高中物理划时代的法拉第

星宸物理 2020-12-08

迈克尔·法拉第（Michael Faraday，1791年9月22日～1867年8月25日），英国物理学家、化学家，也是著名的自学成才的科学家，出生于萨里郡纽因顿一个贫苦铁匠家庭，仅上过小学。1831年，他作出了关于电力场的关键性突破，永远改变了人类文明。迈克尔·法拉第是英国著名化学家戴维的学生和助手，他的发现奠定了电磁学的基础，是麦克斯韦的先导。1831年10月17日，法拉第首次发现电磁感应现象，并进而得到产生交流电的方法。1831年10月28日法拉第发明了圆盘发电机，是人类创造出的第一个发电机。1867年8月25日，法拉第因病医治无效逝世，享年76岁。由于他在电磁学方面做出了伟大贡献，被称为“电学之父”和“交流电之父”。

【物理必备知识】

1.与法拉第有关的物理学史

法拉第发现了电磁感应现象，第一次提出了场的概念，引入电场线和磁场线来形象的描述这种特殊的物质，爱因斯坦的评价：场的思想是法拉第最富创造性的思想，是牛顿以来最重要的发现。麦克斯韦正是继承和发展了场的思想，为之找到了完美的数学表示形式从而建立了电磁场理论。

关于法拉第电磁感应定律，好多学生都认为是法拉第提出来的，这是错误的，“闭合电路中的感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比”这个规律是由纽曼、韦伯在对理论和实验资料进行严格分析后，于1845年和1846年先后提出来的，后人为了纪念法拉第在电磁学中的贡献，称之为法拉第电磁感应定律。

2.电磁感应相关知识

产生条件：

实验1　如图所示，导体AB做切割磁感线运动时，闭合导体回路中有电流产生，而导体AB顺着磁感线运动时，闭合导体回路中无电流产生。

实验2　如图所示，当条形磁铁插入或抽出线圈时，线圈中有电流产生，但条形磁铁在线圈中静止不动时，线圈中无电流产生。

实验3　如图所示，将小螺线管A插入大螺线管B中不动，当开关S闭合或断开时，电流表中有电流通过；若开关S一直闭合，当改变滑动变阻器的阻值时，电流表中有电流通过；而开关一直闭合，滑动变阻器的滑动触头不动时，电流表中无电流通过。

结论归纳：产生感应电流的条件是：只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，闭合导体回路中就有感应电流。

感应电流方向判断：

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)理解：当磁通量增加时，感应电流的磁场与原磁场方向相反，当磁通量减少时，感应电流的磁场与原磁场方向相同，即增反减同。

(3)当闭合导体回路的一部分做切割磁感线运动时，可以用右手定则判断感应电流的方向。

右手定则：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。

感应电动势大小计算：

法拉第电磁感应定律

(1)内容：闭合电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。

解析　根据产生感应电流的条件可判断：A选项中，电路没有闭合，无感应电流；B选项中，面积增大，穿过闭合电路的磁通量增大，有感应电流；C选项中，穿过线圈的磁感线相互抵消，Φ恒为零，ΔΦ＝0，无感应电流；D选项中，磁通量不发生变化，无感应电流。

答案　B

【例题2】(楞次定律的应用)某磁场磁感线如图所示，有一铜线圈自图中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

解析　自A处落至题图虚线所示位置的过程中，穿过线圈的磁通量增加，由楞次定律知线圈中感应电流方向为顺时针，从题图虚线所示位置落至B处的过程中，穿过线圈的磁通量减少，由楞次定律知，线圈中感应电流方向为逆时针，选项C正确。

答案C

【例题3】如图甲所示，一个圆形线圈匝数n＝1 000匝、面积S＝2×10－2m2、电阻r＝1 Ω。在线圈外接一阻值为R＝4 Ω的电阻。把线圈放入一个匀强磁场中，磁场方向垂直线圈平面向里，磁场的磁感应强度B随时间变化规律如图乙所示。求：

(1)0～4 s内，回路中的感应电动势；

(2)t＝5 s时，a、b两点哪点电势高；

(3)t＝5 s时，电阻R两端的电压U。

答案　(1)1 V(2)a点的电势高　(3)3.2V