高考物理一轮复习第11章电磁感应实验15探究影响感应电流方向的因素课件

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一、实验目的探究影响感应电流方向的因素。二、实验思路只要改变穿过闭合回路的磁通量,就可以使闭合回路产生感应电流,感应电流的有无通过连接在回路中的电流表的指针是否偏转来判定。本实验应注意探究改变穿过闭合回路磁通量的多种方式。
方案一　向线圈中插拔磁铁,如图甲所示。方案二　模仿法拉第的实验,如图乙所示。
三、进行实验1.按图连接电路,闭合开关,记录下G中流入电流方向与灵敏电流计G中指针偏转方向的关系。2.记下线圈绕向,将线圈和灵敏电流计构成通路。3.把条形磁铁N极(或S极)向下插入线圈中,并从线圈中拔出,每次记下电流计中指针偏转方向,然后根据步骤1的结论,判定出感应电流方向,从而可确定感应电流的磁场方向。
4.以下面四种情况为例:根据实验结果,填写下表。
线圈内磁通量增加时的情况(表1)
线圈内磁通量减少时的情况(表2)
四、数据分析表1说明:当线圈中磁通量增加时,感应电流的磁场方向跟磁铁的磁场方向相反。表2说明:当线圈中磁通量减少时,感应电流的磁场方向跟磁铁的磁场方向相同。五、注意1.灵敏电流计满偏电流很小,查明电流计指针的偏转方向和电流方向的关系时,应使用一节干电池。2.原、副线圈接入电路前应仔细观察导线绕向并画出草图。
【典例1】 在探究电磁感应现象的实验中:(1)首先要确定电流表指针偏转方向与电流方向间的关系,实验中所用电流表量程为100 μA,电源电动势为1.5 V,待选的保护电阻有三种R1=20 kΩ,R2=1 kΩ,R3=100 Ω,应选用　　　　　的电阻。 (2)已测得电流表指针向右偏时,电流是由正接线柱流入。由于某种原因,螺线管线圈绕线标识已没有了,通过实验查找绕线方向如图甲所示,当磁铁N极插入线圈时,电流表指针向左偏,则线圈的绕线方向是图乙所示的　　　　　图(填“左”或“右”)。 
(3)若将条形磁铁S极放在下端,从螺线管中拔出,这时电流表的指针应向　　　　　偏(填“左”或“右”)。 
(4)若将电池组、滑动变阻器、带铁芯的线圈A、线圈B、电流表及开关,按图连接。在开关闭合,线圈A放在线圈B中的情况下,某同学发现当他将滑动变阻器的滑片P向左加速滑动时,电流表指针向右偏转。
由此可以推断,线圈A中铁芯向上拔出,能引起电流表指针向　　偏转(填“左”或“右”)。 
答案(1)20 kΩ　(2)左　(3)左　(4)右解析(1)由闭合电路欧姆定律,有: =15×103 Ω,R1>R,不会使电流表超过量程,达到保护的作用,因此应选20 kΩ的电阻。(2)已测得电流表指针向右偏时,电流是由正接线柱流入,当磁铁N极插入螺线管时,根据楞次定律,感应电流的磁场阻碍磁通量的增加,螺线管上端应为N极,下端为S极,又电流表指针向左偏,可知电流方向是由电流表正接线柱流出至螺线管上端接线柱,由安培定则可判断螺线管的绕线方向如题图乙中左图所示。
(3)若将条形磁铁S极在下端,从螺线管中拨出时,感应电流磁场为阻碍磁通量的减少,螺线管上端应为N极,下端为S极,由螺线管的绕线方向可以判定电流是从电流表的负接线柱流入,故指针向左偏。(4)由题意可知当P向左加速滑动时,线圈A中的电流应越来越小,则其磁场减弱,此时线圈B中产生的电流使指针向右偏转,由此可知,当B中的磁通量减小时,电流表指针右偏;当将线圈A中铁芯向上拔出的过程中,穿过线圈B的磁通量减小,电流表指针向右偏转。
(1)图甲电路中,串联定值电阻R的主要作用是　　　　　。 A.减小电源两端的电压,保护电源B.增大电源两端的电压,保护开关C.减小电路中的电流,保护灵敏电流计D.减小电路中的电流,保护开关
【典例2】 在“探究电磁感应的产生条件”的实验中,先按如图甲所示连线,不通电时,电流计指针停在正中央,闭合开关S时,观察到电流表指针向左偏。然后按如图乙所示将灵敏电流计与副线圈B连成一个闭合回路,将原线圈A、电源、滑动变阻器和开关S串联成另一个闭合电路。
(2)图乙中,S闭合后,在原线圈A插入副线圈B的过程中,灵敏电流计的指针将　　　　　(选填“向左”“向右”或“不”)偏转。 (3)图乙中,S闭合后,线圈A放在B中不动,在滑动变阻器的滑片P向左滑动的过程中,灵敏电流计指针将　　　　　(选填“向左”“向右”或“不”)偏转。 (4)图乙中,S闭合后,线圈A放在B中不动,在突然断开S时,灵敏电流计指针将　　　　　(选填“向左”“向右”或“不”)偏转。 
答案(1)C　(2)向左　(3)向左　(4)向右解析(1)电路中串联定值电阻,目的是减小电流,保护灵敏电流计,故本题答案为选项C。(2)由题知,当电流从灵敏电流计正接线柱流入时,指针向左偏转。S闭合后,将原线圈A插入副线圈B的过程中,穿过B的磁场向下,磁通量变大,由楞次定律可知,感应电流从灵敏电流计正接线柱流入电流计,则灵敏电流计的指针将向左偏转。
(3)线圈A放在B中不动,穿过B的磁场向下,将滑动变阻器的滑片向左滑动时,穿过B的磁通量增大,由楞次定律可知,感应电流从灵敏电流计正接线柱流入电流计,则灵敏电流计的指针将向左偏转。(4)线圈A放在B中不动,穿过B的磁场向下,突然断开S时,穿过B的磁通量减小,由楞次定律可知,感应电流从灵敏电流计负接线柱流入电流计,则灵敏电流计的指针将向右偏转。
本题考查研究电磁感应现象及验证楞次定律的实验,对于该实验注意两个回路的不同。
1.(2020北京大兴高三一模)张老师在做“探究楞次定律”的实验,如图甲、乙、丙所示是实验中连接的三个回路。其中图甲是将一节旧电池和电流计通过开关连接,进行试触操作,其实验目的是　　　　　　　　　;完成图甲实验操作后,把电流计与螺线管B连接,将图丙中的螺线管A插入图乙中的螺线管B中,闭合开关K的瞬间,图乙中电流计的指针向右偏转,保持开关闭合状态,再观察图乙中电流计指针　　　　　(选填“向左偏”“向右偏”或“不偏”);然后将图丙中滑动变阻器的滑片P向右滑动的过程中,观察图乙中电流计指针　　　　　(选填“向左偏”“向右偏”或“不偏”)。 
答案判别电流表指针的偏转方向与电流方向的关系　不偏　向左偏解析试触目的是判别电流表指针的偏转方向与电流方向的关系;根据楞次定律,开关保持闭合状态,磁通量不变,感应电流为零,所以电流计指针不偏;题图丙中滑动变阻器的滑片P向右滑动,电阻变大,A中电流变小,穿过线圈磁通量减小,产生感应电流,根据楞次定律,感应电流方向与闭合开关K的瞬间电流方向相反,所以题图乙中电流计指针向左偏。
2.某小组的同学做“探究影响感应电流方向的因素”实验。
(1)首先按图甲所示方式连接电路,闭合开关后,发现电流计指针向右偏转;再按图乙所示方式连接电路,闭合开关后,发现电流计指针向左偏转。进行上述实验的目的是(　　)A.检查电流计测量电路的电流是否准确B.检查干电池是否为新电池C.推断电流计指针偏转方向与电流方向的关系
(2)接下来用图丙所示的装置做实验,图中螺线管上的粗线标示的是导线的绕行方向。某次实验中在条形磁铁插入螺线管的过程中,观察到电流计指针向右偏转,说明螺线管中的电流方向(从上往下看)是沿　　　　　(选填“顺时针”或“逆时针”)方向。 
(3)下表是该小组的同学设计的记录表格的一部分,表中完成了实验现象的记录,还有一项需要推断的实验结果未完成,表格中未完成的部分应填:　　　　　　　(选填“垂直纸面向外”或“垂直纸面向里”)。 实验记录表(部分)
(4)该小组同学通过实验探究,对楞次定律有了比较深刻的认识。结合以上实验,有同学认为,理解楞次定律,关键在于抓住　　　　　(选填“B0”或“B'”)总是要阻碍　　　　　(选填“B0”或“B'”)磁通量的变化。 
答案(1)C　(2)顺时针　(3)垂直纸面向外　(4)B'　B0解析(1)由题意可知,电流从电流计左边进时,指针左偏,右边进时,指针右偏,本实验目的是探究感应电流的方向,则进行上述实验的目的是推断电流计指针偏转方向与电流方向的关系,故选C;(2)电流计指针向右偏转,说明电流从电流计的右边(正接线柱)流入,则说明螺线管中的电流方向(从上往下看)是沿顺时针方向;(3)由题意可知,感应电流的方向为逆时针,由右手螺旋定则可知,感应电流的磁场方向垂直纸面向外;(4)由题意可知,理解楞次定律,关键在于抓住B'总是要阻碍B0磁通量的变化。
3.(2020上海静安高三一模)某小组的同学做“研究电磁感应现象”实验。(1)下图给出了可供使用的实验器材,某同学选择了电源、开关和带铁芯的原副线圈,还需选择的器材有:　　　　　　　　。 
(2)从能量转化的角度来看,闭合电路的部分导体切割磁感线而产生感应电流的过程是　　　　　能转化为　　　　　能;若闭合电路中的感应电流是因磁感应强度发生变化而产生的,则是　　　　　能转化为　　　　　能。 
(3)(多选)下面四幅图中,“+”和“-”分别表示灵敏电流计的正、负接线柱。已知电流从正接线柱流入灵敏电流计时,
指针向正接线柱一侧偏转,电流从负接线柱流入时,指针向负接线柱一侧偏转。图中给出了条形磁铁运动的方向、指针偏转方向或螺线管的绕线方向,以下判断正确的是(　　)A.甲图中电流计的指针偏转方向向右B.乙图中螺线管内部的磁场方向向下C.丙图中条形磁铁向下运动D.丁图中螺线管的绕线方向从上往下看为顺时针方向
答案(1)滑动变阻器、灵敏电流计　(2)机械　电　磁场　电　(3)ABD解析(1)某同学选择了电源、开关和带铁芯的原副线圈,还需选择的器材是滑动变阻器和灵敏电流计。(2)从能量转化的角度来看,闭合电路的部分导体切割磁感线而产生感应电流的过程是机械能转化为电能;若闭合电路中的感应电流是因磁感应强度发生变化而产生的,则是磁场能转化为电能。
(3)题图甲中N极插入螺线管时,向下的磁通量增加,根据楞次定律可知,产生的感应电流在螺线管中由上到下,则电流计的电流从“+”极流入,则指针偏转方向向右,选项A正确;题图乙中感应电流从“-”极流入电流表,则螺线管中电流从下往上,根据右手螺旋法则可知螺线管内部的磁场方向向下,选项B正确;题图丙中感应电流从“+”极流入电流表,则螺线管中电流从上往下,根据右手螺旋法则可知螺线管内部的磁场方向向上,则条形磁铁向上运动,选项C错误;题图丁中感应电流从“+”极流入电流表,则螺线管中电流从下往上,条形磁铁向上运动,则螺线管中感应电流的磁场向下,则螺线管的绕线方向从上往下看为顺时针方向,选项D正确。
一、电磁感应中的图像问题科学思维——科学归纳模型建构
1.题型分类(1)由给定的电磁感应过程选出正确的图像;(2)由给定的图像分析电磁感应过程,定性或定量求解相应的物理量或推断出其他图像。常见的图像有B-t图、E-t图、i-t图、v-t图及F-t图等。2.解题关键弄清初始条件、正负方向的对应变化范围、所研究物理量的函数表达式、进出磁场的转折点等是解决此类问题的关键。
3.解题步骤(1)明确图像的种类,即是B-t图还是Φ-t图,或者E-t图、I-t图等;(2)分析电磁感应的具体过程;(3)用右手定则或楞次定律确定方向的对应关系;(4)结合法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律、牛顿运动定律等知识写出相应的函数关系式;(5)根据函数关系式,进行数学分析,如分析斜率的变化、截距等。
案例探究1(2020天津卷)如图所示,垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度B随时间t均匀变化。正方形硬质金属框abcd放置在磁场中,金属框平面与磁场方向垂直,电阻R=0.1 Ω,边长l=0.2 m。求
(1)在t=0到t=0.1 s时间内,金属框中的感应电动势E;(2)t=0.05 s时,金属框ab边受到的安培力F的大小和方向;(3)在t=0到t=0.1 s时间内,金属框中电流的电功率P。
答案(1)0.08 V　(2)0.016 N,方向垂直于ab向左 (3)0.064 W解析(1)在t=0到t=0.1 s的时间Δt内,磁感应强度的变化量ΔB=0.2 T,设穿过金属框的磁通量变化量为ΔΦ,有ΔΦ=ΔBl2①由于磁场均匀变化,金属框中产生的电动势是恒定的,有E= ②联立解得E=0.08 V③
(2)设金属框中的电流为I,由闭合电路欧姆定律,有 ④由图可知,t=0.05 s时,磁感应强度为B1=0.1 T,金属框ab边受到的安培力F=IlB1⑤联立解得F=0.016 N⑥方向垂直于ab向左。⑦(3)在t=0到t=0.1 s时间内,金属框中电流的电功率P=I2R⑧联立解得P=0.064 W⑨
解题指导(1)本题中给出了B-t图像,而根据法拉第电磁感应定律有两种特殊情况,即 恰是B-t图像中图线的斜率,若斜率不变则感应电动势是恒定不变的。(2)本题中斜率不变,即电动势不变,电流不变,计算功率时直接应用P=I2R即可。
案例探究2(多选)(2019全国卷Ⅱ)如图,两条光滑平行金属导轨固定,所在平面与水平面夹角为θ,导轨电阻忽略不计 。虚线ab、cd均与导轨垂直,在ab与cd之间的区域存在垂直于导轨所在平面的匀强磁场。将两根相同的导体棒PQ、MN先后自导轨上同一位置由静止释放,两者始终与导轨垂直且接触良好。已知PQ进入磁场时加速度恰好为零。从PQ进入磁场开始计时,到MN离开磁场区域为止,流过PQ的电流随时间变化的图像可能正确的是(　　)
答案 AD　解析 本题以棒—轨模型考查电磁感应,属于电磁感应中动力学问题和图像问题。由于导体棒进入磁场时加速度为零,说明是匀速进入;两棒分别进入有两种情况,一是PQ在磁场中运动时,MN在磁场外,当PQ出磁场后,MN进入磁场,这时,MN切割磁感线的速度与PQ切割磁感线的速度相同,这一过程电流大小不变,流过PQ的电流方向相反,A正确,B、C错误。二是PQ在磁场中还没有出来时,MN进入,这时回路电流为零。两棒加速下滑,PQ出磁场时,MN的速度比刚进入磁场时大,所受安培力大于重力的分力,MN做减速运动,电流减少,由此可知D正确。
破题 根据PQ和MN进入磁场的先后顺序判断电流的变化,根据右手定则判断电流方向。
求解此类选择题时,用方向排除法较为简单。注意初始时刻的特征,如初始时刻感应电流是否为零,感应电流的方向如何;注意看电磁感应发生的过程分为几个阶段,这几个阶段是否和图像变化相对应。
创新训练1.(2020浙江卷)如图甲所示,在绝缘光滑水平桌面上,以O为原点、水平向右为正方向建立x轴,在0≤x≤1.0 m区域内存在方向竖直向上的匀强磁场。桌面上有一边长L=0.5 m、电阻R=0.25 Ω的正方形线框abcd,当平行于磁场边界的cd边进入磁场时,在沿x方向的外力F作用下以v=1.0 m/s的速度做匀速运动,直到ab边进入磁场时撤去外力。若以cd边进入磁场时作为计时起点,在0≤t≤1.0 s内磁感应强度B的大小与时间t的关系如图乙所示,在0≤t≤1.3 s内线框始终做匀速运动。
(1)求外力F的大小;(2)在1.0 s≤t≤1.3 s内存在连续变化的磁场,求磁感应强度B的大小与时间t的关系;(3)求在0≤t≤1.3 s内流过导线横截面的电荷量q。
答案(1)0.062 5 N　(2)见解析　(3)0.5 C
(2)匀速出磁场,电流为0,磁通量不变Φ1=Φt1=1.0 s时,B1=0.5 T,磁通量Φ1=B1L2t时刻,磁通量Φ=BL[L-v(t-t1)]
2.(多选)(2020山东卷)如图所示,平面直角坐标系的第一和第二象限分别存在磁感应强度大小相等、方向相反且垂直于坐标平面的匀强磁场,图中虚线方格为等大正方形。一位于Oxy平面内的刚性导体框abcde在外力作用下以恒定速度沿y轴正方向运动(不发生转动)。从图示位置开始计时,4 s末bc边刚好进入磁场。在此过程中,导体框内感应电流的大小为I,ab边所受安培力的大小为Fab,二者与时间t的关系图像可能正确的是(　　)
二、电磁感应中含电容问题模型科学思维——模型建构模型建构电容器对学生来说本身就是一个容易忽视的知识点,对于电容器充放电过程的电流实验,是新课标增加内容。对于涉及“电磁感应+电容器”从放电计算问题的处理也是高考的难点问题,因此要认真分析,寻找其中的规律。该类模型要注意微元法和动量定理的应用。
案例探究如图,两条平行导轨所在平面与水平地面的夹角为θ,间距为L。导轨上端接有一平行板电容器,电容为C。导轨处于匀强磁场中,磁感应强度大小为B,方向垂直于导轨平面。在导轨上放置一质量为m的金属棒,棒可沿导轨下滑,且在下滑过程中保持与导轨垂直并良好接触。已知金属棒与导轨之间的动摩擦因数为μ,重力加速度大小为g,忽略所有电阻。让金属棒从导轨上端由静止开始下滑,求:
(1)电容器极板上积累的电荷量与金属棒速度大小的关系;(2)金属棒的速度大小随时间变化的关系。
解析(1)设金属棒下滑的速度大小为v,则感应电动势为E=BLv①平行板电容器两极板之间的电势差为U=E②设此时电容器极板上积累的电荷为Q,按定义有 ③联立①②③得Q=CBLv④
(2)设金属棒到达速度大小为v时经历的时间为t,通过金属棒的电流为i,金属棒受到的磁场力为f1=BLi⑤
金属棒所受到的摩擦力方向斜向上,大小为f2=μN⑨上式中,N是金属棒对斜面的正压力,有N=mgcs θ⑩金属棒在t时刻的加速度方向沿斜面向下,设其大小为a,根据牛顿第二定律有mgsin θ-f1-f2=ma⑪
解题指导1.本题用微元法可判断金属杆沿导轨匀加速下滑,从而得出速度随时间均匀变化的关系,这与常见的导体棒在恒力作用下运动是不同的。2.对于电容器的充电过程,由于金属杆的速度均匀增加,感应电动势也均匀变大,所以金属棒一直给电容器充电,且充电的电流恒定。
创新训练1.电磁轨道炮利用电流和磁场的作用使炮弹获得超高速度,其原理可用来研制新武器和航天运载器。电磁轨道炮示意图如图所示,图中直流电源电动势为E,电容器的电容为C。两根固定于水平面内的光滑平行金属导轨间距为l,电阻不计。炮弹可视为一质量为m、电阻为R的金属棒MN,垂直放在两导轨间处于静止状态,并与导轨良好接触。首先开关S接1,使电容器完全充电。然后将S接至2,导轨间存在垂直于导轨平面、磁感应强度大小为B的匀强磁场(图中未画出),MN开始向右加速运动。当MN上的感应电动势与电容器两极板间的电压相等时,回路中电流为零,MN达到最大速度,之后离开导轨。求:
(1)磁场的方向;(2)MN刚开始运动时加速度a的大小;(3)MN离开导轨后电容器上剩余的电荷量Q。
(3)当电容器充电完毕时,设电容器上的电荷量为Q0,有Q0=CE ⑤开关S接2后,MN开始向右加速运动,速度达到最大值vmax时,设MN上的感应电动势为E',有E'=Blvmax⑥
2.如图,电源的电动势为U,电容器的电容为C,S是单刀双掷开关,MN、PQ是两根位于同一水平面的平行光滑导轨,它们的电阻可以忽略不计,两导轨间距为l,导轨处在磁感应强度为B的均匀磁场中,磁场方向垂直于两导轨所在的平面并指向图中纸面向里的方向,L1和L2是两根横放在导轨上的导体小棒,质量分别为m1和m2且m1