2.1 科学探究：感应电流的方向-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修 第二册 （鲁科版2019）

第1节　科学探究：感应电流的方向 [学习目标]　1.通过实验探究感应电流方向与磁通量变化之间的关系。2.理解楞次定律的内容，能运用楞次定律判断感应电流的方向(重难点)。3.掌握右手定则，知道右手定则是楞次定律的一种具体表现形式(重点)。 一、探究影响感应电流方向的因素 1．实验目的 (1)探究感应电流方向与哪些因素有关。 (2)学习利用电流计判断感应电流方向的方法。 2．实验原理 (1)由电流计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。 3．实验器材 电流计、干电池、开关、保护电阻、导线、螺线管、条形磁铁。 4．实验步骤 (1)先明确电流计指针的偏转方向与通过电流计的电流方向的关系。 (2)观察螺线管上漆包线的绕向。 (3)将电流计与螺线管按如图所示连接好，依次完成以下实验操作，记录观察到的电流计指针偏转情况，填入表中。 ①把条形磁铁的N极插入螺线管，稍作停留，再从螺线管中拔出； ②把条形磁铁的S极插入螺线管，稍作停留，再从螺线管中拔出。 5．数据分析 甲 乙 丙 丁 条形磁铁的运动情况 N极插入 N极拔出 S极插入 S极拔出 穿过螺线管的磁通量变化 增加 减少 增加 减少 感应电流的方向 左偏 右偏 右偏 左偏 感应电流的磁场方向与条形磁铁的磁场方向比较 相反 相同 相反 相同 (1)根据上表记录，得到下述结果： 甲、丙两种情况下，穿过螺线管的磁通量都增加，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反，阻碍磁通量的增加；乙、丁两种情况下，穿过螺线管的磁通量都减少，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同，阻碍磁通量的减少。 实验结论：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)若磁铁不动、螺线管动，实验结果相同(填“相同”或“不同”)；若磁铁与螺线管一起动，并保持相对静止，实验结果无电流(填“有电流”或 “无电流”)。 例1　(2023·重庆市高二期末)如图所示是“探究影响感应电流方向的因素”的实验装置。 (1)将图中所缺导线补充完整。 (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，那么合上开关后，进行下述操作时可能出现的情况是： ①将通电线圈A迅速插入感应线圈B时，灵敏电流计指针将________(选填“左偏”“不偏”或“右偏”)。 ②将通电线圈A插入感应线圈B后，将滑动变阻器的滑片迅速向左滑动时，灵敏电流计指针将________(选填“左偏”“不偏”或“右偏”)。 (3)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)。 (4)在上述实验中，如果感应线圈B两端不接任何元件，则感应线圈B中将________。 A．因电路不闭合，无电磁感应现象 B．有电磁感应现象，但无感应电流 答案　(1)见解析图　(2)①右偏　②左偏　(3)B　(4)B 解析　(1)将线圈B和灵敏电流计串联组成一个回路，将开关、滑动变阻器、电源、线圈A串联组成另一个回路即可，如图所示。 (2)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，说明穿过线圈B的磁通量增加时灵敏电流计指针向右偏，合上开关后，将线圈A迅速插入线圈B中时，穿过线圈B的磁通量增加，灵敏电流计指针将向右偏； ②线圈A插入线圈B后，将滑动变阻器滑片迅速向左滑动时，线圈A中电流减小，穿过线圈B的磁通量减少，灵敏电流计指针将向左偏。 (3)在灵敏电流计所在的电路中，为电路提供电流的是线圈B。 (4)在上述实验中，如果感应线圈B两端不接任何元件，通过感应线圈B的磁通量发生变化，有电磁感应现象产生，但因电路不是闭合的，所以无感应电流，选B。 二、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．理解楞次定律中“阻碍”的含义 (1)谁阻碍——感应电流产生的磁场。 (2)阻碍谁——阻碍引起感应电流的磁通量的变化。 (3)如何阻碍——当原磁通量增加时，感应电流产生的磁场方向与原磁场方向相反；当原磁通量减少时，感应电流产生的磁场方向与原磁场方向相同。 (4)阻碍效果——阻碍并不是(填“是”或“不是”)阻止。只是延缓了磁通量的变化，这种变化还将继续进行。 3．从能量的角度理解楞次定律 电磁感应产生的过程是外界其他形式的能转化为电能的过程。 楞次定律中的“阻碍”作用，是能量守恒的必然结果。在克服“阻碍”的过程中，外界其他形式的能转化为电能，在转化过程中总能量是守恒的。 法拉第最初发现电磁感应现象的实验如图所示。软铁环上绕有M、N两个线圈， (1)S闭合瞬间 ①穿过N的磁场方向为向下； ②穿过N的磁通量增加(填“增加”或“减少”)； ③N中感应电流方向为逆时针方向(从上向下看)。 (2)S断开瞬间，N中感应电流方向为顺时针方向(从上向下看)。 例2　关于楞次定律，下列说法错误的是(　　) A．感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化 B．感应电流的磁场阻止了引起感应电流的磁通量的变化 C．感应电流的磁场延缓了引起感应电流的磁通量的变化 D．感应电流的磁场与原来磁场的方向，可能相反，也可能相同 答案　B 解析　由楞次定律可知，感应电流的磁场总要阻碍原磁场磁通量的变化，延缓了引起感应电流的磁通量的变化，而不是阻止，故A、C正确，B错误；感应电流的磁场阻碍原磁场磁通量的变化，方向可能与原磁场方向相同，也可能相反，故D正确。 例3　如图甲所示，有一闭合线圈，磁场方向垂直于线圈平面向里(为正方向)，当磁感应强度随时间按如图乙所示规律变化，则在0～2t0时间内，线圈中感应电流的方向(　　) A．一直顺时针 B．一直逆时针 C．先顺时针后逆时针 D．先逆时针后顺时针 答案　A 解析　在0～t0时间内，穿过线圈的磁通量减小，根据楞次定律，感应电流的磁场方向垂直线圈向里，所以感应电流的方向为顺时针方向；同理可得t0～2t0时间内感应电流的方向也为顺时针方向，故A正确。 例4　(2022·湖南株洲期末)矩形线圈abcd位于通电长直导线附近，线圈与长直导线在同一平面内，线圈的ad边、bc边与长直导线平行，长直导线中已通入方向如图所示的电流，则为使线圈中产生逆时针方向的感应电流，可采用的措施是(　　) A．将线圈水平向右移动 B．将线圈竖直向上移动 C．增大长直导线中的电流 D．将线圈以ab为轴转动90° 答案　C 解析　根据安培定则可知，长直导线周围的磁场如图，将线圈水平向右移动，穿过线圈的磁通量减小，根据楞次定律可知，线圈中产生顺时针方向的感应电流，A错误；将线圈竖直向上移动，穿过线圈的磁通量不变化，不产生感应电流，B错误；增大长直导线中的电流，穿过线圈的磁通量增加，根据楞次定律可知，线圈中产生逆时针方向的感应电流，C正确；线圈以ab为轴转动90°的过程中，穿过线圈的磁通量减小，根据楞次定律可知，线圈中产生顺时针方向的感应电流，D错误。 应用楞次定律解题的一般步骤： (1)确定研究对象：哪个闭合回路； (2)确定闭合回路中原磁场的方向； (3)确定穿过闭合回路的磁通量如何变化； (4)根据楞次定律判断感应电流磁场的方向； (5)由安培定则最终确定感应电流的方向。 三、右手定则 1．定义：伸开右手，让拇指与其余四指垂直，且都与手掌处于同一平面内，让磁感线垂直穿过手心，使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。 2．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的方向的判断。 3．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)四指所指的方向就是感应电流的方向。切割磁感线的导线相当于电源。 4．楞次定律与右手定则的比较 　　　规律 比较内容　　　 楞次定律 右手定则 区 别 研究对象 整个闭合回路 闭合回路的一部分，即做切割磁感线运动的导体 适用范围 各种电磁感应现象 只适用于部分导体在磁场中做切割磁感线运动的情况 联系 右手定则是楞次定律的特例 在图中，假定导体棒CD向右运动，在判定感应电流的方向时。 (1)研究的是哪个闭合导体回路？ (2)当导体棒CD向右运动时，穿过这个闭合导体回路的磁通量是增大还是减小？ (3)感应电流的磁场是沿哪个方向的？ (4)导体棒CD中的感应电流是沿哪个方向的？ 答案　(1)闭合回路CDEF　(2)增大　(3)垂直纸面向外　(4)由C指向D 例5　如图所示，同一平面内的三条平行导线串有两个电阻R和r，导体棒PQ与三条导线接触良好；匀强磁场的方向垂直纸面向里。导体棒的电阻可忽略。当导体棒向左滑动时，下列说法正确的是(　　) A．流过R的电流为由d到c，流过r的电流为由b到a B．流过R的电流为由c到d，流过r的电流为由b到a C．流过R的电流为由d到c，流过r的电流为由a到b D．流过R的电流为由c到d，流过r的电流为由a到b 答案　B 解析　依据右手定则可判断出导体棒PQ中的电流由P到Q，Q处电势最高，P处电势最低，由P到Q电势逐渐升高。外电路中的电流方向总是从高电势流向低电势处，因此流过R的电流为由c到d，流过r的电流为由b到a，B正确。 课时对点练 考点一　探究影响感应电流方向的因素 1．(2023·重庆八中月考)(1)如图所示是研究电磁感应现象的实验装置： 装置已经按如图所示连接好，在闭合开关时发现灵敏电流表的指针向右偏了一下。连好电路，并将A线圈插入B线圈中后，若要使灵敏电流表的指针向左偏转。可采取的操作是________； A．插入铁芯 B．拔出A线圈 C．滑动变阻器的滑片向左滑动 D．断开开关S (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指针的偏转情况如图甲所示，即电流从灵敏电流表G的左接线柱流进时，指针从中央向左偏。现把它与一线圈串联进行电磁感应实验，则图乙中的条形磁铁下端为________(填“N”或“S”)极。 答案　(1)BD　(2)S 解析　(1)已知闭合开关瞬间，B线圈中的磁通量增加，产生的感应电流使灵敏电流表的指针向右偏转，可知磁通量增加时，灵敏电流表的指针向右偏转。要使灵敏电流表的指针向左偏转，根据楞次定律知，穿过B线圈的磁通量应减小。插入铁芯时，B线圈中的磁通量增加，故A错误；拔出A线圈时，B线圈中的磁通量减小，故B正确；滑动变阻器的滑片向左滑动时，电流增大，B线圈中的磁通量增大，故C错误；断开开关S瞬间，电流减小，B线圈中的磁通量减小，故D正确。 (2)题图乙中指针向右偏，则线圈中感应电流的方向为逆时针(俯视)，感应电流的磁场方向向上，条形磁铁向上拔出，即磁通量减小，由楞次定律可知，条形磁铁的磁场方向应该向上，所以条形磁铁上端为N极，下端为S极。 2．(2023·福州市高二期中)某同学在做“探究电磁感应现象规律的实验”中，选择了一个灵敏电流计G，在没有电流通过灵敏电流计时，电流计的指针恰好指在刻度盘中央，该同学先将灵敏电流计G连接在如图甲所示的电路中，电流计的指针如图甲所示。 (1)为了探究电磁感应现象规律，该同学将灵敏电流计G与一螺线管串联，如图乙所示。通过分析可知，图乙中条形磁铁的运动情况可能是________。 A．静止不动 B．向下插入　C．向上拔出 (2)该同学又将灵敏电流计G接入图丙所示的电路。电路连接好后，A线圈已插入B线圈中，此时合上开关，灵敏电流计的指针向左偏了一下。当滑动变阻器的滑片向________(填“左”或“右”)滑动，可使灵敏电流计的指针向右偏转。 (3)通过本实验可以得出：感应电流产生的磁场总是__________________________________。 答案　(1)B　(2)右　(3)阻碍引起感应电流的磁通量的变化 解析　(1)根据题图甲可知，电流从灵敏电流计的左接线柱流入，指针往左偏；则由题图乙可知，螺线管中的感应电流方向为顺时针方向(俯视)，根据安培定则，螺线管中感应电流的磁场方向竖直向下，条形磁铁在螺线管中的磁场方向(原磁场方向)竖直向上，可见感应电流的磁场方向与原磁场方向相反，根据楞次定律可知穿过螺线管的原磁通量增加，所以条形磁铁可能向下插入螺线管，故选C。 (2)闭合开关后，灵敏电流计的指针向左偏了一下，说明B线圈中磁通量增加时，灵敏电流计指针向左偏；现在要使灵敏电流计的指针向右偏转，因此穿过B线圈的磁通量应该减小，由题图丙可知，滑动变阻器的滑片向右滑动，电路中的电流减小，线圈A中的磁感应强度减小，穿过线圈B的磁通量减小，根据楞次定律，线圈B中产生的感应电流方向与开关闭合瞬间线圈B中的感应电流方向相反，灵敏电流计的指针会向右偏，故滑动变阻器的滑片应向右滑动。 (3)根据楞次定律可知，感应电流产生的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。 考点二　楞次定律 3.(2023·北京海淀人大附中高二期末)如图所示，一条形磁铁从左向右靠近闭合金属环的过程中，环中的感应电流(自左向右看)(　　) A．沿顺时针方向 B．先沿顺时针方向后沿逆时针方向 C．沿逆时针方向 D．先沿逆时针方向后沿顺时针方向 答案　C 解析　条形磁铁从左向右靠近闭合金属环的过程中，穿过金属环向右的磁通量一直增大，根据楞次定律可判断，从左向右看，环中的感应电流沿逆时针方向，C正确，A、B、D错误。 4.(2023·吉林松花江中学高二期末)如图所示，虚线为区域Ⅰ和区域Ⅱ的分界线，区域Ⅰ有垂直纸面向外的匀强磁场，区域Ⅱ有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小均为B，把正方形线框从区域Ⅰ拉到区域Ⅱ过程中，线框中的电流方向为(　　) A．顺时针 B．逆时针 C．先顺时针后逆时针 D．先逆时针后顺时针 答案　B 解析　由题意，正方形线框从区域Ⅰ拉到区域Ⅱ过程中，穿过线框的磁通量先垂直纸面向外减小，后垂直纸面向里增大，根据楞次定律可知线框中的感应电流方向一直为逆时针，故选B。 5.如图所示，一矩形闭合线圈abcd在水平放置的条形磁铁的N极附近竖直下落，保持bc边在纸外，ad边在纸内，且ad边、bc边一直在同一水平面上，由图中位置Ⅰ经过位置Ⅱ到位置Ⅲ，在位置Ⅱ，N极附近的磁感线正好与线圈平面平行，位置Ⅰ和位置Ⅲ都很接近位置Ⅱ，这个过程中线圈中的感应电流(　　) A．沿abcda流动 B．沿dcbad流动 C．先沿abcda流动，后沿dcbad流动 D．先沿dcbad流动，后沿abcda流动 答案　A 解析　由条形磁铁的磁场分布可知，线圈在位置Ⅱ时穿过闭合线圈的磁通量最小，为零，线圈从位置Ⅰ到位置Ⅱ，从下向上穿过线圈的磁通量在减少，线圈从位置Ⅱ到位置Ⅲ，从上向下穿过线圈的磁通量在增加，根据楞次定律及安培定则可知感应电流的方向始终为abcda，故选A。 6.如图所示，AOC是光滑的金属导轨，AO沿竖直方向，OC沿水平方向，ab是一根金属棒，与导轨接触良好，它从图示位置由静止开始在重力作用下运动，运动过程中b端始终在OC上，a端始终在OA上，直到金属棒完全落在OC上，空间存在着匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，则ab棒在上述过程中(　　) A．感应电流方向是b→a B．感应电流方向是a→b C．感应电流方向先是b→a，后是a→b D．感应电流方向先是a→b，后是b→a 答案　C 解析　由几何知识可知，在金属棒向下滑动的过程中，金属棒与导轨所围成的三角形面积先增大后减小，穿过三角形aOb的磁通量先增大后减小，由楞次定律可知，感应电流方向先是b→a，后是a→b，C项正确。 考点三　右手定则 7.如图所示，CDEF是一个矩形金属框，当导体棒AB向右移动时，回路中会产生感应电流，则下列说法正确的是(　　) A．导体棒中的电流方向为B→A B．电流表A1中的电流方向为F→E C．电流表A1中的电流方向为E→F D．电流表A2中的电流方向为D→C 答案　B 解析　根据右手定则，可得导体棒中的电流方向为A→B，所以电流表A1中的电流方向为F→E，电流表A2中的电流方向为C→D，选项B正确，A、C、D错误。 8.ab为一金属杆，它处在如图所示垂直于纸面向里的匀强磁场中，可绕a点在纸面内转动，s为以a为圆心位于纸面内的金属圆环，在杆转动过程中，杆的b端与金属圆环保持良好接触，A为电流表，其一端与金属圆环相连，另一端与a点良好接触。当杆沿逆时针方向转动时，某时刻ab杆的位置如图，则此时刻(　　) A．有电流通过电流表，方向由c向d；作用于杆ab的安培力向右 B．有电流通过电流表，方向由d向c；作用于杆ab的安培力向左 C．有电流通过电流表，方向由d向c；作用于杆ab的安培力向右 D．无电流通过电流表，作用于杆ab的安培力为零 答案　B 解析　当杆沿逆时针方向转动时，根据右手定则，可知ab杆中感应电流方向为b→a，电流通过电流表，方向为d→c；根据左手定则可知，在题图时刻作用于杆ab的安培力向左，故B正确，A、C、D错误。 9.如图所示，两匀强磁场的磁感应强度B1和B2大小相等、方向相反。金属圆环的直径与两磁场的边界重合。下列变化会在环中产生顺时针方向感应电流的是(　　) A．同时增大B1减小B2 B．同时减小B1增大B2 C．同时以相同的变化率增大B1和B2 D．同时以相同的变化率减小B1和B2 答案　B 解析　若同时增大B1减小B2，则穿过环向里的磁通量增大，根据楞次定律，感应电流产生的磁场方向向外，由安培定则，环中产生的感应电流是逆时针方向，故选项A错误；同理可推出，选项B正确，C、D错误。 10.(2022·中山市迪茵公学高二期中)如图所示，导线框abcd与直导线在同一平面内(两者相互绝缘)，直导线通有恒定电流I，在线框由左向右匀速通过直导线的过程中，线框中感应电流的方向是(　　) A．先abcd，后dcba，再abcd B．先abcd，后dcba C．始终dcba D．先dcba，后abcd，再dcba 答案　D 解析　线框在直导线左侧时，随着线框向右运动，向外的磁通量增加，根据楞次定律及安培定则知线框中感应电流的方向为dcba；在线框的cd边跨过直导线后，如图所示，产生的感应电流方向为abcd；线框全部跨过直导线后，随着向右运动，向里的磁通量减少，根据楞次定律及安培定则知线框中感应电流的方向为dcba，故D正确，A、B、C错误。 11．(2023·广州市第七中学高二期末)如图甲所示，线圈ab中通有如图乙所示的电流，电流正方向为从a到b，在0～t2这段时间内，用丝线悬挂的铝环M中产生感应电流，则下列说法正确的是(　　) A．0～t2这段时间内穿过铝环的磁通量一直在减小 B．从左向右看，铝环中感应电流的方向始终为顺时针 C．t1时铝环无感应电流 D．从左向右看，铝环中感应电流的方向始终为逆时针 答案　B 解析　M处于通电线圈的磁场中，磁通量变化取决于线圈中电流的变化；0～t1这段时间内线圈中电流减小，穿过铝环的磁通量在减小；t1～t2这段时间内线圈中电流反向增大，穿过铝环的磁通量在增大，t1时线圈中电流处于变化状态，铝环中磁通量处于变化状态，有感应电流，A、C错误；根据题意可知，由于电流从a到b为正方向，当电流是从a流向b，由安培定则可知，通电线圈的磁场的方向水平向右，则穿过铝环的磁场水平向右，0～t1时间内，由于电流减小，所以穿过铝环磁通量变小，根据楞次定律可得，铝环中的感应电流方向为顺时针(从左向右看)；当电流是从b流向a，由安培定则可知，穿过铝环的磁场水平向左，t1～t2时间内，由于电流增大，则穿过铝环的磁通量增加，根据楞次定律可得，铝环中感应电流方向为顺时针(从左向右看)，故电流方向始终为顺时针，B正确，D错误。 12．(2023·北京市平谷中学高二期末)如图甲所示，将电池组、滑动变阻器、带铁芯的线圈A、线圈B、电流表及开关进行连接。该电流表指针偏转方向与电流方向间的关系为：当电流从右接线柱流入电流表时，指针向右偏转。其中A线圈绕法如图乙所示，B线圈绕法如图丙所示。开关闭合，线圈A放在线圈B中。下列说法正确的是(　　) A．断开开关的瞬间，电流表指针将向右偏转 B．将线圈A从线圈B中拔出时，电流表指针将向左偏转 C．当滑动变阻器的滑片向左加速滑动时，电流表指针将向左偏转 D．当滑动变阻器的滑片向左匀速滑动时，电流表指针不发生偏转 答案　B 解析　由安培定则可知，A线圈中的磁场方向向上，断开开关的瞬间，B线圈中磁通量减小，由楞次定律可知，B线圈中感应电流的磁场方向向上，B线圈中的感应电流由c流向d，电流从左接线柱流入电流表，电流表指针将向左偏转，A错误；将线圈A从线圈B中拔出时，B线圈中磁通量减小，由楞次定律可知，B线圈中感应电流的磁场方向向上，B线圈中的感应电流由c流向d，电流从左接线柱流入电流表，电流表指针将向左偏转，B正确；当滑动变阻器的滑片向左加速或者向左匀速滑动时，滑动变阻器接入电路的电阻值都减小，电路中的电流增大，A线圈中的磁场方向向上，B线圈中向上的磁通量增大，由楞次定律可知，B线圈中感应电流的磁场方向向下，B线圈中感应电流由d流向c，电流从右接线柱流入电流表，电流表指针将向右偏转，C、D错误。 13．(2022·河南驻马店高级中学高二期末)长直导线与矩形线框abcd处在同一平面中静止不动，如图甲所示。长直导线中通以大小和方向都随时间做周期性变化的电流，其I－t图像如图乙所示。规定沿长直导线方向向上的电流为正方向。关于0～T时间内矩形线框中感应电流的方向，下列说法正确的是(　　) A．由顺时针方向变为逆时针方向 B．由逆时针方向变为顺时针方向 C．由顺时针方向变为逆时针方向，再变为顺时针方向 D．由逆时针方向变为顺时针方向，再变为逆时针方向 答案　D 解析　0～时间内，长直导线中向上的电流增大，则线框中的磁通量增大，根据楞次定律和安培定则可知，线框中产生逆时针方向的感应电流；～时间内，长直导线中向上的电流减小，则线框中的磁通量减少，线框中产生顺时针方向的感应电流；同理判断出～T时间内、T～T时间内的感应电流方向分别为顺时针和逆时针，故选D。 学科网（北京）股份有限公司 $$