向铺设的水平直导线,导线中通有自东向西稳定、强大的直流电流.现用一闭合的检测线圈(线圈中串联有灵敏电流计,图中未画出)检测此通电直导线的位置.不考虑地磁场的影响,且检测线圈位于水平面内.现使线圈从距直导线很远处由北向南沿水平地面通过直导线的上方并继续移动至距直导线很远处,在此过程中,俯视检测线圈,其中的感应电流的方向是( )
图2116
A.先顺时针后逆时针
B.先逆时针后顺时针
C.先逆时针后顺时针,再逆时针
D.先顺时针后逆时针,再顺时针
【解析】 根据通电直导线周围的磁感线的分布特点,检测线圈由远处移至直导线正上方时,穿过线圈的磁场有向下的分量,磁通量先增大后减小,由楞次定律和安培定则可知,线圈中的电流方向先逆时针后顺时针,当检测线圈由直导线正上方移至远处时,穿过线圈的磁场有向上的分量,磁通量先增大后减小,由楞次定律和安培定则可知,线圈中的电流方向先顺时针后逆时针,所以C正确.
【答案】 C
11.如图2117所示,水平平行的光滑导轨,导轨间距离为L=1m,左端接有定值电阻R=2Ω,金属棒PQ与导轨接触良好,PQ的电阻为r=0.5Ω,导轨电阻不计,整个装置处于磁感应强度为B=1T的匀强磁场中,现使PQ在水平向右的恒力F=2N作用下运动,求:
图2117
(1)棒PQ中感应电流的方向;
(2)棒PQ中哪端电势高;
(3)棒PQ所受安培力的方向;
(4)棒PQ的最大速度.
【导学号:
78870028】
【解析】
(1)根据右手定则可知电流方向由Q→P.
(2)棒PQ相当于电源,电流在PQ上由负极流向正极,故P端电势高.
(3)由左手定则知,PQ棒所受安培力方向水平向左.
(4)由于向左的安培力增大,故PQ棒做加速度越来越小的加速运动,当F安=F时,PQ棒的速度最大,设为v,此时感应电动势:
E=BLv,回路电流:
I=
.由F=F安知F=BIL,得:
v=
=5m/s,方向水平向右.
【答案】
(1)Q→P
(2)P端 (3)水平向左
(4)5m/s,方向水平向右
12.如图2118所示,水平的平行虚线间距为d=50cm,其间有B=1.0T的匀强磁场.一个正方形线圈边长为l=10cm,线圈质量m=100g,电阻为R=0.20Ω.开始时,线圈的下边缘到磁场上边缘距离为h=80cm.将线圈由静止释放,其下边缘刚进入磁场和刚穿出磁场时的速度相等.(g取10m/s2),求:
图2118
(1)线圈下边缘刚进入磁场时,线圈中产生电流的大小和方向;
(2)线圈进入磁场过程中产生的电热Q.
【解析】
(1)线圈由1位置到2位置做自由落体运动,设在2位置时速度为v0
v
=2gh
E=Blv0
I=
由以上三式可得:
I=2A
方向:
逆时针.
(2)线圈进入磁场过程中产生的电热Q就是线圈从图中2位置到3位置产生的电热,而2、3位置动能相同,由能量守恒Q=mgd=0.50J.
【答案】
(1)2A 逆时针
(2)0.50J
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