高中物理 第1章 電磁感應與現(xiàn)代生活 1_2 探究感應電流的方向教師用書 滬科版選修3-2

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1.2　探究感應電流的方向 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.了解探究感應電流的方向的實驗操作及現(xiàn)象分析. 2.知道并理解楞次定律的內容和右手定則的內容.(重點) 3.掌握應用楞次定律、右手定則判斷感應電流的方向.(難點) 4.掌握從能量轉化的角度理解楞次定律.(難點) 探 究 感 應 電 流 的 方 向　 楞 次 定 律 1.實驗裝置 細線懸掛的很輕的鋁環(huán). 圖121 2.實驗過程 操作步驟 現(xiàn)象 實質 條形磁鐵的一極靠近鋁環(huán) 鋁環(huán)和磁鐵排斥. 鋁環(huán)中產生感應電流，感應電流的磁場阻礙鋁環(huán)中磁通量的增加. 條形磁鐵的一極遠離鋁環(huán) 鋁環(huán)和磁鐵吸引. 鋁環(huán)中產生感應電流，感應電流的磁場阻礙鋁環(huán)中磁通量的減小. 3.楞次定律的內容 感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化. 1.感應電流的磁場總與原磁場方向相同.() 2.感應電流的磁場總阻礙閉合回路中磁通量的變化.(√) 3.楞次定律能判定閉合回路中感應電流的方向.(√) 1.感應電流的磁場方向總是與原磁場方向相反嗎？ 【提示】　不是.由探究實驗可知，當原磁場的磁通量增加時.感應電流的磁場方向與引起感應電流的原磁場方向相反；當原磁場的磁通量減少時，感應電流的磁場方向與引起感應電流的原磁場方向相同. 2.感應電流的磁場對原磁場磁通量變化有何影響？ 【提示】　感應電流的磁場總是阻礙原磁場磁通量的變化. 1834年楞次在總結了安培的電動力學與法拉第的電磁感應現(xiàn)象后，發(fā)現(xiàn)了確定感應電流方向的定律——楞次定律. 探討1：楞次定律中的“阻礙”是阻礙原來的磁場嗎？ 【提示】　“阻礙”的不是原來的磁場，而是阻礙原來磁場的磁通量的變化. 探討2：“阻礙”是“阻止”嗎？是“相反”嗎？ 【提示】　阻礙是減慢了變化，是阻而不止.當磁通量增加時是“相反”，當磁通量減少時是“相同”. 1.感應電流的磁場總是要阻礙引起感應電流的磁通量的變化，而不是阻礙引起感應電流的磁場.因此，不能認為感應電流的磁場方向與引起感應電流的磁場方向相反. 2.這里的“阻礙”體現(xiàn)為 (1)當引起感應電流的磁通量增加時，感應電流的磁場方向與引起感應電流的磁場方向相反，感應電流的磁通量阻礙了引起感應電流的磁通量的增加. (2)當引起感應電流的磁通量減少時，感應電流的磁場方向與引起感應電流的磁場方向相同，感應電流的磁通量阻礙了引起感應電流的磁通量的減少. 3.對“阻礙”作用的正確理解 (1)“阻礙”不是“阻止” 當由于原磁通量的增加引起感應電流時，感應電流的磁場方向與原磁場方向相反，其作用僅僅使原磁通量的增加變慢了，但磁通量仍在增加；當由于原磁通量的減少而引起感應電流時，感應電流的磁場方向與原磁場方向相同，其作用僅僅使原磁通量的減少變慢了，但磁通量仍在減少. (2)“阻礙”并不意味著“相反” 感應電流產生的磁場方向可能與原磁場方向相同，也可能相反，需根據(jù)磁通量的變化情況判斷. 4.楞次定律的應用 (1)運動情況的判斷. 由于導體和磁體間的相對運動導致的電磁感應現(xiàn)象，感應電流的效果阻礙導體與磁體間的相對運動.簡記口訣：“來拒去留”. (2)面積變化趨勢的判斷. 電磁感應致使回路面積有變化趨勢時，則面積收縮或擴張是為了阻礙回路磁通量的變化，即磁通量增大時，面積有收縮趨勢；磁通量減小時，面積有擴張趨勢.簡記口訣：“增縮減擴”. 1.如圖所示，當磁鐵突然向銅環(huán)運動時，銅環(huán)的運動情況是(　　) 圖122 A.向右運動 B.向左運動 C.靜止不動 D.不能判定 【解析】　解法一：躲閃法.磁鐵向右運動，使銅環(huán)的磁通量增加而產生感應電流，由楞次定律可知，銅環(huán)為阻礙原磁通量的增大，必向磁感線較疏的右方運動，即向躲開磁通量增加的方向運動.故A正確. 解法二：阻礙相對運動法.產生磁場的物體與閉合線圈之間的相互作用力可概括為四個字“來拒去留”.磁鐵向右運動時，銅環(huán)產生的感應電流總是阻礙導體間的相對運動，則磁鐵和銅環(huán)間有排斥作用.故A正確. 【答案】　A 2.如圖123所示，通電螺線管兩側各懸掛一個小銅環(huán)，銅環(huán)平面與螺線管截面平行.當開關S接通瞬間，兩銅環(huán)的運動情況是(　　) 【導學號：72000010】 圖123 A.同時向兩側推開 B.同時向螺線管靠攏 C.一個被推開，一個被吸引，但因電源正負極未知，無法具體判斷 D.同時被推開或同時向螺線管靠攏，因電源正負極未知，無法具體判斷 【解析】　當電路接通瞬間，穿過線圈的磁通量在增加，使得穿過兩側銅環(huán)的磁通量都在增加，由楞次定律可知，兩環(huán)中感應電流的磁場與線圈中磁場方向相反，即受到線圈磁場的排斥作用，使兩銅環(huán)分別向外側移動，選項A正確. 【答案】　A 3.一水平放置的矩形閉合線圈abcd，在細長磁鐵的N極附近豎直下落，由圖124所示位置Ⅰ經過位置Ⅱ到位置Ⅲ，位置Ⅰ和位置Ⅲ都很靠近位置Ⅱ.在這個過程中，線圈中感應電流(　　) 圖124 A.沿abcd流動 B.沿dcba流動 C.從Ⅰ到Ⅱ是沿abcd流動，從Ⅱ到Ⅲ是沿dcba流動 D.從Ⅰ到Ⅱ是沿dcba流動，從Ⅱ到Ⅲ是沿abcd流動 【解析】　側視圖如圖所示，從Ⅰ到Ⅱ向上的磁通量減少，據(jù)楞次定律的“增反減同”可知：線圈中感應電流產生的磁場方向向上，用安培定則可以判斷感應電流的方向為逆時針(俯視)，即沿abcd流動.同理可以判斷：從Ⅱ到Ⅲ向下磁通量增加，由楞次定律可得：線圈中感應電流產生的磁場方向向上，感應電流的方向沿abcd流動，故選A. 【答案】　A 應用楞次定律判斷感應電流方向的思路 (1)明確研究對象是哪一個閉合電路； (2)明確原磁場的方向； (3)判斷穿過閉合回路內原磁場的磁通量是增加還是減少； (4)由楞次定律判斷感應電流的磁場方向； (5)由安培定則判斷感應電流的方向. 電 磁 感 應 中 的 能 量 轉 化　 右 手 定 則 1.電磁感應中的能量轉化 產生感應電流的過程，是外力克服磁場力做功的過程，磁鐵運動的機械能轉化成鋁環(huán)的電能. 2.右手定則 伸開右手，使拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在一個平面內.讓磁感線垂直從手心進入，拇指指向導體運動的方向，其余四指所指的方向就是感應電流的方向. 3.適用情況 適用于閉合電路部分導體切割磁感線產生感應電流的情況. 1.電磁感應現(xiàn)象中的電能是憑空產生的.() 2.判斷通電螺線管周圍的磁場用左手定則.() 3.判斷導體切割磁感線產生的感應電流的方向應用右手定則.(√) 1.電磁感應過程中有電能變化，該電能是否憑空增加？從能量守恒的角度如何解釋？ 【提示】　從能量守恒的角度來看，感應電流的磁場總是在阻礙著它自己的產生，為了維持感應電流，就必須克服這個阻礙作用而做功，使其他形式的能量轉化成電能，這就是感應電流能量的來源. 2.在已學過的利用右手或左手進行判斷的現(xiàn)象中，哪些是利用右手判斷的？ 【提示】　用右手判斷的兩種情況：(1)判斷電流(或運動電荷)產生的磁場方向用右手(安培定則)；(2)閉合電路的部分導體切割磁感線會產生感應電流，判斷此時的感應電流方向時用右手(右手定則). 楞次定律可以用來判斷感應電流的方向，右手定則也可以用來判斷感應電流的方向. 探討1：右手定則適用于判斷什么情形下的感應電流方向？ 【提示】　閉合回路的一部分導體做切割磁感線運動的情形. 探討2：楞次定律適用于判斷什么情形下的感應電流方向？ 【提示】　可判斷各種情況下的感應電流方向. 1.楞次定律中的能量守恒 (1)當導體與磁場不發(fā)生相對運動產生感應電流時，是磁場能轉化為電能的過程. (2)當導體與磁場發(fā)生相對運動產生感應電流時，是機械能轉化為電能的過程. 2.右手定則是楞次定律的特殊情況 (1)楞次定律的研究對象為整個閉合導體回路，適用于磁通量變化引起感應電流的各種情況. (2)右手定則的研究對象為閉合導體回路的一部分，適用于一段導線在磁場中做切割磁感線運動. 3.區(qū)別安培定則、左手定則、右手定則的關鍵是抓住因果關系 (1)因電而生磁(I→B)→安培定則.(判斷電流周圍磁感線的方向) (2)因動而生電(v、B→I感)→右手定則.(導體切割磁感線產生感應電流) (3)因電而受力(I、B→F安)→左手定則.(磁場對電流有作用力) 4.如圖125所示，在O點下方有一個有理想邊界的磁場，銅環(huán)在A點由靜止釋放向右擺至最高點B，不考慮空氣阻力，則下列說法正確的是(　　) 圖125 A.A、B兩點在同一水平線 B.A點高于B點 C.A點低于B點 D.銅環(huán)將做等幅擺動 【解析】　銅環(huán)在進入和穿出磁場區(qū)域時發(fā)生了電磁感應現(xiàn)象，有機械能轉化為電能，故機械能減少，B點低于A點. 【答案】　B 5.如圖126所示，平行導體滑軌MM′、NN′水平放置，固定在勻強磁場中，磁場方向與水平面垂直向下.滑線AB、CD橫放其上靜止，形成一個閉合電路，當AB向右滑動的瞬間，電路中感應電流的方向及滑線CD受到的磁場力方向分別為(　　) 【導學號：72000011】 圖126 A.電流方向沿ABCD；受力方向向右 B.電流方向沿ABCD；受力方向向左 C.電流方向沿ADCB；受力方向向右 D.電流方向沿ADCB；受力方向向左 【解析】　AB向右滑動，根據(jù)右手定則知回路中感應電流方向沿ADCB方向，又由左手定則判知CD受安培力方向向右，故C對，A、B、D都錯. 【答案】　C 6.如圖127所示，導軌間的磁場方向垂直于紙面向里.圓形金屬環(huán)B正對電磁鐵A.當導線MN在導軌上向右加速滑動時，(說明：導體棒切割磁感線速度越大感應電流越大)，下列說法正確的是(　　) 【導學號：72000012】 圖127 A.MN中電流方向N→M，B被A吸引 B.MN中電流方向N→M，B被A排斥 C.MN中電流方向M→N，B被A吸引 D.MN中電流方向M→N，B被A排斥 【解析】　MN向右加速滑動，根據(jù)右手定則，MN中的電流方向從N→M，且大小逐漸變大，根據(jù)安培定則知，電磁鐵A在B處的磁場方向向左，且大小逐漸增強，根據(jù)楞次定律知，B環(huán)中的感應電流產生的磁場方向向右，B被A排斥，B正確，A，C，D錯誤. 【答案】　B 磁場中基本定則和定律的應用 基本現(xiàn)象 應用的定則或規(guī)律 運動電荷、電流產生磁場 安培定則 磁場對運動電荷、電流的作用力 左手定則 電磁 感應 部分導體切割磁感線 右手定則 閉合回路磁通量變化 楞次定律 學業(yè)分層測評(二) (建議用時：45分鐘) [學業(yè)達標] 1.磁場方向如圖所示，當閉合電路的一部分導體在磁場中做如圖中所示方向的運動時，能產生感應電流的是(　　) 【導學號：72000013】 A　　　　　　B　　　　　　　C　　　　　　　D 【解析】　感應電流的產生條件是穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，而閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動實際上也是其中的一個特例.A圖為閉合電路的一部分導體切割磁感線，則有感應電流產生；B圖中導線不切割磁感線，無感應電流產生；在分析C圖時，一定要把條形磁鐵周圍的磁感線分布情況弄清楚，在圖示位置，線圈中的磁通量為零，在向下運動的過程中，線圈的磁通量一直為零，磁通量不變，線圈中無感應電流產生；D圖中，線圈中的磁通量一直不變，線圈中無感應電流產生. 【答案】　A 2.(多選)如圖128所示，閉合金屬圓環(huán)沿垂直于磁場方向放置在有界勻強磁場中，將它從勻強磁場中勻速拉出，以下各種說法中正確的是(　　) 【導學號：72000014】 圖128 A.向左拉出和向右拉出時，環(huán)中的感應電流方向相反 B.向左或向右拉出時，環(huán)中感應電流方向都是沿順時針方向的 C.向左或向右拉出時，環(huán)中感應電流方向都是沿逆時針方向的 D.環(huán)在到達磁場邊界之前，圓環(huán)中無感應電流 【解析】　將金屬圓環(huán)不管從哪邊拉出磁場，穿過閉合圓環(huán)的磁通量都要減少，根據(jù)楞次定律可知，感應電流的磁場要阻礙原磁通量的減少，感應電流的磁場方向與原磁場方向相同，應用安培定則可以判斷出感應電流的方向是順時針方向的，選項B正確，A、C錯誤；另外在圓環(huán)到達磁場邊界前，穿過圓環(huán)的磁通量沒有改變，該種情況無感應電流，D正確. 【答案】　BD 3.如圖129所示，一根條形磁鐵自左向右穿過一個閉合螺線管，則電路中(　　) 圖129 A.始終有感應電流自a向b流過電流表G B.始終有感應電流自b向a流過電流表G C.先有a→G→b方向的感應電流，后有b→G→a方向的感應電流 D.將不會產生感應電流 【解析】　條形磁鐵從左邊進入螺線管的過程中，在螺線管內產生的磁場方向向右，且穿過螺線管的磁通量不斷增加，根據(jù)楞次定律，產生的感應電流的方向是a→G→b；條形磁鐵從螺線管中向右穿出的過程中，在螺線管中產生的磁場方向仍向右，穿過螺線管的磁通量不斷減小，根據(jù)楞次定律，產生的感應電流的方向是b→G→a，故C正確. 【答案】　C 4.如圖1210所示，一載流長直導線和一矩形導線框固定在同一平面內，線框在長直導線右側，且其長邊與長直導線平行.已知在t＝0到t＝t1的時間間隔內，直導線中電流i發(fā)生某種變化，而線框中的感應電流總是沿順時針方向；線框受到的安培力的合力先水平向左、后水平向右.設電流i正方向與圖中箭頭所示方向相同，則i隨時間t變化的圖線可能是(　　) 【導學號：72000015】 圖1210 A　　　　　　B　　　　　　C　　　　　　D 【解析】　由安培安則判斷直線電流在導線框處的磁場方向，再由直線電流的磁場變化和楞次定律可判斷導線框中的電流方向，再結合線框所受到的安培力的合力方向的變化，即可判斷出導線框中的電流i隨時間t變化的圖線可能是A. 【答案】　A 5.(多選)(2015山東高考)如圖1211，一均勻金屬圓盤繞通過其圓心且與盤面垂直的軸逆時針勻速轉動.現(xiàn)施加一垂直穿過圓盤的有界勻強磁場，圓盤開始減速.在圓盤減速過程中，以下說法正確的是(　　) 圖1211 A.處于磁場中的圓盤部分，靠近圓心處電勢高 B.所加磁場越強越易使圓盤停止轉動 C.若所加磁場反向，圓盤將加速轉動 D.若所加磁場穿過整個圓盤，圓盤將勻速轉動 【解析】　根據(jù)右手定則可判斷靠近圓心處電勢高，選項A正確；圓盤處在磁場中的部分轉動切割磁感線，相當于電源，其他部分相當于外電路，根據(jù)左手定則，圓盤所受安培力與運動方向相反，磁場越強，安培力越大，故所加磁場越強越易使圓盤停止轉動，選項B正確；磁場反向，安培力仍阻礙圓盤轉動，選項C錯誤；若所加磁場穿過整個圓盤，整個圓盤相當于電源，不存在外電路，沒有電流，所以圓盤不受安培力而勻速轉動，選項D正確. 【答案】　ABD 6.如圖1212所示，ab是一個可繞垂直于紙面的軸O轉動的閉合矩形導線框，當滑動變阻器R的滑片自左向右滑動時，線框ab的運動情況是(　　) 【導學號：72000016】 圖1212 A.保持靜止不動 B.逆時針轉動 C.順時針轉動 D.發(fā)生轉動，但電源極性不明，無法確定轉動的方向 【解析】　根據(jù)題圖所示電路，線框ab所處位置的磁場是水平方向的，當滑動變阻器的滑片向右滑動時，電路中電阻增大，電流減弱，則穿過閉合導線框b的磁通量將減少.Φ＝BSsin θ，θ為線圈平面與磁場方向的夾角，根據(jù)楞次定律，感應電流的磁場將阻礙原磁通量的減少，則線框ab只有順時針旋轉使θ角增大，而使穿過線圈的磁通量增加，則C正確.注意此題并不需要明確電源的極性. 【答案】　C 7.如圖1213所示，勻強磁場與圓形導體環(huán)平面垂直，導體ef與環(huán)接觸良好，當ef向右勻速運動時(　　) 圖1213 A.圓環(huán)中磁通量不變，環(huán)上無感應電流產生 B.整個環(huán)中有順時針方向的電流 C.整個環(huán)中有逆時針方向的電流 D.環(huán)的右側有逆時針方向的電流，環(huán)的左側有順時針方向的電流 【解析】　由右手定則知ef上的電流由e→f，故右側的電流方向為逆時針，左側的電流方向為順時針，選D. 【答案】　D 8.(多選)如圖1214所示，光滑固定導軌m、n水平放置，兩根導體棒p、q平行放于導軌上.形成一個閉合回路.當一條形磁鐵從高處下落接近回路時(　　) 【導學號：72000017】 圖1214 A.p、q將互相靠攏 B.p、q將互相遠離 C.磁鐵的加速度仍為g D.磁鐵的加速度小于g 【解析】　方法一：假設磁鐵的下端為N極，穿過回路的磁通量增加，根據(jù)楞次定律可判斷出感應電流的磁場方向向上，根據(jù)安培定則可判斷出回路中感應電流的方向為逆時針方向(俯視).再根據(jù)左手定則可判斷p、q所受的安培力的方向，安培力使p、q相互靠攏.由于回路所受的安培力的合力向下，根據(jù)牛頓第三定律知，磁鐵將受到向上的反作用力，從而加速度小于g.若磁鐵的下端為S極，根據(jù)類似的分析可以得出相同的結果，所以A、D選項正確. 方法二：根據(jù)楞次定律的另一種表達——感應電流的效果總是要反抗產生感應電流的原因，本題中的“原因”是回路中的磁通量增加，歸根結底是磁鐵靠近回路，“效果”便是阻礙磁通量的增加和磁鐵的靠近.所以p、q將相互靠近且磁鐵的加速度小于g.故選項A、D正確. 【答案】　AD [能力提升] 9.在勻強磁場中放一電阻不計的平行金屬導軌，導軌跟大線圈M相接，如圖1215所示.導軌上放一根導線ab，磁感線垂直于導軌所在平面.當導線ab加速向右運動時，M所包圍的小閉合線圈N產生的感應電流方向及所具有的形變趨勢是(　　) 圖1215 A.順時針方向，有收縮的趨勢 B.順時針方向，有擴張的趨勢 C.逆時針方向，有收縮的趨勢 D.逆時針方向，有擴張的趨勢 【解析】　導線ab向右加速運動時，M中產生順時針方向且逐漸增大的感應電流.由楞次定律可判斷N中產生逆時針方向的感應電流且有收縮的趨勢，C選項正確. 【答案】　C 10.(多選)如圖1216所示，用一根長為L、質量不計的細桿與一個上弧長為l0、下弧長為d0的金屬線框的中點聯(lián)結并懸掛于O點，懸點正下方存在一個上弧長為2l0、下弧長為2d0的方向垂直紙面向里的勻強磁場，且d0?L.先將線框拉開到如圖所示位置，松手后讓線框進入磁場，忽略空氣阻力和摩擦力，下列說法正確的是(　　) 【導學號：72000018】 圖1216 A.金屬線框進入磁場時感應電流的方向為a→b→c→d→a B.金屬線框離開磁場時感應電流的方向為a→b→c→d→a C.金屬線框dc邊進入磁場與ab邊離開磁場的速度大小總是相等 D.向左擺動進入或離開磁場的過程中，所受安培力方向向右；向右擺動進入或離開磁場的過程中，所受安培力方向向左 【解析】　當線框進入磁場時，dc邊切割磁感線，由楞次定律可判斷，感應電流的方向為：a→d→c→b→a；當線框離開磁場時，同理可判斷其感應電流的方向為：a→b→c→d→a，A錯誤，B正確；線框dc邊(或ab邊)進入磁場或離開磁場時，都要切割磁感線產生感應電流，機械能轉化為電能，故dc邊進入磁場與ab邊離開磁場的速度大小不相等，C錯誤；由“來拒去留”知，D正確. 【答案】　BD 11.我們可以通過實驗探究電磁感應現(xiàn)象中感應電流方向的決定因素和遵循的物理規(guī)律.以下是實驗探究過程的一部分. 【導學號：72000019】 甲　　乙 圖1217 (1)如圖1217甲所示，當磁鐵的N極向下運動時，發(fā)現(xiàn)電流表指針偏轉，若要探究線圈中產生感應電流的方向，必須知道 . (2)如圖1217乙所示，實驗中發(fā)現(xiàn)閉合開關時，電流表指針向右偏.電路穩(wěn)定后，若向左移動滑動觸頭，此過程中電流表指針向 偏轉；若將線圈A抽出，此過程中電流表指針向 偏轉.(均選填“左”或“右”) 【解析】　(1)電流表沒有電流通過時，指針在中央位置，要探究線圈中電流的方向，必須知道電流從正(負)接線柱流入時，電流表指針的偏轉方向. (2)閉合開關時，線圈A中的磁場增強，線圈B中產生的感應電流使電流表指針向右偏，則當左移滑片時，會使線圈A中的磁場增強，電流表指針將向右偏；當線圈A抽出，在線圈B處的磁場減弱，線圈B中產生的感應電流將使電流表指針向左偏. 【答案】　(1)電流從正(負)接線柱流入時，電流表指針的偏轉方向　(2)右　左 12.重為G的線圈系在一個彈簧測力計上，其下方有一通電導線，如圖1218甲所示，導線所通過的電流如圖乙所示，它們均在同一平面內，求下列不同時刻彈簧測力計的示數(shù)與G的關系. 【導學號：72000020】 甲　　　　　　　　　乙 圖1218 (1)在t1時刻； (2)在t2時刻； (3)在t3時刻. 【解析】　(1)在t1時刻穿過線圈的磁通量增加，線圈產生感應電流，由楞次定律知，彈簧測力計的示數(shù)小于G； (2)在t2時刻穿過線圈的磁通量不變，線圈不產生感應電流，由力的平衡知，彈簧測力計的示數(shù)等于G； (3)在t3時刻穿過線圈的磁通量減少，線圈產生感應電流，由楞次定律知，彈簧測力計的示數(shù)大于G. 【答案】　(1)小于G　(2)等于G　(3)大于G