学年高中物理第1章电磁感应与现代生活12探究感应电流的方向教师用书沪科版选修32.docx

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学年高中物理第1章电磁感应与现代生活12探究感应电流的方向教师用书沪科版选修32

1.2　探究感应电流的方向

学习目标

知识脉络

1.了解探究感应电流的方向的实验操作及现象分析.

2.知道并理解楞次定律的内容和右手定则的内容.（重点）

3.掌握应用楞次定律、右手定则判断感应电流的方向.（难点）

4.掌握从能量转化的角度理解楞次定律.（难点）

探究感应电流的方向　楞次定律

1.实验装置

细线悬挂的很轻的铝环.

图121

2.实验过程

操作步骤

现象

实质

条形磁铁的一极靠近铝环

铝环和磁铁排斥.

铝环中产生感应电流，感应电流的磁场阻碍铝环中磁通量的增加.

条形磁铁的一极远离铝环

铝环和磁铁吸引.

铝环中产生感应电流，感应电流的磁场阻碍铝环中磁通量的减小.

3.楞次定律的内容

感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化.

1.感应电流的磁场总与原磁场方向相同.（×）

2.感应电流的磁场总阻碍闭合回路中磁通量的变化.（√）

3.楞次定律能判定闭合回路中感应电流的方向.（√）

1.感应电流的磁场方向总是与原磁场方向相反吗？

【提示】　不是.由探究实验可知，当原磁场的磁通量增加时.感应电流的磁场方向与引起感应电流的原磁场方向相反；当原磁场的磁通量减少时，感应电流的磁场方向与引起感应电流的原磁场方向相同.

2.感应电流的磁场对原磁场磁通量变化有何影响？

【提示】　感应电流的磁场总是阻碍原磁场磁通量的变化.

1834年楞次在总结了安培的电动力学与法拉第的电磁感应现象后，发现了确定感应电流方向的定律——楞次定律.

探讨1：

楞次定律中的“阻碍”是阻碍原来的磁场吗？

【提示】　“阻碍”的不是原来的磁场，而是阻碍原来磁场的磁通量的变化.

探讨2：

“阻碍”是“阻止”吗？

是“相反”吗？

【提示】　阻碍是减慢了变化，是阻而不止.当磁通量增加时是“相反”，当磁通量减少时是“相同”.

1.感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，而不是阻碍引起感应电流的磁场.因此，不能认为感应电流的磁场方向与引起感应电流的磁场方向相反.

2.这里的“阻碍”体现为

（1）当引起感应电流的磁通量增加时，感应电流的磁场方向与引起感应电流的磁场方向相反，感应电流的磁通量阻碍了引起感应电流的磁通量的增加.

（2）当引起感应电流的磁通量减少时，感应电流的磁场方向与引起感应电流的磁场方向相同，感应电流的磁通量阻碍了引起感应电流的磁通量的减少.

3.对“阻碍”作用的正确理解

（1）“阻碍”不是“阻止”

当由于原磁通量的增加引起感应电流时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反，其作用仅仅使原磁通量的增加变慢了，但磁通量仍在增加；当由于原磁通量的减少而引起感应电流时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同，其作用仅仅使原磁通量的减少变慢了，但磁通量仍在减少.

（2）“阻碍”并不意味着“相反”

感应电流产生的磁场方向可能与原磁场方向相同，也可能相反，需根据磁通量的变化情况判断.

4.楞次定律的应用

（1）运动情况的判断.

由于导体和磁体间的相对运动导致的电磁感应现象，感应电流的效果阻碍导体与磁体间的相对运动.简记口诀：

“来拒去留”.

（2）面积变化趋势的判断.

电磁感应致使回路面积有变化趋势时，则面积收缩或扩张是为了阻碍回路磁通量的变化，即磁通量增大时，面积有收缩趋势；磁通量减小时，面积有扩张趋势.简记口诀：

“增缩减扩”.

1.如图所示，当磁铁突然向铜环运动时，铜环的运动情况是（　　）

图122

A.向右运动B.向左运动

C.静止不动D.不能判定

【解析】　解法一：

躲闪法.磁铁向右运动，使铜环的磁通量增加而产生感应电流，由楞次定律可知，铜环为阻碍原磁通量的增大，必向磁感线较疏的右方运动，即向躲开磁通量增加的方向运动.故A正确.

解法二：

阻碍相对运动法.产生磁场的物体与闭合线圈之间的相互作用力可概括为四个字“来拒去留”.磁铁向右运动时，铜环产生的感应电流总是阻碍导体间的相对运动，则磁铁和铜环间有排斥作用.故A正确.

【答案】　A

2.如图123所示，通电螺线管两侧各悬挂一个小铜环，铜环平面与螺线管截面平行.当开关S接通瞬间，两铜环的运动情况是（　　）

【导学号：

72000010】

图123

A.同时向两侧推开

B.同时向螺线管靠拢

C.一个被推开，一个被吸引，但因电源正负极未知，无法具体判断

D.同时被推开或同时向螺线管靠拢，因电源正负极未知，无法具体判断

【解析】　当电路接通瞬间，穿过线圈的磁通量在增加，使得穿过两侧铜环的磁通量都在增加，由楞次定律可知，两环中感应电流的磁场与线圈中磁场方向相反，即受到线圈磁场的排斥作用，使两铜环分别向外侧移动，选项A正确.

【答案】　A

3.一水平放置的矩形闭合线圈abcd，在细长磁铁的N极附近竖直下落，由图124所示位置Ⅰ经过位置Ⅱ到位置Ⅲ，位置Ⅰ和位置Ⅲ都很靠近位置Ⅱ.在这个过程中，线圈中感应电流（　　）

图124

A.沿abcd流动

B.沿dcba流动

C.从Ⅰ到Ⅱ是沿abcd流动，从Ⅱ到Ⅲ是沿dcba流动

D.从Ⅰ到Ⅱ是沿dcba流动，从Ⅱ到Ⅲ是沿abcd流动

【解析】　侧视图如图所示，从Ⅰ到Ⅱ向上的磁通量减少，据楞次定律的“增反减同”可知：

线圈中感应电流产生的磁场方向向上，用安培定则可以判断感应电流的方向为逆时针（俯视），即沿abcd流动.同理可以判断：

从Ⅱ到Ⅲ向下磁通量增加，由楞次定律可得：

线圈中感应电流产生的磁场方向向上，感应电流的方向沿abcd流动，故选A.

【答案】　A

应用楞次定律判断感应电流方向的思路

（1）明确研究对象是哪一个闭合电路；

（2）明确原磁场的方向；

（3）判断穿过闭合回路内原磁场的磁通量是增加还是减少；

（4）由楞次定律判断感应电流的磁场方向；

（5）由安培定则判断感应电流的方向.

电磁感应中的能量转化　右手定则

1.电磁感应中的能量转化

产生感应电流的过程，是外力克服磁场力做功的过程，磁铁运动的机械能转化成铝环的电能.

2.右手定则

伸开右手，使拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在一个平面内.让磁感线垂直从手心进入，拇指指向导体运动的方向，其余四指所指的方向就是感应电流的方向.

3.适用情况

适用于闭合电路部分导体切割磁感线产生感应电流的情况.

1.电磁感应现象中的电能是凭空产生的.（×）

2.判断通电螺线管周围的磁场用左手定则.（×）

3.判断导体切割磁感线产生的感应电流的方向应用右手定则.（√）

1.电磁感应过程中有电能变化，该电能是否凭空增加？

从能量守恒的角度如何解释？

【提示】　从能量守恒的角度来看，感应电流的磁场总是在阻碍着它自己的产生，为了维持感应电流，就必须克服这个阻碍作用而做功，使其他形式的能量转化成电能，这就是感应电流能量的来源.

2.在已学过的利用右手或左手进行判断的现象中，哪些是利用右手判断的？

【提示】　用右手判断的两种情况：

（1）判断电流（或运动电荷）产生的磁场方向用右手（安培定则）；

（2）闭合电路的部分导体切割磁感线会产生感应电流，判断此时的感应电流方向时用右手（右手定则）.

楞次定律可以用来判断感应电流的方向，右手定则也可以用来判断感应电流的方向.

探讨1：

右手定则适用于判断什么情形下的感应电流方向？

【提示】　闭合回路的一部分导体做切割磁感线运动的情形.

探讨2：

楞次定律适用于判断什么情形下的感应电流方向？

【提示】　可判断各种情况下的感应电流方向.

1.楞次定律中的能量守恒

（1）当导体与磁场不发生相对运动产生感应电流时，是磁场能转化为电能的过程.

（2）当导体与磁场发生相对运动产生感应电流时，是机械能转化为电能的过程.

2.右手定则是楞次定律的特殊情况

（1）楞次定律的研究对象为整个闭合导体回路，适用于磁通量变化引起感应电流的各种情况.

（2）右手定则的研究对象为闭合导体回路的一部分，适用于一段导线在磁场中做切割磁感线运动.

3.区别安培定则、左手定则、右手定则的关键是抓住因果关系

（1）因电而生磁（I→B）→安培定则.（判断电流周围磁感线的方向）

（2）因动而生电（v、B→I感）→右手定则.（导体切割磁感线产生感应电流）

（3）因电而受力（I、B→F安）→左手定则.（磁场对电流有作用力）

4.如图125所示，在O点下方有一个有理想边界的磁场，铜环在A点由静止释放向右摆至最高点B，不考虑空气阻力，则下列说法正确的是（　　）

图125

A.A、B两点在同一水平线

B.A点高于B点

C.A点低于B点

D.铜环将做等幅摆动

【解析】　铜环在进入和穿出磁场区域时发生了电磁感应现象，有机械能转化为电能，故机械能减少，B点低于A点.

【答案】　B

5.如图126所示，平行导体滑轨MM′、NN′水平放置，固定在匀强磁场中，磁场方向与水平面垂直向下.滑线AB、CD横放其上静止，形成一个闭合电路，当AB向右滑动的瞬间，电路中感应电流的方向及滑线CD受到的磁场力方向分别为（　　）

【导学号：

72000011】

图126

A.电流方向沿ABCD；受力方向向右

B.电流方向沿ABCD；受力方向向左

C.电流方向沿ADCB；受力方向向右

D.电流方向沿ADCB；受力方向向左

【解析】　AB向右滑动，根据右手定则知回路中感应电流方向沿ADCB方向，又由左手定则判知CD受安培力方向向右，故C对，A、B、D都错.

【答案】　C

6.如图127所示，导轨间的磁场方向垂直于纸面向里.圆形金属环B正对电磁铁A.当导线MN在导轨上向右加速滑动时，（说明：

导体棒切割磁感线速度越大感应电流越大），下列说法正确的是（　　）

【导学号：

72000012】

图127

A.MN中电流方向N→M，B被A吸引

B.MN中电流方向N→M，B被A排斥

C.MN中电流方向M→N，B被A吸引

D.MN中电流方向M→N，B被A排斥

【解析】　MN向右加速滑动，根据右手定则，MN中的电流方向从N→M，且大小逐渐变大，根据安培定则知，电磁铁A在B处的磁场方向向左，且大小逐渐增强，根据楞次定律知，B环中的感应电流产生的磁场方向向右，B被A排斥，B正确，A，C，D错误.

【答案】　B

磁场中基本定则和定律的应用

基本现象

应用的定则或规律

运动电荷、电流产生磁场

安培定则

磁场对运动电荷、电流的作用力

左手定则

电磁

感应

部分导体切割磁感线

右手定则

闭合回路磁通量变化

楞次定律

学业分层测评

（二）

（建议用时：

45分钟）

[学业达标]

1.磁场方向如图所示，当闭合电路的一部分导体在磁场中做如图中所示方向的运动时，能产生感应电流的是（　　）

【导学号：

72000013】

A　　　　　　B　　　　　　　C　　　　　　　D

【解析】　感应电流的产生条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化，而闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动实际上也是其中的一个特例.A图为闭合电路的一部分导体切割磁感线，则有感应电流产生；B图中导线不切割磁感线，无感应电流产生；在分析C图时，一定要把条形磁铁周围的磁感线分布情况弄清楚，在图示位置，线圈中的磁通量为零，在向下运动的过程中，线圈的磁通量一直为零，磁通量不变，线圈中无感应电流产生；D图中，线圈中的磁通量一直不变，线圈中无感应电流产生.

【答案】　A

2.（多选）如图128所示，闭合金属圆环沿垂直于磁场方向放置在有界匀强磁场中，将它从匀强磁场中匀速拉出，以下各种说法中正确的是（　　）

【导学号：

72000014】

图128

A.向左拉出和向右拉出时，环中的感应电流方向相反

B.向左或向右拉出时，环中感应电流方向都是沿顺时针方向的

C.向左或向右拉出时，环中感应电流方向都是沿逆时针方向的

D.环在到达磁场边界之前，圆环中无感应电流

【解析】　将金属圆环不管从哪边拉出磁场，穿过闭合圆环的磁通量都要减少，根据楞次定律可知，感应电流的磁场要阻碍原磁通量的减少，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同，应用安培定则可以判断出感应电流的方向是顺时针方向的，选项B正确，A、C错误；另外在圆环到达磁场边界前，穿过圆环的磁通量没有改变，该种情况无感应电流，D正确.

【答案】　BD

3.如图129所示，一根条形磁铁自左向右穿过一个闭合螺线管，则电路中（　　）

图129

A.始终有感应电流自a向b流过电流表G

B.始终有感应电流自b向a流过电流表G

C.先有a→G→b方向的感应电流，后有b→G→a方向的感应电流

D.将不会产生感应电流

【解析】　条形磁铁从左边进入螺线管的过程中，在螺线管内产生的磁场方向向右，且穿过螺线管的磁通量不断增加，根据楞次定律，产生的感应电流的方向是a→G→b；条形磁铁从螺线管中向右穿出的过程中，在螺线管中产生的磁场方向仍向右，穿过螺线管的磁通量不断减小，根据楞次定律，产生的感应电流的方向是b→G→a，故C正确.

【答案】　C

4.如图1210所示，一载流长直导线和一矩形导线框固定在同一平面内，线框在长直导线右侧，且其长边与长直导线平行.已知在t＝0到t＝t1的时间间隔内，直导线中电流i发生某种变化，而线框中的感应电流总是沿顺时针方向；线框受到的安培力的合力先水平向左、后水平向右.设电流i正方向与图中箭头所示方向相同，则i随时间t变化的图线可能是（　　）

【导学号：

72000015】

图1210

A　　　　　　B　　　　　　C　　　　　　D

【解析】　由安培安则判断直线电流在导线框处的磁场方向，再由直线电流的磁场变化和楞次定律可判断导线框中的电流方向，再结合线框所受到的安培力的合力方向的变化，即可判断出导线框中的电流i随时间t变化的图线可能是A.

【答案】　A

5.（多选）（2015·山东高考）如图1211，一均匀金属圆盘绕通过其圆心且与盘面垂直的轴逆时针匀速转动.现施加一垂直穿过圆盘的有界匀强磁场，圆盘开始减速.在圆盘减速过程中，以下说法正确的是（　　）

图1211

A.处于磁场中的圆盘部分，靠近圆心处电势高

B.所加磁场越强越易使圆盘停止转动

C.若所加磁场反向，圆盘将加速转动

D.若所加磁场穿过整个圆盘，圆盘将匀速转动

【解析】　根据右手定则可判断靠近圆心处电势高，选项A正确；圆盘处在磁场中的部分转动切割磁感线，相当于电源，其他部分相当于外电路，根据左手定则，圆盘所受安培力与运动方向相反，磁场越强，安培力越大，故所加磁场越强越易使圆盘停止转动，选项B正确；磁场反向，安培力仍阻碍圆盘转动，选项C错误；若所加磁场穿过整个圆盘，整个圆盘相当于电源，不存在外电路，没有电流，所以圆盘不受安培力而匀速转动，选项D正确.

【答案】　ABD

6.如图1212所示，ab是一个可绕垂直于纸面的轴O转动的闭合矩形导线框，当滑动变阻器R的滑片自左向右滑动时，线框ab的运动情况是（　　）

【导学号：

72000016】

图1212

A.保持静止不动

B.逆时针转动

C.顺时针转动

D.发生转动，但电源极性不明，无法确定转动的方向

【解析】　根据题图所示电路，线框ab所处位置的磁场是水平方向的，当滑动变阻器的滑片向右滑动时，电路中电阻增大，电流减弱，则穿过闭合导线框b的磁通量将减少.Φ＝BSsinθ，θ为线圈平面与磁场方向的夹角，根据楞次定律，感应电流的磁场将阻碍原磁通量的减少，则线框ab只有顺时针旋转使θ角增大，而使穿过线圈的磁通量增加，则C正确.注意此题并不需要明确电源的极性.

【答案】　C

7.如图1213所示，匀强磁场与圆形导体环平面垂直，导体ef与环接触良好，当ef向右匀速运动时（　　）

图1213

A.圆环中磁通量不变，环上无感应电流产生

B.整个环中有顺时针方向的电流

C.整个环中有逆时针方向的电流

D.环的右侧有逆时针方向的电流，环的左侧有顺时针方向的电流

【解析】　由右手定则知ef上的电流由e→f，故右侧的电流方向为逆时针，左侧的电流方向为顺时针，选D.

【答案】　D

8.（多选）如图1214所示，光滑固定导轨m、n水平放置，两根导体棒p、q平行放于导轨上.形成一个闭合回路.当一条形磁铁从高处下落接近回路时（　　）

【导学号：

72000017】

图1214

A.p、q将互相靠拢

B.p、q将互相远离

C.磁铁的加速度仍为g

D.磁铁的加速度小于g

【解析】　方法一：

假设磁铁的下端为N极，穿过回路的磁通量增加，根据楞次定律可判断出感应电流的磁场方向向上，根据安培定则可判断出回路中感应电流的方向为逆时针方向（俯视）.再根据左手定则可判断p、q所受的安培力的方向，安培力使p、q相互靠拢.由于回路所受的安培力的合力向下，根据牛顿第三定律知，磁铁将受到向上的反作用力，从而加速度小于g.若磁铁的下端为S极，根据类似的分析可以得出相同的结果，所以A、D选项正确.

方法二：

根据楞次定律的另一种表达——感应电流的效果总是要反抗产生感应电流的原因，本题中的“原因”是回路中的磁通量增加，归根结底是磁铁靠近回路，“效果”便是阻碍磁通量的增加和磁铁的靠近.所以p、q将相互靠近且磁铁的加速度小于g.故选项A、D正确.

【答案】　AD

[能力提升]

9.在匀强磁场中放一电阻不计的平行金属导轨，导轨跟大线圈M相接，如图1215所示.导轨上放一根导线ab，磁感线垂直于导轨所在平面.当导线ab加速向右运动时，M所包围的小闭合线圈N产生的感应电流方向及所具有的形变趋势是（　　）

图1215

A.顺时针方向，有收缩的趋势

B.顺时针方向，有扩张的趋势

C.逆时针方向，有收缩的趋势

D.逆时针方向，有扩张的趋势

【解析】　导线ab向右加速运动时，M中产生顺时针方向且逐渐增大的感应电流.由楞次定律可判断N中产生逆时针方向的感应电流且有收缩的趋势，C选项正确.

【答案】　C

10.（多选）如图1216所示，用一根长为L、质量不计的细杆与一个上弧长为l0、下弧长为d0的金属线框的中点联结并悬挂于O点，悬点正下方存在一个上弧长为2l0、下弧长为2d0的方向垂直纸面向里的匀强磁场，且d0≪L.先将线框拉开到如图所示位置，松手后让线框进入磁场，忽略空气阻力和摩擦力，下列说法正确的是（　　）

【导学号：

72000018】

图1216

A.金属线框进入磁场时感应电流的方向为a→b→c→d→a

B.金属线框离开磁场时感应电流的方向为a→b→c→d→a

C.金属线框dc边进入磁场与ab边离开磁场的速度大小总是相等

D.向左摆动进入或离开磁场的过程中，所受安培力方向向右；向右摆动进入或离开磁场的过程中，所受安培力方向向左

【解析】　当线框进入磁场时，dc边切割磁感线，由楞次定律可判断，感应电流的方向为：

a→d→c→b→a；当线框离开磁场时，同理可判断其感应电流的方向为：

a→b→c→d→a，A错误，B正确；线框dc边（或ab边）进入磁场或离开磁场时，都要切割磁感线产生感应电流，机械能转化为电能，故dc边进入磁场与ab边离开磁场的速度大小不相等，C错误；由“来拒去留”知，D正确.

【答案】　BD

11.我们可以通过实验探究电磁感应现象中感应电流方向的决定因素和遵循的物理规律.以下是实验探究过程的一部分.

【导学号：

72000019】

甲　　乙

图1217

（1）如图1217甲所示，当磁铁的N极向下运动时，发现电流表指针偏转，若要探究线圈中产生感应电流的方向，必须知道

.

（2）如图1217乙所示，实验中发现闭合开关时，电流表指针向右偏.电路稳定后，若向左移动滑动触头，此过程中电流表指针向偏转；若将线圈A抽出，此过程中电流表指针向偏转.（均选填“左”或“右”）

【解析】　

（1）电流表没有电流通过时，指针在中央位置，要探究线圈中电流的方向，必须知道电流从正（负）接线柱流入时，电流表指针的偏转方向.

（2）闭合开关时，线圈A中的磁场增强，线圈B中产生的感应电流使电流表指针向右偏，则当左移滑片时，会使线圈A中的磁场增强，电流表指针将向右偏；当线圈A抽出，在线圈B处的磁场减弱，线圈B中产生的感应电流将使电流表指针向左偏.

【答案】　

（1）电流从正（负）接线柱流入时，电流表指针的偏转方向　

（2）右　左

12.重为G的线圈系在一个弹簧测力计上，其下方有一通电导线，如图1218甲所示，导线所通过的电流如图乙所示，它们均在同一平面内，求下列不同时刻弹簧测力计的示数与G的关系.

【导学号：

72000020】

甲　　　　　　　　　乙

图1218

（1）在t1时刻；

（2）在t2时刻；

（3）在t3时刻.

【解析】　

（1）在t1时刻穿过线圈的磁通量增加，线圈产生感应电流，由楞次定律知，弹簧测力计的示数小于G；

（2）在t2时刻穿过线圈的磁通量不变，线圈不产生感应电流，由力的平衡知，弹簧测力计的示数等于G；

（3）在t3时刻穿过线圈的磁通量减少，线圈产生感应电流，由楞次定律知，弹簧测力计的示数大于G.

【答案】　

（1）小于G　

（2）等于G　（3）大于G