高二物理人教版选修3-2课件：第四章-5-电磁感应现象的两类情况

第四章电磁感应学案5电磁感应现象的两类情况目标定位1.了解感生电场，知道感生电动势产生的原因.会判断感生电动势的方向，并会计算它的大小.2.了解动生电动势的产生以及与洛伦兹力的关系.3.知道公式E＝nΔΦΔt与E＝Blv的区别和联系，能够应用两个公式求解感应电动势.知识探究自我检测一、电磁感应现象中的感生电场问题设计如图1所示，B增强，那么就会在B的周围产生一个感生电场E.如果E处空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在电场力的作用下定向移动，而产生感应电流，或者说导体中产生感应电动势.知识探究图1(1)感生电场的方向与感应电流的方向有什么关系？如何判断感生电场的方向？答案电流的方向与正电荷移动的方向相同.感生电场的方向与正电荷受力的方向相同，因此，感生电场的方向与感应电流的方向相同，感生电场的方向也可以用楞次定律判定.(2)上述情况下，哪种作用扮演了非静电力的角色？答案感生电场对自由电荷的作用.要点提炼1.感生电场磁场时会在周围空间激发一种，这种电场与静电场不同，它不是由电荷产生的，我们把这种电场叫做.变化电场感生电场2.感生电动势(1)定义：由感生电场产生的感应电动势称为.(2)大小：E＝.(3)方向判断：和右手螺旋定则.感生电动势nΔΦΔt楞次定律二、电磁感应现象中的洛伦兹力问题设计如图2所示，导体棒CD在均匀磁场中运动.图2(1)自由电荷会随着导体棒运动，并因此受到洛伦兹力.导体中自由电荷相对纸面的运动在空间大致沿什么方向？为了方便，可以认为导体中的自由电荷是正电荷.答案导体中自由电荷(正电荷)具有水平方向的速度，由左手定则可判断自由电荷受到沿棒向上的洛伦兹力作用，其相对纸面的运动是斜向上的.(2)导体棒一直运动下去，自由电荷是否总会沿着导体棒一直运动下去？为什么？答案自由电荷不会一直运动下去.因为C、D两端聚集电荷越来越多，在CD棒间产生的电场越来越强，当电场力等于洛伦兹力时，自由电荷不再定向运动.(3)导体棒的哪端电势比较高？如果用导线把C、D两端连到磁场外的一个用电器上，导体棒中电流是沿什么方向的？答案C端电势较高，导体棒中电流是由D指向C的.要点提炼动生电动势1.产生：导体切割磁感线时，如果磁场不变化，空间就不存在，自由电荷不受电场力的作用，但自由电荷会随着导体棒切割磁感线的运动而受到，这种情况下产生的电动势称为.这时的非静电力与有关.感生电场洛伦兹力动生电动势洛伦兹力2.大小：E＝(B的方向与v的方向垂直).3.方向判断：.Blv右手定则三、E＝和E＝Blv的选用技巧问题设计产生感应电动势的方式有两个：一是磁场变化引起磁通量变化产生感应电动势E＝，叫感生电动势；另一个是导体切割磁感线运动产生感应电动势E＝Blv，叫动生电动势.nΔΦΔtnΔΦΔt1.E＝适用于任何情况下感应电动势的求法，当Δt→0时，E为值.2.E＝Blv是法拉第电磁感应定律在导体切割磁感线时的具体表达式.(1)当v为平均速度时，E为感应电动势.(2)当v为瞬时速度时，E为感应电动势.nΔΦΔt平均瞬时平均瞬时3.当同时存在感生电动势与动生电动势时，总电动势等于两者的.两者在方向相同时，方向相反时.(方向相同或相反是指感应电流在回路中的方向)代数和相加相减四、导体棒转动切割磁感线产生感应电动势的计算问题设计一长为l的导体棒在磁感应强度为B的匀强磁场中绕其一端以角速度ω在垂直于磁场的平面内匀速转动，求OA两端产生的感应电动势.答案方法一：利用公式E＝nΔΦΔt设导体棒长为l，绕O点转动角速度为ω，则在t时间内，其扫过的扇形面积S＝12ωtl2则由公式得E＝BΔSt＝12Bωl2方法二：利用公式E＝Blv如图所示，O点速度v0＝0，A点速度vA＝ωl则由公式E＝Blv，其中v取平均速度，得E＝Bl·12ωl＝12Bωl2典例精析一、对感生电场的理解例1某空间出现了如图3所示的一组闭合的电场线，这可能是()A.沿AB方向磁场在迅速减弱B.沿AB方向磁场在迅速增强C.沿BA方向磁场在迅速增强D.沿BA方向磁场在迅速减弱图3解析根据电磁感应定律，闭合回路中的磁通量变化时，使闭合回路中产生感应电流，该电流可用楞次定律判断.根据麦克斯韦电磁场理论，闭合回路中产生感应电流，是因为闭合回路中受到了电场力的作用，而变化的磁场产生电场，与是否存在闭合回路没有关系，故空间磁场变化产生的电流方向仍然可用楞次定律判断，四指环绕方向即为感应电流的方向，由此可知A、C两项正确.答案AC二、动生电动势的理解与应用例2在北半球上，地磁场竖直分量向下.飞机在我国上空匀速巡航，机翼保持水平，飞行高度不变.由于地磁场的作用，金属机翼上有电势差，设飞行员左方机翼末端处的电势为φ1，右方机翼末端处电势为φ2，则()A.若飞机从西往东飞，φ1比φ2高B.若飞机从东往西飞，φ2比φ1高C.若飞机从南往北飞，φ1比φ2高D.若飞机从北往南飞，φ2比φ1高解析若飞机从西往东飞，磁场竖直分量向下，手心向上，拇指指向飞机飞行方向，四指指向左翼末端，故φ1＞φ2，A选项正确.同理，飞机从东往西飞，仍是φ1＞φ2，B选项错误.同理，从南往北、从北往南飞，都是φ1＞φ2，故C选项正确，D选项错误.答案AC三、E＝和E＝Blv的选用技巧例3如图4所示，导轨OM和ON都在纸面内，导体AB可在导轨上无摩擦滑动，若AB以5m/s的速度从O点开始沿导轨匀速右滑，导体与导轨都足够长，它们每米长度的电阻都是0.2Ω，磁场的磁感应强度为0.2T.问：nΔΦΔt图4(1)3s末夹在导轨间的导体长度是多少？此时导体切割磁感线产生的感应电动势多大？回路中的电流为多少？解析夹在导轨间的部分导体切割磁感线产生的电动势才是电路中的感应电动势.3s末，夹在导轨间导体的长度为：l＝vt·tan30°＝5×3×tan30°m＝53m此时：E＝Blv＝0.2×53×5V＝53V电路电阻为R＝(15＋53＋103)×0.2Ω＝8.196Ω所以I＝ER＝1.06A.答案53m53V1.06A(2)3s内回路中的磁通量变化了多少？此过程中的平均感应电动势为多少？ΔΦ＝BS－0＝0.2×12×15×53Wb＝1532Wb3s内电路产生的平均感应电动势为：E＝ΔΦΔt＝15323V＝523V.答案1532Wb523V解析3s内回路中磁通量的变化量四、导体棒转动切割磁感线产生感应电动势的计算例4长为l的金属棒ab以a点为轴在垂直于匀强磁场的平面内以角速度ω做匀速转动，如图5所示，磁感应强度为B.求：图5(1)金属棒ab的平均速率；解析金属棒ab的平均速率v＝va＋vb2＝0＋ωl2＝12ωl答案12ωl(2)a、b两端的电势差；解析a、b两端的电势差：Uab＝E＝Blv＝12Bl2ω答案12Bl2ω(3)经时间Δt金属棒ab所扫过面积中磁通量为多少？此过程中平均感应电动势多大？解析经时间Δt金属棒ab所扫过的扇形面积为ΔS，则：ΔS＝12l2θ＝12l2ωΔt，ΔΦ＝BΔS＝12Bl2ωΔt.由法拉第电磁感应定律得：E＝ΔΦΔt＝12Bl2ωΔtΔt＝12Bl2ω.答案12Bl2ωΔt12Bl2ω课堂要点小结1.(对感生电场的理解)在下列选项所示的四种磁场变化情况中能产生恒定的感生电场的是()123自我检测C1232.(E＝与E＝Blv的选用技巧)如图6所示，一导线弯成半径为a的半圆形闭合回路.虚线MN右侧有磁感应强度为B的匀强磁场.方向垂直于回路所在的平面.回路以速度v向右匀速进入磁场，直径CD始终与MN垂直.从D点到达边界开始到C点进入磁场为止，下列结论正确的是()nΔΦΔt图6123A.感应电流方向不变B.CD段直导线始终不受安培力C.感应电动势最大值Em＝BavD.感应电动势平均值E＝14πBav解析在闭合电路进入磁场的过程中，通过闭合电路的磁通量逐渐增大，根据楞次定律可知感应电流的方向始终为逆时针方向，A正确.123根据左手定则可判断，CD段受安培力向下，B不正确.当半圆形闭合回路进入磁场一半时，这时有效切割长度最大为a，所以感应电动势最大值Em＝Bav，C正确.感应电动势平均值E＝ΔΦΔt＝14πBav.D正确.答案ACD1233.(导体棒转动切割磁感线产生感应电动势的计算)如图7所示，导体棒AB的长为2R，绕O点以角速度ω匀速转动，OB长为R，且O、B、A三点在一条直线上，有一磁感应强度为B的匀强磁场充满转动平面且与转动平面垂直，那么AB两端的电势差为()图7A.12BωR2B.2BωR2C.4BωR2D.6BωR2123解析A点线速度vA＝ω·3R，B点线速度vB＝ωR，AB棒切割磁感线的平均速度v＝vA＋vB2＝2ωR，由E＝Blv得，AB两端的电势差为E＝B·2R·v＝4BωR2，C正确.答案C