2012高二物理课件：第四章 5 电磁感应现象的两类情况 (新人教版选修3-2)

5电磁感应现象的两类情况知识点1感生电场与感生电动势1．感生电场(1)定义：变化的磁场在周围空间所激发的电场．(2)方向：就是感生电流的方向，用楞次定律判断．(3)电场线：是闭合的曲线．2．感生电动势(1)定义：由感生电场产生的电动势．感生电动势所对应的非静电力是感生电场对自由电荷的作用力．(2)感生电动势大小由法拉第电磁感应定律求得，即：(3)感生电场是产生感生电动势的原因．E＝nΔΦΔt＝nSΔBΔt.3．应用实例：电子感应加速器(1)电子感应加速器是用感生电场来加速电子的一种设备，如图4－5－1所示．图4－5－1(2)原理：它的柱形电磁铁在两极间产生磁场．在磁场中安置一个环形真空管道作为电子运行的轨道．当磁场发生变化时，就会沿管道方向产生感生电场．射入其中的电子就受到感生电场的持续作用而不断加速．知识点2洛伦兹力与动生电动势1．定义：由于导体的运动(切割磁感线)而产生的感应电动势．动生电动势所对应的非静电力是洛伦兹力的分力．2．动生电动势与洛伦兹力有关，因为洛伦兹力总是与电荷的运动方向垂直，所以洛伦兹力始终不做功．3．动生电动势的大小可用E＝Blvsinθ，该公式适用于匀强磁场，直导线既垂直于磁感应强度B，又垂直于速度v.式中θ是v与B的夹角．Bsinθ可看作B在垂直于v方向上的分量B⊥，vsinθ可看作v在B方向上的分量v⊥.感生电动势动生电动势特点闭合回路的任何部分都不动，空间磁场变化导致回路中磁通量变化磁场不变，闭合电路的整体或局部在磁场中运动导致回路中磁通量变化原因由于B变化引起回路中Φ变化由于S变化引起回路中Φ变化非静电力的来源变化磁场在它周围空间激发感生电场，非静电力是感生电场力，由感生电场力对电荷做功而产生电动势非静电力是洛伦兹力的分力，由洛伦兹力对运动电荷作用而产生电动势方向判断楞次定律楞次定律或右手定则知识点3感生电动势与动生电动势的区别【例1】如图4－5－2所示，两根平行金属导轨固定在水平桌面上，每根导轨每米的电阻为r0＝0.10Ω/m，导轨的端点P、Q用电阻可忽略的导线相连，两导轨间的距离l＝0.20m．有随时间变化的匀强磁场垂直于桌面，已知磁感强度B与时间t的关系为B＝kt，比例系数k＝0.020T/s.一电阻不计的金属杆可在导轨上无摩擦地滑动，在滑动过程中保持与导轨垂直．在t＝0时刻，金属杆紧靠在P、Q端，在外力作用下，杆以恒定的加速度从静止开始向导轨的另一端滑动，求在t＝6.0s时金属杆所受的安培力．图4－5－2解：以a表示金属杆运动的加速度，在t时刻，金属杆与初始位置的距离L＝12at2，此时杆的速度v＝at，面积S＝Ll，感应电动势E＝SΔBΔt＋Blv，而B＝kt，ΔBΔt＝kt＋Δt－ktΔt＝k，回路的总电阻R＝2Lr0，感应电流I＝ER，作用于杆的安培力F＝BlI，解得F＝32k2l2r0t，代入数据为F＝1.44×10－3N.1．(双选)如图4－5－3所示，一个闭合电路静止于磁场中，由于磁场强弱的变化，而使电路中产生了感应电动势，下列说法中正确的是()图4－5－3A．磁场变化时，会在空间中激发一种电场B．使电荷定向移动形成电流的力是磁场力C．使电荷定向移动形成电流的力是电场力D．以上说法都不对解析：变化的磁场产生电场，处在其中的导体，其内部的自由电荷在电场力作用下定向移动形成电流．答案：AC题型1感生电动势的应用【例2】内壁光滑，水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于环口直径的带正电小球，以速度v0沿逆时针方向匀速转动，如图4－5－4所示，若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B.随时间成正比增加的变化磁场，设运动过程中小球带电量不变，则正确的是()图4－5－4A．小球对玻璃环的压力一定不断增大B．小球受到的磁场力一定不断增大C．小球先沿逆时针方向减速运动一段时间后沿顺时针方向加速运动D．磁场力对小球先做负功后做正功解析：空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间成正比增加的变化磁场，在此空间激发感生电场，由于感应电流的磁场方向向下，由安培定则可知，感生电场的方向从上往下看顺时针，感生电场对电荷的作用力与电荷的运动方向相反，所以小球先沿逆时针方向减速运动一段时间后沿顺时针方向加速运动．答案：C2．在竖直向上的匀强磁场中，水平放置一个不变形的单匝金属圆线圈，规定线圈中感应电流的正方向如图4－5－5甲所示，当磁场的磁感应强度B随时间t如图乙变化时，下列选项)中正确表示线圈中感应电动势E变化的是(图4－5－5答案：A解析：由法拉第电磁感应定律E＝nΔΦΔt＝nSΔBΔt，在t=0～1s，B均匀增大，则ΔBΔt为一恒量，则E为一恒量，再由楞次定律，可判断感应电动势为顺时针方向，则电动势为正值，在t＝1～3s，B不变化，则感应电动势为零，在t＝3～5s，B均匀减小，则ΔBΔt为一恒量，但B变化的较慢，则E为一恒量，但比t＝0～1s小，再由楞次定律，可判断感应电动势为逆时针方向，则电动势为负值，所以A选项正确．题型2动生电动势的应用【例3】如图4－5－6所示，用粗细相同的铜丝做成边长分别为L和2L的两只闭合线框a和b，以相同的速度从磁感应强度为B的匀强磁场区域中匀速地拉到磁场外，不考虑线框的动能变)化，若外力对环做的功分别为Wa、Wb，则Wa∶Wb为(图4－5－6A．1∶4C．1∶1B．1∶2D．不能确定答案：A解析：根据能量的转化和守恒可知，外力做的功等于电能，而电能又全部转化为焦耳热，Wa＝Qa＝BLv2Ra·Lv，Wb＝Qb＝B2Lv2Rb·2Lv；由电阻定律知，Rb＝2Ra.故Wa∶Wb＝1∶4.3.(2011年湛江调研)如图4－5－7所示，在磁感应强度B＝1.2T的匀强磁场中，让导体PQ在U型导轨上以速度v0＝10m/s向右匀速滑动，两导轨间距离L＝0.5m，则产生的感应)D电动势的大小和PQ中的电流方向分别为(图4－5－7A．0.6V，由P向QC．6V，由P向QB．0.6V，由Q向PD．6V，由Q向P题型3电磁感应与力学的综合应用【例4】如图4－5－8所示，有两根足够长、不计电阻，相距L的平行光滑金属导轨cd、ef与水平面成θ角固定放置，底端接一阻值为R的电阻，在轨道平面内有磁感应强度为B的匀强磁场，方向垂直轨道平面斜向上．现有一平行于ce、垂直于导轨、质量为m、电阻不计的金属杆ab，在沿轨道平面向上的恒定拉力F作用下，从底端ce由静止沿导轨向上运动，当ab杆速度达到稳定后，撤去拉力F，最后ab杆又沿轨道匀速回到ce端．已知ab杆向上和向下运动的最大速度相等．求拉力F和杆ab最后回到ce端的速度v.图4－5－8解：当ab杆沿导轨上滑达到最大速度v时，其受力如图4－5－9所示图4－5－9由平衡条件可知F－FB－mgsinθ＝0①又FB＝BIL②又FB＝BIL②而I＝BLvR③联立①②③式得F－B2L2vR－mgsinθ＝0④同理可得，ab杆沿导轨下滑达到最大速度时mgsinθ＝B2L2vR⑤联立④⑤两式解得F＝2mgsinθ，v＝mgRsinθB2L2.4．如图4－5－10所示，宽度为L的足够长的平行金属导轨MN、PQ的电阻不计，垂直导轨水平放置一质量为m电阻为R的金属杆CD，整个装置处于垂直于导轨平面的匀强磁场中，导轨平面与水平面之间的夹角为θ，金属杆由静止开始下滑，动摩擦因数为μ，下滑过程中重力的最大功率为P，求磁感应强度的大小．图4－5－10解：金属杆先加速后匀速运动，设匀速运动的速度为v，此时有最大功率，金属杆的电动势为E＝BLv回路电流I＝ER安培力F＝BIL金属杆受力平衡，则有mgsinθ＝F＋μmgcosθ重力的最大功率P＝mgvsinθ解得B＝mgLRsinθsinθ－μcosθP.