第2章 第1节 楞次定律（Word教参）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中物理选择性必修 第二册（人教版2019）

第二章　电磁感应 第1节　楞次定律 [学习目标] 1.理解楞次定律，知道楞次定律是能量转化和守恒的反映；理解右手定则，知道右手定则是楞次定律的一种具体表现形式(物理观念).2.会用楞次定律和右手定则判断感应电流方向；经历推理分析得出楞次定律的过程，体会归纳推理的方法(科学思维).3.能分析物理现象，提出并准确表述可探究的物理问题，能进行合理假设；能根据楞次定律的实验方案分析归纳，总结出楞次定律(科学探究).4.认识到物理研究是建立在观察和实验基础上的一项创造性工作；经历实验探究得出楞次定律的过程，提升科学探究的能力(科学态度与责任)． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 影响感应电流方向的因素 1．探究过程 将线圈与电流表组成闭合导体回路，分别将条形磁体的N极、S极插入、抽出线圈，如图1所示，记录感应电流方向如图2所示． 2．实验结论 (1)当穿过线圈的磁通量减小时，感应电流的磁场与磁体磁场的方向是__相同__的，__阻碍__磁通量的减小． (2)当穿过线圈的磁通量增大时，感应电流的磁场与磁体磁场的方向是__相反__的，__阻碍__磁通量的增大. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 楞次定律 1．内容： 感应电流具有这样的方向，即感应电流的__磁场__总要__阻碍__引起感应电流的磁通量的__变化__. 2．从能量角度理解楞次定律：感应电流沿着楞次定律所述的方向，是__能量守恒定律__的必然结果．把磁极插入线圈或从线圈内抽出时，消耗的__机械能__转化成感应电流的__电能__. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 右手定则 1．内容：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个__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． 2．适用范围 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．判断下列说法的正误． (1)感应电流的磁场一定与引起感应电流的磁场方向相反．(　×　) (2)电路不闭合，穿过回路的磁通量变化时，也会产生“阻碍”作用．(　×　) (3)引起感应电流的磁场变化很快时，感应电流的磁场与引起感应电流的磁场方向相反．(　×　) (4)感应电流的磁场总是阻碍原磁通量的变化．(　√　) 2．某磁场磁感线如图所示，有一铜线圈自图示a处落至b处，在下落过程中，自上向下看，线圈中的感应电流方向是(　　) A．始终顺时针 B．始终逆时针 C．先顺时针再逆时针 D．先逆时针再顺时针 答案　C 解析　自a点落至图示位置时，穿过线圈的磁通量增加，由楞次定律判断知，线圈中感应电流的方向由上向下看为顺时针；自图示位置落至b点时，穿过线圈的磁通量减少，由楞次定律判断知，线圈中感应电流的方向由上向下看为逆时针，选项C正确． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 实验：探究影响感应电流方向的因素 1．实验原理 (1)由电流表指针偏转方向与电流方向的关系，找出感应电流的方向． (2)通过实验，观察、分析原磁场方向和磁通量的变化，记录感应电流的方向，然后归纳出感应电流的方向与原磁场方向、原磁通量变化之间的关系． 2．实验器材 条形磁体，线圈，电流表，导线若干，滑动变阻器，开关，干电池，电池盒． 3．实验过程 见课本教材中的探究实验． 4．实验结论 感应电流的磁场总是阻碍原磁场磁通量的变化． 5．注意事项 (1)确定电流方向与电流表指针偏转方向的关系时，要用试触法并减小电流大小，防止电流过大或通电时间过长损坏电流表． (2)电流表选用零刻度在中间的灵敏电流计． (3)实验前设计好表格，并明确线圈的绕线方向． (4)按照控制变量的思想进行实验． (5)完成一种操作后，等电流计指针回零后再进行下一步操作． 【例题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)如果在闭合开关时发现灵敏电流计的指针向右偏了一下，那么合上开关后，将A线圈迅速插人B线圈中，电流计指针将__________(选填“向左偏”或“向右偏”)，A线圈插入B线圈后，将滑动变阻器滑片迅速向左移动时，电流计指针将__________(选填“向左偏”或“向右偏”)． (2)在灵敏电流计所在的电路中，为电路提供电流的是__________(填图中仪器的字母)． 解析　(1)如果在闭合开关时发现灵敏电流计的指针向右偏了一下，说明穿过B线圈的磁通量增加时，电流计指针向右偏，合上开关后，A线圈迅速插入B线圈中时，穿过B线圈的磁通量增加，灵敏电流计的指针将向右偏；A线圈插入B线圈后，将滑动变阻器滑片迅速向左移动时，A线圈中电流减小，穿过B线圈的磁通量减少，电流计指针将向左偏． (2)在灵敏电流计所在的电路中，为电路提供电流的是B线圈． 答案　(1)向右偏　向左偏　(2)B 【变式1】 (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，那么合上开关后，将A线圈迅速插入B线圈中，电流计指针将__________偏转(选填“向左”“向右”或“不”)； ②连好电路后，并将A线圈插入B线圈中后，若要使灵敏电流计的指针向左偏转，可采取的操作是__________； A．插入铁芯 B．拔出A线圈 C．变阻器的滑片向左滑动 D．断开开关S瞬间 (2)G为指针零刻度在中央的灵敏电流表，连接在直流电路中时的偏转情况如图甲中所示，即电流从电流表G的左接线柱进时，指针也从中央向左偏．今把它与一线圈串联进行电磁感应实验，则图乙中的条形磁体的运动方向是向____________(选填“上”或“下”)；图丁中的条形磁体下端为____________极(选填“N”或“S”)． 　　　 解析　(1)①已知闭合开关瞬间，A线圈中的磁通量增加，产生的感应电流使灵敏电流计的指针向右偏转，可知磁通量增加时，电流计指针向右偏；当开关闭合后，将A线圈迅速插入B线圈中时，B线圈中的磁通量增加，所以产生的感应电流也应使灵敏电流计的指针向右偏转． ②要使灵敏电流计的指针向左偏，根据感应电流的磁场阻碍磁通量的变化知，磁通量应减小；插入铁芯时，B线圈中的磁通量增大，选项A错误；拔出A线圈时，B线圈中的磁通量减小，选项B正确；变阻器的滑片向左移动时，电流增大，B线圈中的磁通量增大，选项C错误；断开开关S瞬间，电流减小，B线圈中的磁通量减小，选项D正确． (2)图乙中指针向左偏，可知感应电流的方向是顺时针，感应电流的磁场方向向下，条形磁体的磁场方向向上，由感应电流的磁场阻碍原磁场磁通量变化可知，磁通量增大，条形磁体向下插入；图丁中可知指针向右偏，则感应电流的方向是逆时针，有安培定则可知，感应电流的磁场方向向上，条形磁体向上拔出，即磁通量减小，由感应电流的磁场阻碍磁通量的变化可知，条形磁体的磁场方向应该向上，所以条形磁体上端为N极，下端为S极． 答案　(1)①向右　②BD　(2)下　S 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 楞次定律 【情境导学】 条形磁体插入或抽出线圈时感应电流的磁场方向是否总是与原磁场方向相反或相同？什么时候相反？什么时候相同？ 　 答案　有时相反，有时相同；闭合回路中原磁通量增加时相反，闭合回路中原磁通量减少时相同． 1．对楞次定律的理解 (1)楞次定律中的因果关系 楞次定律反映了电磁感应现象中的因果关系，磁通量发生变化是原因，产生感应电流是结果． (2)对“阻碍”的理解 问题 结论 谁阻 碍谁 感应电流的磁场阻碍引起感应电流的磁场(原磁场)的磁通量的变化 为何 阻碍 原磁场的磁通量发生了变化 阻碍 什么 阻碍的是磁通量的变化，而不是阻碍磁通量本身 如何 阻碍 当原磁场的磁通量增加时，感应电流的磁场方向与原磁场的方向相反；当原磁场的磁通量减少时，感应电流的磁场方向与原磁场的方向相同，即“增反减同” 结果 如何 阻碍并不是阻止，只是延缓了磁通量的变化，这种变化将继续进行，最终结果不受影响 (3)“阻碍”的表现形式 从磁通量变化的角度看：感应电流的效果是阻碍磁通量的变化． 从相对运动的角度看：感应电流的效果是阻碍相对运动． 2．楞次定律的应用 应用楞次定律判断感应电流方向的步骤 (1)明确所研究的闭合回路，判断原磁场方向． (2)判断闭合回路内原磁场的磁通量变化． (3)依据楞次定律判断感应电流的磁场方向． (4)利用右手螺旋定则(安培定则)判断感应电流的方向． 【例题2】 如图所示，ab是一个可以绕垂直于纸面的轴O转动的闭合矩形导体线圈，在滑动变阻器R的滑片P自左向右滑动过程中，线圈ab将(　　) A．静止不动 B．逆时针转动 C．顺时针转动 D．发生转动，但因电源的极性不明，无法确定转动的方向 思维导引：(1)滑片向右滑动，电阻减小，电流增大，磁场增强；(2)利用阻碍磁通量的变化，判断线圈的转动情况． 答案　C 解析　当P向右滑动时，电路中电阻减小，电流增大，穿过线圈ab的磁通量增大，根据楞次定律判断，线圈ab将顺时针转动，选项C正确． 【变式2】 如图所示，条形磁铁从高h处自由下落，中途穿过一个固定的空心线圈．开关断开，条形磁铁至落地用时t1，落地时速度为v1；开关闭合，条形磁铁至落地用时t2，落地时速度为v2，则它们的大小关系正确的是(　　) A．t1＞t2，v1＞v2 B．t1＝t2，v1＝v2 C．t1＜t2，v1＜v2 D．t1＜t2，v1＞v2 答案　D 解析　开关断开时，线圈中无感应电流，对条形磁铁无阻碍作用，条形磁铁自由下落，故a＝g；当开关闭合时，线圈中有感应电流，对条形磁铁有阻碍作用，故a＜g，所以t1＜t2，v1＞v2，选项D正确． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 右手定则 【情境导学】 如图所示，导体棒ab向右做切割磁感线运动． (1)请用楞次定律判断感应电流的方向． (2)感应电流I的方向、原磁场B的方向、导体棒运动的速度v的方向三者之间满足什么关系？ 答案　(1)感应电流的方向为a→d→c→b→a；(2)满足右手定则． 1．右手定则的适用范围：闭合电路的部分导体切割磁感线产生感应电流方向的判断． 2．右手定则反映了磁场方向、导体运动方向和感应电流方向三者之间的关系： (1)大拇指所指的方向是导体相对磁场切割磁感线的运动方向，既可以是导体运动而磁场未动，也可以是导体未动而磁场运动，还可以是两者以不同速度同时运动． (2)四指指向电流方向，切割磁感线的导体相当于电源． 【例题3】 如图所示，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突然以速度v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 思维导引：(1)金属杆PQ突然向右切割磁感线，应用右手定则可判断感应电流的方向；(2)PQRS中感应电流产生的磁场会使T中的磁通量变化，根据T中磁通量的变化情况应用楞次定律判断T中感应电流的方向． 答案　D 解析　金属杆PQ突然向右运动，则其速度v方向向右，由右手定则可得，金属杆PQ中的感应电流方向由Q到P，PQRS中感应电流方向为逆时针方向；PQRS中感应电流产生垂直纸面向外的磁场，故环形金属线框T中为阻碍此变化，会产生垂直纸面向里的磁场，则T中感应电流方向为顺时针方向，选项D正确． 【变式3】 (多选)如图所示，矩形线框abcd通过与之相连的硬导线搭接在金属导轨MEFN上，整个装置放在与之垂直的匀强磁场中，当线框向右运动时(　　) A．向右匀速运动 B．向右加速运动 C．向左加速运动　 D．向左减速运动 答案　BD 解析　当线框向右运动时，线框及硬导线切割磁感线产生感应电流，由右手定则可判定感应电流的方向向上，即线框边ab与cd中的电流均是向上的，通过R的电流为从E到F，选项B、D正确，A、C错误． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 楞次定律与右手定则的拓展与应用 1．楞次定律的重要推论 (1)“增反减同”法 感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量(原磁场磁通量)的变化． ①当原磁场磁通量增加时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反． ②当原磁场磁通量减少时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同． 口诀记为“增反减同”． (2)“来拒去留”法 由于磁场与导体的相对运动产生电磁感应现象时，产生的感应电流与磁场间有力的作用，这种力的作用会“阻碍”相对运动，即“来拒去留”． 如图甲所示，条形磁体靠近线圈时，受到的是斥力；如图乙所示，条形磁体远离线圈时，受到的是引力． 　 (3)“增缩减扩”法 就闭合回路的面积而言，收缩或扩张是为了阻碍穿过回路的原磁通量的变化．若穿过闭合回路的磁通量增加，面积就有收缩趋势；若穿过闭合回路的磁通量减少，面积就有扩张趋势．口诀记为“增缩减扩”． (4)“增离减靠”法 若磁场变化且线圈回路可移动，当磁场增强使得穿过线圈回路的磁通量增加时，线圈将通过远离磁体来阻碍磁通最增加；反之，当磁场减弱使得穿过线圈回路的磁通量减少时，线圈将通过靠近磁体来阻碍磁通量减少．口诀记为“增离减靠”． 2．“三定则一定律”的综合应用 比较 项目 安培定则 左手定则 右手定则 楞次定律 适用 场合 判断电流周围的磁感线方向 判断通电导线在磁场中所受的安培力方向 判断导体切割磁感线时产生的感应电流方向 判断回路中磁通量变化时产生的感应电流方向 因果 关系 因电而生磁(I→B) 因电而受力(I、B→F安) 因动而生电(v、B→I感) 因磁通量变化而生电(ΔΦ→I感) 【例题4】 如图所示，一个有弹性的闭合金属圆环被一根橡皮绳吊于通电直导线的正下方，直导线与圆环在同一竖直面内．当通电直导线中的电流增大时，弹性圆环的面积S和橡皮绳的长度l将(　　) A．S增大，l变长 B．S减小，l变短 C．S增大，l变短 D．S减小，l变长 答案　D 解析　当通电直导线中电流增大时，穿过金属圆环的磁通量增大，金属圆环中产生感应电流；根据楞次定律可知，感应电流的磁场要阻碍磁通量的增大，一是用缩小面积的方式进行阻碍；二是用远离直导线的方式进行阻碍，选项D正确． 【变式4】 (多选)如图所示装置中，cd杆光滑且原来静止．当ab杆做如下哪些运动时，cd杆将向右移动(导体棒切割磁感线速度越大，感应电流越大)(　　) A．向右匀速运动 B．向右加速运动 C．向左加速运动 D．向左减速运动 答案　BD 解析　ab杆向右匀速运动，在ab杆中产生恒定的电流，该电流在线圈L1中产生恒定的磁场，在L2中不产生感应电流，所以cd杆不动，选项A错误；ab杆向右加速运动，根据右手定则，知在ab杆上产生增大的由a到b的电流，根据安培定则，在L1中产生方向向上且增强的磁场，该磁场向下通过L2，由楞次定律，在cd杆上产生c到d的感应电流，根据左手定则，cd.杆受到向右的安培力，ed杆将向右运动，选项B正确；同理可得选项C错误，D正确． 1．(楞次定律)(多选)如图所示，匀强磁场垂直于软导线回路平面，由于磁场发生变化，回路变为圆形，则磁场可能(　　) A．逐渐增强，方向向外 B．逐渐增强，方向向里 C．逐渐减弱，方向向外 D．逐渐减弱，方向向里 答案　CD 解析　对于导线回路来说，圆形面积最大，即由于磁场变化，导致导线回路面积变大，根据楞次定律“增缩减扩”，可判断磁场在减弱，可能是方向垂直软导线回路平面向外的磁场逐渐减弱，也可能是方向垂直软导线回路平面向里的磁场逐渐减弱，选项C、D正确． 2．(楞次定律的应用)如图所示，粗糙水平桌面上有一质量为m的铜质矩形线圈．当一竖直放置的条形磁铁从线圈中线AB正上方等高快速经过时，若线圈始终不动，则关于线圈受到的支持力FN 及在水平方向运动趋势的判断正确的是(　　) A．FN先小于mg后大于mg，运动趋势向左 B．FN先大于mg后小于mg，运动趋势向左 C．FN先小于mg后大于mg，运动趋势向右 D．FN先大于mg后小于mg，运动趋势向右 答案　D 解析　条形磁铁从线圈正上方等高快速经过时，通过线圈的磁通量先增加后减小，根据楞次定律，当通过线圈的磁通量增加时，为阻碍其增加，在竖直方向上线圈有向下运动的趋势，所以线圈受到的支持力大于其重力，在水平方向上有向右运动的趋势；当通过线圈的磁通量减小时，为阻碍其减小，在竖直方向上线圈有向上运动的趋势，所以线圈受到的支持力小于其重力，在水平方向上有向右运动的趋势；综上所述，线圈受到的支持力先大于重力后小于重力，运动趋势总是向右，选项D正确． 3．(右手定则)(多选)如图所示，光滑平行金属导轨PP′和QQ′都处于同一水平面内，P和Q之间连接一电阻R，整个装置处于竖直向下的匀强磁场中．现垂直于导轨放置一根导体棒MN，用一水平向右的力F拉动导体棒MN.下列关于导体棒MN中感应电流方向和它所受安培力的方向的说法正确的是(　　) A．感应电流方向是N→M B．感应电流方向是M→N C．安培力方向水平向左 D．安培力方向水平向右 答案　AC 解析　以导体棒MN为研究对象，所处位置磁场方向向下，导体棒的运动方向向右，由右手定则可知，感应电流方向是从N→M，选项A正确，B错误；再由左手定则可知，导体棒受到的安培力方向为水平向左，选项C正确，D错误． 4．(探究影响感应电流方向的因素)(1)图甲为某实验小组探究感应电流方向的规律的实验装置，关于实验过程中应该注意的事项和实验现象，以下说法正确的是__________. 　 A．实验前应该先仔细观察，清楚线圈的绕向 B．开关闭合后，将滑动变阻器的滑片匀速滑动使接入电路的阻值逐渐减小，会观察到电流计指针不发生偏转 C．开关闭合后，线圈A从线圈B中拔出和插入过程中会观察到电流计指针偏转方向相反 D．开关闭合与断开瞬间，电流计指针都会偏转但偏转方向相同 (2)当电流从灵敏电流计正接线柱流入时指针向正接线柱一侧偏转．现将其与线圈相连之后，将上端为S极的磁铁插入线圈中，图乙中电流计指针偏转的方向应为偏向__________(选填“正”或“负”)接线柱．根据图丙中电流计指针偏转方向可以判断出插入线圈的磁铁下端的磁极为__________(选填“N”或“S”)极． 解析　(1)实验是探究感应电流方向的规律的，因此实验前要仔细观察，弄清楚线圈绕向，搞清线圈电流方向与电流计指针偏转方向的关系，选项A正确；开关闭合后，将滑动变阻器的滑片匀速滑动使接入电路的阻值逐渐减小，导致穿过线圈B的磁通量变化，从而产生感应电流，会观察到电流计指针发生偏转，选项B错误；开关闭合后，线圈A从线圈B中拔出和插入过程中，穿过线圈B的磁通量变化不同，前者减少，后者增加，会观察到电流计指针偏转方向相反，选项C正确；开关闭合与断开瞬间，穿过线圈B的磁通量都会变化且变化不同，开关闭合瞬间磁通量增加，断开瞬间磁通量减少，会观察到电流计指针偏转，而且偏转方向不同，选项D错误． (2)当电流从灵敏电流计正接线柱流入时指针向正接线柱一侧偏转，若将上端为S极的磁铁插入线圈中，原磁场方向向下且磁通量增加，根据楞次定律可知，感应电流的磁场方向向上，根据安培定则可知感应电流从电流计正接线柱流入，故指针偏向正接线柱一侧；根据题图丙中电流计指针偏向负接线柱一侧，可知感应电流是从负接线柱流入电流计的，根据安培定则，可知感应电流的磁场方向向下，因条形磁铁向下运动，磁通量增加，根据楞次定律，可知原磁场方向向上，则插入线圈的磁铁下端的磁极为S极． 答案　(1)AC　(2)正　S 学科网（北京）股份有限公司 $$