4.4法拉第电磁感应定律(人教版)

4.4法拉第电磁感应定律实验探究一•若闭合电路中有感应电流,电路中就一定有电动势.•演示实验并播放动画•画出等效电路图实验探究二•若电路断开时，虽然没有感应电流，电动势依然存在。•演示实验并播放动画•画出等效电路图在电磁感应现象中产生的电动势叫感应电动势。产生感应电动势的那部分导体就相当于电源一、感应电动势1．感应电动势：在电磁感应现象中产生的电动势叫做感应电动势，产生感应电动势的那部分导体相当于电源．2．感应电动势与感应电流：感应电动势是形成感应电流的必要条件，有感应电动势不一定存在感应电流（要看电路是否闭合），有感应电流一定存在感应电动势．•猜想：感应电动势很可能与磁通量变化的快慢有关（而磁通量变化的快慢可以用磁通量的变化率表示）•感应电动势的大小跟哪些因素有关？实验1：用导线切割磁感线，产生感应电流的实验中，导线运动的速度越快、磁体的磁场超强，产生的感应电流越大•实验探究1:感应电动势2•实验探究3:感应电动势1实验2：在向线圈中插入条形磁铁的实验中，磁铁的磁场越强、插入的速度越快，产生的感应电流就越大。•实验:电磁感应插磁铁•实验探究2:感应电动势31、当时间相同时,磁通量变化越大,感应电流就越大,表明感应电动势越大。2、当磁通量变化相同时,所用时间越短,感应电流就越大,表明感应电动势越大感应电动势的大小跟磁通量变化和所用时间都有关.分析与论证结论说明：磁通量变化的快慢，可用单位时间内的磁通量的变化，即磁通量的变化率来表示。可见感应电动势的大小由磁通量的变化率来决定。t概念的类比磁通量速度磁通量的变化速度的变化磁通量的变化率速度的变化率精确实验表明：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。这就是法拉第电磁感应定律。tkEtE得出若闭合电路是一个n匝线圈，且穿过每匝线圈的磁通量变化率都相同，则整个线圈的感应电动势为tnE1．磁通量的变化率/t：表示磁通量变化的快慢．（1）磁通量的变化率跟磁通量、磁通量的变化不同．磁通量为零时，磁通量的变化率不一定为零，磁通量变化大不等于磁通量的变化率大．二、法拉第电磁感应定律的理解t（2）/t是指在时间t内磁通量变化快慢的平均值；t0，/t表示在某瞬时磁通量变化的快慢，（3）式中物理量都取国际单位EVWbts【典例1】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,在此过程中磁通量变化了多少？磁通量的平均变化率是多少？线圈中感应电动势的大小是多少伏？【思路点拨】解答本题时可按以下思路分析：【自主解答】磁通量的变化量是由磁场的变化引起的，应该用公式ΔΦ=ΔBSsinθ来计算，所以ΔΦ=ΔBSsinθ=(0.5-0.1)×20×10-4×0.5Wb=4×10-4Wb.磁通量的变化率-4-3410=Wb/s=810Wb/s.t0.05感应电动势的大小可根据法拉第电磁感应定律E=n=200×8×10-3V=1.6V.答案：4×10-4Wb8×10-3Wb/s1.6Vt三．导线切割磁感线时的感应电动势．（1）垂直切割时：如图所示，导体由ab匀速移动到a1b1，这一过程中穿过闭合回路的磁通量变化=BLvt，由法拉第电磁感应定律得：EBLvt（2）切割方向与磁场方向成θ角时：如图所示，将v分解为垂直B和平行B的两个分量，其中：sinvv对切割有贡献．cos//vv对切割无贡献．EBLv所以：s:inEBLV即导线切割磁感线时产生的电动势的大小，跟磁感强度B、导线长度L、运动速度v以及运动方向与磁感线方向的夹角的正弦sin成正比【典例2】（2009·山东高考）如图所示，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A.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πBav1E=4【思路点拨】求解此题应注意以下三点：【标准解答】选A、C、D.导体切割磁感线产生感应电动势，由右手定则可知，感应电流方向不变，A正确.感应电动势最大值即切割磁感线等效长度最大时的电动势，故Em=Bav,C正确.①ΔΦ=B·πa2②Δt=③由①②③得πBav,D正确.E=t2av1E=412例题3：长为L的金属棒ab，绕b端在垂直于匀强磁场的平面内以角速度ω匀速转动，磁感应强度为B，如图所示，求ab两端的电势差．解析：ab两端电势差等于金属棒切割磁感线产生的电动势（因为没有外电路），所以只要求出电动势即可．棒上各处速率不等，不能直接用E=BLv来求，但棒上各点的速度v=r与半径成正比，因此可用棒的中点速度作为平均切割速度代入公式计算：21,22LVEBLVBL　•公式E=Δφ/Δt，E=nΔφ/Δt一般适用于求解平均电动势的大小；而公式E=BLV一般适用于切割磁感线运动导体的瞬时电动势的大小。•讨论：产生感应电流与产生感应电动势的条件一样吗？•（导体在磁场中做切割线运动或者是穿过某一回路的磁通量发生变化，就一定产生感应电动势）【典例4】（2010·长春高二检测）一根导体棒ab在垂直于纸面方向的匀强磁场中自由下落,并始终保持水平方向且与磁场方向垂直.如图所示,则有A.Uab=0B.UaUb,Uab保持不变C.Ua≥Ub,Uab越来越大D.UaUb,Uab越来越大【思路点拨】导体切割磁感线时,感应电动势的方向、大小分别由右手定则和E=Blv确定.【标准解答】选D.ab棒向下运动时,可由右手定则判断感应电动势方向为a→b,所以UbUa,由Uab=E=Blv及棒自由下落时v越来越大,可知Uab越来越大,D项正确.三、反电动势•思考：•如图所示,电源在电动机线圈中产生的电流的方向以及AB.CD两个边受力的方向都可判断出.•三.反电动势既然线圈在磁场中转动，线圈中就会产生感应电动势。感应电动势加强了电源了产生的电流,还是削弱了它？是有利于线圈的转动,还是阻碍了线圈的转动？电动机转动是时,线圈中产生的感应电动势总要削弱电源电动势的作用,阻碍线圈的转动.──反电动势讨论与归纳•电动机转动时,线圈中也会产生感应电动势,这个感应电动势总要削弱电源电动势的作用,将这个感应电动势称为反电动势.它的作用是阻碍线圈的转动.•如果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.讨论:电动机工作中要注意的问题•如果电动机工作中由于机械阻力过大而停止转动,这时没有了反电动势,电阻很小的线圈直接连在电源的两端,电流会很大,时间长了很可能把电动机烧毁.所以,如果电动机由于机械故障停转.要立即切断电源,进行检查.小结：•法拉第电磁感应定律•导线切割磁感线时产生的电动势的大小，跟磁感强度B、导线长度L、运动速度v以及运动方向与磁感线方向的夹角的正弦sin成正比Ets:inEBLV即反电动势：电动机转动时，线圈中会产生感应电动势，这个电动势总要削弱电源电动势的作用，这个电动势称为反电动势【典例4】（2010·巢湖高二检测）如图所示，MN、PQ为光滑金属导轨（金属导轨电阻忽略不计），MN、PQ相距L=50cm,导体棒AB在两轨道间的电阻为r=1Ω,且可以在MN、PQ上滑动，定值电阻R1=3Ω,R2=6Ω,整个装置放在磁感应强度为B=1.0T的匀强磁场中，磁场方向垂直于整个导轨平面，现用外力F拉着AB棒向右以v=5m/s速度做匀速运动.求：（1）导体棒AB产生的感应电动势E和AB棒上的感应电流方向.（2）导体棒AB两端的电压UAB=？【思路点拨】解答本题时应把握以下三点：【标准解答】(1)导体棒AB产生的感应电动势E=BLv=2.5V由右手定则，AB棒上的感应电流方向向上，即沿B→A方向(2)R并==2Ω，UAB=I·R并=V≈1.7V答案：（1）2.5VB→A方向（2）1.7V1212RRR+RE2.5I==A,R+r3并531.下列几种说法正确的是()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，产生的感应电动势一定越大C.线圈放在磁场越强的位置，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越大课堂训练【解析】选D.依据法拉第电磁感应定律可知，感应电动势与磁通量无关、与磁通量的变化量无关，与匝数和磁通量的变化率成正比.因此，选项A、B都是错误的.磁场的强弱与感应电动势也无关，所以选项C也是不对的.线圈中磁通量变化越快意味着线圈的磁通量的变化率越大，依据法拉第电磁感应定律可知，感应电动势与磁通量的变化率成正比，在此条件下线圈中产生的感应电动势越大，故选项D是正确的.2.（2010·银川高二检测）闭合电路中的一段导体，在匀强磁场中以v所示方向运动时，导体内通过的感应电流方向为I,图中正确表示了以上三个量的方向关系的是()【解析】选B、D.根据右手定则，可知B、D图正确，A、C图错误.3.如图所示，在竖直向下的匀强磁场中，将一水平放置的金属棒ab以水平初速度v0抛出，设在整个过程中棒的取向不变，且不计空气阻力，则金属棒在运动过程中产生的感应电动势的大小变化情况是()A.越来越大B.越来越小C.保持不变D.无法判断【解析】选C.金属棒被水平抛出后做平抛运动，切割速度保持v0不变，故感应电动势E=BLv0保持不变，故C对，A、B、D都错.4.如图所示，将玩具电动机通过开关、电流表接到电池上，闭合开关S，观察电动机启动过程中电流表读数会有什么变化？怎样解释这种电流的变化？【解析】刚闭合开关S时，电流表读数比较大，后来减小.随电动机的转速逐渐增大的过程中，电动机线圈中产生反电动势，削弱电源产生的电流，所以电流表示数减小.答案：见解析5.(2010·新课标全国卷)在电磁学发展过程中，许多科学家做出了贡献.下列说法正确的是()A.奥斯特发现了电流磁效应；法拉第发现了电磁感应现象B.麦克斯韦预言了电磁波；楞次用实验证实了电磁波的存在C.库仑发现了点电荷的相互作用规律；密立根通过油滴实验测定了元电荷的数值D.安培发现了磁场对运动电荷的作用规律；洛伦兹发现了磁场对电流的作用规律【解析】选A、C.赫兹用实验证实了电磁波的存在，选项B错误，洛伦兹发现了磁场对运动电荷的作用规律，安培发现了磁场对电流的作用规律，选项D错误.6.（2010·全国高考Ⅰ）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【解析】选B、D.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棒在切割竖直向下的磁场.根据右手定则，北岸是正极电势高，南岸电势低，所以D正确C错.根据法拉第电磁感应定律E=BLv=4.5×10-5×100×2V=9×10-3V,所以B正确A错.7.(2010·西安高二检测)环形线圈放在均匀磁场中，设在第1秒内磁感线垂直于线圈平面向里，若磁感应强度随时间变化的关系如图，那么在第2秒内线圈中感应电流的大小和方向是()A.感应电流大小恒定，顺时针方向B.感应电流大小恒定，逆时针方向C.感应电流逐渐增大，逆时针方向D.感应电流逐渐减小，顺时针方向【解析】选B.由B-t图知：第2秒内恒定，则E=S也恒定，故感应电流大小恒定，又由楞次定律判断知电流方向沿逆时针方向，故B对，A、C、D都错.BtBtEI=R8.（2010·桂林高二检测）如图（a）所示，一个电阻值为R，匝数为n的圆形金属线圈与阻值为2R的电阻R1连接成闭合回路.线圈的半径为r1.在线