44法拉第电磁感应定律学案(人教版选修3-2)

学案4法拉第电磁感应定律[学习目标定位]1.理解和掌握法拉第电磁感应定律，并能够运用法拉第电磁感应定律定量计算感应电动势的大小.2.能够运用E＝Blv或E＝Blvsinθ计算导体切割磁感线时的感应电动势.3.知道反电动势的定义和在生产中的应用．1．在电磁感应现象中，产生感应电流的条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化．2．磁通量发生变化的方式：磁感应强度B变化、闭合电路的有效面积S变化、磁感应强度B和闭合电路的有效面积S均变化．在电磁感应现象中产生的电动势叫做感应电动势．一、电磁感应定律法拉第电磁感应定律：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，表达式为E＝nΔΦΔt，其中n是线圈的匝数．二、导线切割磁感线时的感应电动势当导线切割磁感线产生感应电动势时，E＝Blv(B、l、v两两垂直时)，E＝Blvsin_θ(v⊥l，但v与B夹角为θ)．三、反电动势1．电动机转动时，线圈中会产生反电动势，它的作用是阻碍线圈的转动．要使线圈维持原来的转动，电源就要向电动机提供能量．这正是电能转化为其他形式能的过程．2．若电动机工作中由于机械阻力过大而停止转动，这时就没有了反电动势，线圈中电流会很大，可能会把电动机烧毁，这时应立即切断电源，进行检查.一、电磁感应定律[问题设计]关于教材第2节“探究感应电流的产生条件”中的几个演示实验，思考下列问题：(1)在实验中，电流表指针偏转原因是什么？(2)电流表指针偏转程度跟感应电动势的大小有什么关系？图1(3)在图1中，将条形磁铁从同一高度插入线圈中，快插入和慢插入有什么相同和不同？答案(1)穿过闭合电路的Φ变化⇒产生E感⇒产生I感．(2)由闭合电路欧姆定律知I＝ER＋r，当电路的总电阻一定时，E感越大，I感越大，指针偏转程度越大．(3)磁通量变化相同，但磁通量变化的快慢不同，即电流表指针偏转程度不同．[要点提炼]1．E＝nΔΦΔt一般用来求Δt时间内感应电动势的平均值．其中n为线圈匝数，ΔΦ总是取绝对值．2．磁通量Φ和磁通量的变化率ΔΦΔt没有直接关系．(1)Φ很大时，ΔΦΔt可能很小，也可能很大；(2)Φ＝0时，ΔΦΔt可能不为0.3．磁通量的变化率ΔΦΔt是Φ－t图象上某点切线的斜率．常见感应电动势的计算式有：(1)线圈面积S不变，磁感应强度B均匀变化：E＝nΔBΔt·S.(ΔBΔt为B－t图象上某点切线的斜率)(2)磁感应强度B不变，线圈面积S均匀变化：E＝nB·ΔSΔt.4．产生感应电动势的那部分导体相当于电源．如果电路没有闭合，这时虽然没有感应电流，但电动势依然存在．二、导线切割磁感线时的感应电动势[问题设计]如图2所示，闭合电路一部分导体ab处于匀强磁场中，磁感应强度为B，ab的长度为l，ab以速度v匀速切割磁感线，求回路中产生的感应电动势．图2答案设在Δt时间内导体棒由原来的位置运动到a1b1，如图所示，这时线框面积的变化量为ΔS＝lvΔt穿过闭合电路磁通量的变化量为ΔΦ＝BΔS＝BlvΔt根据法拉第电磁感应定律得E＝ΔΦΔt＝Blv.[要点提炼]1．当导体平动垂直切割磁感线时，即B、l、v两两垂直时(如图3所示)E＝Blv.图32．公式中l指有效切割长度：即导体在与v垂直的方向上的投影长度．图4图4甲中的有效切割长度为：l＝cdsinθ；图乙中的有效切割长度为：l＝MN；图丙中的有效切割长度为：沿v1的方向运动时，l＝2R；沿v2的方向运动时，l＝R.[延伸思考]如图5所示，如果长为l的直导线的运动方向与直导线本身是垂直的，但与磁感线方向有一个夹角θ(θ≠90°)，则此时直导线上产生的感应电动势表达式是什么？图5答案如图所示，可以把速度v分解为两个分量：垂直于磁感线的分量v1＝vsinθ和平行于磁感线的分量v2＝vcosθ.后者不切割磁感线，不产生感应电动势；前者切割磁感线，产生的感应电动势为E＝Blv1＝Blvsinθ.一、法拉第电磁感应定律的理解例1下列几种说法中正确的是()A．线圈中磁通量变化越大，线圈中产生的感应电动势一定越大B．线圈中磁通量越大，线圈中产生的感应电动势一定越大C．线圈放在磁场越强的位置，线圈中产生的感应电动势一定越大D．线圈中磁通量变化越快，线圈中产生的感应电动势一定越大解析本题考查对法拉第电磁感应定律的理解，关键是抓住感应电动势的大小和磁通量的变化率成正比．感应电动势的大小和磁通量的大小、磁通量变化量的大小以及磁场的强弱均无关系，它由磁通量的变化率决定，故选D.答案D二、E＝nΔΦΔt的应用例2一个200匝、面积为20cm2的线圈，放在磁场中，磁场的方向与线圈平面成30°角，若磁感应强度在0.05s内由0.1T增加到0.5T，在此过程中穿过线圈的磁通量的变化量是______Wb；磁通量的平均变化率是______Wb/s；线圈中的感应电动势的大小是_______V.解析磁通量的变化量为ΔΦ＝ΔB·Ssinθ＝(0.5－0.1)×20×10－4×0.5Wb＝4×10－4Wb磁通量的平均变化率为ΔΦΔt＝4×10－40.05Wb/s＝8×10－3Wb/s根据法拉第电磁感应定律，感应电动势的大小为：E＝nΔΦΔt＝200×8×10－3V＝1.6V.答案4×10－48×10－31.6例3如图6甲所示，平行导轨MN、PQ水平放置，电阻不计，两导轨间距d＝10cm，导体棒ab、cd放在导轨上，并与导轨垂直．每根棒在导轨间的部分，电阻均为R＝1.0Ω.用长为L＝20cm的绝缘丝线将两棒系住．整个装置处在匀强磁场中，t＝0的时刻，磁场方向竖直向下，丝线刚好处于未被拉伸的自然状态．此后，磁感应强度B随时间t的变化如图乙所示．不计感应电流磁场的影响，整个过程丝线未被拉断．求：(1)0～2.0s的时间内，电路中感应电流的大小与方向；(2)t＝1.0s时，丝线的拉力大小．图6解析(1)由题图乙可知ΔBΔt＝0.1T/s由法拉第电磁感应定律有E＝ΔΦΔt＝ΔBΔtS＝2.0×10－3V则I＝E2R＝1.0×10－3A由楞次定律可知电流方向为顺时针方向(2)导体棒在水平方向上受丝线拉力和安培力平衡由题图乙可知t＝1.0s时B＝0.1T则FT＝FA＝BId＝1.0×10－5N.答案(1)1.0×10－3A顺时针(2)1.0×10－5N三、E＝Blv的应用例4试写出如图7所示的各种情况下导线中产生的感应电动势的表达式[导线长均为l，速度为v，磁感应强度均为B，图(3)、(4)中导线垂直纸面]．图7答案(1)E＝0(2)E＝Blv(3)E＝0(4)E＝Blvcosθ1．(对法拉第电磁感应定律的理解)穿过一个单匝闭合线圈的磁通量始终为每秒均匀增加2Wb，则()A．线圈中感应电动势每秒增加2VB．线圈中感应电动势每秒减少2VC．线圈中感应电动势始终为2VD．线圈中感应电动势始终为一个确定值，但由于线圈有电阻，电动势小于2V答案C解析由E＝nΔΦΔt知：ΔΦΔt恒定，n＝1，所以E＝2V.2．(E＝nΔΦΔt的应用)单匝矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，转轴垂直于磁场，若线圈所围面积的磁通量随时间变化的规律如图8所示，则O～D过程中()图8A．线圈中O时刻感应电动势最大B．线圈中D时刻感应电动势为零C．线圈中D时刻感应电动势最大D．线圈中O至D时间内的平均感应电动势为0.4V答案ABD解析由法拉第电磁感应定律E＝nΔΦΔt，ΔΦΔt即为Φ－t图象对应时刻切线的斜率，所以A、B正确，C错误；线圈中O至D时间内的平均感应电动势E＝nΔΦΔt＝1×2×10－3－00.005V＝0.4V．所以D正确．3．(E＝Blv的应用)如图9所示，在竖直向下的匀强磁场中，将一个水平放置的金属棒ab以水平初速度v0抛出，设运动的整个过程中不计空气阻力，则金属棒在运动过程中产生的感应电动势大小将()图9A．越来越大B．越来越小C．保持不变D．无法确定答案C解析金属棒做平抛运动，水平速度不变，且水平速度即为金属棒垂直切割磁感线的速度，故感应电动势保持不变．题组一对法拉第电磁感应定律的理解1．将闭合多匝线圈置于仅随时间变化的磁场中，线圈平面与磁场方向垂直，关于线圈中产生的感应电动势，下列表述正确的是()A．感应电动势的大小与线圈的匝数无关B．当穿过线圈的磁通量为零时，感应电动势可能不为零C．当穿过线圈的磁通量变化越快时，感应电动势越大D．感应电动势的大小与磁通量的变化量成正比答案BC解析由法拉第电磁感应定律可知，感应电动势E＝nΔΦΔt，即感应电动势与线圈匝数有关，故A错误；同时可知，感应电动势与磁通量的变化率有关，故D错误；磁通量变化越快，感应电动势越大，故C正确；当穿过线圈的磁通量为零时，磁通量的变化率不一定为零，因此感应电动势不一定为零．故B正确．2．关于感应电动势的大小，下列说法正确的是()A．穿过闭合电路的磁通量最大时，其感应电动势一定最大B．穿过闭合电路的磁通量为零时，其感应电动势一定为零C．穿过闭合电路的磁通量由不为零变为零时，其感应电动势一定为零D．穿过闭合电路的磁通量由不为零变为零时，其感应电动势一定不为零答案D解析磁通量的大小与感应电动势的大小不存在内在的联系，故A、B错；当磁通量由不为零变为零时，闭合电路的磁通量一定改变，一定有感应电流产生，有感应电流就一定有感应电动势，故C错，D对．3.如图1所示，闭合开关S，将条形磁铁插入闭合线圈，第一次用时0.2s，第二次用时0.4s，并且两次磁铁的起始和终止位置相同，则()图1A．第一次线圈中的磁通量变化较快B．第一次电流表G的最大偏转角较大C．第二次电流表G的最大偏转角较大D．若断开S，电流表G均不偏转，故两次线圈两端均无感应电动势答案AB解析两次磁通量变化相同，第一次时间短，则第一次线圈中磁通量变化较快，故A正确．感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比，磁通量的变化率大，感应电动势大，产生的感应电流大．故B正确，C错误．断开电键，电流表不偏转，故感应电流为零，但感应电动势不为零，故D错误．故选A、B.题组二E＝Blv的应用4．如图2所示的情况中，金属导体中产生的感应电动势为Blv的是()图2A．乙和丁B．甲、乙、丁C．甲、乙、丙、丁D．只有乙答案B5．某地的地磁场磁感应强度的竖直分量方向向下，大小为4.5×10－5T．一灵敏电压表连接在当地入海河段的两岸，河宽100m，该河段涨潮和落潮时有海水(视为导体)流过．设落潮时，海水自西向东流，流速为2m/s.下列说法正确的是()A．电压表记录的电压为5mVB．电压表记录的电压为9mVC．河南岸的电势较高D．河北岸的电势较高答案BD解析海水在落潮时自西向东流，该过程可以理解为：自西向东运动的导体在切割竖直向下的磁感线．根据右手定则，北岸是正极，电势高，南岸电势低，所以C错误，D正确．根据法拉第电磁感应定律E＝Blv＝4.5×10－5×100×2V＝9×10－3V，所以A错误，B正确．6．如图3所示，平行金属导轨的间距为d，一端跨接一阻值为R的电阻，匀强磁场的磁感应强度为B，方向垂直于导轨所在平面向里，一根长直金属棒与导轨成60°角放置，且接触良好，则当金属棒以垂直于棒的恒定速度v沿金属导轨滑行时，其他电阻不计，电阻R中的电流为()图3A.BdvRsin60°B.BdvRC.Bdvsin60°RD.Bdvcos60°R答案A解析导线切割磁感线的有效长度是l＝dsin60°，感应电动势E＝Blv，R中的电流为I＝ER.联立解得I＝BdvRsin60°.题组三E＝nΔΦΔt的应用7．下列各图中，相同的条形磁铁穿过相同的线圈时，线圈中产生的感应电动势最大的是()答案D解析感应电动势的大小为E＝nΔΦΔt＝nΔBSΔt，A、B两种情况磁通量变化量相同，C中ΔΦ最小，D中ΔΦ最大，磁铁穿过线圈所用的时间A、C、D相同且小于B所用的时间，所以D选项正确．8.如图4所示，半径为r的n匝线圈套在边长为L的正方形abcd之外，匀强磁场局限在正方形区域内且垂直穿过正方形面积，当磁感应强度以ΔBΔt的变化率均匀变化时，线圈中产生的感应电动势的大小为()图4A．πr2ΔBΔtB．L2ΔBΔtC．nπr2ΔBΔt