2020高考物理 月刊專版 專題09 交變電流和電磁感應電磁感應專題解讀

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1、交變電流和電磁感應 知識網(wǎng)絡： 一、電磁感應現(xiàn)象 1.產(chǎn)生感應電流的條件 感應電流產(chǎn)生的條件是：穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化。 以上表述是充分必要條件。不論什么情況，只要滿足電路閉合和磁通量發(fā)生變化這兩個條件，就必然產(chǎn)生感應電流；反之，只要產(chǎn)生了感應電流，那么電路一定是閉合的，穿過該電路的磁通量也一定發(fā)生了變化。 當閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線的運動時，電路中有感應電流產(chǎn)生。這個表述是充分條件，不是必要的。在導體做切割磁感線運動時用它判定比較方便。 2.感應電動勢產(chǎn)生的條件。 感應電動勢產(chǎn)生的條件是：穿過電路的磁通量發(fā)生變化。 這里不要求閉合。無論電路閉合與

2、否，只要磁通量變化了，就一定有感應電動勢產(chǎn)生。這好比一個電源：不論外電路是否閉合，電動勢總是存在的。但只有當外電路閉合時，電路中才會有電流。 二、楞次定律 1．楞次定律 感應電流總具有這樣的方向，即感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。 楞次定律解決的是感應電流的方向問題。它關系到兩個磁場：感應電流的磁場（新產(chǎn)生的磁場）和引起感應電流的磁場（原來就有的磁場）。前者和后者的關系不是“同向”或“反向”的簡單關系，而是前者“阻礙”后者“變化”的關系。 2．對“阻礙”意義的理解： （1）阻礙原磁場的變化?！白璧K”不是阻止，而是“延緩”，感應電流的磁場不會阻止原磁場的變化，只能使

3、原磁場的變化被延緩或者說被遲滯了，原磁場的變化趨勢不會改變，不會發(fā)生逆轉． （2）阻礙的是原磁場的變化，而不是原磁場本身，如果原磁場不變化，即使它再強，也不會產(chǎn)生感應電流． （3）阻礙不是相反．當原磁通減小時，感應電流的磁場與原磁場同向，以阻礙其減小；當磁體遠離導體運動時，導體運動將和磁體運動同向，以阻礙其相對運動． （4）由于“阻礙”，為了維持原磁場的變化，必須有外力克服這一“阻礙”而做功，從而導致其它形式的能轉化為電能．因此楞次定律是能量轉化和守恒定律在電磁感應中的體現(xiàn)． 3．楞次定律的具體應用 （1）從“阻礙磁通量變化”的角度來看，由磁通量計算式Φ=BSsinα可知，磁通量變化

4、ΔΦ=Φ2-Φ1有多種形式，主要有： ①S、α不變，B改變，這時ΔΦ=ΔB?Ssinα ②B、α不變，S改變，這時ΔΦ=ΔS?Bsinα ③B、S不變，α改變，這時ΔΦ=BS（sinα2-sinα1） 當B、S、α中有兩個或三個一起變化時，就要分別計算Φ1、Φ2，再求Φ2-Φ1了。 （2）從“阻礙相對運動”的角度來看，楞次定律的這個結論可以用能量守恒來解釋：既然有感應電流產(chǎn)生，就有其它能轉化為電能。又由于是由相對運動引起的，所以只能是機械能減少轉化為電能，表現(xiàn)出的現(xiàn)象就是“阻礙”相對運動。 （3）從“阻礙自身電流變化”的角度來看，就是自感現(xiàn)象。 在應用楞次定律時一定要注意：“阻礙

5、”不等于“反向”；“阻礙”不是“阻止”。 4．右手定則。 對一部分導線在磁場中切割磁感線產(chǎn)生感應電流的情況，右手定則和楞次定律的結論是完全一致的。這時，用右手定則更方便一些。 5．楞次定律的應用步驟 楞次定律的應用應該嚴格按以下四步進行：①確定原磁場方向；②判定原磁場如何變化（增大還是減?。虎鄞_定感應電流的磁場方向（增反減同）；④根據(jù)安培定則判定感應電流的方向。 6．解法指導： （1）楞次定律中的因果關聯(lián) 楞次定律所揭示的電磁感應過程中有兩個最基本的因果聯(lián)系，一是感應磁場與原磁場磁通量變化之間的阻礙與被阻礙的關系，二是感應電流與感應磁場間的產(chǎn)生和被產(chǎn)生的關系.抓住“阻礙”和“產(chǎn)

6、生”這兩個因果關聯(lián)點是應用楞次定律解決物理問題的關鍵. （2）運用楞次定律處理問題的思路 （a）判斷感應電流方向類問題的思路 運用楞次定律判定感應電流方向的基本思路可歸結為：“一原、二感、三電流”，即為： ①明確原磁場：弄清原磁場的方向及磁通量的變化情況. ②確定感應磁場：即根據(jù)楞次定律中的"阻礙"原則，結合原磁場磁通量變化情況，確定出感應電流產(chǎn)生的感應磁場的方向. ③判定電流方向：即根據(jù)感應磁場的方向，運用安培定則判斷出感應電流方向. （b）判斷閉合電路（或電路中可動部分導體）相對運動類問題的分析策略 在電磁感應問題中，有一類綜合性較強的分析判斷類問題，主要講的是磁場中的閉合

7、電路在一定條件下產(chǎn)生了感應電流，而此電流又處于磁場中，受到安培力作用，從而使閉合電路或電路中可動部分的導體發(fā)生了運動.（如例2）對其運動趨勢的分析判斷可有兩種思路方法： ①常規(guī)法： 據(jù)原磁場（B原方向及ΔΦ情況）確定感應磁場（B感方向）判斷感應電流（I感方向）導體受力及運動趨勢. ②效果法 由楞次定律可知，感應電流的“效果”總是阻礙引起感應電流的“原因”，深刻理解“阻礙”的含義.據(jù)"阻礙"原則，可直接對運動趨勢作出判斷，更簡捷、迅速. 【例1】（1996年全國）一平面線圈用細桿懸于P點，開始時細桿處于水平位置，釋放后讓它在如圖所示的勻強磁場中運動，已知線圈平面始終與紙面垂直，當線圈第

8、一次通過解題方法與技巧：線圈第一次經(jīng)過位置Ⅰ時，穿過線圈的磁通量增加，由楞次定律，線圈中感應電流的磁場方向向左，根據(jù)安培定則，順著磁場看去，感應電流的方向為逆時針方向.當線圈第一次通過位置Ⅱ時，穿過線圈的磁通量減小，可判斷出感應電流為順時針方向，故選項B正確. 圈平行但不接觸，則當開關S閉和瞬間，線圈B中的感應電流的情況是：（ ） 這時就要抓住主要部分。由于所有向里的磁感線都從A的內部穿過，所以A的內部向里的磁感線較密， A的外部向外的磁感線較稀。這樣B一半的面積中磁感線是向里且較密，另一半面積中磁感線是向外且較稀。主要是以向里的磁感線為主，即當開關S閉和時，線圈B中的磁通量由零變?yōu)橄蚶铮?/p>

9、故該瞬間磁通量增加，則產(chǎn)生的感應電流的磁場應向外，因此線圈B有沿逆時針的感應電流。答案為C。 【例4】 如圖所示，閉合導體環(huán)固定。條形磁鐵S極向下以初速度v0沿過導體環(huán)圓心的豎直線下落的過程中，導體環(huán)中的感應電流方向如何？ 解：從“阻礙磁通量變化”來看，原磁場方向向上，先增后減，感應電流磁場方向先下后上，感應電流方向先順時針后逆時針。 從“阻礙相對運動”來看，先排斥后吸引，把條形磁鐵等效為螺線管，根據(jù)“同向電流互相吸引，反向電流互相排斥”，也有同樣的結論。 增大，通過cd的電流方向向下，cd向右移動，B正確；同理可得C不正確，D正確。選B、D 【例7】 如圖所示，當磁鐵繞O1O2軸

10、勻速轉動時，矩形導線框（不考慮重力）將如何運動？ 解：本題分析方法很多，最簡單的方法是：從“阻礙相對運動”的角度來看，導線框一定會跟著條形磁鐵同方向轉動起來。如果不計摩擦阻力，最終導線框將和磁鐵轉動速度相同；如果考慮摩擦阻力導線框的轉速總比條形磁鐵轉速小些。 a b 【例8】 如圖所示，水平面上有兩根平行導軌，上面放兩根金屬棒a、b。當條形磁鐵如圖向下移動時（不到達導軌平面），a、b將如何移動？ 解：若按常規(guī)用“阻礙磁通量變化”判斷，則要根據(jù)下端磁極的極性分別進行討論，比較繁瑣。而且在判定a、b所受磁場力時。應該以磁極對它們的磁場力為主，不能以a、b間的磁場力為主（因為它

11、們是受合磁場的作用）。如果主注意到：磁鐵向下插，通過閉合回路的磁通量增大，由Φ=BS可知磁通量有增大的趨勢，因此S的相應變化應該使磁通量有減解：閉合瞬間，由于電感線圈對電流增大的阻礙作用，a將慢慢亮起來，b立即變亮。這時L的作用相當于一個大電阻；穩(wěn)定后兩燈都正常發(fā)光，a的功率大，較亮。這時L的作用相當于一只普通的電阻（就是該線圈的內阻）；斷開瞬間，由于電感線圈對電流減小的阻礙作用，通過a的電流將逐漸減小，a漸漸變暗到熄滅，而abRL組成同一個閉合回路，所以b燈也將逐漸變暗到熄滅，而且開始還會閃亮一下（因為原來有Ia>Ib），并且通過b的電流方向與原來的電流方向相反。這時L相當于一個電源。 【

12、例12】如圖所示，用絲線懸掛閉合金屬環(huán)，懸于O點，虛線左邊有勻強磁場，右邊沒有磁場。金屬環(huán)的擺動會很快停下來。試解釋這一現(xiàn)象。若整個空間都有向外的勻強磁場，會有這種現(xiàn)象嗎？ 解：只有左邊有勻強磁場，金屬環(huán)在穿越磁場邊界時，由于磁通量發(fā)生變化，環(huán)內一定會有感應電流產(chǎn)生，根據(jù)楞次定律將會阻礙相對運動，所以擺動會很快停下來，這就是電磁阻尼現(xiàn)象。當然也可以用能量守恒來解釋：既然有電流產(chǎn)生，就一定有一部分機械能向電能轉化，最后電流通過導體轉化為內能。若空間都有勻強磁場，穿過金屬環(huán)的磁通量反而不變化了，因此不產(chǎn)生感應電流，因此也就不會阻礙相對運動，擺動就不會很快停下來。 三、電磁感應在實際生活中的應用

13、例析 【例13】如圖所示是生產(chǎn)中常用的一種延時繼電器的示意圖。鐵芯上有兩個線圈A和B。線圈A跟電源連接，線圈B的兩端接在一起，構成一個閉合電路。在拉開開關S的時候,彈簧k并不能立即將銜鐵D拉起，從而使觸頭C（連接工作電路）立即離開，過一段時間后觸頭C才能離開；延時繼電器就是這樣得名的。試說明這種繼電器的工作原理。 解析：當拉開開關S時使線圈A中電流變小并消失時，鐵芯中的磁通量發(fā)生了變化（減?。瑥亩诰€圈B中激起感應電流，根據(jù)楞次定律，感應電流的磁場要阻礙原磁場的減小，這樣，就使鐵芯中磁場減弱得慢些，因此彈簧K不能立即將銜鐵拉起。 【例14】如圖所示是家庭用的“漏電保護器“的關鍵部分的原

14、理圖，其中P是一個變壓器鐵芯，入戶的兩根電線”（火線和零線）采用雙線繞法，繞在鐵芯的一側作為原線圈，然后再接入戶內的用電器。Q是一個脫扣開關的控制部分（脫扣開關本身沒有畫出，它是串聯(lián)在本圖左邊的火線和零線上，開關斷開時，用戶的供電被切斷），Q接在鐵芯另一側副線圈的兩端a、b之間，當a、b間沒有電壓時，Q使得脫扣開關閉合，當a、b間有電壓時，脫扣開關即斷開，使用戶斷電。 （1）用戶正常用電時，a、b之間有沒有電壓？ （2）如果某人站在地面上，手誤觸火線而觸電，脫扣開關是否會斷開？為什么？ 解析：（1） 用戶正常用電時，a、b之間沒有電壓，因為雙線繞成的初級線圈兩根導線中的電流總是大小相等而

15、方向相反的，穿過鐵芯的磁通量總為0，副線圈中不會有感應電動勢產(chǎn)生。 （2）人站在地面上手誤觸火線，電流通過火線和人體而流向大地，不通過零線，這樣變壓器的鐵芯中就會有磁通量的變化，從而次級產(chǎn)生感應電動勢，脫扣開關就會斷開。 【例15】在有線電話網(wǎng)中，電話機是通過兩條導線和電信局的交換機傳送和接收電信號。如果不采取措施，發(fā)話者的音頻信號必會傳到自己的受話器中，使自己聽到自己的講話聲音，這就是“側音”。較大的側音會影響接聽對方的講話，故必須減小或消除。如圖所示是一電話機的消“側音”電路與交換機的連接示意圖。圖中的兩個變壓器是完全相同的，a、b、c、d、e、f六個線圈的匝數(shù)相同。打電話時，對著話筒

16、發(fā)話，把放大后的音頻電壓加到變壓器的線圈a，從線圈c和b輸出大小相等但隨聲頻變化的電壓，c兩端的電壓產(chǎn)生的電流IL通過線圈e和兩導線L、電信局的交換機構成回路，再通過交換機傳到對方電話機,對方就聽到發(fā)話者的聲音。同時由于線圈e中有電流通過，在線圈f中也會有電壓輸出，放大后在自己的電話機的受話器上發(fā)出自己的講話聲，這就是上面講的“側音”。為了消除這個側音，可以把線圈b的電壓加在線圈d上，并通過R調節(jié)d中的電流Id。那么為達到消側音的目的，1應與（ ）相接；4應與（ ）相接，并使Id( )IL(填“小于”、“大于”、或“等于”)。對方講話時，音頻電壓通過交換機和兩條導線L加到本機，那么通過R的電流為多少？