電磁感應(yīng)第1節(jié)

第1節(jié)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)

第2節(jié)探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件

追悔莫及的亨利美國(guó)物理學(xué)家亨利是奧爾巴尼學(xué)院的教授，由于教學(xué)任務(wù)繁重，也沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)室，他主要利用假期在學(xué)院的大廳里進(jìn)行電學(xué)實(shí)驗(yàn)工作．1829年8月的暑假，亨利在考察繞有不同長(zhǎng)度導(dǎo)線(xiàn)的電磁鐵所產(chǎn)生磁力的大小時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通電導(dǎo)線(xiàn)中的電流被突然切斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電火花．當(dāng)時(shí)亨利無(wú)法給出解釋?zhuān)@一重要發(fā)現(xiàn)被擱置下來(lái)了．1830年8月的暑假，亨利繼續(xù)上次的實(shí)驗(yàn)．他發(fā)現(xiàn)當(dāng)電磁鐵導(dǎo)線(xiàn)中突然通入強(qiáng)電流時(shí)，電流計(jì)的指針向一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)；當(dāng)電磁鐵導(dǎo)線(xiàn)中的電流突然消失時(shí)，電流計(jì)的指針?lè)聪蚱D(zhuǎn)；當(dāng)電磁鐵導(dǎo)線(xiàn)中電流保持穩(wěn)定時(shí)，電流計(jì)的指針不偏轉(zhuǎn)．亨利對(duì)這一現(xiàn)象感到很奇怪，但暑假結(jié)束了，他只得停止實(shí)驗(yàn)．到了1832年6月，亨利在雜志上看到了法拉第在1831年所做的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)訊，立即痛苦地意識(shí)到法拉第的發(fā)現(xiàn)與自己兩年前的發(fā)現(xiàn)相類(lèi)似．他馬上用自己的舊儀器進(jìn)一步完善了過(guò)去的實(shí)驗(yàn)，并把自己前前后后做的實(shí)驗(yàn)做了一個(gè)總結(jié)，寫(xiě)成一篇論文．即使這樣，在電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)上，亨利只能屈居第二了．一、電流的磁效應(yīng)1．電流的磁效應(yīng)1820年，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)載流導(dǎo)線(xiàn)能使小磁針偏轉(zhuǎn)，這種作用稱(chēng)為電流的磁效應(yīng)．2．發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)的意義(1)電流的磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了電和磁存在著必然的聯(lián)系，突破了人類(lèi)對(duì)電與磁認(rèn)識(shí)的局限性，掀起了一場(chǎng)研究電與磁關(guān)系的革命．(2)在奧斯特電流磁效應(yīng)的影響下，法國(guó)物理學(xué)家安培研究了不同形狀的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，提出了判斷電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的右手螺旋法則，并提出了著名的“分子電流”假說(shuō)，揭示了磁鐵的磁場(chǎng)和電流的磁場(chǎng)一樣，都是由電荷運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的．(3)奧斯特的發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們探索“磁生電”的方法，在“磁生電”這一光輝思想的指引下，英國(guó)物理學(xué)家法拉第經(jīng)過(guò)十年的不懈努力終于找到了“磁生電”的條件，于1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象．二、電磁感應(yīng)現(xiàn)象1．電磁感應(yīng)現(xiàn)象

1831年，英國(guó)物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即“由磁生電”的條件，產(chǎn)生的電流叫感應(yīng)電流．法拉第把引起電流的原因概括為五類(lèi)：變化的電流、變化的磁場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)的恒定電流、運(yùn)動(dòng)的磁鐵、在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體．注意：

“磁生電”是一種在運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程中才出現(xiàn)的效應(yīng)．2．發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的意義

(1)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)電與磁內(nèi)在聯(lián)系的認(rèn)識(shí)更加完善，宣告了電磁學(xué)作為一門(mén)統(tǒng)一學(xué)科的誕生．(2)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)使人們找到了磁生電的條件，開(kāi)辟了人類(lèi)的電氣化時(shí)代．

三、探究產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件

1．實(shí)驗(yàn)過(guò)程實(shí)驗(yàn)1

如下圖所示，導(dǎo)體AB做切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線(xiàn)路中有電流產(chǎn)生，而導(dǎo)體AB順著磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線(xiàn)路中無(wú)電流產(chǎn)生．在實(shí)驗(yàn)1中，當(dāng)導(dǎo)體AB在磁場(chǎng)中靜止或平行于磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，無(wú)論磁場(chǎng)多強(qiáng)，閉合回路中都無(wú)電流；當(dāng)導(dǎo)體AB做切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，閉合回路中有電流產(chǎn)生．實(shí)驗(yàn)2如下圖所示，條形磁鐵插入或拔出線(xiàn)圈時(shí)，線(xiàn)圈中有電流產(chǎn)生，但磁鐵在線(xiàn)圈中靜止不動(dòng)時(shí)，線(xiàn)圈中無(wú)電流產(chǎn)生．在實(shí)驗(yàn)2中，當(dāng)條形磁鐵靜止在螺線(xiàn)管中時(shí)，無(wú)論磁鐵的磁場(chǎng)多強(qiáng)，回路中都沒(méi)有電流；將磁鐵插入或拔出螺線(xiàn)管時(shí)，組成螺線(xiàn)管的導(dǎo)線(xiàn)切割磁感線(xiàn)，閉合回路中有電流產(chǎn)生．實(shí)驗(yàn)3如右圖所示，將小螺線(xiàn)管AB插入大螺線(xiàn)管CD中不動(dòng)，當(dāng)開(kāi)關(guān)S接通或斷開(kāi)時(shí)，電流表中有電流通過(guò)；若開(kāi)關(guān)S一直閉合，當(dāng)改變滑動(dòng)變阻器的阻值時(shí)，電流表中也有電流通過(guò)；而開(kāi)關(guān)一直閉合，滑動(dòng)變阻器不動(dòng)時(shí)，無(wú)電流產(chǎn)生．

在實(shí)驗(yàn)3中，導(dǎo)體和磁場(chǎng)之間并沒(méi)有發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)．當(dāng)螺線(xiàn)管AB中電流不變時(shí)，螺線(xiàn)管CD中沒(méi)有電流產(chǎn)生；而當(dāng)螺線(xiàn)管AB中的電流變化時(shí)，螺線(xiàn)管CD中就產(chǎn)生了電流.注意：進(jìn)一步分析不難看出：實(shí)驗(yàn)1是通過(guò)導(dǎo)體相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)改變磁通量；實(shí)驗(yàn)2是磁體即磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)改變磁通量；實(shí)驗(yàn)3通過(guò)改變電流從而改變磁場(chǎng)強(qiáng)弱，進(jìn)而改變磁通量，所以可以將產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件描述為“不論用什么方法，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)生感應(yīng)電流”．3．實(shí)驗(yàn)結(jié)論產(chǎn)生感應(yīng)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)生感應(yīng)電流．注意：電路閉合，磁通量變化，是產(chǎn)生感應(yīng)電流的兩個(gè)必要條件，缺一不可，電路中有沒(méi)有磁通量不是產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，如果穿過(guò)電路的磁通量盡管很大但不變化，那么無(wú)論有多大，也不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流．

如下圖所示，線(xiàn)圈平面與水平方向成θ角，磁感線(xiàn)豎直向下，設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，線(xiàn)圈面積為S，則穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量Φ＝________.

解析：線(xiàn)圈平面abcd與磁感應(yīng)強(qiáng)度B方向不垂直，不能直接用Φ＝BS計(jì)算，處理時(shí)可以用不同的方法：法一：把S投影到與B垂直的方向即水平方向，如圖中a′b′cd，S⊥＝Scosθ，故Φ＝BS⊥＝BScosθ.法二：把B分解為平行于線(xiàn)圈平面的分量B∥和垂直于線(xiàn)圈平面的分量B⊥，顯然B∥不穿過(guò)線(xiàn)圈，且B⊥＝Bcosθ，故Φ＝B⊥S＝BScosθ.答案：BScosθ

變式遷移如下圖所示，有一個(gè)100匝的線(xiàn)圈，其橫截面是邊長(zhǎng)為L(zhǎng)＝0.20m的正方形，放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B＝0.50T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，線(xiàn)圈平面與磁場(chǎng)垂直．若將這個(gè)線(xiàn)圈橫截面的形狀由正方形改變成圓形(橫截面的周長(zhǎng)不變)，在這一過(guò)程中穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量改變了多少？解析：線(xiàn)圈橫截面為正方形時(shí)的面積S1＝L2＝(0.20)2m2＝4.0×10－2m2.穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量Φ1＝BS1＝0.50×4.0×10－2Wb＝2.0×10－2Wb截面形狀為圓形時(shí)，其半徑r＝4L/2π＝2L/π.截面積大小S2＝π(2L/π)2＝16/(100π)m2.穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量Φ2＝BS2＝0.50×16/(100π)Wb≈2.55×10－2Wb.所以，磁通量的變化ΔΦ＝Φ2－Φ1＝(2.55－2.0)×10－2Wb＝5.5×10－3Wb.答案：5.5×10－3Wb如下圖所示，正方形線(xiàn)圈在通電長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)：A向右平動(dòng)，B向下平動(dòng)，C繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)(ad邊向外)，D從紙面向外做平動(dòng)，E向上平動(dòng)(E線(xiàn)圈有個(gè)缺口)，判斷線(xiàn)圈中有沒(méi)有感應(yīng)電流．解析：在直導(dǎo)線(xiàn)電流磁場(chǎng)中的五個(gè)線(xiàn)圈，原來(lái)磁通量都是垂直紙面向里的，對(duì)直線(xiàn)電流來(lái)說(shuō)，離電流越遠(yuǎn)，磁場(chǎng)就越弱．A向右平動(dòng)．穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量沒(méi)有變化，故A線(xiàn)圈中沒(méi)有產(chǎn)生感應(yīng)電流．B向下平動(dòng)，穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量減少，必產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流．C繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量變化，必產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流．D離開(kāi)紙面向外，線(xiàn)圈中磁通量減少，故情況同B、C.E向上平移，穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量增加，故產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，但由于線(xiàn)圈沒(méi)有閉合，因此無(wú)感應(yīng)電流．答案：B、C、D中產(chǎn)生感應(yīng)電流，A、E中不產(chǎn)生感應(yīng)電流．變式遷移如右圖所示，閉合圓導(dǎo)線(xiàn)圈平行地放置在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，其中ac、bd分別是平行、垂直于磁場(chǎng)方向的兩直徑．試分析線(xiàn)圈做以下哪種運(yùn)動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生感應(yīng)電流(

)A．使線(xiàn)圈在其平面內(nèi)平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)B．使線(xiàn)圈平面沿垂直紙面方向向紙外平動(dòng)C．使線(xiàn)圈以ac為軸轉(zhuǎn)動(dòng)D．使線(xiàn)圈以bd為軸稍做轉(zhuǎn)動(dòng)解析：根據(jù)產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件可知：只需要使穿過(guò)閉合回路的磁通量發(fā)生變化，就能在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流．線(xiàn)圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B為定值，根據(jù)前面分析ΔΦ＝B·ΔS知：只要回路中相對(duì)磁場(chǎng)的正對(duì)面積改變量ΔS≠0，則磁通量一定要改變，回路中一定有感應(yīng)電流產(chǎn)生．當(dāng)線(xiàn)圈在紙面內(nèi)平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線(xiàn)圈相對(duì)磁場(chǎng)的正對(duì)面積始終為零，因此ΔS＝0，因而無(wú)感應(yīng)電流產(chǎn)生；當(dāng)線(xiàn)圈平面沿垂直紙面方向向紙外平動(dòng)時(shí)，同樣ΔS＝0，因而無(wú)感應(yīng)電流產(chǎn)生；當(dāng)線(xiàn)圈以ac為軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線(xiàn)圈相對(duì)磁場(chǎng)的正對(duì)面積改變量ΔS仍為零，回路中仍無(wú)感應(yīng)電流；當(dāng)線(xiàn)圈以bd為軸稍作轉(zhuǎn)動(dòng)，則線(xiàn)圈相對(duì)磁場(chǎng)的正對(duì)面積發(fā)生了改變，因此在回路中產(chǎn)生了感應(yīng)電流．故選D.答案：D1．(2011年北京西城)許多科學(xué)家在物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中做出了重要貢獻(xiàn)．下列表述正確的是(

)A．開(kāi)普勒測(cè)出了引力常量B．法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象C．安培提出了磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力公式D．庫(kù)侖總結(jié)并確認(rèn)真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用規(guī)律練習(xí)解析：引力常量是由卡文迪許利用扭秤實(shí)驗(yàn)測(cè)得的，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力公式是由洛倫茲提出的，選項(xiàng)C錯(cuò)誤，正確答案為BD.答案：BD2．如右圖所示，開(kāi)始時(shí)矩形線(xiàn)圈與磁場(chǎng)垂直，且一半在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，另一半在勻強(qiáng)磁場(chǎng)外，若要線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，下列方法中可行的是(

)A．將線(xiàn)圈向左平移一小段距離B．將線(xiàn)圈向上平移C．以ab為軸轉(zhuǎn)動(dòng)(小于60°)D．以