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- 2021-04-13 发布
电磁感应定律
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.知道电磁感应现象及产生条件．(难点)
2．知道法拉第电磁感应定律，会用法拉第电磁感应定律计算感应电动势的大小．(重点)
3．了解发电机的工作原理.
[自 主 预 习·探 新 知]
[知识梳理]
一、电磁感应现象
1．电磁感应现象是英国物理学家法拉第在奥斯特发现电流磁效应的启发下，经过十年不懈努力发现的．
2．概念
(1)电磁感应现象：只要通过闭合回路的磁通量发生变化，就会在回路中产生感应电流，这种由于磁通量发生变化而产生电流的现象称为电磁感应．
(2)感应电流：电磁感应现象中所生成的电流叫感应电流．
二、法拉第电磁感应定律 发电机
1．感应电动势
(1)概念：由电磁感应所产生的电动势叫感应电动势．
(2)产生条件：只要穿过回路的磁通量发生改变，在回路中就产生感应电动势．
2．法拉第电磁感应定律
(1)内容：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一回路的磁通量的变化率成正比．
(2)公式：E＝，若为n匝线圈，则产生的电动势为：E＝n.
3．交流发电机
(1)结构：产生磁场的磁体、线圈、转轴、滑环、电刷等组成．
(2)原理：线圈在磁场中切割磁感应线产生感应电流．
(3)常见的发电机形式有：水力、风力、蒸汽压力等．
4．新型发电方式
其他发电形式有：太阳能发电、磁流体发电等，此外还有新型化学电池发电，热电子发射发电等．
[基础自测]
1．思考判断
(1)奥斯特发现了“电生磁”的现象之后，激发人们去探索“磁生电”的方法．( )
(2)法拉第发现了电磁感应现象．( )
(3)只要穿过回路的磁通量发生改变，回路中就有感应电动势产生．( )
(4)线圈中磁通量的变化量越大，产生的感应电动势一定越大．( )
(5)线圈中磁通量变化越快，产生的感应电动势越大．( )
【提示】 (1)√ (2)√ (3)√ (4)× (5)√
2．关于电磁感应现象，下列说法中正确的是( )
A．只要有磁通量穿过电路，电路中就有感应电流
B．只要闭合电路在做运动，电路中就有感应电流
C．只要穿过闭合电路的磁通量足够大，电路中就有感应电流
D．只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，电路中就有感应电流
D [产生感应电流的条件为：穿过闭合回路的磁通量发生变化，或者闭合回路的一部分电路做切割磁感线运动，D正确．]
3．下列现象涉及电磁感应的是( )
B [电子束在显像管中的偏转是运动电荷在磁场中偏转，故A错误；安全门报警是利用电磁感应原理工作的，故B正确；灯丝颤抖是因为通电电流受到磁场力的作用，故C错误；电子束在磁场中偏转是利用了运动电荷在磁场中偏转，故D错误．故选B.]
4．穿过一个单匝闭合线圈的磁通量始终为每秒均匀增加1 Wb，则( )
【导学号：37032051】
A．线圈中感应电动势每秒增加1 V
B．线圈中感应电动势每秒减少1 V
C．线圈中感应电动势始终为1 V
D．线圈中感应电动势始终为一个确定值，但由于线圈有电阻，电动势小于1 V
C [磁通量始终保持每秒钟均匀地增加1 Wb，则E＝n＝ V＝1 V，知线圈中的感应电动势始终为1 V，与线圈的电阻无关．故C正确，ABD错误．故选C.]
[合 作 探 究·攻 重 难]
感应电流的产生
1．感应电流产生的条件
其条件可以归纳为两个：一是电路本身必须闭合，二是穿过回路本身的磁通量发生变化．这里主要体现在“变化”上，回路中有没有磁通量穿过不是产生感应电流的条件，如果穿过回路的磁通量很大但无变化，那么无论多么大，都不会产生感应电流．
2．引起磁通量变化的方法
根据磁通量的定义式Φ＝BS，引起磁通量变化的方法有：
(1)由于磁场变化而引起闭合回路的磁通量的变化．
(2)磁场不变，由于闭合回路的面积S发生变化而引起磁通量的变化．
(3)磁场、闭合回路面积都发生变化时，也可引起穿过闭合电路的磁通量的变化．
总之，穿过闭合电路的磁感线条数发生变化时磁通量就发生了变化．
3．产生感应电流的方法
(1)闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动
如图241所示，导体AB做切割磁感线运动时，线路中有电流产生，而导体AB顺着磁感线运动时，线路中无电流产生．
图241
(2)磁铁在线圈中运动
如图所示，条形磁铁插入或拔出线圈时，线圈中有电流产生，但磁铁在线圈中静止不动时，线路中无电流产生．
(3)改变螺线管AB中的电流
如图242所示，将小螺线管AB插入大螺线管CD中不动，当开关S接通或断开时，电流表中有电流通过；若开关S一直接通，当改变滑动变阻器的阻值时，电流表中也有电流通过．
图242
有一根由金属丝绕制成的闭合环套在条形磁铁上，如图243所示，当闭合环收缩导致它所围的面积减小时：
图243
(1)穿过它的磁通量是否有变化？如有变化，怎样变？
(2)闭合环中是否存在感应电流，为什么？
【解析】 条形磁铁内部的磁感线方向由S极到N极，外部从N极到S极；条形磁铁外部向下穿过闭合环的磁通量抵消了一部分内部向上穿过的磁通量，当环收缩时被抵消的部分减少，所以穿过闭合环的磁通量增加，由于穿过环的磁通量有变化，所以在环中产生感应电流．
【答案】 (1)变化；增加 (2)有；因为穿过闭合环的磁通量有变化
注意有相反方向的磁场产生的磁通量的判断、首先要清楚哪个方向的磁通量大，然后再看它们各自如何变化，进而判断总磁通量变化情况.
[针对训练]
1．如图244所示，匀强磁场足够大，闭合线圈abcd处在磁场中，且与磁感应强度B垂直，则下列说法中，正确的是( )
图244
A．线圈在该平面内匀速运动时，有感应电流
B．线圈在该平面内做加速直线运动时，有感应电流
C．线圈在该平面内以a为圆心做匀速转动时，有感应电流
D．以上三种情况，均无感应电流
D [线圈在该平面内匀速运动时，穿过线圈的磁通量不变，则无感应电流产生，选项A错误；线圈在该平面内做加速直线运动时，穿过线圈的磁通量不变，则无感应电流产生，选项B错误；线圈在该平面内以a为圆心做匀速转动时，穿过线圈的磁通量不发生变化，则无感应电流产生，选项C错误，D正确；故选D.]
感应电动势的计算
1．如何区分磁通量Φ、磁通量的变化量ΔΦ、磁通量的变化率
物理量
单位
物理意义
磁通量Φ
Wb
表示在某时刻或某位置时穿过某一面积的磁感线条数的多少
磁通量的
变化量ΔΦ
Wb
表示在某一过程中穿过某一面积磁通量变化的多少
磁通量的
变化率
Wb/s
表示穿过某一面积的磁通量变化的快慢
(1)Φ是状态量，是闭合回路在某时刻(某位置)穿过回路的磁感线的条数，当磁场与回路平面垂直时，Φ＝BS.
(2)ΔΦ是过程量，是表示闭合回路从某一时刻变化到另一时刻的磁通量的增减，即ΔΦ＝Φ2－Φ1.常见磁通量变化方式有：B不变，S变；S不变，B变；B和S都变，回路在磁场中相对位置改变(如转动等)．总之，只要影响磁通量的因素发生变化，磁通量就会变化．
(3)表示磁通量的变化快慢，即单位时间内磁通量的变化，又称为磁通量的变化率．
(4)Φ、ΔΦ、的大小没有直接关系，这一点可与运动学中v、Δv、三者类比．需要指出的是：Φ很大，可能很小；Φ很小，可能很大；Φ＝0，可能不为零(如线圈平面转到与磁感线平行时)．当Φ按正弦规律变化时，Φ最大时，＝0，反之，当Φ为零时，最大．
2．对法拉第电磁感应定律的理解
(1)感应电动势的大小决定于穿过电路的磁通量的变化率，与Φ的大小、ΔΦ的大小没有必然的联系，与电路的电阻R也无关，而感应电流的大小与E和R有关．
(2)公式E＝n
适用于回路中磁通量发生变化产生的感应电动势的计算，回路可以闭合，也可以不闭合．感应电动势是整个闭合电路的感应电动势，不是电路中某部分导体的电动势．
(3)如图245所示，长为L的导体棒在匀强磁场中切割磁感线，且导体棒与磁场及切割方向相互垂直，产生感应电动势．
图245
导体棒的运动引起回路面积的变化，根据Φ＝BS可知E＝＝＝＝Blv
用此式计算导体棒切割磁感线产生的电动势大小，非常方便．
一个共有10匝的闭合矩形线圈，总电阻为10 Ω，置于水平面上．若穿过线框的磁通量在0.02 s内，由垂直纸面向里，从6.4×10－2 Wb均匀减小到零，再反向均匀增加到9.6×10－2 Wb.则在此时间内，线圈内导线中的感应电动势大小为多少？
【导学号：37032052】
思路点拨：①磁通量与匝数无关，但感应电动势与匝数有关．
②磁通量是标量，但要注意正值和负值的意义．
【解析】 设垂直纸面向外为正方向，在0.02 s内，磁通量的变化ΔΦ＝Φ2－(－Φ1)＝Φ2＋Φ1＝9.6×10－2 Wb＋6.4×10－2 Wb＝0.16 Wb
根据法拉第电磁感应定律：
E＝n＝10× V＝80 V.
【答案】 80 V
磁通量的变化ΔΦ≠Φ2－Φ1.在0.02 s内磁场的方向发生了一次反向.设垂直纸面向外为正方向，则ΔΦ＝Φ2－(－Φ1)＝Φ2＋Φ1.
[针对训练]
2．如图246所示，水平放置的平行金属导轨，相距l＝0.50 m，左端接一电阻R＝0.20 Ω，磁感应强度B＝0.40 T的匀强磁场方向垂直于导轨平面，导体棒ac垂直放在导轨上，并能无摩擦地沿导轨滑动，导轨和导体棒的电阻均可忽略不计，当ac棒以v＝4.0 m/s的速度水平向右匀速滑动时，求：
图246
(1)ac棒中感应电动势的大小；
(2)回路中感应电流的方向．
【解析】 (1)ac棒产生的感应电动势E＝Blv＝0.40×0.50×4.0 V＝0.80 V.
(2)由右手定则判定电流方向为c→a.
【答案】 (1)0.80 V (2)方向c→a
[当 堂 达 标·固 双 基]
1．下面所示的实验示意图中，用于探究电磁感应现象的是( )
D [A图是奥斯特实验，该实验证明了通电导线周围存在着磁场，利用电生磁现象制成了电磁铁，故A错误；B图中闭合开关，导线中有电流通过时，它就会运动起来，即说明通电导线在磁场中受力的作用，即是电动机的制作原理，故B错误；C图中闭合开关，线圈中有电流通过时，它就会运动起来，即说明通电导线在磁场中受力的作用，即是电动机的制作原理，故C错误；D图中磁铁在进入线圈的过程，由于磁通量的变化，产生感应电流；这是用来探究电磁感应现象的，故D正确．]
2．如图247所示，下列情况下线圈中不能产生感应电流的是( )
【导学号：37032053】
图247
A．I增加
B．线圈向右平动
C．线圈向下平动
D．线圈以ab边为轴转动
C [当I增加时，则穿过线圈的磁通量增大，所以导致线圈中产生感应电流，故A错误；当线圈向右平动时，导致线圈中磁通量变小，则线圈中会出现感应电流，故B错误；当线圈向下平动时，穿过线圈的磁通量仍不变，则线圈中不会出现感应电流，故C正确；线圈以ab边为轴转动时，致线圈中磁通量发生变化，则线圈中会出现感应电流，故D错误；故选C.]
3．如图248所示，下列各种情况中，穿过回路的磁通量增大的有( )
图248
A．图(甲)所示，在匀强磁场中，先把由弹簧状导线组成回路撑开，而后放手，到恢复原状的过程中
B．图(乙)所示，裸铜线ab在裸金属导轨上向右匀速运动过程中
C．图(丙)所示，条形磁铁拔出线圈的过程中
D．图(丁)所示，闭合线框远离与它在同一平面内通电直导线的过程中
B [由Φ＝BS得，题图(甲)穿过回路的磁通量随闭合回路面积的减小而减小；题图(乙)穿过回路的磁通量随闭合回路面积的增大而增加；题图(丙)穿过线圈的磁通量随磁极的远离而减小；题图(丁)离通电直导线越远，磁场越弱；穿过线框的磁通量越小，故选项B正确．]
4．如图249所示，环形金属软弹簧套在条形磁铁的中心位置，若沿其半径向外拉弹簧，使其面积增大，则穿过弹簧的磁通量将如何变化？
图249
【解析】 注意弹簧面所在处存在两个方向的磁场，即磁铁的内磁场和外磁场，它们各自产生正负不同的磁通量，总的磁通量等于两者绝对值之差，当拉大弹簧面积时，内磁场的磁通量不变，而外磁场的磁通量却增大(穿过弹簧的外部磁感线条数增多)，故Φ＝|Φ内|－|Φ外|应减小．
【答案】 磁通量减小