第一環(huán)節(jié)　必備知識(shí)落實(shí)
第二環(huán)節(jié)　關(guān)鍵能力形成
1.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(1)概念:在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。(2)產(chǎn)生條件:穿過(guò)回路的磁通量發(fā)生改變,與電路是否閉合無(wú)關(guān)。(3)方向判斷:感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向用楞次定律或右手定則判斷。2.法拉第電磁感應(yīng)定律(1)內(nèi)容:閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小,跟穿過(guò)這一電路的磁通量的變化率成正比。
3.導(dǎo)體切割磁感線的情形
1.電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場(chǎng)磁場(chǎng)變化時(shí)會(huì)在空間激發(fā)一種電場(chǎng),這種電場(chǎng)叫作感生電場(chǎng)。產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)叫作感生電動(dòng)勢(shì)。如果是由導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),它叫作動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)包括感生電動(dòng)勢(shì)和動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。2.互感現(xiàn)象兩個(gè)線圈之間沒(méi)有導(dǎo)線連接,但當(dāng)一個(gè)線圈中的電流變化時(shí),它所產(chǎn)生的變化的磁場(chǎng)會(huì)在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),這種現(xiàn)象叫作互感,產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)叫作互感電動(dòng)勢(shì)。
4.渦流當(dāng)某線圈中的電流隨時(shí)間變化時(shí),在它附近的任何導(dǎo)體,如果穿過(guò)它的磁通量發(fā)生變化,導(dǎo)體內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,這種電流看起來(lái)就像水中的漩渦,所以把它叫作渦電流,簡(jiǎn)稱渦流。5.電磁阻尼當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),感應(yīng)電流會(huì)使導(dǎo)體受到安培力,安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng),這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼。6.電磁驅(qū)動(dòng)如果磁場(chǎng)相對(duì)于導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng),在導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力作用,安培力使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來(lái),這種作用稱為電磁驅(qū)動(dòng)。
追本溯源發(fā)生渦流時(shí),金屬塊并沒(méi)有接入閉合電路,為什么會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流?為什么變壓器的鐵芯利用薄硅鋼片疊壓而成,而不采用一塊整硅鋼?提示 金屬塊自身構(gòu)成閉合回路,導(dǎo)體內(nèi)部等效成許多閉合電路,當(dāng)穿過(guò)金屬塊的磁通量變化時(shí),金屬塊內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。變壓器的鐵芯采用薄硅鋼片疊壓而成,目的是減小渦流,減小鐵芯的發(fā)熱量,進(jìn)而提高變壓器的效率。
1.思考判斷(1)線圈中磁通量越大,產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大。(　　)(2)線圈中磁通量變化越大,產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大。(　　)(3)線圈中磁通量變化越快,產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大。(　　)(4)磁場(chǎng)相對(duì)導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)體棒中也能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。(　　)(5)線圈中的電流越大,自感系數(shù)越大。(　　)(6)對(duì)于同一線圈,當(dāng)電流變化越快時(shí),線圈中的自感電動(dòng)勢(shì)越大。(　　)
2.(多選)下列關(guān)于自感現(xiàn)象的說(shuō)法,正確的是(　　)A.自感現(xiàn)象是由于導(dǎo)體本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象B.線圈中自感電動(dòng)勢(shì)的方向總與引起自感的原電流的方向相反C.線圈中自感電動(dòng)勢(shì)的大小與穿過(guò)線圈的磁通量變化的快慢有關(guān)D.加鐵芯后線圈的自感系數(shù)比沒(méi)有鐵芯時(shí)要大
解析:線圈中自感電動(dòng)勢(shì)的方向總是阻礙引起自感電動(dòng)勢(shì)的原電流的變化,可能與原電流方向相同,也可能與原電流方向相反,B錯(cuò)誤。
3.(2020·上海奉賢區(qū)一模)如圖甲所示,一線圈匝數(shù)為100,橫截面積為0.01 m2,線圈電阻忽略不計(jì),磁場(chǎng)與線圈軸線成30°角向右穿過(guò)線圈。若在2 s內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖乙所示,則該段時(shí)間內(nèi)線圈兩端a和b之間的電勢(shì)差Uab為(　　)
整合構(gòu)建1.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的決定因素
【典例1】 如圖甲所示,一個(gè)阻值為R、匝數(shù)為n的圓形金屬線圈與阻值為2R的電阻R1連接成閉合回路。線圈的半徑為r1,在線圈中半徑為r2的圓形區(qū)域內(nèi)存在垂直于線圈平面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t變化的關(guān)系圖線如圖乙所示。圖線與橫、縱軸的截距分別為t0和B0,導(dǎo)線的電阻不計(jì)。求在0~t1時(shí)間內(nèi):?(1)通過(guò)電阻R1的電流大小和方向;(2)通過(guò)電阻R1的電荷量q。
(4)相對(duì)性:E=Blv中的速度v是相對(duì)于磁場(chǎng)的速度,若磁場(chǎng)也運(yùn)動(dòng),應(yīng)注意速度間的相對(duì)關(guān)系。
【典例3】 (多選)如圖所示,兩個(gè)同心金屬圓環(huán)水平放置,半徑分別是r和2r,兩環(huán)間有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B、方向垂直環(huán)面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),在兩環(huán)間連有一個(gè)電容為C的電容器,a、b是電容器的兩個(gè)極板。長(zhǎng)為r的金屬棒MN沿半徑方向放置在兩環(huán)間且與兩環(huán)接觸良好,并繞圓心以角速度ω做逆時(shí)針?lè)较?垂直環(huán)面向里看)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。下列說(shuō)法正確的是(　　)A.金屬棒中有從N到M的電流B.電容器a極板帶正電
方法歸納動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的電路分析(1)把產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的那部分電路或?qū)w當(dāng)作電源的內(nèi)電路,那部分電路或?qū)w相當(dāng)于電源。(2)若電路不是閉合的,可直接用右手定則判斷出電動(dòng)勢(shì)方向。(3)電源內(nèi)部電流的方向是由負(fù)極(低電勢(shì))流向正極(高電勢(shì)),外電路順著電流方向每經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻電勢(shì)都要降低。
訓(xùn)練突破2.(多選)如圖所示,空間存在兩個(gè)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B,方向相反且垂直紙面,MN、PQ為其邊界,OO'為其對(duì)稱軸。一導(dǎo)線折成邊長(zhǎng)為l的正方形閉合回路abcd,回路在紙面內(nèi)以恒定速度v0向右運(yùn)動(dòng),當(dāng)運(yùn)動(dòng)到關(guān)于OO'對(duì)稱的位置時(shí)(　　)A.穿過(guò)回路的磁通量為零B.回路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小為2Blv0C.回路中感應(yīng)電流的方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较駾.回路中ab邊與cd邊所受安培力方向相同
解析:穿過(guò)閉合回路的磁通量Φ=0,選項(xiàng)A正確?；芈分械母袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)為ab、cd兩邊產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)之和,為E=Blabv0+Blcdv0=2Blv0,選項(xiàng)B正確。由右手定則可知感應(yīng)電流的方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?選項(xiàng)C錯(cuò)誤。由左手定則可知ab邊與cd邊所受的安培力方向均向左,選項(xiàng)D正確。
整合構(gòu)建通電自感和斷電自感的比較
【典例4】 (多選)如圖甲、乙所示的電路中,電阻R和線圈L的直流電阻都很小,且小于燈泡A的電阻,閉合S,使電路達(dá)到穩(wěn)定,燈泡A發(fā)光,則(　　)?A.在電路甲中,斷開(kāi)S后,A將逐漸變暗B.在電路甲中,斷開(kāi)S后,A將閃亮一下,然后逐漸變暗C.在電路乙中,斷開(kāi)S后,A將逐漸變暗D.在電路乙中,斷開(kāi)S后,A將閃亮一下,然后逐漸變暗
解析:題圖甲所示電路中,燈A和線圈L串聯(lián),電流相同,斷開(kāi)S時(shí),線圈上產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì),通過(guò)R、A形成回路,燈A逐漸變暗,選項(xiàng)A正確,B錯(cuò)誤。題圖乙所示電路中,電阻R和燈A串聯(lián),燈A的電阻大于線圈L的電阻,電流則小于線圈L中的電流,斷開(kāi)S時(shí),線圈L產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì),通過(guò)R、A形成回路,燈A中電流比原來(lái)大,A將閃亮一下,然后逐漸變暗,選項(xiàng)C錯(cuò)誤,D正確。
特別提醒1.對(duì)自感現(xiàn)象“阻礙”作用的理解(1)流過(guò)線圈的電流增大時(shí),線圈中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)阻礙電流的增大,使其只能緩慢地增大。(2)流過(guò)線圈的電流減小時(shí),線圈中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)阻礙原電流的減小,使其只能緩慢地減小。2.分析自感現(xiàn)象應(yīng)注意(1)通過(guò)自感線圈中的電流不能發(fā)生突變,即通電過(guò)程中,電流逐漸變大,斷電過(guò)程中,電流逐漸變小。斷電過(guò)程線圈可等效為“電源”,該“電源”與其他電路元件形成回路。(2)斷電自感現(xiàn)象中燈泡是否“閃亮”:若斷電后通過(guò)燈泡的電流比原來(lái)強(qiáng),則燈泡先閃亮,再慢慢熄滅。
訓(xùn)練突破3.(多選)如圖所示的電路中,L為一個(gè)自感系數(shù)很大、直流電阻不計(jì)的線圈,D1、D2是兩個(gè)完全相同的燈泡,E是一內(nèi)阻不計(jì)的電源。t=0時(shí)刻,閉合開(kāi)關(guān)S,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,電路達(dá)到穩(wěn)定,t1時(shí)刻斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S。I1、I2分別表示通過(guò)燈泡D1和D2的電流,規(guī)定圖中箭頭所示的方向?yàn)殡娏髡较?以下各圖能定性描述電流I隨時(shí)間t變化關(guān)系的是(　　)
解析:當(dāng)S閉合時(shí),L的自感電動(dòng)勢(shì)會(huì)阻礙電流變大,電流從D1流過(guò),阻礙作用逐漸變小,L中的電流逐漸變大,D1中的電流逐漸變小至零;D2中的電流為電路總電流,電流流過(guò)D1時(shí),電路總電阻較大,電流較小,當(dāng)D1中電流為零時(shí),電流流過(guò)L與D2,電流變大至穩(wěn)定;當(dāng)S斷開(kāi)時(shí),D2馬上熄滅,L產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)與D1組成回路,D1慢慢熄滅,電流反向且減小;綜上所述知選項(xiàng)A、C正確。
整合構(gòu)建1.對(duì)渦流的理解(1)本質(zhì):電磁感應(yīng)現(xiàn)象。(2)條件:穿過(guò)金屬塊的磁通量發(fā)生變化,并且金屬塊本身構(gòu)成閉合回路。(3)特點(diǎn):整個(gè)導(dǎo)體回路的電阻一般很小,感應(yīng)電流很大,故金屬塊的發(fā)熱功率很大。(4)產(chǎn)生渦流的兩種情況:①塊狀金屬放在變化的磁場(chǎng)中;②塊狀金屬進(jìn)出磁場(chǎng)或在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。
2.電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)的比較
訓(xùn)練突破4.(多選)1824年,法國(guó)科學(xué)家阿拉果完成了著名的“圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)”。實(shí)驗(yàn)中將一銅圓盤(pán)水平放置,在其中心正上方用柔軟細(xì)線懸掛一枚可以自由旋轉(zhuǎn)的磁針,如圖所示。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)圓盤(pán)在磁針的磁場(chǎng)中繞過(guò)圓盤(pán)中心的豎直軸旋轉(zhuǎn)時(shí),磁針也隨著一起轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái),但略有滯后。下列說(shuō)法正確的是(　　)A.圓盤(pán)上產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)B.圓盤(pán)內(nèi)的渦電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動(dòng)C.在圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中,磁針的磁場(chǎng)穿過(guò)整個(gè)圓盤(pán)的磁通量發(fā)生了變化D.圓盤(pán)中的自由電子隨圓盤(pán)一起運(yùn)動(dòng)形成電流,此電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動(dòng)
解析:當(dāng)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),圓盤(pán)的半徑切割磁針產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁感線,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),選項(xiàng)A正確。銅圓盤(pán)上存在許多小的閉合回路,當(dāng)它轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),穿過(guò)小的閉合回路的磁通量發(fā)生變化,回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流,根據(jù)楞次定律,感應(yīng)電流阻礙其相對(duì)運(yùn)動(dòng),但抗拒不了相對(duì)運(yùn)動(dòng),故磁針會(huì)隨圓盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng),但略有滯后,選項(xiàng)B正確。根據(jù)對(duì)稱性,在圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,磁針的磁場(chǎng)穿過(guò)整個(gè)圓盤(pán)的磁通量始終為零,選項(xiàng)C錯(cuò)誤。圓盤(pán)呈電中性,圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)不能形成環(huán)形電流,不會(huì)對(duì)小磁針有帶動(dòng)作用,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
5.掃描隧道顯微鏡(STM)可用來(lái)探測(cè)樣品表面原子尺度上的形貌。為了有效隔離外界振動(dòng)對(duì)STM的擾動(dòng),在圓底盤(pán)周邊沿其徑向?qū)ΨQ地安裝若干對(duì)紫銅薄板,并施加磁場(chǎng)來(lái)快速衰減其微小振動(dòng),如圖所示。無(wú)擾動(dòng)時(shí),按下列四種方案對(duì)紫銅薄板施加恒磁場(chǎng);出現(xiàn)擾動(dòng)后,對(duì)于紫銅薄板上下及其左右振動(dòng)的衰減最有效的方案是(　　)
解析:感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件是閉合回路中的磁通量發(fā)生變化。在A圖中,出現(xiàn)擾動(dòng)后,紫銅薄板隨之上下及左右振動(dòng),在磁場(chǎng)中的部分有時(shí)多有時(shí)少,磁通量發(fā)生變化,產(chǎn)生感應(yīng)電流,受到安培力,阻礙紫銅薄板的振動(dòng)。在B圖中,只有紫銅薄板向左振動(dòng)才產(chǎn)生感應(yīng)電流,而上下振動(dòng)無(wú)感應(yīng)電流產(chǎn)生。在C圖中,無(wú)論紫銅薄板上下振動(dòng)還是左右振動(dòng),都不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。在D圖中,只有紫銅薄板左右振動(dòng)才產(chǎn)生感應(yīng)電流,而上下振動(dòng)無(wú)感應(yīng)電流產(chǎn)生,故選項(xiàng)A正確,B、C、D錯(cuò)誤。
6.(多選)電磁爐采用感應(yīng)電流(渦流)的加熱原理,通過(guò)電子線路產(chǎn)生交變磁場(chǎng),把鐵鍋放在爐面上時(shí),在鐵鍋底部就會(huì)產(chǎn)生交變的電流。它具有升溫快、效率高、體積小、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。下列關(guān)于電磁爐的說(shuō)法正確的是(　　)A.電磁爐面板可采用陶瓷材料,發(fā)熱部分為鐵鍋底部B.電磁爐面板可采用金屬材料,通過(guò)面板發(fā)熱加熱鍋內(nèi)食品C.電磁爐可以用陶瓷器皿作為鍋具對(duì)食品加熱D.可以通過(guò)改變電子線路的頻率來(lái)改變電磁爐的功率

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