电磁感应现象楞次定律.docx
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电磁感应现象楞次定律
电磁感应现象 楞次定律
一、概念规律题组
图1
1.如图1所示,通电直导线下边有一个矩形线框,线框平面与直导线共面.若使线框逐渐远离(平动)通电导线,则穿过线框的磁通量将( )
A.逐渐增大B.逐渐减小
C.保持不变D.不能确定
2.下列情况中都是线框在磁场中切割磁感线运动,其中线框中有感应电流的是( )
3.某磁场磁感线如图2所示,有一铜线圈自图示A处落至B处,在下落过程中,自上向下看,线圈中感应电流的方向是( )
图2
A.始终顺时针B.始终逆时针
C.先顺时针再逆时针D.先逆时针再顺时针
图3
4.如图3所示,导线框abcd与通电直导线在同一平面内,直导线通有恒定电流并通过ad和bc的中点,当线框向右运动的瞬间,则( )
A.线框中有感应电流,且按顺时针方向
B.线框中有感应电流,且按逆时针方向
C.线框中有感应电流,但方向难以判断
D.由于穿过线框的磁通量为零,所以线框中没有感应电流
二、思想方法题组
图4
5.如图4所示,蹄形磁铁的两极间,放置一个线圈abcd,磁铁和线圈都可以绕OO′轴转动,磁铁如图示方向转动时,线圈的运动情况是( )
A.俯视,线圈顺时针转动,转速与磁铁相同
B.俯视,线圈逆时针转动,转速与磁铁相同
C.线圈与磁铁转动方向相同,但转速小于磁铁转速
D.线圈静止不动
图5
6.如图5所示,光滑固定导轨M、N水平放置,两根导体棒P、Q平行放置于导轨上,形成一个闭合回路,一条形磁铁从高处下落接近回路时( )
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
一、楞次定律的含义及基本应用
应用楞次定律判断感应电流方向的步骤:
(1)确定原磁场方向;
(2)明确闭合回路中磁通量变化的情况;
(3)应用楞次定律的“增反减同”,确定感应电流的磁场的方向.
(4)应用安培定则,确定感应电流的方向.
应用楞次定律的步骤可概括为:
一原二变三感四螺旋
根据楞次定律的基本含义,按步就班解题一般不会出错.
【例1】(2009·浙江·17)如图6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
图6
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( )
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
图7
[针对训练1] 某实验小组用如图7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,通过电流计的感应电流的方向是( )
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
二、楞次定律拓展含义的应用
感应电流的效果总是阻碍产生感应电流的原因.具体有以下几种情形:
(1)当回路中的磁通量发生变化时,感应电流的效果是阻碍原磁通量的变化.
(2)当出现引起磁通量变化的相对运动时,感应电流的效果是阻碍导体间的相对运动,即“来时拒,去时留”.
(3)当闭合回路发生形变时,感应电流的效果是阻碍回路发生形变.
(4)当线圈自身的电流发生变化时,感应电流的效果是阻碍原来的电流发生变化.
【例2】如图8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的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及在水平方向上的运动趋势的判断正确的是( )
图8
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
[针对训练2] 如图9所示,
图9
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减小时( )
A.环有缩小的趋势以阻碍原磁通量的减小
B.环有扩大的趋势以阻碍原磁通量的减小
C.环有缩小的趋势以阻碍原磁通量的增大
D.环有扩大的趋势以阻碍原磁通量的增大
图10
[针对训练3] (2010·上海物理·21)如图10,金属环A用轻绳悬挂,与长直螺线管共轴,并位于其左侧,若变阻器滑片P向左移动,则金属环A将向________(填“左”或“右”)运动,并有________(填“收缩”或“扩张”)趋势.
三、楞次定律、右手定则、左手定则、安培定则的综合应用
1.规律比较
基本现象
应用的定则或定律
运动电荷、电流产生磁场
安培定则
磁场对运动电荷、电流有作用力
左手定则
电磁
感应
部分导体做切割磁感线的运动
右手定则
闭合回路的磁通量发生变化
楞次定律
2.应用区别
关键是抓住因果关系:
(1)因电而生磁(I→B)→安培定则;
(2)因动而生电(v、B→I)→右手定则;
(3)因电而受力(I、B→F安)→左手定则.
3.相互联系
(1)应用楞次定律,必然要用到安培定则;
(2)感应电流受到安培力,有时可以先用右手定则确定电流的方向,再用左手定则确定安培力的方向,有时也可以直接应用楞次定律的推论确定安培力的方向.
图11
【例3】如图11所示,水平放置的两条光滑轨道上有可自由移动的金属棒PQ、MN,当PQ在外力作用下运动时,MN在磁场力的作用下向右运动,则PQ所做的运动可能是( )
A.向右加速运动
B.向左加速运动
C.向右减速运动
D.向左减速运动
[针对训练4]
图12
(2011·江苏·2)如图12所示,固定的水平长直导线中通有电流I,矩形线框与导线在同一竖直平面内,且一边与导线平行.线框由静止释放,在下落过程中( )
A.穿过线框的磁通量保持不变
B.线框中感应电流方向保持不变
C.线框所受安培力的合力为零
D.线框的机械能不断增大
【基础演练】
1.(2010·课标全国·14)在电磁学的发展过程中,许多科学家做出了贡献.下列说法正确的是( )
A.奥斯特发现了电流磁效应;法拉第发现了电磁感应现象
B.麦克斯韦预言了电磁波;楞次用实验证实了电磁波的存在
C.库仑发现了点电荷的相互作用规律;密立根通过油滴实验测定了元电荷的数值
D.安培发现了磁场对运动电荷的作用规律;洛伦兹发现了磁场对电流的作用规律
图13
2.电阻R、电容C与一线圈连成闭合回路,条形磁铁静止于线圈的正上方,N极朝下,如图13所示.现使磁铁开始自由下落,在N极接近线圈上端的过程中,流过R的电流方向和电容器极板的带电情况是( )
A.从a到b,上极板带正电
B.从a到b,下极板带正电
C.从b到a,上极板带正电
D.从b到a,下极板带正电
图14
3.直导线ab放在如图14所示的水平导体框架上,构成一个闭合回路.长直导线cd和框架处在同一个平面内,且cd和ab平行,当cd中通有电流时,发现ab向左滑动.关于cd中的电流下列说法正确的是( )
A.电流肯定在增大,不论电流是什么方向
B.电流肯定在减小,不论电流是什么方向
C.电流大小恒定,方向由c到d
D.电流大小恒定,方向由d到c
图15
4.(2011·宿迁模拟)如图15所示是一种延时开关.S2闭合,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
图16
5.(2010·上海控江中学模拟)绕有线圈的铁芯直立在水平桌面上,铁芯上套着一个铝环,线圈与电源、开关相连,如图16所示.闭合开关的瞬间,铝环跳起一定高度.保持开关闭合,下列现象正确的是( )
A.铝环停留在这一高度,直到断开开关铝环回落
B.铝环不断升高,直到断开开关铝环回落
C.铝环回落,断开开关时铝环又跳起
D.铝环回落,断开开关时铝环不再跳起
图17
6.(2010·徐州市第三次模拟)如图17所示,通电螺线管置于水平放置的两根光滑平行金属导轨MN和PQ之间,ab和cd是放在导轨上的两根金属棒,它们分别放在螺线管的左右两侧.保持开关闭合,最初两金属棒处于静止状态,当滑动变阻器的滑动触头向左滑动时,ab和cd棒的运动情况是( )
A.ab向左,cd向右B.ab向右,cd向左
C.ab,cd都向右运动D.ab,cd都不动
图18
7.(2009·海南单科)一长直铁芯上绕有一固定线圈M,铁芯右端与一木质圆柱密接,木质圆柱上套有一闭合金属环N,N可在木质圆柱上无摩擦移动.M连接在如图18所示的电路中,其中R为滑动变阻器,E1和E2为直流电源,S为单刀双掷开关.下列情况中,可观测到N向左运动的是( )
A.在S断开的情况下,S向a闭合的瞬间
B.在S断开的情况下,S向b闭合的瞬间
C.在S已向a闭合的情况下,将R的滑动头向c端移动时
D.在S已向a闭合的情况下,将R的滑动头向d端移动时
图19
8.如图19所示,在匀强磁场中放有两条平行的铜导轨,它们与大导线圈M相连接.要使小导线圈N获得顺时针方向的感应电流,则放在导轨上的裸金属棒ab的运动情况是(两导线圈共面放置)( )
A.向右匀速运动B.向左加速运动
C.向右减速运动D.向右加速运动
【能力提升】
9.如图20所示,通过水平绝缘传送带输送完全相同的铜线圈,线圈等距离排列,且与传送带以相同的速度匀速运动.为了检测出个别未闭合的不合格线圈,让传送带通过一固定匀强磁场区域,磁场方向垂直于传送带运动方向,根据穿过磁场后线圈间的距离,就能够检测出不合格线圈.通过观察图形,判断下列说法正确的是( )
图20
A.若线圈闭合,进入磁场时,线圈相对传送带向后滑动
B.若线圈不闭合,进入磁场时,线圈相对传送带向后滑动
C.从图中可以看出,第3个线圈是不合格线圈
D.从图中可以看出,第4个线圈是不合格线圈
题号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
答案
10.在“研究电磁感应现象”的实验中,首先按图21(a)接线,以查明电流表指针的偏转方向与电流方向之间的关系.当闭合S时,观察到电流表指针向左偏,不通电时电流表指针停在正中央.然后按图(b)所示将电流表与副线圈B连成一个闭合回路,将原线圈A、电池、滑动变阻器和电键S串联成另一个闭合电路.
(1)S闭合后,将螺线管A(原线圈)插入螺线管B(副线圈)的过程中,电流表的指针将________偏转.
(2)线圈A放在B中不动时,指针将________偏转.
(3)线圈A放在B中不动,将滑动变阻器的滑片P向左滑动时,电流表指针将________偏转.(选填“向左”、“向右”或“不”)
图21
图22
11.如图22所示,匀强磁场区域宽为d,一正方形线框abcd的边长为l,且l>d,线框以速度v通过磁场区域,从线框进入到完全离开磁场的时间内,线框中没有感应电流的时间是多少?
图23
12.如图23所示是家庭用的“漏电保护器”的关键部分的原理图,其中P是一个变压器铁芯,入户的两根电线(火线和零线)采用双线绕法,绕在铁芯的一侧作为原线圈,然后再接入户内的用电器.Q是一个脱扣开关的控制部分(脱扣开关本身没有画出,它是串联在本图左边的火线和零线上,开关断开时,用户的供电被切断),Q接在铁芯另一侧副线圈的两端a、b之间,当a、b间没有电压时,Q使得脱扣开关闭合,当a、b间有电压时,脱扣开关立即断开,使用户断电.
(1)用户正常用电时,a、b之间有没有电压?
为什么?
(2)如果某人站在地面上,手误触火线而触电,脱扣开关是否会断开?
为什么?
电磁感应现象 楞次定律
1.B 2.BC
3.C [自A落至图示位置时,穿过线圈的磁通量增加,磁场方向向上,则感应电流的磁场方向与之相反,即向下,故可由安培定则判断线圈中感应电流的方向为顺时针;自图示位置落至B点时,穿过线圈的磁通量减少,磁场方向向上,则感应电流的磁场方向与之相同,即向上,故可由安培定则判断线圈中感应电流的方向为逆时针,选C.]
4.B [此题可用两种方法求解,借此感受右手定则和楞次定律分别在哪种情况下更便捷.
方法一:
首先由安培定则判断通电直导线周围的磁场方向(如下图所示),因ab导线向右做切割磁感线运动,由右手定则判断感应电流由a→b,同理可判断cd导线中的感应电流方向由c→d,ad、bc两边不做切割磁感线运动,所以整个线框中的感应电流是逆时针方向的.
方法二:
首先由安培定则判断通电直导线周围的磁场方向(如右图所示),由对称性可知合磁通量Φ=0;其次当导线框向右运动时,穿过线框的磁通量增大(方向垂直向里),由楞次定律可知感应电流的磁场方向垂直纸面向外,最后由安培定则判断感应电流沿逆时针方向,故B选项正确.]
5.C [本题“原因”是磁铁有相对线圈的运动,“效果”便是线圈要阻碍两者的相对运动,线圈阻止不了磁铁的运动,由“来拒去留”知,线圈只好跟着磁铁同向转动;如果二者转速相同,就没有相对运动,线圈就不会转动了,故答案为C.]
6.AD [根据楞次定律,感应电流的效果是总要阻碍产生感应电流的原因,本题中“原因”是回路中磁通量的增加,P、Q可通过缩小面积的方式进行阻碍,故可得A正确.由“来拒去留”得回路电流受到向下的力的作用,由牛顿第三定律知磁铁受向上的作用力,所以磁铁的加速度小于g,选A、D.]
思维提升
1.磁通量的大小与线圈匝数无关.磁通量的变化量为末态磁通量减初态磁通量,即:
ΔΦ=Φ2-Φ1.
2.无论回路是否闭合.只要穿过线圈平面的磁通量发生变化,线圈中就产生感应电动势,产生感应电动势的那部分导体就相当于电源.
3.楞次定律的理解:
①感应电流的磁场起阻碍作用;②阻碍原磁通量的变化;③阻碍不是阻止,最终要发生变化;④阻碍的形式:
“来拒去留”“增反减同”
4.导线切割磁感线用右手定则来进行判断:
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,并使拇指指向导线运动的方向,这时四指所指的方向就是感应电流的方向.
例1B [由楞次定律可知,在线框从右侧摆动到O点正下方的过程中,向上的磁通量在减小,感应电流的磁场与原磁场方向相同(即向上),再根据安培定则可以判断感应电流的方向沿a→d→c→b→a,同理,可知线框从O点正下方向左侧摆动的过程,电流方向沿a→d→c→b→a,故选B.]
[规范思维]
(1)在判断感应电流的方向时,分析磁通量的变化只需看穿过平面的磁感线的条数即可,还要注意磁感线是从正面穿入还是从正面穿出(正面是为了分析问题事先选定的).
(2)根据楞次定律的基本含义,按步就班(一原二变三感四螺旋)解题一般不会出错.
例2D [条形磁铁从线圈正上方等高快速经过时,通过线圈的磁通量先增加后减小.当通过线圈的磁通量增加时,为阻碍其增加,在竖直方向上线圈有向下运动的趋势,所以线圈受到的支持力大于重力,在水平方向上有向右运动的趋势;当通过线圈的磁通量减小时,为阻碍其减小,在竖直方向上线圈有向上运动的趋势,所以线圈受到的支持力小于重力,在水平方向上有向右运动的趋势.综上所述,线圈受到的支持力先大于重力后小于重力,运动趋势总是向右.]
[规范思维] 本题是根据楞次定律的第二种描述解题的.根据磁通量的增、减,利用阻碍相对运动来分析水平方向和竖直方向上安培力的方向.楞次定律的几种表述情况,都可归纳为阻碍产生感应电流的原因.
例3BC [设PQ向右运动,用右手定则和安培定则判定可知穿过L1的磁感线方向向上.若PQ向右加速运动,则穿过L1的磁通量增加,用楞次定律判定可知通过MN的感应电流方向是N→M,对MN用左手定则判定,可知MN向左运动,可见A选项不正确.若PQ向右减速运动,则穿过L1的磁通量减少,用楞次定律判定可知通过MN的感应电流方向是M→N,对MN用左手定则判定,可知MN是向右运动,可见C正确.同理设PQ向左运动,用上述类似的方法可判定B正确,而D错误.]
[规范思维] 由导体运动分析产生感应电流的方向时用右手定则,由电流分析所受安培力的方向时,用左手定则.安培定则又称右手螺旋定则,用来判断电流产生的磁场方向,它们的作用及操作方法都不同,学习时要明确区分.
[针对训练]
1.D [①确定原磁场的方向:
条形磁铁在穿入线圈的过程中,磁场方向向下.
②明确闭合回路中磁通量变化的情况:
向下的磁通量增加.
③由楞次定律的“增反减同”可知:
线圈中的感应电流产生的磁场方向向上.
④应用右手定则可以判断感应电流的方向为逆时针(俯视),即:
电流的方向从b→G→a.
同理可以判断出条形磁铁穿出线圈的过程中,向下的磁通量减小,由楞次定律可得:
线圈中将产生顺时针的感应电流(俯视),即:
电流的方向从a→G→b.]
2.A [由于I减小,穿过闭合金属环的磁通量变小,通电螺线管在环a的轴线上,所以环通过缩小面积来阻碍原磁通量的减小,所以A正确.]
3.左 收缩
解析 变阻器滑片P向左移动,电阻变小,电流变大,根据楞次定律,感应电流的磁场方向与原电流的磁场方向相反,相互排斥,则金属环A将向左移动,因磁通量增大,金属环A有收缩的趋势.
4.B [直线电流的磁场离导线越远,磁感线越稀疏,故线圈在下落过程中磁通量一直减小,A错;由于上、下两边电流相等,上边磁场较强,线框所受合力不为零,C错;由于电磁感应,一部分机械能转化为电能,机械能减小,D错.]
思想方法总结
1.感应电流方向的判断方法:
方法一:
右手定则(适用于部分导体切割磁感线)
方法二:
楞次定律
楞次定律的应用步骤
2.
(1)若导体不动,回路中磁通量变化,应该用楞次定律判断感应电流方向而不能用右手定则.
(2)若是回路中一部分导体做切割磁感线运动产生感应电流,用右手定则判断较为简单,用楞次定律进行判定也可以,但较为麻烦.
3.电磁感应现象、楞次定律等知识与生产、生活联系比较密切,如电磁阻尼现象、延时开关等.这类题目往往以生产、生活实践和高新技术为背景,提出问题,并要求学生用所学知识去解决问题.解决问题的关键是认真读题,弄清物理情景,建立正确的物理模型,再用相关的物理规律求解.
1.AC [赫兹用实验证实了电磁波的存在,B错;安培发现了磁场对电流的作用规律;洛伦兹发现了磁场对运动电荷的作用规律,D错.]
2.D [当N极接近线圈的上端时,线圈中的磁通量增大,由楞次定律可知感应电流的方向,且流经R的电流为从b到a,电容器下极板带正电.]
3.B [此题利用楞次定律的第二种描述比较方便,导线ab向左滑动,说明回路中的磁通量在减小,即cd中的电流在减小,与电流的方向无关,故B正确.]
4.BC [S1断开时,A线圈中电流消失,磁通量减少,B线圈中产生感应电流,阻碍线圈中磁通量的减少,A错,B对;若断开S2,B线圈中无感应电流,磁通量立即减为零,不会有延时作用,C对,D错.]
5.D [在闭合开关的瞬间,铝环的磁通量增加,铝环产生感应电流,由楞次定律的第二种描述可知,铝环受到向上的安培力跳起一定高度,当保持开关闭合时,回路中电流不再增加,铝环中不再有感应电流,不再受安培力,将在重力作用下回落,所以A、B均错误;铝环回落后,断开开关时,铝环中因磁通量的变化产生感应电流,使铝环受到向下的安培力,不会再跳起,所以C错误,D正确.]
6.A [由楞次定律可知A正确.]
7.C [由楞次定律的第二种描述可知:
只要线圈中电流增强,即穿过N的磁通量增加,N就会受排斥而向右运动,只要线圈中电流减弱,即穿过N的磁通量减少,N就会受吸引而向左运动.故选项C正确.]
8.BC [欲使N产生顺时针方向的感应电流,感应电流的磁场方向应垂直纸面向里,由楞次定律可知有两种情况:
一是M中有顺时针方向逐渐减小的电流,使其在N中的磁场方向向里,且磁通量在减小;二是M中有逆时针方向逐渐增大的电流,使其在N中的磁场方向向外,且磁通量在增大.因此,根据右手定则,对于前者,应使ab减速向右运动;对于后者,则应使ab加速向左运动.故应选B、C.]
9.AC [若线圈闭合,进入磁场时,由于产生感应电流,根据楞次定律可判断线圈相对传送带向后滑动,故A正确;若线圈不闭合,进入磁场时,不会产生感应电流,故线圈相对传送带不发生滑动,故B错误;从图中可以看出,第3个线圈是不合格线圈,C正确.]
10.
(1)向右
(2)不 (3)向右
11.
解析 从线框进入磁场到完全离开磁场,只有线框bc边运动至磁场右边缘至ad边运动至磁场左边缘的过程中无感应电流.
此过程的位移为:
l-d
故线框中没有感应电流的时间为:
t=
12.见解析
解析
(1)用户正常用电时,a、b之间没有电压,因为双线绕成的初级线圈的两根导线中的电流总是大小相等、方向相反,穿过铁芯的磁通量总为零,副线圈中不会产生感应电动势.
(2)会断开,因为人站在地面上手误触火线,电流通过火线和人体流向大地,不通过零线,这样变压器的铁芯中就会有磁通量的变化,从而在副线圈中产生感应电动势,即a、b间有电压,脱扣开关就会断开.
易错点评
1.在第2题中,产生感应电流的是右边的线圈,它是电源.
许多同学误认为是电容器C在放电,使线圈中有电流,造成失误.
2.在第5题中,有同学往往认为通电线圈好似一个电动机,只要它通电,就能使铝环停在一定高度,属于没有真正理解电磁感应现象.真正的现象应是:
闭合瞬间,铝环跳起,电流稳定后,铝环是落下的,当电键断开时,是不会跳起的.
3.在第8题中,注意思维的顺序,分清谁是原因——ab的加、减速运动,谁是结果——N中产生感应电流.
4.在第11题中,一定要注意条件:
l>d.
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