2022年高考物理复习夯实核心素养 电磁感应现象　楞次定律（解析版）

电磁感应学科素养物理观念科学思维科学探究科学态度与责任楞次定律、法拉第电磁感应定律、涡流、电磁阻尼、电磁驱动、互感现象、自感现象用磁感线与磁场等模型综合分析电磁感应问题，从能量的视角分析解释楞次定律。探究影响感应电流方向和大小的因素；探究通电自感和断电自感现象的特点体会电磁感应技术的应用对人类生活和社会发展的影响，认识科学对社会进步的促进作用考情分析电磁感应是高考考查的重点内容，尤其是一些常见的模型，如单杆—导轨模型、双杆—导轨模型、导线框穿磁场模型等。考查较多的题型有：(1)根据楞次定律判断感应电流的方向；(2)结合安培定则、左手定则、楞次定律判断导体受力或运动方向；(3)法拉第电磁感应定律E＝n和E＝Blv的比较应用； (4)电磁感应与电路的结合，自感、涡流；(5)电磁感应中的图像、受力、运动和能量等综合问题；(6)电磁感应的科技应用问题。备考指导电磁感应现象是高中物理集大成的知识模块,电磁感应知识作为很好的载体,完美体现了高考命题者的意图.值得注意的是,现在高中数学已经学习了微积分初步知识,在今年备考电磁感应知识的复习中,还要重视以下两个方面:一,微元思想的应用对微积分的基本思想的理解和应用应该引起我们足够的重视,尤其是微元思想在电磁感应现象中的具体应用。必备知识清单一、磁通量1．概念：在磁感应强度为B的匀强磁场中，与磁场方向垂直的面积S与B的乘积．2．公式：Φ＝BS.3．适用条件：(1)匀强磁场．(2)S为垂直磁场的有效面积．4．磁通量是标量(填“标量”或“矢量”)．5．物理意义：相当于穿过某一面积的磁感线的条数．如图1所示，矩形abcd、abb′a′、a′b′cd的面积分别为S1、S2、S3，匀强磁场的磁感应强度B与平面a′b′cd垂直，则： 图1(1)通过矩形abcd的磁通量为BS1cosθ或BS3.(2)通过矩形a′b′cd的磁通量为BS3.(3)通过矩形abb′a′的磁通量为0.6．磁通量变化：ΔΦ＝Φ2－Φ1.二、电磁感应现象1．定义：当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，闭合导体回路中有感应电流产生，这种利用磁场产生电流的现象叫做电磁感应．2．条件(1)条件：穿过闭合电路的磁通量发生变化．(2)例如：闭合电路的一部分导体在磁场内做切割磁感线的运动．3．实质产生感应电动势，如果电路闭合，则有感应电流．如果电路不闭合，则只有感应电动势而无感应电流．三、感应电流方向的判定1．楞次定律(1)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．(2)适用范围：一切电磁感应现象．2．右手定则(1)内容：如图2，伸开右手，使拇指与其余四个手指垂直并且都与手掌在同一平面内：让磁感线从掌心进入，并使拇指指向导线运动的方向，这时四指所指的方向就是感应电流的方向． 图2(2)适用情况：导线切割磁感线产生感应电流．命题点精析（一）实验探究电磁感应现象1．实验设计如图所示，通过将条形磁铁插入或拔出线圈来改变穿过螺线管的磁通量，根据电流表指针的偏转方向判断感应电流的方向。2．实验器材电流表、条形磁铁、螺线管、电池、开关、导线、滑动变阻器等。3．实验现象相对运动情况原磁场方向向下向下向上向上Φ的变化情况增加减小减小增加 线圈中感应电流的方向自下而上自上而下自下而上自上而下感应电流的磁场方向(线圈中)向上向下向上向下感应电流的磁场方向与原磁场方向的关系相反相同相同相反4.实验结论当穿过线圈的磁通量增加时，感应电流的磁场与原磁场的方向相反；当穿过线圈的磁通量减小时，感应电流的磁场与原磁场的方向相同。典型例题例1如图所示，是“探究影响感应电流方向的因素”的实验装置．(1)将实物电路中所缺的导线补充完整．(2)如果在闭合开关时发现灵敏电流计的指针向右偏了一下，那么闭合开关稳定后，将线圈L1迅速插入线圈L2中，灵敏电流计的指针将__________偏转．(选填“向左”“向右”或“不”)(3)线圈L1插入线圈L2后，将滑动变阻器的滑片迅速向右移动时，灵敏电流计的指针将________偏转．(选填“向左”“向右”或“不”)【答案】(1)见解析图　(2)向右　(3)向左【解析】(1)补充的实物电路如图所示． (2)闭合开关瞬间，穿过线圈L2的磁通量增加，产生的感应电流使灵敏电流计的指针向右偏转．当开关闭合稳定后，将线圈L1迅速插入线圈L2中时，穿过线圈L2的磁通量增加，且与闭合开关瞬间穿过L2的磁场方向相同，故产生的感应电流也使灵敏电流计的指针向右偏转．(3)滑动变阻器的滑片迅速向右移动，线圈L1中的电流变小，穿过线圈L2的磁通量减小，则灵敏电流计的指针向左偏转．练1小明用如图1所示的装置研究“电磁感应现象”，螺线管与电流计构成闭合电路，条形磁铁N极朝下。(1)要想使电流计指针发生偏转，小明进行了以下4种操作，其中可行的是________(选填选项前的字母)。A．螺线管不动，磁铁匀速插入或拔出螺线管B．螺线管不动，磁铁加速插入或拔出螺线管 C．磁铁与螺线管保持相对静止，一起匀速向上运动D．磁铁与螺线管保持相对静止，一起在水平面内做圆周运动(2)在(1)的研究中，小明发现电流计指针偏转方向会有不同，也就是感应电流方向不同，根据(1)中的操作，那么感应电流方向与下列哪些因素有关________(选填选项前的字母)。A．磁铁的磁性强弱B．磁铁运动的方向C．磁铁运动的速度大小D．螺线管的匝数(3)小明又将实验装置进行改造，如图2所示，螺线管A经过滑动变阻器与开关、电池相连构成直流电路；螺线管B与电流计构成闭合电路。螺线管B套在螺线管A的外面。为了探究影响感应电流方向的因素，闭合开关后，以不同的速度移动滑动变阻器的滑片，观察指针摆动情况；由此实验可以得出恰当的结论是________(选填选项前的字母)A．螺线管A的磁性变强或变弱影响指针摆动方向B．螺线管A的磁性变强或变弱影响指针摆动幅度大小C．螺线管A的磁性强弱变化快慢影响指针摆动方向D．螺线管A的磁性强弱变化快慢影响指针摆动幅度大小(4)在(3)研究中，闭合开关后，螺线管A的电流稳定时，螺线管B中也存在磁场，但不出现感应电流，这说明___________________________________________________________________________________________________________________。【答案】(1)AB　(2)B　(3)AD　(4)螺线管B中的磁通量不变，则无感应电流产生【解析】　(1)螺线管不动，磁铁匀速插入或拔出螺线管，穿过线圈的磁通量发生变化，根据楞次定律可知，在螺线管中会产生感应电流，即电流计指针发生偏转，故A正确；螺线管不动，磁铁加速插入或拔出螺线管，穿过线圈的磁通量发生变化，根据楞次定律可知，在螺线管中会产生感应电流，即电流计指针发生偏转，故B正确；磁铁与螺线管保持相对静止，一起匀速向上运动，穿过线圈的磁通量不变，根据楞次定律可知，在螺线管中不会产生感应电流，即电流计指针不发生偏转，故C错误；磁铁与螺线管保持相对静止， 一起在水平面内做圆周运动，穿过线圈的磁通量不变，根据楞次定律可知，在螺线管中不会产生感应电流，即电流计指针不发生偏转，故D错误。(2)根据(1)中的操作可知，在磁铁插入或拔出螺线管时，电流计指针偏转方向不同，说明感应电流方向与磁铁运动方向有关，故B正确，A、C、D错误。(3)螺线管A的磁性变强或变弱时，穿过线圈B的磁通量变大或变小，由楞次定律可知，线圈B中产生的感应电流方向相反，所以螺线管A的磁性变强或变弱影响指针摆动方向，故A正确，B错误；螺线管A的磁性强弱变化越快，由法拉第电磁感应定律E＝nS可知，线圈B中产生的感应电动势越大，感应电流越大，所以螺线管A的磁性强弱变化快慢影响指针摆动幅度大小，故C错误，D正确。(4)闭合开关后，螺线管A的电流稳定时，螺线管B中也存在磁场，但螺线管B中的磁通量不变，则无感应电流产生。练2某同学在“探究感应电流产生的条件”的实验中，将直流电源、滑动变阻器、线圈A(有铁芯)、线圈B、灵敏电流计及开关按图连接成电路，在实验中，该同学发现开关闭合的瞬间，灵敏电流计的指针向左偏，由此可以判断，在保持开关闭合的状态下(　　)A．当线圈A拔出时，灵敏电流计的指针向左偏B．当线圈A中的铁芯拔出时，灵敏电流计的指针向右偏C．当滑动变阻器的滑片匀速滑动时，灵敏电流计的指针不偏转D．当滑动变阻器的滑片向N端滑动时，灵敏电流计的指针向右偏【答案】B【解析】由题意可知，开关闭合的瞬间，灵敏电流计的指针向左偏，则当磁通量增大时，指针左偏；若磁通量减小时，指针则右偏。当线圈A拔出或线圈A中的铁芯拔出时，均导致磁通量减小，因此电流计指针向右偏，故A错误，B正确；滑动变阻器的滑片P匀速滑动， 穿过线圈的磁通量发生变化，电流计指针都要发生偏转，故C错误；当滑动变阻器的滑片向N端滑动时，电阻减小，则电流增大，导致磁通量增大，因此灵敏电流计的指针向左偏，故D错误。命题点精析（二）楞次定律的理解及应用1．楞次定律中“阻碍”的含义2．判断感应电流方向的两种方法法一：用楞次定律判断法二：用右手定则判断该方法适用于部分导体切割磁感线。判断时注意掌心、拇指、四指的方向：(1)掌心——磁感线垂直穿入；(2)拇指——指向导体运动的方向；(3)四指——指向感应电流的方向。 例2(多选)如图甲所示，导体棒ab、cd均可在各自的导轨上无摩擦地滑动，导轨电阻不计，磁场的磁感应强度B1、B2的方向如图所示，大小随时间变化的情况如图乙所示，在0～t1时间内(　　)A．若ab不动，则ab、cd中均无感应电流B．若ab不动，则ab中有恒定的感应电流，但cd中无感应电流C．若ab向右匀速运动，则ab中一定有从b到a的感应电流，cd向左运动D．若ab向左匀速运动，则ab中一定有从a到b的感应电流，cd向右运动　【答案】BD【解析】若ab不动，0～t1时间内，B1逐渐增大，由法拉第电磁感应定律可知，ab产生恒定的感应电流，根据楞次定律可知cd中无感应电流，故A错误，B正确；若ab向左匀速运动，0～t1时间内，B1垂直于纸面向里且逐渐增大，穿过左侧闭合区域的磁通量增大，运用楞次定律得ab中有从a到b的感应电流，回路中产生逐渐增大的感应电动势，即从a到b的感应电流增大，根据楞次定律得在导体棒cd中产生d到c的感应电流，根据左手定则得导体棒cd受到向右的安培力，即cd向右运动，故D正确；若ab向右匀速运动，产生从b到a的感应电流，同时B1均匀增大，产生从a到b的感应电流，由于不确定两感应电流的大小关系，故ab中感应电流无法确定，故C错误．练3下列各图所描述的物理情境中，没有感应电流的是(　　) 【答案】A【解析】开关S闭合稳定后，穿过线圈N的磁通量保持不变，线圈N中不产生感应电流，故A符合题意；磁铁向铝环A靠近，穿过铝环A的磁通量在增大，铝环A中产生感应电流，故B不符合题意；金属框从A向B运动，穿过金属框的磁通量时刻在变化，金属框中产生感应电流，故C不符合题意；铜盘在磁场中按题图所示方向转动，铜盘的无数辐条切割磁感线，产生感应电流，故D不符合题意．练4(多选)放置的长直密绕螺线管接入如图甲所示的电路中，通有俯视顺时针方向的电流，其大小按图乙所示的规律变化。螺线管内中间位置固定有一水平放置的硬质闭合金属小圆环(未画出)，圆环轴线与螺线管轴线重合。下列说法正确的是(　　)A．t＝时刻，圆环有扩张的趋势B．t＝时刻，圆环有收缩的趋势C．t＝和t＝时刻，圆环内的感应电流大小相等 D．t＝时刻，圆环内有俯视逆时针方向的感应电流【答案】BC【解析】t＝时刻，螺线管中电流增大，产生的磁场变强，圆环中的磁通量增多，圆环要阻碍磁通量的增多，有收缩的趋势，故A错误，B正确；t＝和t＝时刻，螺线管内电流的变化率相等，所以圆环内的感应电流大小相等，故C正确；t＝时刻，螺线管中俯视顺时针方向的电流减弱，圆环中向下的磁通量减少，圆环要阻碍磁通量的减少，产生向下的磁通量，所以圆环内有俯视顺时针方向的感应电流，故D错误。命题点精析（三）楞次定律推论的应用楞次定律可以推广为：感应电流的效果总是阻碍引起感应电流的原因，列表说明如下：内容例证阻碍原磁通量变化——“增反减同”　阻碍相对运动——“来拒去留”磁铁靠近，是斥力；磁铁远离，是引力使回路面积有扩大或缩小的趋势——“增缩减扩”P、Q是光滑固定导轨，a、b是可动金属棒，磁铁下移，面积应减小，a、b靠近 　B减小，线圈扩张阻碍原电流的变化——“增反减同”　合上S，B先亮例3(多选)如图甲所示，圆形线圈P静止在水平桌面上，其正上方固定一螺线管Q，P和Q共轴，Q中的电流i随时间t变化的规律如图乙所示，取甲图中电流方向为正方向，P所受的重力为G，桌面对P的支持力为FN，则(　　)A．在t1时刻，FN>G，P有收缩的趋势B．在t2时刻，FN＝G，穿过P的磁通量不变C．在t3时刻，FN＝G，P中有感应电流D．在t4时刻，FN＞G，P有收缩的趋势【答案】ABC【解析】　当螺线管中电流增大时，其形成的磁场不断增强，因此线圈P中的磁通量增大，根据楞次定律可知线圈P将阻碍其磁通量的增大，故线圈有远离和面积收缩的趋势，即FN>G，P有收缩的趋势，故A正确；当螺线管中电流不变时，其形成磁场不变，线圈P中的磁通量不变，因此线圈P中无感应电流产生，则t2时刻FN＝G，故B正确；t3时刻螺线管中电流为零，但是线圈P中磁通量是变化的，因此此时线圈P 中有感应电流，但此时刻二者之间没有相互作用力，即FN＝G，故C正确；当螺线管中电流不变时，其形成的磁场不变，线圈P中的磁通量不变，因此磁铁线圈中无感应电流产生，故t4时刻FN＝G，此时P没有收缩的趋势，故D错误．练5如图，在方向垂直于纸面向里的匀强磁场中有一U形金属导轨，导轨平面与磁场垂直。金属杆PQ置于导轨上并与导轨形成闭合回路PQRS，一圆环形金属线框T位于回路围成的区域内，线框与导轨共面。现让金属杆PQ突然向右运动，在运动开始的瞬间，关于感应电流的方向，下列说法正确的是(　　)A．PQRS中沿顺时针方向，T中沿逆时针方向B．PQRS中沿顺时针方向，T中沿顺时针方向C．PQRS中沿逆时针方向，T中沿逆时针方向D．PQRS中沿逆时针方向，T中沿顺时针方向【答案】D【解析】金属杆PQ向右切割磁感线，根据右手定则可知PQRS中感应电流沿逆时针方向；原来T中的磁场方向垂直于纸面向里，金属杆PQ中的感应电流产生的磁场方向垂直于纸面向外，使得穿过T的磁通量减小，根据楞次定律可知T中产生顺时针方向的感应电流，综上所述，可知A、B、C错误，D正确。练6如图所示，平行金属导轨MN、PQ固定在水平面上，两根相同的金属棒a、b相隔一定距离垂直放置在导轨上，且与导轨保持良好接触。一条形磁铁向着回路中心竖直下落，a、b棒在此过程中始终静止不动，下列说法正确的是(　　)A．a、b棒上无感应电流 B．b受到的安培力方向向右C．a受到的摩擦力方向向左D．条形磁铁N极朝下下落过程中，b受到的安培力方向将与原来的相反【答案】C【解析】当一条形磁铁从高处下落接近回路时，穿过回路的磁通量增加，会产生感应电流，故A错误；根据楞次定律感应电流的磁场总是阻碍原磁通量的变化可知，回路的面积减小一点，起到阻碍原磁通量增加的作用，所以a、b将互相靠拢，a受到的安培力方向向右，则摩擦力方向向左，b受到的安培力方向向左，故B错误，C正确；根据楞次定律可知，不论是条形磁铁的哪个极向下运动，b受到的安培力方向都向左，故D错误。例4两个闭合的金属环，穿在一根光滑的绝缘杆上，如图所示，当条形磁铁的S极自右向左插向圆环时，环的运动情况是(　　)A．两环同时向左移动，间距增大B．两环同时向左移动，间距变小C．两环同时向右移动，间距变小D．两环同时向左移动，间距不变【答案】B【解析】当磁铁的S极靠近圆环时，穿过两圆环的磁通量变大，由楞次定律可得两圆环的感应电流方向都是顺时针方向(从右向左看)，根据楞次定律推论“来拒去留”可知两圆环受到磁铁向左的安培力，远离磁铁，即向左移。由于两圆环的电流方向相同，所以两圆环相互吸引，间距变小，B正确，A、C、D错误。练7如图所示，一个N极朝下的条形磁铁竖直下落，恰能穿过水平放置的固定矩形导线框，则(　　) A．磁铁经过位置①时，线框中感应电流沿abcd方向；经过位置②时，线框中感应电流沿adcb方向B．磁铁经过位置①时，线框中感应电流沿adcb方向；经过位置②时，线框中感应电流沿abcd方向C．磁铁经过位置①和②时，线框中感应电流都沿abcd方向D．磁铁经过位置①和②时，线框中感应电流都沿adcb方向【答案】A【解析】当磁铁经过位置①时，穿过线框的磁通量向下且不断增加，由楞次定律可确定感应电流的磁场方向向上，阻碍磁通量的增加，根据右手螺旋定则可判定感应电流应沿abcd方向．同理可判断当磁铁经过位置②时，感应电流沿adcb方向，故选A.练8如图所示是某研究性学习小组的同学设计的电梯坠落的应急安全装置，在电梯挂厢上安装永久磁铁，并在电梯的井壁上铺设线圈，这样可以在电梯突然坠落时减小对人员的伤害．关于该装置，下列说法正确的是(　　)A．当电梯突然坠落时，该安全装置可使电梯停在空中B．当电梯坠落至永久磁铁在图示位置时，闭合线圈A、B中的电流方向相反C．当电梯坠落至永久磁铁在图示位置时，只有闭合线圈A在阻碍电梯下落 D．当电梯坠落至永久磁铁在图示位置时，只有闭合线圈B在阻碍电梯下落【答案】　B【解析】若电梯突然坠落，闭合线圈A、B内的磁通量发生变化，将在线圈中产生感应电流，感应电流会阻碍磁铁的相对运动，可起到应急避险作用，但不能阻止磁铁的运动，故A错误；当电梯坠落至永久磁铁在题图所示位置时，闭合线圈A中向上的磁场减弱，感应电流的方向从上向下看是逆时针方向，闭合线圈B中向上的磁场增强，感应电流的方向从上向下看是顺时针方向，可知闭合线圈A与B中感应电流方向相反，故B正确；结合A的分析可知，当电梯坠落至永久磁铁在题图所示位置时，闭合线圈A、B都在阻碍电梯下落，故C、D错误．核心素养大提升“一定律、三定则”的综合应用1．“三个定则”“一个定律”的比较名称基本现象应用的定则或定律电流的磁效应运动电荷、电流产生磁场安培定则磁场对电流的作用磁场对运动电荷、电流有作用力左手定则电磁感应部分导体做切割磁感线运动右手定则闭合回路磁通量变化楞次定律2.“三个定则”和“一个定律”的因果关系(1)因电而生磁(I→B)→安培定则；(2)因动而生电(v、B→I安)→右手定则； (3)因电而受力(I、B→F安)→左手定则；(4)因磁而生电(S、B→I安)→楞次定律。例5(多选)如图所示，水平放置的两条光滑轨道上有可自由移动的金属棒PQ、MN，MN的左边有一如图所示的闭合电路，当PQ在一外力的作用下运动时，MN向右运动，则PQ所做的运动可能是(　　)A．向右加速运动B．向左加速运动C．向右减速运动D．向左减速运动【答案】BC【解析】MN向右运动，说明MN受到向右的安培力，因为ab在MN处的磁场垂直纸面向里MN中的感应电流方向为M→NL1中感应电流的磁场方向向上.若L2中磁场方向向上减弱PQ中电流方向为Q→P且减小向右减速运动；若L2中磁场方向向下增强PQ中电流方向为P→Q且增大向左加速运动．练9(多选)如图所示，水平放置的两条光滑轨道上有可自由移动的金属棒PQ、MN，MN的左边有一闭合电路，当PQ在外力的作用下运动时，MN向右运动，则PQ 所做的运动可能是(　　)A．向右加速运动B．向左加速运动C．向右减速运动D．向左减速运动【答案】BC【解析】MN向右运动，说明MN受到向右的安培力，因为ab在MN处的磁场垂直于纸面向里MN中的感应电流由M→NL1中感应电流的磁场方向向上；若L2中磁场方向向上减弱PQ中电流方向为Q→P且减小向右减速运动；若L2中磁场方向向下增强PQ中电流方向为P→Q且增大向左加速运动。B、C正确。练10矩形导线框固定在匀强磁场中，如图甲所示．磁感线的方向与导线框所在平面垂直，规定磁场的正方向为垂直纸面向里，磁感应强度B随时间t变化的规律如图乙所示，则(　　)A．0～t1时间内，导线框中电流的方向为a→b→c→d→aB．0～t1时间内，导线框中电流越来越小C．0～t2时间内，导线框中电流的方向始终为a→d→c→b→a D．0～t2时间内，导线框bc边受到的安培力越来越大【答案】C【解析】由题图乙可知，0～t2时间内，导线框中磁通量的变化率相同，故0～t2时间内电流的方向相同，由楞次定律可知，电路中电流方向为顺时针，即电流为adcba方向，故A错误，C正确；0～t1时间内，导线框中磁通量的变化率相同，感应电动势恒定不变，电路中电流大小恒定不变，故B错误；0～t2时间内，磁场的变化率不变，则电路中电流大小恒定不变，由F＝BIL可知，F与B成正比，即先减小后增大，故D错误．