資源簡介

第三節　電磁感應現象
[學習目標]
核心素養 學習目標
物理觀念 知道電磁感應現象及產生感應電流的條件，能解釋電磁感應的相關現象
科學思維 理解產生感應電流的條件，能處理相關的問題
科學探究 通過實驗探究產生感應電流的條件，學會歸納總結法，能與他人交流合作完成實驗
科學態度與責任 體會電磁技術應用對人類生活和社會發展帶來的影響，體驗人類對自然界的認識是不斷發展的，培養學科學、用科學的積極態度
知識點一　電磁感應現象的發現
1．奧斯特夢圓“電生磁”：1820年，丹麥物理學家奧斯特發現了電流的磁效應。
2．法拉第心系“磁生電”：
(1)1831年，英國物理學家法拉第發現了電磁感應現象。產生的電流叫作感應電流。
(2)法拉第的概括。法拉第把引起感應電流的原因概括為五類：
①變化的電流；
②變化的磁場；
③運動的恒定電流；
④運動的磁鐵；
⑤在磁場中運動的導體。
(3)電磁感應與感應電流。
法拉第把他發現的磁生電的現象叫作電磁感應，產生的電流叫作感應電流。
(4)發現電磁感應現象的意義。
①使人們對電與磁內在聯系的認識更加完善，宣告了電磁學作為一門統一學科的誕生。
②使人們找到了磁生電的條件，開辟了人類的電氣化時代。
知識點二　產生感應電流的條件
只要穿過閉合導體回路的磁通量發生變化，閉合電路中就有感應電流。
　電磁感應只指“磁生電”，不指“電生磁”。
思考辨析(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)只要閉合電路內有磁通量，閉合電路中就有感應電流產生。 (×)
(2)閉合電路的部分導體在磁場中運動就會產生感應電流。 (×)
知識點三　電磁感應的應用
1．汽車防抱死制動系統(ABS)
(1)組成：ABS由輪速傳感器、電子控制模塊和電磁閥三個部分組成，其中輪速傳感器是利用電磁感應現象來測量車輪的轉速的。
(2)原理：
①如圖所示，鐵質齒輪P與車輪同步轉動，它的右側有一個繞著線圈的磁鐵，當每個輪齒在接近和離開磁鐵時，穿過線圈的磁通量會發生變化，線圈中出現感應電流。
②隨著各個輪齒的運動，磁通量的變化會使線圈中產生相應的感應電流。
③電流由電流檢測器D檢測，并送到電子控制模塊以控制電磁閥，為制動器提供合適的制動力，有效避免了汽車后輪側滑的現象。
2．無線充電技術
(1)概念：無線充電，又稱非接觸式感應充電，是利用供電設備直接將電能傳送給用電器的技術。
(2)原理：充電器與用電器之間通過電感耦合傳送電能。充電器中有發射線圈，給線圈一定頻率的交變電流，通過電磁感應，用電器的接收線圈中產生的電流給電池充電。
(3)優點：無線充電具有安全、耐用、方便等優點。
考點　科學探究：產生感應電流的條件
試探究：(1)只要穿過電路的磁通量發生變化，電路中就一定有感應電流嗎？
(2)某一時刻穿過閉合回路的磁通量為零時，回路一定無感應電流對嗎？
提示：(1)不是，還必須是組成閉合電路。
(2)不一定，如果穿過閉合回路的磁通量正在變化，只是某一時刻磁通量為零，則回路中會產生感應電流。
1．實驗探究感應電流產生的條件
(1)閉合電路的部分導體切割磁感線
在初中學過，當閉合電路的一部分導體做切割磁感線運動時，電路中會產生感應電流，如圖所示。
導體棒左右平動、前后平動、上下平動，觀察電流計的指針，把觀察到的現象記錄在表1中。
表1
導體棒的運動 表針的擺動方向 導體棒的運動 表針的擺動方向
向右平動 向左 向后平動 不擺動
向左平動 向右 向上平動 不擺動
向前平動 不擺動 向下平動 不擺動
結論：只有左右平動時，導體棒切割磁感線，才有感應電流產生；前后平動、上下平動，導體棒都不切割磁感線，沒有感應電流產生。
(2)向線圈中插入磁鐵，把磁鐵從線圈中抽出
如圖所示，把磁鐵的某一個磁極向線圈中插入，或從線圈中抽出，或靜止地放在線圈中。觀察電流計的指針，把觀察到的現象記錄在表2中。
表2
磁鐵的運動 表針的擺動方向 磁鐵的運動 表針的擺動方向
N極插入線圈 向右 S極插入線圈 向左
N極停在線圈中 不擺動 S極停在線圈中 不擺動
N極從線圈中抽出 向左 S極從線圈中抽出 向右
結論：只有磁鐵相對線圈運動時，才有感應電流產生；磁鐵相對線圈靜止時，沒有感應電流產生。
(3)模擬法拉第的實驗
如圖所示，線圈A通過滑動變阻器和開關連接到電源上，線圈B的兩端與電流計連接，把線圈A裝在線圈B的里面。觀察以下四項操作中線圈B中是否有電流產生。把觀察到的現象記錄在表3中。
表3
操作 現象
開關閉合瞬間 有電流產生
開關斷開瞬間 有電流產生
開關閉合時，滑動變阻器的滑片不動 無電流產生
開關閉合時，迅速移動滑動變阻器的滑片 有電流產生
結論：只有當線圈A中電流變化時，線圈B中才有感應電流產生。
2．結論
不論用什么方法，不論何種原因，只要穿過閉合電路的磁通量發生變化，閉合電路中就有感應電流產生。
3．產生感應電流的條件
(1)閉合電路；(2)磁通量發生變化。
【典例】　線圈在長直導線電流的磁場中做如圖所示的運動：A向右平動，B向下平動，C繞軸轉動(ad邊向里)，D垂直于紙面向紙外做平動，E向上平動(E線圈有個缺口)，判斷線圈中有沒有感應電流。
A　　　B　　C　　D　　　E
[解析]　在直導線電流磁場中的五個線圈，原來磁通量都是垂直紙面向里的。對直線電流來說，離電流越遠，磁場就越弱。
A向右平動，穿過線圈的磁通量沒有變化，故線圈中沒有感應電流。
B向下平動，穿過線圈的磁通量減少，必產生感應電流。
C繞軸轉動，穿過線圈的磁通量變化(開始時減少)，必產生感應電流。
D離紙面越遠，線圈中磁通量越少，線圈中有感應電流。
E向上平動，穿過線圈的磁通量增加，但由于線圈沒有閉合，因此無感應電流。
[答案]　A、E中無感應電流；B、C、D中有感應電流
判斷是否產生感應電流的關鍵是明確電路是否閉合，分清磁感線的疏密分布，從而判斷磁通量是否變化，而不是看磁通量的有無。
[跟進訓練]
1．下圖中能在回路中產生感應電流的是(　　)
A　　　　　　　　　B
C　　　　　　　　　D
B　[A選項中，電路沒有閉合，無感應電流；B選項中，面積增大，通過閉合電路的磁通量增大，有感應電流；C選項中，穿過線圈的磁感線相互抵消，Φ恒為零，無感應電流；D選項中，磁通量不發生變化，無感應電流，B符合題意。]
2．(多選)如圖所示，在勻強磁場中有兩條平行的金屬導軌，磁場方向與導軌平面垂直。導軌上有兩條可沿導軌自由移動的金屬棒ab、cd，與導軌接觸良好。這兩條金屬棒ab、cd的運動速度分別是v1、v2，且井字形回路中有感應電流產生，則可能(　　)
A．v1＞v2　　　 B．v1＜v2
C．v1＝v2 D．無法確定
AB　[只要金屬棒ab、cd的運動速度不相等，穿過井字形回路的磁通量就發生變化，閉合回路中就會產生感應電流。故選項A、B正確。]
1．下列現象中屬于電磁感應現象的是(　　)
A．磁場對電流產生力的作用
B．變化的磁場使閉合電路中產生電流
C．插在通電螺線管中的軟鐵棒被磁化
D．電流周圍產生磁場
B　[磁場對電流產生力的作用屬于通電導線在磁場中的受力情況；插在通電螺線管中的軟鐵棒被磁化屬于電流的磁效應；電流周圍產生磁場屬于電流的磁效應；變化的磁場使閉合電路中產生電流屬于電磁感應現象，故正確答案為B。]
2．閉合電路的一部分導線ab處于勻強磁場中，如圖所示，各情況下導線都在紙面內運動，那么下列判斷中正確的是(　　)
甲　　　　乙
丙　　　　丁
A．都會產生感應電流
B．都不會產生感應電流
C．甲、丙會產生感應電流，乙、丁不會產生感應電流
D．甲、乙不會產生感應電流，丙、丁會產生感應電流
C　[題圖中甲、丙兩圖中導線ab都在垂直切割磁感線，又因電路閉合，故甲、丙會產生感應電流；乙、丁兩圖中導體不切割磁感線，故乙、丁不會產生感應電流，故C項正確。]
3．如圖所示的勻強磁場中有一個矩形閉合導線框，在下列四種情況下，線框中會產生感應電流的是(　　)
A．線框平面始終與磁感線平行，線框在磁場中左右運動
B．線框平面始終與磁感線平行，線框在磁場中上下運動
C．線框繞位于線框平面內且與磁感線垂直的軸線AB轉動
D．線框繞位于線框平面內且與磁感線平行的軸線CD轉動
C　[四種情況中初始位置線框均與磁感線平行，磁通量為零，線圈按A、B、D三種情況移動后，線框仍與磁感線平行，磁通量保持為零不變，線框中不產生感應電流，C中線圈轉動后，穿過線框的磁通量不斷發生變化，所以會產生感應電流，C項正確。]
4．(新情境題，以“金屬薄圓盤”為背景，考查產生感應電流的條件)如圖所示，一個金屬薄圓盤水平放置在豎直向上的勻強磁場中。
問題：下列情況能不能使圓盤中產生感應電流？
(a)　　　　　　　　　　(b)
(1)如圖(a)圓盤繞過圓心的豎直軸勻速轉動；
(2)如圖(b)圓盤以某一水平直徑為軸勻速轉動。
[解析]　(1)當圓盤繞過圓心的豎直軸勻速轉動，無論轉到什么位置，圓盤中的磁通量不發生變化，不能產生感應電流。
(2)當圓盤以某一水平直徑為軸勻速轉動時，穿過圓盤的磁感線條數不斷變化，即圓盤中的磁通量發生變化，圓盤中將產生感應電流。
[答案]　見解析
回歸本節知識，自我完成以下問題：
1．什么是電磁感應現象及產生感應電流的條件？
提示：因閉合回路的磁通量變化而產生電流的現象。
條件：(1)閉合電路。(2)磁通量發生變化。
2．試寫出電磁感應的幾個典型應用？
提示：(1)計算機磁盤與磁記錄。
(2)無線充電。
(3)動圈式話筒。
法拉第與電氣化時代
法拉第出生于英國的一個鐵匠家庭，曾經在一家書店當過學徒。他利用這個條件，讀了很多科學書籍，從中獲得了豐富的知識。他喜歡做實驗，還積極參加科學報告會。1813年，22歲的法拉第毛遂自薦，成了著名化學家戴維的助理實驗員。
法拉第生活的時代，正值第一次產業革命完成。蒸汽機的普遍應用催生了資本主義大工業，人類進入了工業文明時期，而電力應用的前景已初見端倪。這是一個需要巨人并產生巨人的時代，法拉第生逢其時。當時的英國走在科學技術和工業發展的前列。法拉第看到，伏打電池昂貴、產生的電流小，而自然界中有不少天然磁石。如果可以由磁產生電流，就能獲得廉價的電力。他說：“我因為對當時產生電的方法感到不滿意，因此急于發現磁與感應電流的關系，覺得電學在這條路上一定可以充分發展。”
在10年的探索中，法拉第遭遇了多次失敗。在他當年的日記中不時出現“未顯示作用”“毫無反應”“不行”等詞語，記錄著艱苦的探索歷程。法拉第在晚年曾感嘆： “世人何嘗知道，在那些流過科學家頭腦的思想和理論中，有多少被他們自己嚴格的批判和無情的質疑消滅了。就是最有成就的科學家，得以實現的建議、猜想、愿望和初步判斷，也不到十分之一。”
法拉第發現電磁感應現象，與他堅信各種自然現象是相互關聯的，各種自然力是統一的、可以互相轉化的思想相關。他還認為電磁相互作用是通過介質來傳遞的，并把這種介質叫作“場”，他還以驚人的想象力創造性地用“力線”(即現代物理學中的“磁感線”)形象地描述“場”的物理圖景。
法拉第鄙視金錢、地位和權勢。他謙虛、樸實、安于清貧，謝絕了皇家學會會長、皇家研究院院長、倫敦大學教授等職位和頭銜，也不肯接受貴族爵位。
1867年8月25日，法拉第坐在書房的椅子上平靜地離開了人世。法拉第把一生獻給了科學事業。生活在電氣化時代的我們，應該永遠緬懷法拉第。
　(1)電場線、磁感線是由哪位科學家提出的？
(2)電磁感應現象指什么？
提示：(1)法拉第。
(2)磁生電。

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