魯科版選修32 第一章 第1節(jié) 磁生電的探索 學(xué)案.doc

第1節(jié)磁生電的探索1.1820年，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，拉開(kāi)了研究電與磁相互關(guān)系的序幕，法拉第歷經(jīng)10年發(fā)現(xiàn)磁生電的原因。2感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件有兩個(gè)，一是電路閉合，一是磁通量發(fā)生變化，二者缺一不可。3磁通量變化有多種：b不變s變、b變s不變、b與s都變、b與s都不變只是二者夾角變。 一、電磁感應(yīng)的探索歷程事件意義電生磁1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)拉開(kāi)了研究電與磁相互關(guān)系的序幕磁生電菲涅耳、安培、科拉頓、亨利等致力于磁生電的研究科學(xué)探索是曲折的，真理追求是執(zhí)著的1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象揭示了電和磁的內(nèi)在聯(lián)系，引領(lǐng)人類進(jìn)入電氣時(shí)代二、感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件1探究導(dǎo)體棒在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)是否產(chǎn)生電流(如圖111)圖111實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(有無(wú)電流)分析論證導(dǎo)體棒靜止無(wú)閉合電路包圍的面積變化時(shí)，電路中有電流產(chǎn)生；閉合電路包圍的面積不變時(shí)，電路中無(wú)電流產(chǎn)生導(dǎo)體棒平行磁感線運(yùn)動(dòng)無(wú)導(dǎo)體棒切割磁感線運(yùn)動(dòng)有2探究磁鐵在通電螺線管中運(yùn)動(dòng)是否產(chǎn)生電流(如圖112)圖112實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(有無(wú)電流)分析論證n極插入線圈有線圈中的磁場(chǎng)變化時(shí)，線圈中有感應(yīng)電流；線圈中的磁場(chǎng)不變時(shí)，線圈中無(wú)感應(yīng)電流n極停在線圈中無(wú)n極從線圈中抽出有s極插入線圈有s極停在線圈中無(wú)s極從線圈中抽出有3模擬法拉第的實(shí)驗(yàn)(如圖113)圖113實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(線圈b中有無(wú)電流)分析論證開(kāi)關(guān)閉合瞬間有線圈b中磁場(chǎng)變化時(shí)，線圈b中有感應(yīng)電流；磁場(chǎng)不變時(shí)，線圈b中無(wú)感應(yīng)電流開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間有開(kāi)關(guān)保持閉合，滑動(dòng)變阻器滑片不動(dòng)無(wú)開(kāi)關(guān)保持閉合，迅速移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片有4實(shí)驗(yàn)結(jié)論利用磁場(chǎng)產(chǎn)生電流的條件：只要穿過(guò)閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就會(huì)產(chǎn)生電流。1自主思考判一判(1)法拉第不但發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，還發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。()(2)磁通量雖然有正、負(fù)之分，但磁通量是標(biāo)量。()(3)穿過(guò)閉合線圈的磁通量發(fā)生變化，一定能產(chǎn)生感應(yīng)電流。()(4)閉合線圈做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，一定能產(chǎn)生感應(yīng)電流。()(5)閉合線圈和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不一定能產(chǎn)生感應(yīng)電流。()2合作探究議一議(1)為什么許多大物理學(xué)家對(duì)“磁生電”的探索失敗，而法拉第卻能成功呢？提示：許多大物理學(xué)家如菲涅耳、安培、科拉頓、亨利等，他們對(duì)磁生電探索失敗的原因，可歸納為兩條：“磁生電”是一種在變化運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中才能出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，大多數(shù)物理學(xué)家把它看成了靜態(tài)效應(yīng)，靜等其變，研究思路不對(duì)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)的多次失敗和挫折，使大多數(shù)物理學(xué)家知難而退、望而卻步，而法拉第憑著迎難而上、對(duì)科學(xué)堅(jiān)韌不拔的探索精神、獻(xiàn)身精神，十年磨一劍，終成大器。(2)只要磁通量變化就有感應(yīng)電流產(chǎn)生嗎？提示：不一定，要產(chǎn)生感應(yīng)電流需具備兩個(gè)條件：閉合回路磁通量發(fā)生變化如果電路不閉合，即使磁通量發(fā)生變化也不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。(3)閉合電路的部分導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，一定有感應(yīng)電流嗎？提示：不一定。如圖所示，線框abcd僅有一半置入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)它在磁場(chǎng)中上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，一半線框在做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，但磁通量未發(fā)生變化，故無(wú)感應(yīng)電流產(chǎn)生。當(dāng)線框向左平動(dòng)，離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)，線框的磁通量減小，故有電流產(chǎn)生，導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，不是導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流的充要條件，歸根結(jié)底還得要看穿過(guò)閉合回路的磁通量是否發(fā)生變化。 磁通量及其變化的分析1磁通量與其變化量的區(qū)別磁通量磁通量的變化量物理意義某時(shí)刻穿過(guò)某個(gè)面的磁感線條數(shù)始末時(shí)刻穿過(guò)某個(gè)面的磁通量的差值大小計(jì)算bs，s為閉合回路線圈在垂直于磁場(chǎng)方向上的有效面積21bs(b不變) 或sb(s不變)說(shuō)明穿過(guò)某個(gè)面有方向相反的磁場(chǎng)，則不能直接用bs，應(yīng)考慮方向相反的磁通量抵消以后所剩余的磁通量與磁場(chǎng)垂直的平面，開(kāi)始時(shí)和轉(zhuǎn)過(guò)180時(shí)穿過(guò)平面的磁通量是不同的，一正一負(fù)，2bs，而不是零2磁通量的計(jì)算(1)b與s垂直時(shí)(勻強(qiáng)磁場(chǎng)中)：bs。b指勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，s為線圈的面積。 (2)b與s不垂直時(shí)(勻強(qiáng)磁場(chǎng)中)：bs。s為線圈在垂直磁場(chǎng)方向上的有效面積，在應(yīng)用時(shí)可將s分解到與b垂直的方向上，如圖114所示，bs sin 。圖114(3)磁通量雖然是標(biāo)量，卻有正負(fù)之分。當(dāng)某面積內(nèi)有方向相反的磁場(chǎng)時(shí)，分別計(jì)算不同方向的磁場(chǎng)的磁通量，然后規(guī)定某個(gè)方向的磁通量為正，反方向的磁通量為負(fù)，求其代數(shù)和。典例如圖115所示，a、b是兩個(gè)同平面、同心放置的金屬圓環(huán)，條形磁鐵穿過(guò)圓環(huán)且與兩環(huán)平面垂直，則通過(guò)兩圓環(huán)的磁通量a、b()圖115aabbabcab d無(wú)法比較思路點(diǎn)撥解析條形磁鐵磁場(chǎng)的磁感線的分布特點(diǎn)是：磁鐵內(nèi)外磁感線的條數(shù)相同。磁鐵內(nèi)外磁感線的方向相反。磁鐵外部磁感線的分布是兩端密、中間疏。兩個(gè)同心放置的同平面的金屬圓環(huán)與磁鐵垂直且磁鐵在中央時(shí)，通過(guò)其中的磁感線的俯視圖如圖所示，穿過(guò)圓環(huán)的磁通量進(jìn)出，由于兩圓環(huán)面積sasb，兩圓環(huán)的進(jìn)相同，而出a出b，所以穿過(guò)兩圓環(huán)的有效磁通量ab，故a正確。答案a(1)對(duì)于穿過(guò)某一平面的雙向磁場(chǎng)，表示的是合磁通量的大小。(2)注意有相反方向的磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁通量的判斷，首先要清楚哪個(gè)方向的磁通量大，然后再看它們各自如何變化，進(jìn)而判斷總磁通量情況。 1.如圖116所示，水平放置的扁平條形磁鐵，在磁鐵的左端正上方有一金屬線框，線框平面與磁鐵垂直，當(dāng)線框從左端正上方沿水平方向平移到右端正上方的過(guò)程中，穿過(guò)它的磁通量的變化情況是()圖116a先減小后增大b始終減小c始終增大 d先增大后減小解析：選a線框在磁鐵兩端的正上方時(shí)穿過(guò)該線框磁通量最大，在磁鐵中央時(shí)穿過(guò)該線框的磁通量最小，所以該過(guò)程中的磁通量先減小后增大，故a對(duì)。2.如圖117所示，a、b、c三個(gè)閉合線圈放在同一平面內(nèi)，當(dāng)線圈a中有電流i通過(guò)時(shí)，它們的磁通量分別為a、b、c，下列說(shuō)法中正確的是()圖117aabbccaccb解析：選b當(dāng)a中有電流通過(guò)時(shí)，穿過(guò)a、b、c三個(gè)閉合線圈的向里的磁感線條數(shù)一樣多，向外的磁感線的條數(shù)c最多，其次是b，a中沒(méi)有向外的磁感線，因此，根據(jù)合磁通量的計(jì)算，應(yīng)該是abc。3如圖118所示，有一通電長(zhǎng)直導(dǎo)線mn，通入向右的電流i，另有一閉合線圈p位于導(dǎo)線正下方，現(xiàn)使線圈p豎直向上運(yùn)動(dòng)，問(wèn)在線圈p到達(dá)mn上方的過(guò)程中，穿過(guò)p的磁通量是如何變化的？圖118解析：根據(jù)直線電流磁場(chǎng)特點(diǎn)，靠近導(dǎo)線處磁場(chǎng)強(qiáng)，遠(yuǎn)離導(dǎo)線處磁場(chǎng)弱，把線圈p從mn下方運(yùn)動(dòng)到上方的過(guò)程中幾個(gè)特殊位置畫(huà)出，如圖所示(為畫(huà)清楚，把線圈錯(cuò)開(kāi)了)。分析磁通量變化時(shí)可以通過(guò)穿過(guò)線圈的磁感線的條數(shù)(注意應(yīng)是凈條數(shù))的變化來(lái)分析。磁通量增加；磁通量減小(位置時(shí)0)；磁通量增加；磁通量減小。所以整個(gè)過(guò)程磁通量的變化為：增加減小增加減小。答案：見(jiàn)解析感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件1對(duì)感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的理解(1)兩個(gè)條件均為必要條件，缺一不可。(2)閉合電路中是否產(chǎn)生感應(yīng)電流，取決于穿過(guò)回路的磁通量是否發(fā)生變化。2判斷有無(wú)感應(yīng)電流的基本步驟(1)明確所研究的電路是否為閉合電路。(2)分析最初狀態(tài)穿過(guò)電路的磁通量情況。(3)根據(jù)相關(guān)量變化的情況分析穿過(guò)閉合電路的磁通量是否發(fā)生變化。常見(jiàn)的情況有以下幾種：磁感應(yīng)強(qiáng)度b不變，線圈面積s發(fā)生變化，例如閉合電路的一部分導(dǎo)體切割磁感線時(shí)。線圈面積s不變，磁感應(yīng)強(qiáng)度b發(fā)生變化，例如線圈與磁體之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)或者磁場(chǎng)是由通電螺線管產(chǎn)生而螺線管中的電流變化時(shí)。磁感應(yīng)強(qiáng)度b和線圈面積s同時(shí)發(fā)生變化，此時(shí)可由10計(jì)算并判斷磁通量是否發(fā)生變化。線圈面積s不變，磁感應(yīng)強(qiáng)度b也不變，但二者之間的夾角發(fā)生變化，例如線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)。典例 (多選)如圖119所示，豎直放置的長(zhǎng)直導(dǎo)線通以恒定電流，一矩形線框abcd與通電導(dǎo)線共面放置，且ad邊與通電導(dǎo)線平行。下列情況中能產(chǎn)生感應(yīng)電流的是()a導(dǎo)線中電流變大b線框向右平動(dòng)c線框向下平動(dòng)d線框以ab邊為軸轉(zhuǎn)動(dòng)e線框以直導(dǎo)線為軸轉(zhuǎn)動(dòng)圖119思路點(diǎn)撥 解析討論是否產(chǎn)生感應(yīng)電流，需分析通電直導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)分布情況，通電直導(dǎo)線周圍的磁感線是一系列的同心圓，且離導(dǎo)線越遠(yuǎn)磁感線越稀疏。只要穿過(guò)線框的磁通量發(fā)生變化，線框中就能產(chǎn)生感應(yīng)電流。因i增大而引起導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，穿過(guò)線框的磁通量增大，故a正確。因離直導(dǎo)線越遠(yuǎn)，磁感線分布越稀疏(如圖甲)，因此線框向右平動(dòng)時(shí)，穿過(guò)線框的磁通量變小，故b正確。由甲圖可知線框向下平動(dòng)時(shí)穿過(guò)線框的磁通量不變，故c錯(cuò)。線框以ab邊為軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)線框在如圖甲所示位置時(shí)，穿過(guò)線框的磁通量最大，當(dāng)線框轉(zhuǎn)過(guò)90時(shí)，穿過(guò)線框的磁通量最小：0，因此可以判定線框以ab邊為軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁通量一定變化，故d正確。對(duì)e選項(xiàng)，先畫(huà)出俯視圖(如圖乙)，由圖可看出線框繞直導(dǎo)線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在任何一個(gè)位置穿過(guò)線框的磁感線條數(shù)不變，因此無(wú)感應(yīng)電流產(chǎn)生，故e錯(cuò)。答案abd對(duì)感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的兩點(diǎn)理解(1)在閉合回路中是否產(chǎn)生感應(yīng)電流，取決于穿過(guò)回路的磁通量是否發(fā)生變化，而不取決于穿過(guò)回路磁通量的大小。(2)閉合回路的部分導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)是引起回路磁通量變化的具體形式之一。但閉合回路的部分導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，不一定總會(huì)引起閉合回路的磁通量變化。如圖所示，矩形線框abcd在范圍足夠大的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，在垂直磁場(chǎng)的平面內(nèi)向右平動(dòng)，雖然ad、bc邊都切割磁感線，但磁場(chǎng)穿過(guò)回路abcd的磁通量沒(méi)有變化，因而沒(méi)有產(chǎn)生感應(yīng)電流。1如圖所示，各導(dǎo)體框在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)方向圖中已標(biāo)出，能產(chǎn)生感應(yīng)電流的是()解析：選da圖中，回路不閉合，回路中無(wú)感應(yīng)電流。b、c中雖有切割且回路閉合，但磁通量不發(fā)生變化，回路中無(wú)感應(yīng)電流。2.如圖1110所示，條形磁鐵的上方放置一矩形線框，線框平面水平且和條形磁鐵平行，則線框在由磁鐵n極勻速平移到磁鐵s極的過(guò)程中()圖1110a線框中始終無(wú)感應(yīng)電流b線框中始終有感應(yīng)電流c線框中開(kāi)始有感應(yīng)電流，當(dāng)線框運(yùn)動(dòng)到磁鐵中部上方時(shí)無(wú)感應(yīng)電流，以后又有了感應(yīng)電流d開(kāi)始無(wú)電流，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到磁鐵中部的上方時(shí)有感應(yīng)電流，后來(lái)又沒(méi)有電流解析：選b線框移動(dòng)過(guò)程中，穿過(guò)線框的磁通量先減小后增大，即穿過(guò)線框的磁通量始終是變化的，故線框始終有感應(yīng)電流，故b正確。3圖1111所示的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中有一個(gè)矩形閉合導(dǎo)線框。在下列幾種情況下，線框中是否產(chǎn)生感應(yīng)電流？(1)保持線框平面始終與磁感線垂直，線框在磁場(chǎng)中上下運(yùn)動(dòng)(圖甲)。(2)保持線框平面始終與磁感線垂直，線框在磁場(chǎng)中左右運(yùn)動(dòng)(圖乙)。(3)線框繞軸線ab轉(zhuǎn)動(dòng)(圖丙)。圖1111解析：(1)圖甲中，線框在磁場(chǎng)中上下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，穿過(guò)線框的磁通量沒(méi)有發(fā)生變化，所以無(wú)感應(yīng)電流產(chǎn)生。(2)圖乙中，線框在磁場(chǎng)中左右運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，盡管切割磁感線，但是穿過(guò)線框的磁通量沒(méi)發(fā)生變化，所以無(wú)感應(yīng)電流產(chǎn)生。(3)圖丙中，線框繞ab轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)使穿過(guò)線框的磁通量發(fā)生改變，有感應(yīng)電流產(chǎn)生。答案：見(jiàn)解析1下列現(xiàn)象中，屬于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的是()a磁場(chǎng)對(duì)電流產(chǎn)生力的作用b變化的磁場(chǎng)使閉合電路產(chǎn)生感應(yīng)電流c插入通電螺線管中的軟鐵棒被磁化d電流周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)解析：選b電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指由于穿過(guò)閉合回路的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電流的現(xiàn)象，只有選項(xiàng)b符合。2有一宇航員登月后，想探測(cè)一下月球表面是否有磁場(chǎng)，他手邊有一只靈敏電流表和一個(gè)小線圈，則下列推斷正確的是()a直接將電流表放于月球表面，根據(jù)電流表有無(wú)示數(shù)來(lái)判斷磁場(chǎng)的有無(wú)b將電流表與線圈連成閉合回路，使線圈沿某一方向運(yùn)動(dòng)，若電流表無(wú)示數(shù)，則可以判斷月球表面無(wú)磁場(chǎng)c將電流表與線圈連成閉合回路，使線圈沿某一方向運(yùn)動(dòng)，若電流表有示數(shù)，則可以判斷月球表面有磁場(chǎng)d將電流表與線圈連成閉合回路，使線圈在某一平面內(nèi)沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，若電流表無(wú)示數(shù)，則可以判斷月球表面無(wú)磁場(chǎng)解析：選c假設(shè)月球表面有磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)分布規(guī)律類似于地磁場(chǎng)，當(dāng)電流表與線圈組成閉合電路，穿過(guò)該回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，電流表就會(huì)有示數(shù)，就可證明有磁場(chǎng)存在，a中電流表不在回路中，故a錯(cuò)；當(dāng)線圈平面與月球的磁場(chǎng)(假設(shè)月球有磁場(chǎng))方向平行時(shí)，線圈沿任一方向運(yùn)動(dòng)，穿過(guò)線圈的磁通量都不發(fā)生變化，電流表無(wú)示數(shù)，故該情況下不能判定月球表面是否無(wú)磁場(chǎng)，故b、d錯(cuò)；使線圈沿某一方向運(yùn)動(dòng)，電流表有示數(shù)，說(shuō)明穿過(guò)線圈的磁通量發(fā)生變化，證明月球表面有磁場(chǎng)，故c對(duì)。3.磁通量是研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象的重要物理量。如圖1所示，通有恒定電流的導(dǎo)線mn與閉合線框共面，第一次將線框由位置1平移到位置2，第二次將線框繞cd邊翻轉(zhuǎn)到2，設(shè)先后兩次通過(guò)線框的磁通量變化分別為1和2，則()圖1a12b12c12 d無(wú)法確定解析：選c設(shè)線框在位置1時(shí)的磁通量為1，在位置2時(shí)的磁通量為2，直線電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在1處比在2處要強(qiáng)。若平移線框，則112，若轉(zhuǎn)動(dòng)線框，磁感線是從線框的正反兩面穿過(guò)的，一正一負(fù)，因此212。根據(jù)分析知：1l，則在線框通過(guò)磁場(chǎng)區(qū)域的過(guò)程中，不產(chǎn)生感應(yīng)電流的時(shí)間為()圖8a. b.c. d.解析：選c線框完全進(jìn)入磁場(chǎng)后，磁通量不變化，線框中無(wú)感應(yīng)電流，當(dāng)線框進(jìn)入、離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)，磁通量變化，都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，故不產(chǎn)生感應(yīng)電流的距離為dl，時(shí)間為t。11逆向思維是一種重要的思想方法，在這種思想方法的引領(lǐng)下，許多重要的科學(xué)定律被發(fā)現(xiàn)?！半娚牛派姟边@種逆向互生的關(guān)系，體現(xiàn)了物理學(xué)中的一種對(duì)稱美。請(qǐng)思考：(1)你還能指出物理學(xué)中的其他對(duì)稱性和對(duì)稱實(shí)例嗎？(2)1831年，物理學(xué)家法拉第用如圖9所示的實(shí)驗(yàn)，成功發(fā)現(xiàn)了磁生電現(xiàn)象，當(dāng)開(kāi)關(guān)始終處于閉合狀態(tài)時(shí)，a線圈中_(選填“有”或“無(wú)”)感應(yīng)電流產(chǎn)生，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合或斷開(kāi)瞬間，a線圈中_(選填“有”或“無(wú)”)感應(yīng)電流產(chǎn)生。圖9(3)如圖10是某興趣小組研究磁生電現(xiàn)象所需的器材。圖10請(qǐng)你協(xié)助該小組完成如下