2020版高中物理 第四章 5 电磁感应现象的两类情况课件 新人教版选修3-2

5电磁感应现象的两类情况[学习目标]1.知道感生电动势的产生以及与感生电场的联系,会判断感生电动势的方向并计算其大小.2.知道动生电动势的产生以及与洛伦兹力的关系,会判断动生电动势的方向并计算其大小.3.进一步掌握E=n及E=Blv的区别和联系.4.了解电磁感应规律的一般应用,会联系科技实例进行分析.t课前预习掌握新知知识梳理一、电磁感应现象中的感生电场1.感生电场磁场时在空间激发的一种电场.2.感生电动势由产生的感应电动势.3.感生电动势中的非静电力对自由电荷的作用力.4.感生电场的方向与所产生的的方向相同,可根据楞次定律用右手螺旋定则判断.变化感生电场感生电场感应电流二、电磁感应现象中的洛伦兹力1.动生电动势由于导体运动而产生的感应电动势.切割磁感线2.动生电动势中的非静电力自由电荷因随导体棒运动而受到,非静电力与有关.3.动生电动势中的功能关系闭合回路中,导体棒做切割磁感线运动时,克服力做功,其他形式的能转化为.洛伦兹力洛伦兹力安培电能科学思维1.思考判断(1)感生电场线是闭合的.()√(2)只要磁场变化,即使没有电路,在空间也将产生感生电场.()(3)处于变化磁场中的导体,其内部自由电荷定向移动,是由于受到感生电场的作用.()(4)感生电场可以对电荷做功.()(5)动生电动势产生的原因是导体内部的自由电荷受到洛伦兹力的作用.()(6)产生动生电动势时,洛伦兹力对自由电荷做了功.()√√√√×2.思维探究(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定向移动的方向相同,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.感生电场的方向可以用楞次定律和右手定则判定.(2)动生电动势的产生与洛伦兹力有关,洛伦兹力做功吗?答案:洛伦兹力不做功,外力通过克服洛伦兹力做功,又经过洛伦兹力对电荷做功,将其他形式的能转化为电能,洛伦兹力起到了桥梁和纽带的作用.课堂探究突破要点要点一感生电动势[探究导学]如图所示,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.(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?(2)上述情况下,哪种作用扮演了非静电力的角色?答案:(1)电流的方向与正电荷定向移动的方向相同.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)感生电场对自由电荷的作用.[要点归纳]1.感生电场(1)变化的磁场周围产生感生电场,感生电场是客观存在的一种特殊物质.(2)感生电场可用电场线形象描述.感生电场的电场线是闭合曲线,所以感生电场又称为涡旋电场.(3)感生电场可以对带电粒子做功,可使带电粒子加速运动和偏转.(4)判断感生电场的方向要依据实际存在的或假定存在的回路,并结合楞次定律和安培定则,思路如下:(3)感生电动势大小E=nt.2.感生电动势(1)如果在变化的磁场中放一个闭合回路,感生电场对回路中的自由电荷产生的力,使电荷在非静电力的作用下做定向移动,形成感应电流.(2)由感生电场产生的感应电动势称为感生电动势.感生电动势在电路中的作用就是电源.(4)方向判断:楞次定律和右手定则.感生电场方向、感应电流方向和感生电动势方向是相同的.[例1](多选)如图(甲)所示,匝数n=50的圆形线圈M,它的两端点a,b与内阻很大的电压表相连,线圈中磁通量的变化规律如图(乙)所示,则()A.0～0.2s内磁通量的变化量为0.04WbB.电压表的读数为10VC.电压表“+”接线柱接a端D.b端比a端的电势高ABC思维导图解析:0～0.2s内磁通量的变化量为0.04Wb-0=0.04Wb,故A正确;磁通量均匀增大,圆形线圈产生电动势,相当于电源;由楞次定律知,线圈中感应电流为逆时针方向,a点为电源的正极,所以b端比a端的电势低,故C正确,D错误;感应电动势E=nt=50×80.0140.1V=10V,线圈相当于电源内电路,电压表测量的是电源的电动势,因而电压表的读数为10V,故B正确.由楞次定律确定感应电动势方向确定a,b两点电势的高低由法拉第电磁感应定律计算感应电动势大小由闭合电路欧姆定律确定电压表的读数学霸笔记感生电场的特点(1)感生电场由变化的磁场产生,感生电场的电场线是闭合曲线;而静电场由静止的电荷产生,静电场的电场线不闭合.(2)感生电场是否存在仅取决于有无变化的磁场,与是否存在导体闭合回路无关.(3)感生电场是产生感生电动势、感生电流的原因.感生电场的方向就是感生电动势、感生电流的方向.(教师备用)例1-1:(多选)如图(甲)所示,水平放置的平行金属导轨连接一个平行板电容器C和电阻R,导体棒MN放在导轨上且接触良好,整个装置放在垂直导轨平面的磁场中,磁感应强度B的变化情况如图(乙)所示(图示磁感应强度方向为正方向),MN始终保持静止,则0～t2时间内()A.电容器C的电荷量大小始终没变B.电容器C的a板先带正电后带负电C.MN所受安培力的大小始终没变D.MN所受安培力的方向先向右后向左AD解析:磁感应强度均匀变化,产生恒定电动势,电容器C的电荷量大小始终没变,选项A正确,B错误;由于磁感应强度变化,MN所受安培力的大小变化,MN所受安培力的方向先向右后向左,选项C错误,D正确.[针对训练1-1]某空间出现了如图所示的一组闭合电场线,方向从上向下看是顺时针的,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方向磁场恒定不变D.沿BA方向磁场在迅速减弱A解析:感生电场的方向从上向下看是顺时针的,假设在平行感生电场的方向上有闭合回路,则回路中的感应电流方向从上向下看也是顺时针的,由右手螺旋定则可知,感应电流的磁场方向向下,根据楞次定律可知,原磁场有两种可能:原磁场方向向下且沿AB方向减弱,或原磁场方向向上,且沿BA方向增强,所以A可能.要点二动生电动势[探究导学]如图所示,导体棒CD在均匀磁场中运动.(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.(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?(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:(1)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)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)C端电势较高,导体棒中电流是由D指向C的.[要点归纳]1.导体切割磁感线产生的动生电动势是由于自由电荷受到洛伦兹力作用定向移动形成的.运动导体中的自由电子,不仅随导体以速度v运动,而且还沿导体以速度u做定向移动,如图所示.因此,导体中的电子的合速度v合等于v和u的矢量和,所以电子受到的洛伦兹力为F合=ev合B,F合与合速度v合垂直.2.从做功角度分析,洛伦兹力并不提供能量,而只是起传递能量的作用,即外力克服洛伦兹力的一个分力F2所做的功通过另一个分力F1转化为能量.3.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为平均感应电动势.(2)当v为瞬时速度时,E为瞬时感应电动势.[例2](2019·天津期中)如图所示,三角形金属框架MON平面与磁感应强度为B的匀强磁场垂直,导体ab能紧贴金属框架运动,且始终与导轨ON垂直.当导体ab从O点开始匀速向右平动时,速度为v0,试求bOc回路中某时刻的感应电动势随时间变化的函数关系式.思维导图解析:设导体ab从O点出发时开始计时,则经过时间t后,导体ab匀速运动的距离为s,则有s=v0t,在△bOc中,有bc=v0t·tan30°,则导体ab接入回路的bc部分切割磁感线产生的感应电动势为E0=Bv0bc=Bttan30°,在回路bOc中,回路总感应电动势由导体的bc部分产生,因此回路内总的感应电动势为E=E0=2033Bvt.答案:E=2033Bvt学霸笔记动生电动势的求解技巧(1)用公式E=Blv求解动生电动势,确定导体切割磁感线的有效长度是关键(2)无论电路闭合还是断开,只要有导体做切割磁感线的运动,电路中就有动生电动势.(3)有些情况下,动生电动势和感生电动势具有相对性.例如,将条形磁铁插入线圈中,如果在相对磁铁静止的参考系内观察,线圈运动,产生的是动生电动势;如果在相对线圈静止的参考系中观察,线圈中磁场变化,产生感生电动势.(教师备用)例2-1:如图所示,固定于水平桌面上的金属框架cdef,处在竖直向下的匀强磁场中,金属棒ab搁在框架上,可无摩擦滑动.此时adeb构成一个边长为l的正方形.金属棒的电阻为r,其余部分电阻不计.开始时磁感应强度为B0.(1)若从t=0时刻起,磁感应强度均匀增加,每秒增加k,同时保持棒静止,求金属棒中的感应电流大小和方向.解析:(1)根据法拉第电磁感应定律E=t=BtS=kl2,再根据欧姆定律得I=Er=2klr,根据楞次定律可知回路中的电流方向为逆时针方向,即棒上电流从b到a.答案:(1)2klr棒中电流方向由b到a(2)在上述(1)情况中,始终保持金属棒静止,当t=t1末时需加的垂直于棒的水平拉力为多大?解析:(2)要保持棒静止,使作用到棒上的力平衡,即水平拉力等于棒受到的安培力F=F安=BIl=(B0+kt1)2klrl=3klr(B0+kt1).答案:(2)301Bktklr[针对训练2-1](2019·河南南阳月考)如图所示,边长为2l的正方形虚线框内有垂直纸面向里的匀强磁场,一个边长为l的正方形导线框所在平面与磁场方向垂直,导线框的一条对角线和虚线框的一条对角线恰好在同一直线上.从t=0开始,使导线框从图示位置开始以恒定速度沿对角线方向移动进入磁场,直到整个导线框离开磁场区域.用I表示导线框中的感应电流(逆时针方向为正),则下列表示I-t关系的图线中,正确的是()D解析:导线框完全进入磁场后,没有感应电流产生,故A,B错误;进入和穿出磁场过程,线框有效切割长度变化,感应电动势和感应电流在变化,故C错误;线框进入磁场过程,有效切割长度L均匀增大,感应电动势E均匀增大,感应电流I均匀增大.穿出磁场过程,有效切割长度L均匀减小,感应电动势E均匀减小,感应电流I均匀减小,两个过程电流方向相反,故D正确.要点三E=nt和E=Blv的比较[探究导学]如图所示,导轨OM和ON都在纸面内,导体AB可在导轨上无摩擦滑动,AB⊥ON,若AB以速度v从O点开始沿导轨匀速右滑,导体与导轨都足够长,磁场的磁感应强度为B.问:(1)ts末导体切割磁感线产生的感应电动势多大?(2)ts内的平均感应电动势为多少?答案:(1)导体切割磁感线的有效长度l=vt,ts末的感应电动势E=Blv=Bv2t;(2)ts内回路中磁通量的变化量ΔΦ=BS-0=12Bv2t2,ts内的平均感应电动势为E=t=12Bv2t.[要点归纳]1.E=nt适用于任何情况下平均感应电动势的求法,当Δt→0时,E为瞬时值.2.E=Blv是由E=nt在一定条件下推导出来的,若B不变,则E=Blv和E=nt是等效替代关系.3.若导体切割磁感线的同时,磁感应强度B是变化的,则E=Blv和E=nt是同时存在的.[例3](2018·湖南衡阳期末)如图所示,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,导轨的端点P,Q用电阻可以忽略的导线相连,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,已知磁感应强度B与时间t的关系为B=kt,比例系数k=0.02