高二物理 电磁感应一 电子版.docx
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高二物理电磁感应一电子版
第四章 电磁感应
第1、2节 划时代的发现 探究感应电流的产生条件
对应学生用书P1
1.划时代的发现
(1)奥斯特梦圆“电生磁”:
1820年,丹麦物理学家发现通电导线能使小磁针发生偏转,这种作用称为。
(2)法拉第心系“磁生电”
①英国物理学家发现了电磁感应现象。
在电磁感应中产生的电流叫做电流。
②法拉第把引起感应电流的原因概括为五类:
的电流
、的磁场、运动的恒定电流、的磁铁、在磁场中运动的导体,它们都与变化和运动相联系。
2.探究感应电流的产生条件
(1)探究导体棒在磁场中运动是否产生电流
①实验装置
②分析论证:
闭合电路包围的面积时,电路中有电流产生;包围的面积时,电路中无电流产生。
(2)探究磁铁在线圈中运动是否产生电流
①实验装置
②分析论证:
线圈中的磁场时,线圈中有感应电流;线圈中的磁场时,线圈中无感应电流。
(3)模仿法拉第的实验
①实验装置
②分析论证:
线圈B中磁场时,线圈B中有感应电流;线圈B中磁场时,线圈B中无感应电流。
(4)归纳结论
只要穿过导体回路的发生变化,闭合导体回路中就有感应电流。
第3节 楞次定律
对应学生用书P3
1.探究感应电流的方向
(1)实验器材:
条形磁铁、电流表、线圈、导线、两节干电池(用来查明电流的流向与电流表中指针偏转方向的关系)。
(2)探究电流表指针偏转方向和电流方向之间的关系。
结论:
电流从哪一侧接线柱流入,指针就向哪一侧偏转。
即左进偏,右进偏。
(3)实验现象:
如图所示,在四种情况下,将实验结果填入下表。
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
感应电流的磁场方向
甲
逆时针(俯视)
乙
顺时针(俯视)
②线圈内磁通量减少时的情况
图号
磁场方向
感应电流的方向
感应电流的磁场方向
丙
顺时针(俯视)
丁
逆时针(俯视)
(4)实验结论
表述一:
当穿过线圈的磁通量增加时,感应电流的磁场与原磁场的方向;当穿过线圈的磁通量减少时,感应电流的磁场与原磁场的方向。
表述二:
当磁铁靠近线圈时,两者;当磁铁远离线圈时,两者。
2.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。
注意:
阻碍不是阻止,最终引起感应电流的磁通量的变化不能被抵消,磁通量还是发生了变化,是“阻而未止”。
阻碍不是相反,当电路中的磁通量增加时,感应电流的磁场与原磁场方向相反,减少时,感应电流的磁场与原磁场方向相同(增反减同)。
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;让磁感线从进入,并使拇指指向导线运动的方向,这
时所指的方向就是感应电流的方向。
(2)适用范围:
适用于闭合回路部分导体产生感应电流的情况。
阶段回顾(第1~3节)
对应学生用书P7
易错点
一 对产生感应电流的条件理解有误
1.在一通电直导线附近放置一个导线圆环,有三种情况:
(甲)长直导线穿过导线环中心,并和导线环所在平面垂直;(乙)导线环左右对称地放在长直导线的一侧;(丙)长直导线放在导线环旁边。
当长直导线中的电流减小时,导线圆环里会产生感应电流的是( )
A.只有甲B.只有甲和丙
C.只有乙和丙D.只有丙
2.法拉第在研究电磁感应现象时,将两个线圈绕在同一个铁环上,简化电路如图所示,下列关于法拉第研究过程的说法正确的是( )
A.闭合开关S的瞬间,右侧线圈中不产生感应电流
B.闭合开关S以后,右侧线圈中产生稳定的感应电流
C.断开开关S的瞬间,右侧线圈中产生感应电流
D.断开开关S的瞬间,右侧线圈中不产生感应电流
易错点
二 不理解“切割”磁感线的含义
3.(多选)下列选项表示的是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,导体ab上的感应电流方向为b→a的是( )
易错点
三 混淆“左、右”手定则
4.(多选)如图所示,导体ab、cd可在水平轨道上自由滑动,且两水平轨道在中央交叉处互不相通。
当导体ab向左移动时( )
A.ab中感应电流的方向为a到b
B.ab中感应电流的方向为b到a
C.cd向左移动
D.cd向右移动
5.如图所示,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( )
A.圆环中磁通量不变,环上无感应电流产生
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.ef的右侧环上有逆时针方向的电流,ef的左侧环上有顺时针方向的电流
易错点
四 混淆感应电流的“磁场”与“原磁场”
6.如图所示,一闭合小线框从蹄形磁铁的N极正上方水平移动到S极的正上方,从上往下看,此过程中小线框中感应电流的方向( )
A.始终顺时针
B.始终逆时针
C.先顺时针后逆时针
D.先逆时针后顺时针
7.如图所示,一根条形磁铁自左向右穿过一个闭合线圈,则流过灵敏电流计的感应电流方向是( )
A.先向左,再向右B.先向右,再向左
C.始终向右D.始终向左
8.如图所示,某同学用一个闭合线圈套入蹄形磁铁,由1位置经2位置到3位置,最后从下方S极拉出,则在这一过程中,线圈中的感应电流的方向是( )
A.沿abcd不变B.沿adcb不变
C.先沿abcd,后沿adcbD.先沿adcb,后沿abcd
对应学生用书P8
重难点
一 楞次定律与图象的综合问题
1.如图甲所示,通电螺线管A与用绝缘绳悬挂的线圈B的中心轴在同一水平直线上,A中通有如图乙所示的变化电流,t=0时电流方向如图甲中箭头所示。
在t1~t2时间内,对于线圈B的电流方向(从左往右看)及运动方向,下列判断正确的是( )
A.线圈B内有逆时针方向的电流、线圈向右摆动
B.线圈B内有顺时针方向的电流、线圈向左摆动
C.线圈B内有顺时针方向的电流、线圈向右摆动
D.线圈B内有逆时针方向的电流、线圈向左摆动
2.如图甲所示,圆形线圈P静止在水平桌面上,其正上方固定一螺线管Q,P和Q共轴,Q中通有变化的电流i,电流随时间变化的规律如图乙所示,t1时刻电流方向如图甲中箭头所示。
P所受的重力为G,桌面对P的支持力为FN,则( )
A.t1时刻FN>G,P有收缩的趋势
B.t2时刻FN=G,此时穿过P的磁通量为0
C.t3时刻FN=G,此时P中无感应电流
D.t4时刻FN<G,此时穿过P的磁通量最小
重难点
二 楞次定律与力学的综合问题
3.如图所示,两个相同的铝环穿在一根光滑杆上,将一根条形磁铁向左插入铝环的过程中,两环的运动情况是( )
A.同时向左运动,间距增大
B.同时向左运动,间距不变
C.同时向左运动,间距变小
D.同时向右运动,间距增大
4.如图所示,粗糙水平桌面上有一质量为m的铜质矩形线圈。
当一竖直放置的条形磁铁从线圈中线AB正上方等高快速经过时,若线圈始终不动,则关于线圈受到的支持力FN及在水平方向运动趋势的正确判断是( )
A.FN先小于mg后大于mg,运动趋势向左
B.FN先大于mg后小于mg,运动趋势向左
C.FN先小于mg后大于mg,运动趋势向右
D.FN先大于mg后小于mg,运动趋势向右
5.如图所示,A为水平放置的胶木圆盘,在其侧面均匀分布着负电荷,在A的正上方用绝缘丝线悬挂一个金属圆环B,使B的环面水平且与圆盘面平行,其轴线与胶木盘A的轴线OO′重合。
现使胶木盘A由静止开始绕其轴线OO′按箭头所示方向加速转动,则( )
A.金属环B的面积有扩大的趋势,丝线受到的拉力增大
B.金属环B的面积有缩小的趋势,丝线受到的拉力减小
C.金属环B的面积有扩大的趋势,丝线受到的拉力减小
D.金属环B的面积有缩小的趋势,丝线受到的拉力增大
重难点
三 楞次定律与能量守恒的综合问题
6.(多选)在一水平通电直导线的正下方,有一半圆形光滑圆弧轨道,一导体圆环自轨道左侧的A点无初速度释放,则下列说法中正确的是( )
A.圆环中有感应电流产生
B.圆环能滑到轨道右侧与A点等高处C
C.圆环最终停在轨道的最低点B处
D.圆环运动过程中机械能守恒
7.如图所示,铜质金属环从条形磁铁的正上方由静止开始下落,在下落过程中,下列判断正确的是( )
A.金属环在下落过程中的机械能守恒
B.金属环在下落过程中动能的增加量小于其重力势能的减少量
C.金属环的机械能先减小后增大
D.磁铁对桌面的压力始终大于其自身的重力
第4节 法拉第电磁感应定律
对应学生用书P9
1.感应电动势
(1)概念:
在现象中产生的电动势。
(2)产生:
只要穿过回路的发生变化,就能产生感应电动势,与电路是否闭合无关。
(3)方向:
产生感应电动势的电路(导体或线圈)相当于电源,电源的正、负极可由或判断。
(4)感应电流与感应电动势的关系:
遵循定律,即
I=。
2.法拉第电磁感应定律
(1)内容:
闭合电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通量
的成正比。
(2)公式:
E=,n为线圈匝数。
注意:
①感应电动势的大小由穿过闭合电路的磁通量的变化率
和线圈的匝数共同决定,而与磁通量Φ、磁通量的变化量ΔΦ的大小没有直接联系。
②当ΔΦ仅由B的变化引起时,则E=n
;当ΔΦ仅由S的变化引起时,则E=n
。
③磁通量的变化率
是Φt图象上某点切线的斜率。
3.导体切割磁感线时的感应电动势
切割方式
电动势表达式
说明
垂直切割
E=
(1)导体棒与磁场方向垂直
(2)磁场为匀强磁场
倾斜切割
E=,其中θ为v与B的夹角
旋转切割
(1)以中点为轴时,E=0(不同两段的代数和)。
(2)以端点为轴时,E=平均速度取中点位置的线速度
ωL。
(3)以任意点为轴时,E=
Bω·(L
-L
)(L1>L2,不同两段的代数和)
4.反电动势
(1)定义:
电动机转动时,线圈中产生感应电动势,这个感应电动势总
要电源电动势的作用,我们把这个电动势称为反电动势。
(2)作用:
反电动势的作用是线圈的转动。
如果要使线圈维持原来的转动,电源就要向电动机提供能量,此时,电能转化为其他形式的能。
第5节 电磁感应现象的两类情况
对应学生用书P11
1.电磁感应现象中的感生电场
(1)感生电场
麦克斯韦认为,磁场变化时会在空间激发一种电场,它与静电场不同,不是由产生的,我们把它叫做感生电场。
(2)感生电动势
由感生电场产生的感应电动势。
(3)感生电动势中的非静电力
就是对的作用。
(4)感生电场的方向判断
由磁场的方向和强弱变化,根据定律、定则判断。
(5)感生电场的产生条件
空间中发生变化,与是否存在闭合导体无关。
注意:
感生电场的电场线与磁场方向垂直,感生电场的强弱与磁感应强度的变化率有关。
2.电磁感应现象中的洛伦兹力
(1)动生电动势
由于导体做运动而产生的感应电动势。
(2)动生电动势中的“非静电力”
自由电荷因随导体棒运动而受到,非静电力与有关。
(3)动生电动势中的功能关系
闭合回路中,导体棒做切割磁感线运动时,克服力做功,其他形式的能转化为。
注意:
产生动生电动势时,洛伦兹力对导体棒中的自由电荷不做功。
阶段回顾(第4~5节)
对应学生用书P21
易错点
一 混淆公式的适用范围
1.如图所示,平行导轨间距为d,一端跨接一个电阻R,匀强磁场的磁感应强度为B,方向垂直于平行金属导轨所在平面。
一根金属棒MN与导轨成θ角放置,金属棒与导轨的电阻均不计。
当金属棒沿垂直于棒的方向以恒定的速度v在金属导轨上滑行时,通过电阻R的电流是( )
A.
B.
C.
D.
易错点
二 电势差、电势的高低判断不准确
2.如图所示,直角三角形金属框abc放置在匀强磁场中,磁感应强度大小为B,方向平行于ab边向上。
当金属框绕ab边以角速度ω逆时针转动时,a、b、c三点的电势分别为Ua、Ub、Uc。
已知bc边的长度为l。
下列判断正确的是( )
A.Ua>Uc,金属框中无电流
B.Ub>Uc,金属框中电流方向沿a→b→c→a
C.Ubc=-
Bl2ω,金属框中无电流
D.Ubc=
Bl2ω,金属框中电流方向沿a→c→b→a
易错点
三 不明确是否涉及线圈匝数n
3.如图所示,半径为r的n匝圆形线圈套在边长为L的正方形abcd之外,t=0时刻磁感应强度为B0的匀强磁场局限在正方形区域内且垂直穿过正方形,在t=t1时刻磁感应强度以
的变化率均匀变化,则t=0时刻穿过圆形线圈的磁通量及t=t1时刻圆形线圈中产生的感应电动势大小分别为( )
A.nπB0r2、nπ
r2B.πB0r2、π
r2
C.nB0L2、
L2D.B0L2、n
L2
易错点
四 混淆双电源感应电动势的方向
4.如图所示装置,导体棒AB、CD在相等的外力F作用下,沿着光滑的轨道朝相反方向以0.1m/s的速度匀速运动。
匀强磁场垂直纸面向里,磁感强度B=4T,导体棒有效长度都是L=0.5m,电阻R均等于0.5Ω,导轨上接有一只R′=1Ω的电阻和平行板电容器,两板间相距1cm,轨道电阻不计,试求:
(1)电容器极板间的电场强度的大小和方向;
(2)外力F的大小。
易错点
五 功能关系分析不到
5.如图所示,一无限长通电直导线固定在光滑水平面上,金属环质量为0.2kg,在该平面上以初速度v0=4m/s朝与导线夹角为60°的方向运动,最后达到稳定状态,此过程金属环中产生的电能最多为( )
A.1.6JB.1.2J
C.0.8JD.0.4J
6.如图所示,POQ是折成60°角的固定于竖直平面内的光滑金属导轨,导轨关于竖直轴线对称,OP=OQ=L。
整个装置处在垂直导轨平面向里的足够大的匀强磁场中,磁感应强度随时间的变化规律为B=B0-kt(其中k为大于0的常数)。
一质量为m、长为L、电阻为R、粗细均匀的导体棒锁定于OP、OQ的中点a、b位置。
当磁感应强度变为
B0后保持不变,同时将导体棒解除锁定,导体棒向下运动,离开导轨时的速度为v。
导体棒与导轨始终保持良好接触,导轨电阻不计,重力加速度为g。
求导体棒:
(1)解除锁定前回路中电流的大小及方向;
(2)滑到导轨末端时的加速度大小;
(3)运动过程中产生的焦耳热。
对应学生用书P22
重难点
一 电荷量问题
1.如图所示,一匝数为N、面积为S、总电阻为R的圆形线圈,放在磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向垂直于线圈平面。
当线圈由原位置翻转180°过程中,通过线圈导线横截面的电荷量为( )
A.
B.
C.
D.
重难点
二 图象问题
2.(多选)如图甲所示,轨道左端接有一电容为C的电容器,导体棒在水平拉力的作用下从静止开始向右运动。
电容器两极板间电势差随时间变化的图象如图乙所示,下列关于导体棒运动的速度v、导体棒受到的外力F随时间变化的图象正确的是( )
重难点
三 单杆问题
3.如图所示,螺线管横截面积为S,线圈匝数为N,电阻为R1,管内有水平向左的变化磁场。
螺线管与足够长的平行金属导轨MN、PQ相连并固定在同一平面内,与水平面的夹角为θ,两导轨间距为L。
导轨电阻忽略不计。
导轨处于垂直斜面向上、磁感应强度为B0的匀强磁场中。
金属杆ab垂直导轨,杆与导轨接触良好,并可沿导轨无摩擦滑动。
已知金属杆ab的质量为m,电阻为R2,重力加速度为g。
忽略螺线管磁场对金属杆ab的影响,忽略空气阻力。
(1)为使ab杆保持静止,求通过ab杆的电流的大小和方向;
(2)当ab杆保持静止时,求螺线管内磁场的磁感应强度B的变化率;
(3)若螺线管内磁场的磁感应强度的变化率
=k(k>0),将金属杆ab由静止释放,杆将沿斜面向下运动,求当杆的速度为v时,杆的加速度大小。
重难点
四 双杆问题
4.如图所示,两根足够长的平行金属导轨固定在倾角θ=30°的斜面上,其电阻不计,间距l=0.4m。
导轨所在空间被分成区域Ⅰ和Ⅱ,两区域的边界为MN,区域Ⅰ和Ⅱ中的匀强磁场B的方向分别垂直斜面向下和垂直斜面向上,磁感应强度大小均为0.5T。
将质量m1=0.1kg、电阻R1=0.1Ω的导体棒ab放在导轨上的区域Ⅰ中,ab刚好不下滑。
再在区域Ⅱ中将质量m2=0.4kg、电阻R2=0.1Ω的光滑导体棒cd从导轨上由静止开始下滑。
cd棒始终处于区域Ⅱ中,两棒与导轨垂直且与导轨接触良好,g取10m/s2。
求:
(1)ab棒所受最大静摩擦力,并判断cd棒下滑时ab棒中电流的方向;
(2)ab棒刚要向上滑动时,cd棒的速度大小v;
(3)若从cd棒开始下滑到ab棒刚要向上滑动的过程中,装置中产生的总热量为2.6J,求此过程中cd棒下滑的距离x。
第6节 互感和自感
对应学生用书P23
1.互感现象
(1)定义:
两个相互靠近的线圈,当一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生的现象。
产生的电动势叫做互感电动势。
(2)应用:
利用互感现象可以把能量由一个线圈传递到另一个线圈,变压器、收音机里的“磁性天线”就是利用制成的。
(3)危害:
互感现象能发生在任何两个相互靠近的电路之间。
在电力工程和电子电路中,互感现象有时会影响电路的正常工作。
注意:
互感现象是一种常见的电磁感应现象,它不仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间,而且可以发生于任何两个相互靠近的电路之间。
2.自感现象和自感系数
(1)自感现象:
当一个线圈中的电流变化时,它产生的变化的磁场
在激发出感应电动势的现象。
(2)自感电动势:
由于而产生的感应电动势。
①大小:
E=L
,其中L是自感系数,简称或,单位:
,符号为H。
②作用:
电流增加时,自感电动势阻碍电流的增加;电流减小时,自感电动势阻碍电流的减小。
“阻碍”不是“阻止”,电流原来怎么变化还是怎么变化,只是变化变慢了,即对电流的变化起延迟作用。
③方向:
当原电流增大时,自感电动势的方向与原电流的方向相反;当原电流减小时,自感电动势的方向与原电流的方向相同。
(3)自感系数L大小的决定因素:
自感系数与线圈的、、,以及等因素有关。
(4)通电自感和断电自感
电路
现象
自感电动势的作用
通电自感
闭合开关瞬间,灯泡A1逐渐地亮起来
阻碍电流
的
断电自感
断开开关瞬间,灯泡A逐渐变暗,直至熄灭
阻碍电流
的
注意:
通过线圈中的电流不能发生突变,只能缓慢变化。
电流稳定时,自感线圈就相当于普通导体。
3.磁场的能量
(1)自感现象中的磁场能量
①线圈中电流从无到有时:
磁场从无到有,电源的能量输送给,储存在中。
②线圈中电流减小时:
中的能量释放出来转化为电能。
(2)电的“惯性”
自感电动势有阻碍线圈中的“惯性”。
第7节 涡流、电磁阻尼和电磁驱动
对应学生用书P25
1.涡流
(1)定义:
当线圈中的电流随时间变化时,由于,附近的另一个线圈中会产生。
实际上,这个线圈附近的任何导体中都会产生,这种电流看起来像水中的旋涡,叫做涡电流,简称涡流。
(2)特点:
若金属的电阻率小,则涡流,产生的热量。
(3)应用
①涡流热效应:
如、电磁炉。
②涡流磁效应:
如探雷器、安检门。
(4)防止
电动机、变压器等设备中应防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量,损坏电器。
因此,要想办法减小涡流。
注意:
涡流是整块导体发生电磁感应现象产生的,同样遵循法拉第电磁感应定律。
磁场变化越快
,磁场穿过导体的横截面积S越大,导体材料的电阻率越小,形成的涡流就越大。
2.电磁阻尼和电磁驱动
(1)电磁阻尼
①概念:
当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到
,总是阻碍导体运动的现象。
②应用:
磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停止到某位置,便于读数。
(2)电磁驱动
①概念:
磁场相对导体转动时,导体中产生,感应电流使导体受到安培力的作用,安培力使导体运动起来的现象。
②应用:
交流感应电动机。
(3)电磁阻尼、电磁驱动的比较。
电磁阻尼
电磁驱动
不同点
成因
由于导体在磁场中运动而产生感应电流,从而使导体受到安培力
由于磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流,从而使导体受到安培力
效果
安培力的方向与导体运动方向相反,阻碍导体运动
安培力的方向与导体运动方向相同,推动导体运动
能量转化
导体克服安培力做功,其他形式的能转化为电能,最终转化为内能
由于电磁感应,磁场能转化为电能,通过安培力做功,电能转化为导体的机械能,而对外做功
相同点
两者都是电磁感应现象,都遵循楞次定律,都是安培力阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动
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