專題13.1電磁感應現象、楞次定律法拉第電磁感應定律【講】目錄TOC\o"1-3"\h\u一講核心素養 1二講必備知識 1【知識點一】電磁感應現象的理解和判斷 1【知識點二】感應電流方向的判斷 3【知識點三】楞次定律推論的應用 5【知識點四】探究影響感應電流方向的因素 8三．講關鍵能力 10【能力點一】會正確應用“三定則一定律” 10【能力點二】感應電動勢求解的“四種”模型 12【能力點三】會分析自感現象 15【能力點四】渦流、電磁阻尼和電磁驅動 16四．講模型思想導體切割磁感線產生感應電動勢的常見類型 18類型1平動切割磁感線 18類型2轉動切割磁感線 19一講核心素養1.物理觀念：自感現象和渦流現象。通過實驗，了解自感現象和渦流現象。能舉例說明自感現象和渦流現象在生產生活中的應用。2.科學思維：電磁感應規律的理解和應用。通過實驗，理解法拉第電磁感應定律。3.科學探究：通過實驗，了解電磁感應現象，了解產生感應電流的條件。知道電磁感應現象的應用及其對現代社會的影響。二講必備知識【知識點一】電磁感應現象的理解和判斷常見的產生感應電流的三種情況【例1】(2021·云南省師大附中5月統一質量檢測)物理課上，老師做了一個奇妙的“跳環實驗”。如圖所示，她把一個帶鐵芯的線圈L、開關S和電源用導線連接起來后，將一金屬套環置于線圈L上，且使鐵芯穿過套環。閉合開關S的瞬間，套環立刻跳起。某同學另找來器材再探究此實驗。他連接好電路，經重復試驗，線圈上的套環均未動。對比老師演示的實驗，下列四個選項中，導致套環未動的原因可能是()A.線圈接在了直流電源上 B.電源電壓過高C.所選線圈的匝數過多 D.所用套環的材料與老師的不同【素養升華】本題考察的學科素養主要是物理觀念和科學探究。【變式訓練】現將電池組、滑動變阻器、帶鐵芯的線圈A、線圈B、電流計及開關按如圖所示連接．下列說法正確的是 ()A．開關閉合后，線圈A插入或拔出都會引起電流計指針偏轉B．線圈A插入線圈B中后，開關閉合和斷開的瞬間，電流計指針均不會偏轉C．開關閉合后，滑動變阻器的滑片P勻速滑動，會使電流計指針靜止在中央零刻度D．開關閉合后，只有滑動變阻器的滑片P加速滑動，電流計指針才能偏轉【知識點二】感應電流方向的判斷1．用楞次定律判斷(1)楞次定律中“阻礙”的含義：2．用右手定則判斷該方法只適用于切割磁感線產生的感應電流，注意三個要點：(1)掌心——磁感線垂直穿入掌心；(2)拇指——指向導體運動的方向；(3)四指——指向感應電流的方向．【例2】(2021·貴州遵義模擬)如圖所示，在通電長直導線AB的一側懸掛一可以自由擺動的閉合矩形金屬線圈P，AB在線圈平面內．當發現閉合線圈向右擺動時()A．AB中的電流減小，用楞次定律判斷得線圈中產生逆時針方向的電流B．AB中的電流不變，用楞次定律判斷得線圈中產生逆時針方向的電流C．AB中的電流增大，用楞次定律判斷得線圈中產生逆時針方向的電流D．AB中的電流增大，用楞次定律判斷得線圈中產生順時針方向的電流【素養升華】本題考察的學科素養主要是科學思維。【技巧總結】判斷感應電流方向的“四步法”【變式訓練1】(多選)(2021·海南省新高考3月線上診斷)如圖所示，螺線管導線的兩端與平行金屬板相接，一個帶正電的小球用絕緣細線懸掛在兩金屬板間，并處于靜止狀態。若使一條形磁鐵從左向右靠近螺線管，則()A.小球向右擺動B.小球向左擺動C.螺線管的左端相當于條形磁鐵的N極D.螺線管的左端相當于條形磁鐵的S極【變式訓練2】(多選)(2021·山東省濟南市第一次模擬)如圖所示，銅圓盤安裝在豎直的銅軸上，圓盤處于方向豎直向上的勻強磁場中。電路通過電刷與圓盤的邊緣和銅軸接觸良好，電源電動勢為E，內阻為r，定值電阻為R。先將開關閉合，待圓盤轉速穩定后再斷開開關，不計一切摩擦，下列說法中正確的是()A.閉合開關時，從上往下看圓盤逆時針轉動B.閉合開關轉速穩定時，流過圓盤的電流為零C.斷開開關時，a點電勢低于b點電勢D.斷開開關后，流過電阻R上的電流方向與原電流方向相反【知識點三】楞次定律推論的應用內容例證阻礙原磁通量變化——“增反減同”磁鐵靠近線圈，B感與B原方向相反阻礙相對運動——“來拒去留”使回路面積有擴大或縮小的趨勢——“增縮減擴”P、Q是光滑固定導軌，a、b是可動金屬棒，磁鐵下移，a、b靠近阻礙原電流的變化——“增反減同”合上S，B先亮【例3】(2020·全國卷Ⅲ，14)如圖，水平放置的圓柱形光滑玻璃棒左邊繞有一線圈，右邊套有一金屬圓環。圓環初始時靜止。將圖中開關S由斷開狀態撥至連接狀態，電路接通的瞬間，可觀察到()A.撥至M端或N端，圓環都向左運動B.撥至M端或N端，圓環都向右運動C.撥至M端時圓環向左運動，撥至N端時向右運動D.撥至M端時圓環向右運動，撥至N端時向左運動【素養升華】本題考察的學科素養主要是科學思維。【規律方法】楞次定律中“阻礙”的問題的思路【變式訓練1】(2021·廣東廣州名校聯考)如圖所示，圓環形導體線圈a平放在水平桌面上，在a的正上方固定一豎直螺線管b，二者軸線重合，螺線管b與電源、滑動變阻器連接成如圖所示的電路。若將滑動變阻器的滑片P向下滑動，下列表述正確的是()A．線圈a中將產生沿順時針方向(俯視)的感應電流B．穿過線圈a的磁通量減小C．線圈a有擴張的趨勢D．線圈a對水平桌面的壓力FN將增大【變式訓練2】(多選)(2021·廣東廣州市二模)某電磁彈射裝置的簡化模型如圖所示，線圈固定在水平放置的光滑絕緣桿上，將金屬環放在線圈左側。閉合開關時金屬環被彈射出去，若()A.從右向左看，金屬環中感應電流沿逆時針方向B.將電源正負極調換，閉合開關時金屬環將向右運動C.將金屬環放置在線圈右側，閉合開關時金屬環將向右運動D.金屬環不閉合，則閉合開關時金屬環不會產生感應電動勢【知識點四】探究影響感應電流方向的因素【例1】(2021·江蘇省如東高級中學月考)在“探究影響感應電流方向的因素”的實驗中。(1)如圖甲所示，當磁鐵的N極向下運動時，發現電流表指針偏轉，若要探究線圈中產生感應電流的方向，必須知道______________________________________。①為弄清靈敏電流計指針擺動方向與電流方向的關系，可以使用一個已知正負極性的直流電源進行探究。某同學想到了多用電表內部某一擋含有直流電源，他應選用多用電表的________擋(填“歐姆”“直流電流”“直流電壓”“交流電流”或“交流電壓”)對靈敏電流計進行測試。由實驗可知，當電流從正接線柱流入電流計時，指針向右擺動。②如圖甲所示，實驗中該同學將條形磁鐵從線圈上方向下插入線圈過程中(線圈繞向如圖乙所示)，電流計的指針向________(填“左”或“右”)偏轉。(2)已知線圈由a端開始繞至b端，當電流從電流計G左端流入時，指針向左偏轉，將磁鐵N極向下插入線圈，發現指針向左偏轉，俯視線圈，其繞向為________(填“順時針”或“逆時針”)。【素養提升】本題考察的學科素養主要是科學探究。【變式訓練】(1)如圖所示是“探究影響感應電流方向的因素”的實驗裝置：①如果在閉合開關時發現靈敏電流計的指針向右偏了一下，那么合上開關后，將A線圈迅速插入B線圈中，電流計指針將________偏轉(填“向左”“向右”或“不”)；②連好電路后，并將A線圈插入B線圈中后，若要使靈敏電流計的指針向左偏轉，可采取的操作是________；A.插入鐵芯 B.拔出A線圈C.變阻器的滑片向左滑動 D.斷開開關S瞬間(2)G為指針零刻度在中央的靈敏電流表，連接在直流電路中時的偏轉情況如圖(1)中所示，即電流從電流表G的左接線柱進時，指針也從中央向左偏。今把它與一線圈串聯進行電磁感應實驗，則圖(2)中的條形磁鐵的運動方向是向________(填“上”“下”)；圖(3)中電流表指針應________(填“向左”“向右”)偏轉；圖(4)中的條形磁鐵下端為________極(填“N”“S”)。三．講關鍵能力【能力點一】會正確應用“三定則一定律”安培定則、左手定則、右手定則、楞次定律的應用對比基本現象因果關系應用規律運動電荷、電流產生磁場因電生磁安培定則磁場對運動電荷、電流有作用力因電受力左手定則部分導體做切割磁感線運動因動生電右手定則閉合回路磁通量變化因磁生電楞次定律【例1】(多選)如圖所示，水平放置的兩條光滑軌道上有可自由移動的金屬棒PQ、MN，MN的左邊有一如圖所示的閉合電路，當PQ在一外力的作用下運動時，MN向右運動，則PQ所做的運動可能是()A.向右加速運動 B.向左加速運動C.向右減速運動 D.向左減速運動【素養升華】本題考察的學科素養主要是科學思維。【方法提煉】1.左、右手定則巧區分(1)區分左手定則和右手定則的根本是抓住“因果關系”：“因電而動”——用左手，“因動生電”——用右手。(2)使用中左手定則和右手定則很容易混淆，為了便于記憶，可把兩個定則簡單地總結為通電受力，“力”的最后一筆“丿”向左，用左手；運動生電，“電”的最后一筆“乚”向右，用右手。2.解題思路(1)應用楞次定律時，一般要用到安培定則來分析原來磁場的分布情況．(2)研究感應電流受到的安培力，一般先用右手定則確定電流方向，再用左手定則確定安培力的方向，或者直接應用楞次定律的推論確定．(3)“三定則、一定律”中只要是涉及力的判斷都用左手判斷，涉及“電生磁”或“磁生電”的判斷都用右手判斷，即“左力右電”．【變式訓練1】(多選)(2021·貴州五校聯考)如圖所示，在勻強磁場中，放有一與線圈D相連接的平行導軌，要使放在線圈D中的線圈A(A、D兩線圈同心共面)各處受到沿半徑方向指向圓心的力，金屬棒MN的運動情況可能是 ()A．勻速向右 B．加速向左C．加速向右 D．減速向左【變式訓練2】如圖，在方向垂直于紙面向里的勻強磁場中有一U形金屬導軌，導軌平面與磁場垂直．金屬桿PQ置于導軌上并與導軌形成閉合回路PQRS，一圓環形金屬線框T位于回路圍成的區域內，線框與導軌共面．現讓金屬桿PQ突然向右運動，在運動開始的瞬間，關于感應電流的方向，下列說法正確的是()A．PQRS中沿順時針方向，T中沿逆時針方向B．PQRS中沿順時針方向，T中沿順時針方向C．PQRS中沿逆時針方向，T中沿逆時針方向D．PQRS中沿逆時針方向，T中沿順時針方向【能力點二】感應電動勢求解的“四種”模型情景圖研究對象回路(不一定閉合)一段直導線(或等效成直導線)繞一端垂直勻強磁場勻速轉動的一段導體棒繞與B垂直的軸勻速轉動的導線框表達式E＝neq\f(ΔΦ,Δt)E＝BlvsinθE＝eq\f(1,2)Bl2ωE＝NBSωsinωt(從中性面位置開始計時)【例2】（2021·湖南省永州市高三上學期1月一模）如圖甲所示，半徑為r帶小缺口的剛性金屬圓環固定在豎直平面內，在圓環的缺口兩端用導線分別與兩塊水平放置的平行金屬板A、B連接，兩板間距為d且足夠大．有一變化的磁場垂直于圓環平面，規定向里為正，其變化規律如圖乙所示．在平行金屬板A、B正中間有一電荷量為q的帶電液滴，液滴在0～T內處于靜止狀態．重力加速度為g.下列說法正確的是()A.液滴帶負電B.液滴的質量為C.t=T時液滴的運動方向改變D.t=T時液滴與初始位置相距gT2【素養升華】本題考察的學科素養主要是科學思維。【規律總結】應用法拉第電磁感應定律應注意的三個問題(1)公式E＝neq\f(ΔΦ,Δt)求解的是一個回路中某段時間內的平均電動勢，在磁通量均勻變化時，瞬時值才等于平均值．(2)利用公式E＝nSeq\f(ΔB,Δt)求感應電動勢時，S為線圈在磁場范圍內的有效面積．(3)通過回路截面的電荷量q僅與n、ΔΦ和回路電阻R有關，與時間長短無關．推導如下：q＝eq\x\to(I)Δt＝eq\f(nΔΦ,ΔtR)Δt＝eq\f(nΔΦ,R).【變式訓練】(多選)如圖(a)，在同一平面內固定有一長直導線PQ和一導線框R，R在PQ的右側．導線PQ中通有正弦交流電i，i的變化如圖(b)所示，規定從Q到P為電流正方向．導線框R中的感應電動勢()A．在t＝eq\f(T,4)時為零B．在t＝eq\f(T,2)時改變方向C．在t＝eq\f(T,2)時最大，且沿順時針方向D．在t＝T時最大，且沿順時針方向【變式訓練2】(多選)(2019·全國卷Ⅰ·20)空間存在一方向與紙面垂直、大小隨時間變化的勻強磁場，其邊界如圖(a)中虛線MN所示．一硬質細導線的電阻率為ρ、橫截面積為S，將該導線做成半徑為r的圓環固定在紙面內，圓心O在MN上．t＝0時磁感應強度的方向如圖(a)所示；磁感應強度B隨時間t的變化關系如圖(b)所示．則在t＝0到t＝t1的時間間隔內()A．圓環所受安培力的方向始終不變B．圓環中的感應電流始終沿順時針方向C．圓環中的感應電流大小為eq\f(B0rS,4t0ρ)D．圓環中的感應電動勢大小為eq\f(B0πr2,4t0)【能力點三】會分析自感現象1．自感現象的四大特點(1)自感電動勢總是阻礙導體中原電流的變化．(2)通過線圈中的電流不能發生突變，只能逐漸變化．(3)電流穩定時，自感線圈就相當于普通導體．(4)線圈的自感系數越大，自感現象越明顯，自感電動勢只是延緩了過程的進行，但它不能使過程停止，更不能使過程反向．2．自感中“閃亮”與“不閃亮”問題與線圈串聯的燈泡與線圈并聯的燈泡電路圖通電時電流逐漸增大，燈泡逐漸變亮電流突然增大，然后逐漸減小達到穩定斷電時電流逐漸減小，燈泡逐漸變暗，電流方向不變電路中穩態電流為I1、I2：①若I2≤I1，燈泡逐漸變暗；②若I2＞I1，燈泡“閃亮”后逐漸變暗．兩種情況下燈泡中電流方向均改變【例3】電流傳感器在電路中相當于電流表，可以用來研究自感現象．在如圖所示的實驗電路中，L是自感線圈，其自感系數足夠大，直流電阻值大于燈泡D的阻值，電流傳感器的電阻可以忽略不計．在t＝0時刻閉合開關S，經過一段時間后，在t＝t1時刻斷開開關S.在下列表示電流傳感器記錄的電流隨時間變化情況的圖象中，可能正確的是 ()【技巧總結】處理自感現象問題的技巧(1)通電自感：線圈相當于一個變化的電阻——阻值由無窮大逐漸減小，通電瞬間自感線圈處相當于斷路．(2)斷電自感：斷電時自感線圈處相當于電源，自感電動勢由某值逐漸減小到零．(3)電流穩定時，理想的自感線圈相當于導線，非理想的自感線圈相當于定值電阻．【變式訓練】[2021·蘇、錫、常、鎮四市調研(一)]如圖所示，電路中L為電感線圈，C為電容器，先將開關S1閉合，穩定后再將開關S2閉合，則()A.S1閉合時，燈A、B都逐漸變亮B.S1閉合時，燈A中無電流通過C.S2閉合時，燈B立即熄滅D.S2閉合時，燈A中電流由b到a【能力點四】渦流、電磁阻尼和電磁驅動電磁阻尼電磁驅動不同點成因由于導體在磁場中運動而產生感應電流，從而使導體受到安培力由于磁場運動引起磁通量的變化而產生感應電流，從而使導體受到安培力效果安培力的方向與導體運動方向相反，阻礙導體運動導體受安培力的方向與導體運動方向相同，推動導體運動能量轉化導體克服安培力做功，其他形式的能轉化為電能，最終轉化為內能由于電磁感應，磁場能轉化為電能，通過安培力做功，電能轉化為導體的機械能，從而對外做功相同點兩者都是電磁感應現象，都遵循楞次定律，都是安培力阻礙引起感應電流的導體與磁場間的相對運動【例4】[2021·浙江省名校聯盟創新卷(一)]電磁爐又名電磁灶，是現代廚房革命的產物，它無需明火或傳導式加熱而讓熱直接在鍋底產生，因此熱效率得到了極大的提高。如圖13乙所示是描述電磁爐工作原理的示意圖，下列說法正確的是()A.電磁爐通電線圈加直流電，電流越大，電磁爐加熱效果越好B.電磁爐原理是通電線圈加交流電后，在鍋底產生渦流，進而發熱工作C.在鍋和電磁爐中間放一絕緣物質，電磁爐不能起到加熱作用D.電磁爐的鍋不能用陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋，主要原因是這些材料的導熱性能較差【變式訓練】(多選)電吉他中電拾音器的基本結構如圖所示，磁體附近的金屬弦被磁化，因此弦振動時，在線圈中產生感應電流，電流經電路放大后傳送到音箱發出聲音，下列說法正確的有()A．選用銅質弦，電吉他仍能正常工作B．取走磁體，電吉他將不能正常工作C．增加線圈匝數可以增大線圈中的感應電動勢D．弦振動過程中，線圈中的電流方向不斷變化四．講模型思想導體切割磁感線產生感應電動勢的常見類型1.大小計算切割方式表達式垂直切割E＝Blv傾斜切割E＝Blvsinθ，其中θ為v與B的夾角旋轉切割(以一端為軸)E＝eq\f(1,2)Bl2ω說明(1)導體與磁場方向垂直。(2)磁場為勻強磁場。2.方向判斷(1)把產生感應電動勢的那部分電路或導體當作電源的內電路，那部分導體相當于電源。(2)若電路是不閉合的，則先假設有電流通過，然后應用楞次定律或右手定則判斷出電流的方向。(3)電源內部電流的方向是由負極(低電勢)流向正極(高電勢)，外電路順著電流方向每經過一個電阻電勢都要降低。類型1平動切割磁感線【例1】(2021·福建漳州市第一次教學質檢)如圖所示，C、D是兩條豎直且足夠長的固定導軌(電