高考物理一轮复习第11章第1节电磁感应现象楞次定律课时学案

这是一份高考物理一轮复习第11章第1节电磁感应现象楞次定律课时学案，共17页。


第1节 电磁感应现象 楞次定律
一、电磁感应现象
1．磁通量
(1)概念：在磁感应强度为B的匀强磁场中，与磁场方向垂直的面积S与B的乘积叫作穿过这个面积的磁通量。
(2)公式：Φ＝BS。单位：韦伯，符号是Wb。
(3)物理意义：相当于穿过某一面积的磁感线的条数。
(4)磁通量是标量(选填“矢量”或“标量”)，但有正负。如果把磁感线从线圈的某一侧穿过的磁通量记为正，那么磁感线从线圈另一侧穿过的磁通量为负。
2．电磁感应现象
(1)定义：当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，闭合导体回路中有感应电流产生，这种利用磁场产生电流的现象叫作电磁感应现象。
(2)产生感应电流的条件：a．电路闭合；b．磁通量变化。
(3)实质：机械能或其他形式的能量转化为电能。
二、感应电流方向的判断
1．楞次定律
(1)内容：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。
(2)适用范围：一切电磁感应现象。
2．右手定则
(1)内容：伸开右手，使拇指与其余四指垂直，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。
(2)适用情况：导体切割磁感线产生感应电流。
一、易错易混辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)磁通量大小与线圈匝数有关。(×)
(2)磁通量是标量，但有正负，正负只表示磁感线从闭合回路的哪个面穿过。(√)
(3)只要磁通量发生变化就一定有感应电流。(×)
(4)感应电流的磁场一定与引起感应电流的磁场方向相反。(×)
(5)由楞次定律知，感应电流的磁场只起到阻碍作用而不能阻止。(√)
(6)当闭合回路里有导线切割磁感线，则电路中就一定有感应电流。(×)
二、教材习题衍生
1．(人教版必修第三册改编)某实验装置如图1所示，在铁芯P上绕着两个线圈A、B，现给线圈A分别接图2所示的电流，则在t1至t2时间内，与线圈B所接的电流表没有示数的是( )
图1
A B C D
图2
[答案] A
2．(人教版选择性必修第二册改编)如图所示，在通有电流I的长直导线附近有一个矩形线圈ABCD，线圈与导线始终在同一个平面内。线圈在导线的一侧，垂直于导线左右平移时，其中产生了A→B→C→D→A方向的电流。已知距离载流直导线较近的位置磁场较强。请判断：线圈在向哪个方向移动？如果通电导线电流减小，线圈将向哪个方向运动？如果矩形线圈周长不变，由矩形突然变成圆形，在这过程中，线圈中有无感应电流？
[解析] 选择矩形线圈为研究对象，画出通电直导线一侧的磁感线分布图如图，磁感线方向垂直纸面向里，用“×”表示。 已知矩形线圈中感应电流的方向是A→B→C→D→A，根据右手螺旋定则，感应电流的磁场方向是垂直纸面向外的(即指向读者的，用矩形中心的圆点“·”表示)。现在已经判明感应电流的磁场垂直纸面向外指向读者，跟原来磁场的方向相反。根据楞次定律，感应电流的磁场应该是阻碍穿过线圈的磁通量变化的，因此线圈移动时通过它的磁通量一定是在增大，这说明线圈在向左移动。如果通电导线电流减小，穿过线圈的磁通量将减少，根据楞次定律，感应电流的磁场将阻碍其减小，线圈将向左运动。由矩形突然变成圆形，穿过线圈的磁通量发生变化，在这过程中，线圈中有感应电流。
[答案] 向左 向左 有
3．(人教版选择性必修第二册改编)如图所示，一轻质绝缘横杆两侧各固定一金属环，横杆可绕中心点自由转动。拿一条形磁铁插向其中一个小环，后又取出插向另一个小环，看到的现象及现象分析正确的是( )
A．磁铁插向左环，横杆发生转动
B．磁铁插向右环，横杆不发生转动
C．磁铁插向左环，左环中不产生感应电动势和感应电流
D．磁铁插向右环，右环中产生感应电动势和感应电流
D [左环不闭合，磁铁插向左环时，产生感应电动势，不产生感应电流，环不受磁场的作用，横杆不转动，故A、C错误；右环闭合，磁铁插向右环时，环内产生感应电流，环受到磁场的作用，横杆转动，故B错误，D正确。]
电磁感应现象的理解及判断
1．磁通量变化的四类情况
2．常见的产生感应电流的三种情况
[题组突破]
1．(磁通量的理解)如图所示，两个单匝线圈a、b的半径分别为r和2r。圆形匀强磁场B的边缘恰好与a线圈重合，则穿过a、b两线圈的磁通量之比为( )
A．1∶1 B．1∶2 C．1∶4 D．4∶1
A [由题图可知，穿过a、b两个线圈的磁通量均为Φ＝B·πr2，因此磁通量之比为1∶1，A项正确。]
2．(磁通量的变化及感应电流有无的判断)如图所示，一个U形金属导轨水平放置，其上放有一个金属导体棒ab，有一磁感应强度为B的匀强磁场斜向上穿过轨道平面，且与竖直方向的夹角为θ。在下列各过程中，一定能在轨道回路里产生感应电流的是( )
A．ab向右运动，同时使θ减小
B．使磁感应强度B减小，θ角同时也减小
C．ab向左运动，同时增大磁感应强度B
D．ab向右运动，同时增大磁感应强度B和θ角(0°<θ<90°)
A [设此时回路面积为S，据题意，磁通量Φ＝BScs θ，ab向右运动，S增大，θ减小，cs θ增大，则Φ增大，轨道回路里一定产生感应电流，A正确；使B减小，θ减小，cs θ增大，Φ可能不变；ab向左运动，S减小，B增大，Φ可能不变；ab向右运动，S增大，B增大，θ增大，cs θ减小，Φ可能不变，故B、C、D过程不一定能在轨道回路里产生感应电流，B、C、D错误。]
3．(感应电流有无判断)用图中三套实验装置探究感应电流产生的条件，下列选项中能产生感应电流的操作是( )
甲 乙
丙
A．甲图中，使导体棒AB顺着磁感线方向运动，且保持穿过ABCD的磁感线条数不变
B．乙图中，使条形磁体匀速穿过线圈
C．丙图中，开关S保持闭合，A、B螺线管相对静止一起竖直向上运动
D．丙图中，开关S保持闭合，使小螺线管A在大螺线管B中保持不动
B [题图甲中，使导体棒AB顺着磁感线方向运动，AB不切割磁感线，穿过ABCD的磁通量也没变化，故不能产生感应电流，A错误；题图乙中，使条形磁体匀速穿过线圈，在磁体从上向下穿过时，穿过线圈的磁通量会变化，故产生感应电流，B正确；题图丙中，开关S保持闭合，A、B螺线管相对静止一起竖直向上运动，两线圈没有相对运动，穿过B的磁通量没有发生变化，故不产生感应电流，C错误；题图丙中，开关S保持闭合，使小螺线管A在大螺线管B中保持不动时，也不会使穿过B的磁通量发生变化，故也不能产生感应电流， D错误。]
楞次定律的理解及应用
1．楞次定律中“阻碍”的含义
2．判断感应电流方向的两种方法
(1)用楞次定律判断感应电流方向的“四步法”：
(2)用右手定则判断：
该方法适用于部分导体切割磁感线
[题组突破]
1．(楞次定律判断感应电流的方向)(2023·浙江杭州模拟)线圈绕制在圆柱形铁芯上，通过导线与电流计连接组成闭合回路。条形磁铁的轴线和铁芯的轴线及连接线圈和电流计的导线在同一平面内，铁芯、线圈及条形磁铁的几何中心均在与铁芯垂直的PQ连线上。条形磁铁分别与线圈相互平行或相互垂直放置，使其沿QP方向靠近线圈。若电流从电流计“＋”接线柱流入时电流计指针向右偏转，在如下情形中能观察到明显的电磁感应现象，且图中标出的电流计指针偏转方向正确的是( )
A B
C D
A [该题图A、B中当磁铁向线圈靠近时，穿过线圈的磁通量向下增加，根据楞次定律可知，线圈中产生的感应电流从“＋”接线柱流入电流计，则电流计指针向右偏转，A正确，B错误；当磁铁按如题图C、D所示的方式靠近线圈时，由对称性可知，穿过线圈的磁通量总是零，线圈中不会有感应电流，C、D错误。]
2．(应用右手定则判断感应电流的方向)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境如图所示，导体ab上的感应电流方向为a→b的是( )
A B
C D
A [ab棒顺时针转动，运用右手定则，磁感线穿过手心，拇指指向顺时针方向，则导体ab上的感应电流方向为a→b，故A项正确；ab向纸外运动，运用右手定则时，磁感线穿过手心，拇指指向纸外，则知导体ab上的感应电流方向为b→a，故B项错误；线框向右运动穿过回路的磁通量减小，由楞次定律知，回路中感应电流方向为b→a→d→c，则导体ab上的感应电流方向为b→a，故C项错误；ab棒沿导轨向下运动，由右手定则判断知导体ab上的感应电流方向为b→a，故D项错误。]
楞次定律的推广应用
楞次定律可以推广为感应电流的效果总是阻碍引起感应电流的原因。列表说明如下：
[典例1] (2022·湖南长沙模拟)电磁弹射的装置是航空母舰上的一种舰载机起飞装置。如图所示的装置也能进行电磁弹射，线圈固定在光滑绝缘杆MN上、导体圆环套在绝缘杆的左端。则下列说法正确的是( )
A．开关闭合，圆环将从M端离开绝缘杆
B．圆环的位置不变，将滑动变阻器的滑片P向左滑动少许，与滑片滑动前相比，闭合开关瞬间，圆环所受的安培力相同
C．如果将电源反接，闭合开关，圆环将向右运动
D．如果将圆环放在线圈的右侧，闭合开关，圆环不会离开绝缘杆
A [闭合开关，线圈中有电流通过，周围产生磁场，穿过圆环的磁通量增加，则由楞次定律可知，圆环将向左运动，从绝缘杆的M端离开，A正确；圆环的位置不变，将P向左滑动少许，电路中的总电阻减小，闭合开关瞬间，线圈中的电流增大，则圆环所受的安培力增大，B错误；如果将电源反接，闭合开关后穿过圆环的磁通量仍增加，则由楞次定律可知，圆环仍从绝缘杆的M端离开，即圆环仍将向左运动，C错误；如果将圆环放在线圈的右侧，闭合开关，由以上分析可知圆环将从绝缘杆的N端离开，D错误。]
[跟进训练]
1．(阻碍相对运动——“来拒去留”)(2023·北京东城区检测)如图所示，在光滑水平面上固定一条形磁铁，某时刻使水平面上正对磁铁的铝球获得一个指向磁铁轴线的初速度，则( )
A．铝球将做匀速直线运动
B．铝球将做减速直线运动
C．铝球将做加速直线运动
D．铝球将做曲线运动
B [铝球可看成是由许多金属线圈构成的，在铝球向磁铁方向运动过程中，由于条形磁铁周围的磁场是非匀强磁场，越靠近磁铁磁场越强，那么穿过“金属线圈”的磁通量会增大，它们会产生感应电流，根据楞次定律的推论来拒去留可知，铝球的速度会逐渐减小，但速度方向不会改变，故B正确，A、C、D错误。]
2．(使回路面积变化的趋势——“增缩减扩”)(多选)如图1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中的电流i随时间t变化的规律如图2所示，取图1中电流方向为正方向，P所受的重力为G，桌面对P的支持力为FN，则( )
图1 图2
A．在0～t1时间内，FN>G，P有收缩的趋势
B．在t1～t2时间内，FN＝G，穿过P的磁通量不变
C．在t2～t4时间内，线圈所受安培力方向不变
D．在t3时刻，FN>G，P有收缩的趋势
AB [在0～t1时间内，螺线管中电流增大时，其形成的磁场不断增强，因此线圈P中的磁通量增大，根据楞次定律可知线圈P将阻碍其磁通量的增大，故线圈有远离和收缩的趋势，即FN>G，P有收缩的趋势，A项正确；在t1～t2时间内，螺线管中电流不变时，其形成的磁场不变，线圈P中的磁通量不变，因此线圈P中无感应电流产生，则在t1～t2时间内FN＝G，B项正确；在t2～t4时间内，穿过线圈的磁通量先减小后增大，根据楞次定律可知，为阻碍磁通量的变化，线圈所受安培力先向上后向下，C项错误；t3时刻，螺线管Q中电流为0，但P中磁通量变化，此时P中有感应电流，但二者无相互作用力，故t3时刻FN＝G，此时P没有收缩的趋势，D项错误。]
“三定则一定律”的综合应用
1．“三个定则、一个定律”的应用对比
2．三个定则、一个定律的应用技巧
(1)应用楞次定律时，一般要用到右手螺旋定则。
(2)研究感应电流受到的安培力时，一般先用右手定则确定感应电流方向，再用左手定则确定安培力方向，有时也可以直接用楞次定律的推广应用确定。
[典例2] 如图，在方向垂直于纸面向里的匀强磁场中有一U形金属导轨，导轨平面与磁场垂直。金属杆PQ置于导轨上并与导轨形成闭合回路PQRS，一圆环形金属线框T位于回路围成的区域内，线框与导轨共面。现让金属杆PQ突然向右运动，在运动开始的瞬间，关于感应电流的方向，下列说法正确的是( )
A．PQRS中沿顺时针方向，T中沿逆时针方向
B．PQRS中沿顺时针方向，T中沿顺时针方向
C．PQRS中沿逆时针方向，T中沿逆时针方向
D．PQRS中沿逆时针方向，T中沿顺时针方向
D [由于金属杆PQ突然向右运动，导致金属导轨与金属杆PQ所围的面积增大，磁通量增大，由楞次定律知，感应电流产生的磁场阻碍原磁通量的变化，故感应电流产生的磁场方向应垂直于纸面向外，PQRS中的感应电流沿逆时针方向。对于圆环形金属线框T，金属杆由于运动产生的感应电流所产生的磁场使得T内垂直纸面向里的磁场的磁感应强度变小，磁通量减小，故线框T中感应电流产生的磁场方向应垂直于纸面向里，感应电流沿顺时针方向，故选项D正确。]
分析二次感应问题的两种方法
方法一 程序法(正向推理法)
方法二 逆向推理法
eq \x(首先依据二次感应产生的效应，判断二次感应电流的方向)
⇩
eq \x(\a\al(其次依据螺线管中感应电流的方向，应用安培定,则判定二次感应电流产生的磁场方向，明确它是,阻碍第一个感应磁场变化的))
⇩
eq \x(\a\al(然后依据楞次定律，得出第一个感应磁场的方向,及相应的变化的可能情况，从而得到引起磁场变,化的电流的方向与大小变化))
⇩
eq \x(\a\al(最后，依据电流的方向与大小变化，判断导体做,切割磁感线运动的方向与速度变化情况))
[跟进训练]
1．(“因电而动”现象的分析)如图所示，通电螺线管置于水平放置的光滑平行金属导轨MN和PQ之间，ab和cd是放在导轨上的两根金属棒，它们分别静止在螺线管的左右两侧，现使滑动变阻器的滑片向左滑动，则ab和cd棒的运动情况是( )
A．ab向左运动，cd向右运动
B．ab向右运动，cd向左运动
C．ab、cd都向右运动
D．ab、cd保持静止
A [由安培定则可知螺线管中磁感线方向向上，金属棒ab、cd处的磁感线方向均向下，当滑片向左滑动时，螺线管中电流增大，因此磁场变强，即磁感应强度变大，回路中的磁通量增大，由楞次定律及安培定则知，感应电流方向为a→c→d→b→a，由左手定则知ab受安培力方向向左，cd受安培力方向向右，故ab向左运动，cd向右运动，A项正确。]
2．(“因动生电”现象的分析)从置于匀强磁场中的金属圆盘中央和边缘各引出一根导线，与套在铁芯上部的线圈A相连。套在铁芯下部的线圈B引出两根导线接在两根水平光滑的导轨上，如图所示，导轨上有一根金属棒ab静止在垂直于纸面向外的匀强磁场中。下列说法正确的是( )
A．圆盘顺时针加速转动时，ab棒将向右运动
B．圆盘顺时针匀速转动时，ab棒将向右运动
C．圆盘顺时针减速转动时，ab棒将向右运动
D．圆盘逆时针加速转动时，ab棒将向左运动
C [圆盘顺时针加速转动时，感应电流从圆盘边缘流出，线圈A中产生向下且增强的磁场，由楞次定律可知线圈B中产生的感应电流由a→b，由左手定则可知，金属棒ab将向左运动，A项错误；同理可知，C项正确，D项错误；圆盘匀速转动，A中产生的磁场恒定，B中不产生感应电流，ab不运动，B项错误。]
真题索引

2022·山东卷·T12 2022·湖南卷·T10

2022·广东卷·T10 2022·全国甲卷·T20

2022·全国乙卷·T24 2021·山东卷·T12

2021·河北卷·T7 2021·全国甲卷·T21
考情分析
1．高考对本专题的考查主要是电磁感应现象的分析与判断、感应电动势与感应电流的计算，电磁感应现象中的电路、图像、能量、动量等问题。本专题命题综合性较强，经常以选择题和计算题的形式出现。
2．备考中，要重视体现新情境的电磁感应问题，导体棒的受力及运动分析、电磁感应与动量定理和动量守恒定律相结合的综合性问题。
课程标准
1．通过实验，了解电磁感应现象，了解产生感应电流的条件。知道电磁感应现象的应用及其对现代社会的影响。
2．探究影响感应电流方向的因素，理解楞次定律。
3．通过实验，理解法拉第电磁感应定律。
4．通过实验，了解自感现象和涡流现象。能举例说明自感现象和涡流现象在生产生活中的应用。
实验十四：探究影响感应电流方向的因素。
B与S垂直
B不变
S变化
ΔΦ＝B·ΔS
B变化
S不变
ΔΦ＝ΔB·S
B变化
S变化
ΔΦ＝B2·S2－B1·S1
B与S夹
角θ≠eq \f(π,2)
B与S
不变
θ变化
ΔΦ＝BS(sin θ2－sin θ1)
掌心
磁感线穿入
拇指指向
导体运动的方向
四指指向
感应电流的方向
内容
例证
阻碍原磁通量变化——“增反减同”
磁铁靠近线圈，B感与B原反向
阻碍相对运动——“来拒去留”
磁铁靠近，是斥力；磁铁远离，是引力
使回路面积有扩大或缩小的趋势——“增缩减扩”
P、Q是光滑固定导轨，a、b是可动金属棒，磁铁下移，面积缩小，a、b靠近
B减小，线圈扩张
阻碍原电流的变化——“增反减同”
合上S，B先亮
名称
基本现象
应用的定则或定律
电流的磁效应
运动电荷、电流产生磁场
右手螺旋定则
洛伦兹力、安培力
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运动
右手定则
闭合回路磁通量变化
楞次定律