2020-2021学年3 电磁感应现象及应用导学案

电磁感应现象及应用

[核心素养·明目标]

知识点一　划时代的发现

1．奥斯特发现的电流的磁效应，证实了电现象和磁现象是有联系的。

2．1831年，法拉第发现了“磁生电”现象，他认为“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。

3．法拉第把这些“磁生电”现象定名为电磁感应，这些现象中产生的电流叫作感应电流。

1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)法拉第发现了电磁感应现象。 (√)

(2)法拉第完成了“由磁产生电”的设想。 (√)

知识点二　产生感应电流的条件

1．探索感应电流产生的条件

(1)实验装置

(2)实验过程

2．产生感应电流的条件：当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，闭合导体回路中就产生感应电流。

电路闭合、磁通量变化，是产生感应电流的两个条件，缺一不可。闭合电路中有没有磁通量不是产生感应电流的条件，如果穿过闭合电路的磁通量很大但不变化，那么也不会产生感应电流。

2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)闭合线圈内有磁场，就有感应电流。 (×)

(2)穿过闭合线圈的磁通量发生变化，一定能产生感应电流。 (√)

(3)闭合线圈和磁场发生相对运动，不一定能产生感应电流。 (√)

知识点三　电磁感应现象的应用

1．最早的发电机：法拉第的圆盘发电机。

2．电厂里的发电机、生产和生活中广泛使用的变压器、电磁炉等都是根据电磁感应制造的。

考点1　电磁感应产生的条件

1．电磁感应

(1)电磁感应现象：当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，电路中有电流产生，这种现象称为电磁感应现象。

(2)产生感应电流的条件

①电路闭合；②磁通量变化。

(3)电磁感应现象的实质：电路中产生感应电动势，如果电路闭合则有感应电流产生。

(4)能量转化：发生电磁感应现象时，机械能或其他形式的能转化为电能。

2．常见的产生感应电流的三种情况

3．判断电磁感应现象是否发生的一般流程

(1)确定研究的闭合回路；

(2)弄清楚回路内的磁场分布，并确定该回路的磁通量Φ；

(3)磁通量变化与感应电流的产生：

　磁通量的变化

【典例1】　如图所示，一水平放置的矩形闭合线圈abcd在细长磁铁N极附近下落，保持bc边在纸外，ad边在纸内，由图中的位置Ⅰ经过位置Ⅱ到位置Ⅲ，且位置Ⅰ和Ⅲ都很靠近位置Ⅱ，在这个过程中，线圈中的磁通量(　　)

A．是增加的　　　 B．是减少的

C．先增加，后减少   D．先减少，后增加

D　[要知道线圈在下落过程中磁通量的变化情况，就必须知道条形磁铁在磁极附近磁感线的分布情况，条形磁铁在N极附近磁感线的分布情况如图所示，由图可知线圈中磁通量是先减少，后增加，选项D正确。]

由公式Φ＝BScos θ(θ为线圈垂直与磁感线方向的夹角)，可以看出Φ的变化是由B、S或θ的变化引起的，因此在求磁通量的变化时要先弄清Φ的变化是由哪一个量的变化引起的，然后根据此量的变化情况分析磁通量的变化情况。

　感应电流有无判断

【典例2】　如图所示，矩形线框在磁场内做的各种运动中，能够产生感应电流的是(　　)

A　　　　　　　B

C　　　　　　　D

B　[A中线框中磁通量始终不变，故没有感应电流产生；B中线框中的磁通量不断改变，故产生感应电流；C、D中线框中的磁通量始终为零，故没有感应电流产生。]

判断电路中是否产生感应电流的思路

[跟进训练]

1．(角度一)如图所示，通电螺线管水平固定，OO′为其轴线，a、b、c三点在该轴线上，在这三点处各放一个完全相同的小圆环，且各圆环平面垂直于OO′轴。则关于这三点的磁感应强度Ba、Bb、Bc的大小关系及穿过三个小圆环的磁通量Φa、Φb、Φc的大小关系，下列判断正确的是(　　)

A．Ba＝Bb＝Bc，Φa＝Φb＝Φc

B．Ba＞Bb＞Bc，Φa＜Φb＜Φc

C．Ba＞Bb＞Bc，Φa＞Φb＞Φc

D．Ba＞Bb＞Bc，Φa＝Φb＝Φc

C　[由通电螺线管的磁场分布特点可知，a、b、c三点的磁感应强度Ba、Bb、Bc的大小关系为Ba＞Bb＞Bc；三个小圆环的面积相同，根据磁通量的定义Φ＝BS可知，Φa＞Φb＞Φc，所以A、B、D错误，C正确。]

2．(角度二)(2021·济南一中期中)(多选)如图所示，导线ab和cd互相平行，则在下列情况下导线cd中有感应电流产生的是(　　)

A．开关S断开或闭合的瞬间

B．开关S是闭合的，但滑片向左滑动

C．开关S是闭合的，但滑片向右滑动

D．开关S始终闭合，且滑片静止不动

ABC　[导线ab中的电流发生变化时，导线cd中才有感应电流产生。故A、B、C正确。]

考点2　电磁感应现象的应用

电磁感应现象在生产生活中的应用非常广泛，如磁悬浮列车、发电机、变压器、手机的无线充电技术、感应焊接、电感器、电磁炉、电视、手机和收音机等的信号收发、感应磁卡的信号传输等。下面以其中几个应用为例具体说明。

【典例3】　(多选)(2021·北师大附中期中)动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象，如图甲所示是话筒原理图，如图乙所示是录音机的录音、放音原理图，由图可知(　　)

甲

乙

A．话筒工作时磁体不动线圈振动而产生感应电流  

B．录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流

C．录音机放音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场

D．录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场

ABD　[话筒工作时，通过线圈振动切割磁感线，产生感应电流，A正确；录音时是电生磁，即利用了电流的磁效应原理，放音时是磁生电，即利用了电磁感应原理，B、D正确，C错误。]

[跟进训练]

3．(多选)(2021·华中师大一附中期中)主持节目、演唱常用到话筒，其中有一种动圈式话筒，如图所示，其工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号，下列说法正确的是(　　)

A．该传感器是根据电流的磁效应工作的

B．该传感器是根据电磁感应原理工作的

C．膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量会改变

D．膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电流

BC　[当声波使膜片前后振动时，穿过金属线圈的磁通量会改变，线圈中产生感应电流，将声音信号转变为电信号，是根据电磁感应原理工作的，A、D错误，B、C正确。]

1．(多选)下列说法正确的是(　　)

A．发现电磁感应现象的科学家是奥斯特，发现电流磁效应的科学家是法拉第

B．奥斯特的思维和实践没有突破当时人类对电和磁认识的局限性

C．产生感应电流的原因都与变化或运动有关

D．电磁感应现象的发现使人们找到了“磁生电”的方法，开辟了人类的电气化时代

CD　[奥斯特发现了电流的磁效应，他的思维和实践突破了人类对电与磁认识的局限性，B错误；发现电磁感应现象的科学家是法拉第，A错误；产生感应电流的原因都与变化或运动有关，C正确；电磁感应现象的发现，宣告了电磁学的诞生，开辟了人类的电气化时代，D正确。]

2．一个匝数为n、面积为S的闭合线圈置于水平面上，若线圈内的磁感应强度在时间t内由竖直向下从B1减少到零，再反向增加到B2，则线圈内的磁通量的变化量ΔΦ为(　　)

A．n(B2－B1)S　 B．n(B2＋B1)S

C．(B2－B1)S D．(B2＋B1)S

D　[设末状态的磁通量Φ2＝B2S，则初状态的磁通量Φ1＝－B1S，因为磁感应方向相反，则线圈内的磁通量的变化量ΔΦ＝(B2＋B1)S，与线圈匝数无关，故D正确，A、B、C错误。]

3．在如图所示的实验中，能在线圈中产生感应电流的情况是(　　)

A．磁铁静止在线圈上方

B．磁铁静止在线圈右侧

C．磁铁静止在线圈里面

D．磁铁插入或抽出线圈的过程

D　[磁铁静止在线圈上方、右侧和里面，穿过闭合电路的磁通量均不发生变化，但磁铁插入或抽出时，穿过闭合电路的磁通量变化，故选项D正确。]

4．线圈在长直导线电流的磁场中做如图所示的运动：A．向右平动，B．向下平动，C．绕轴转动(ad边向里)，D．从纸面向纸外做平动，E．向上平动(线圈有个缺口)，判断线圈中有没有感应电流？

A　　　B　　C　　D　　　E

[解析]　在直导线电流磁场中的五个线圈，原来磁通量都是垂直纸面向里的，对直线电流来说，离电流越远，磁场就越弱。

A．向右平动，穿过线圈的磁通量没有变化，故线圈中没有感应电流。

B．向下平动，穿过线圈的磁通量减少，必产生感应电流。

C．绕轴转动，穿过线圈的磁通量变化(开始时减少)，必产生感应电流。

D．离纸面越远，线圈中磁通量越少，线圈中有感应电流。

E．向上平动，穿过线圈的磁通量增加，但由于线圈没有闭合，因此无感应电流。

[答案]　A、E中无感应电流，B、C、D中有感应电流。

5．情境：如图所示，一个金属薄圆盘水平放置在竖直向上的匀强磁场中。

问题：下列情况下能使圆盘中产生感应电流的是

(a)　　　　　　(b)

(1)圆盘绕过圆心的竖直轴匀速转动；

(2)圆盘以某一水平直径为轴匀速转动。

[解析]　(1)当圆盘绕过圆心的竖直轴匀速转动，无论转到什么位置，圆盘中的磁通量不发生变化，不能产生感应电流。

(2)当圆盘以某一水平直径为轴匀速转动时，穿过圆盘的磁感线条数不断变化，即圆盘中的磁通量发生变化，圆盘中将产生感应电流。

[答案]　见解析

回归本节知识，自我完成以下问题：

1．什么是电磁感应现象？

提示：当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，电路中有电流产生，这种现象称为电磁感应现象。

2．如果平面跟磁场方向不垂直，该如何计算磁通量呢？

提示：可以作出该平面在垂直于磁场方向上的投影平面，设两平面之间的夹角为θ，则磁通量Φ＝BScos θ。

3．产生感应电流的条件是什么？

提示：闭合回路的磁通量发生变化。

(教师用书独具)

法拉第揭示电磁感应规律

英国的法拉第(1791－1867)是19世纪电磁研究领域中最伟大的实验家。

法拉第是一个铁匠的儿子。从小并没有受过正规的教育，按他自己的话说：“我所受的教育是最平常的，比在普通的学校中基本的读、写、算多不了多少，我课外的时间还消耗在家里和街道上。”由此可见，法拉第能取得巨大的成就是他不断努力的结果。

19世纪20年代，奥斯特的发现及其他有关电、磁方面的实验及理论研究成果传播到了欧洲各国。面对他国的科学成就，英国著名杂志《哲学年鉴》的主编不甘落后，于1821年特意邀请著名化学家戴维撰写此方面的文章，综述奥斯特发现电磁学的实验与理论的进展概况。戴维把此事交给了法拉第，在收集资料的过程中，法拉第对电磁现象产生了极大的兴趣，从此，法拉第从其他领域的研究课题逐渐转向电磁学方面。

1821年9月3日，法拉第重复了奥斯特的实验，他将小磁针放在载流导线周围的不同地方，发现小磁针的磁极受到电流作用后，有沿着环绕导线圆周旋转的倾向，这比奥斯特的实验前进了一步。法拉第仔细分析了电流产生磁效应的许多现象，他认为电流与磁的作用包括电流对磁、电流对电流、磁对电流等几个方面。在他之前，已经发现了电流产生磁的作用，电流对电流的作用，那么反过来，磁对电流有什么作用呢？法拉第认为既然磁体可以使附近的铁块带磁，静电荷可以使附近的导体感应出电荷，那么电流也应当可以在附近的线圈中感应出电流。1822年法拉第在日记中写下了他的光辉思想：“磁能转化成电。”从这一年起，法拉第对此进行了系统的探索。开始，他简单地认为用强磁体靠近导线，导线中就会产生稳定的电流，或者在一根导线里通上电流，在附近的导线中也会产生稳定的电流。按照这一思路，他进行了近十年的“磁生电”实验。在工作日记中写下了大量的毫无结果的失败记录，厚厚的日记本正是法拉第百折不回、坚持奋斗的见证。他的日记也记载了科学预见的光辉思想。法拉第坚持写工作日记几十年，直到生命的终结，这在科学史上也是少见的。

1831年11月24日，法拉第向英国皇家学会报告了电磁感应的第一篇具有划时代意义的论文。论文中明确地阐述了他解决电磁感应问题的关键，概括了产生感应电流的几种情况：正在变化的电流、正在变化的磁场、稳恒电流的运动、导体在磁场中的运动。他将上述现象命名为“电磁感应”。至此，法拉第作出了科学史上的伟大贡献——揭示了电磁感应规律。

1832年，在俄国工作的物理学家楞次(1804－1865)，知道了法拉第研究“磁生电”取得了成功，很受鼓舞，也开始进行了一系列的电磁实验。1833年，楞次把他的工作总结在《论动电感应引起的电流的方向》一文中。文中指出感应电流的方向是这样确定的：它所产生的磁场方向与引起感应的原磁场的变化方向相反。这是充实、完善电磁感应规律所作的又一大贡献，这就是后人称作的楞次定律。

楞次和焦耳还各自独立地对确定电流热效应的规律作出了贡献，这就是有名的焦耳—楞次定律：流过稳定电流的导体所放出的热量，与电流的二次方、导体的电阻、通电时间这三项乘积成正比。

由于电磁感应规律的发现，人们制造出了发电机、电动机、变压器等电机电器设备，使交流电的利用变为现实，逐渐开创了人类社会的电气化时代。

　如图所示，摇绳可以发电吗？如何摇绳效果更明显？

提示：闭合电路的部分导体切割地磁场的磁感线时，可以发电。绳的运动方向和地磁场平行时无感应电流，运动方向和地磁场垂直时，产生的感应电流最大，地磁场是南北方向的，所以摇绳时两同学沿东西方向站立，发电电流最大。