2019-2020学年高中物理 第四章 电磁感应 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素养提炼1.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．会判断动生电动势的方向，并会计算它的大小．3.知道公式E＝n与E＝Blv的区别和联系.物理观念：感生电场、感生电动势、动生电动势．科学思维：能从能量转化和守恒的角度分析解释电磁感应现象，求解相关问题．科学探究：探究感生电动势和动生电动势的产生原因.01课前自主梳理02课堂合作探究03随堂演练达标04课后达标检测一、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．变化感生电场感生电场[判断辨析](1)如果空间不存在闭合电路，变化的磁场周围不会产生感生电场．()(2)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．()(3)感生电场就是感应电动势．()×√×二、电磁感应现象中的洛伦兹力1．成因导体棒做切割磁感线运动时，棒中的随棒一起定向运动，并因此受到洛伦兹力．2．动生电动势由于而产生的感应电动势．3．动生电动势中的非静电力与有关．自由电荷导体运动洛伦兹力[思考]若导体棒垂直磁场一直运动下去，自由电荷是否也会沿着导体棒一直运动下去？为什么？提示：不会．若导体棒一直运动下去，当导体棒内部自由电荷在电场中所受电场力与洛伦兹力相等时，自由电荷将不再运动．要点一感生电动势与动生电动势的比较[探究导入]如图所示，B增强，那么就会在空间激发一个感生电场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，产生感应电流．(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？提示：(1)感应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来判定．(2)感生电场对自由电荷的作用．1．对感生电场的理解19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦在他的电磁理论中指出：变化的磁场能在周围空间激发电场，这种电场叫感生电场．(1)感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的．(2)感生电场的产生跟空间中是否存在闭合电路无关．(3)感生电场的方向根据闭合电路(或假想的闭合电路)中感应电流的方向确定．2．对动生电动势中电荷所受洛伦兹力的理解(1)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，由于F合与v合垂直，所以它对电子不做功，更具体地说，F合的一个分量是F1＝evB，这个分力做功，产生动生电动势．F合的另一个分量是F2＝euB，阻碍导体运动，做负功，可以证明两个分力F1和F2所做功的代数和为零．结果仍然是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．感生电动势与动生电动势的对比感生电动势动生电动势产生原因磁场的变化导体做切割磁感线运动移动电荷的非静电力感生电场对自由电荷的电场力导体中自由电荷所受洛伦兹力沿导体方向的分力回路中相当于电源的部分处于变化磁场中的线圈部分做切割磁感线运动的导体方向判断方法由楞次定律判断通常由右手定则判断，也可由楞次定律判断大小计算方法由E＝nΔΦΔt计算通常由E＝Blvsinθ计算，也可由E＝nΔΦΔt计算[特别提醒]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，线圈中的磁场发生变化，产生感生电动势．[典例1]如图所示，导轨是水平放置的，间距L1＝0.5m，ab杆与导轨左端的距离L2＝0.8m．由导轨与ab杆构成的回路的总电阻R＝0.2Ω，方向竖直向下的匀强磁场的磁感应强度B0＝1T，重物的质量M＝0.04kg，用细绳通过定滑轮与ab杆的中点相连，各处的摩擦均可忽略不计．现使磁场以ΔBΔt＝0.2T/s的变化率均匀地增大，试求当t为多少时，M刚好离开地面(g取10m/s2)．[思路点拨]磁场变化，在闭合回路中产生的是感生电动势，根据楞次定律和左手定则知ab受到的安培力F方向向左，当F≥Mg时，重物将被拉起．[解析]根据法拉第电磁感应定律，感生电动势E＝ΔΦΔt＝ΔBΔtL1L2，回路中的感应电流为I＝ER，ab杆所受的安培力F＝BIL1＝(B0＋ΔBΔtt)IL1，重物刚好离开地面时，F＝Mg，联立解得t＝5s.[答案]5s[总结提升]公式E＝nΔΦΔt和E＝Blvsinθ的区别与联系(1)区别①研究对象不同．E＝nΔΦΔt的研究对象是一个回路；E＝Blvsinθ的研究对象是在磁场中运动的一段导体．②适用范围不同．E＝nΔΦΔt具有普遍性，无论什么方式引起Φ的变化都适用；E＝Blvsinθ只适用于一段导体切割磁感线的情况．③条件不同．E＝nΔΦΔt不一定是匀强磁场；E＝Blv中的l、v、B应取两两互相垂直的分量，可采用投影的办法．④物理意义不同．E＝nΔΦΔt求的是Δt时间内的平均感应电动势，E与某段时间或某个过程相对应．E＝Blvsinθ求的是瞬时感应电动势，E与某个时刻或某个位置相对应．(2)联系①E＝Blvsinθ是由E＝nΔΦΔt在一定条件下推导出来的．②只有B、l、v三者大小、方向均不变时，在Δt时间内产生的平均感应电动势才和它在任意时刻产生的瞬时感应电动势相等．③公式E＝Blvsinθ中的v若代入v，则求出的E为平均感应电动势．1.如图所示是一个水平放置的玻璃圆环形小槽，槽内光滑，槽宽度和深度处处相同．现将一直径略小于槽宽的带正电小球放在槽中，让它获得一初速度v0，与此同时，有一变化的磁场垂直穿过玻璃圆环形小槽外径所在的区域，磁感应强度的大小跟时间成正比例增大，方向竖直向下．设小球在运动过程中电荷量不变，则()A．小球需要的向心力大小不变B．小球需要的向心力大小不断增大C．磁场力对小球做了功D．小球受到的磁场力大小与时间成正比解析：当磁感应强度随时间均匀增大时，将产生一恒定的感生电场，由楞次定律知，电场方向和小球初速度方向相同，因小球带正电，电场力对小球做正功，小球速率逐渐增大，向心力也随着增大，故选项A错误，B正确；洛伦兹力对运动电荷不做功，故选项C错误；带电小球所受洛伦兹力F＝qBv，随着速率的增大而增大，同时B∝t，则F和t不成正比，故选项D错误．答案：B2.如图所示，两根平行金属导轨置于水平面内，导轨之间接有电阻R.金属棒ab与两导轨垂直并保持良好接触，整个装置放在匀强磁场中，磁场方向垂直于导轨平面向下．现使磁感应强度随时间均匀减小，ab始终保持静止，下列说法正确的是()A．ab中的感应电流方向由b到aB．ab中的感应电流逐渐减小C．ab所受的安培力保持不变D．ab所受的静摩擦力逐渐减小解析：由于通过回路的磁通量向下减小，则根据楞次定律可知ab中感应电流的方向由a到b，A错误．因ab不动，回路面积不变，当B均匀减小时，由E＝nΔΦΔt＝nΔBΔtS知，产生的感应电动势恒定，回路中感应电流I＝ER＋r恒定，B错误．由F＝BIL知，F随B减小而减小，C错误．对ab由平衡条件有Ff＝F，故D正确．答案：D要点二电磁感应中的电路问题[探究导入]如图所示，甲图中导体棒(有电阻)沿水平导轨做切割磁感线运动，乙图中磁铁靠近线圈时，电路中均产生了感应电流．(1)甲图电路中哪部分产生了感应电动势？(2)乙图电路中哪部分产生了感应电动势？提示：(1)导体棒ab产生感应电动势，导体棒ab相当于电源．(2)线圈ab产生感应电动势，线圈ab相当于电源．1．内电路和外电路(1)切割磁感线运动的导体或磁通量发生变化的回路都相当于电源．(2)该部分导体的电阻或回路的电阻相当于电源的内阻，其余部分是外电路．2．分析思路在电磁感应现象中，切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路都将产生感应电动势．若回路闭合，则产生感应电流，感应电流引起热效应，所以电磁感应问题常与电路知识综合考查．解决与电路相联系的电磁感应问题的基本方法：明确哪一部分导体或电路产生感应电动势，该导体或电路就是电源，其他部分是外电路⇓用法拉第电磁感应定律或导体切割磁感线公式计算感应电动势大小⇓将发生电磁感应现象的导体看作电源，与电路整合，画出等效电路⇓运用闭合电路欧姆定律，部分电路欧姆定律，串、并联电路的性质及电压、电功率分配等公式进行求解3．一个常用的结论电磁感应现象中通过闭合电路某截面的电荷量q＝IΔt，而I＝ER＝nΔΦΔtR，则q＝nΔΦR，所以q只和线圈匝数、磁通量变化量ΔΦ及总电阻有关，与完成该过程所需要的时间无关．[特别提醒]求解电路中通过的电荷量，一定要用平均电动势和平均电流计算．[典例2]如图所示，用质量为m、电阻为R的均匀导线做成边长为l的单匝正方形线框MNPQ，线框每一边的电阻都相等．将线框置于光滑绝缘的水平面上．在线框的右侧存在竖直方向的有界匀强磁场，磁场边界间的距离为2l，磁感应强度为B.在垂直MN边的水平拉力作用下，线框以垂直磁场边界的速度v匀速穿过磁场．在运动过程中线框平面水平，且MN边与磁场的边界平行．求：(1)线框MN边刚进入磁场时，线框中感应电流的大小；(2)线框MN边刚进入磁场时，M、N两点间的电压UMN；(3)在线框从MN边刚进入磁场到PQ边刚穿出磁场的过程中，线框中产生的热量是多少？[思路点拨]首先要明确其等效电路，MN两端的电压为闭合回路的外电压；求出感应电动势，由闭合电路欧姆定律即可求出回路上的电流和MN两端的电压；确定有电流的时间，根据焦耳定律求热量．[解析](1)线框MN边在磁场中运动时，感应电动势E＝Blv，线框中的感应电流I＝ER＝BlvR.(2)M、N两点间的电压UMN＝IR外＝I·34R＝34Blv.(3)线框运动过程中有感应电流的时间t＝2lv，此过程线框中产生的焦耳热Q＝I2Rt＝2B2l3vR.[答案](1)BlvR(2)34Blv(3)2B2l3vR[总结提升]电磁感应中电路问题的分析方法(1)明确电路结构，分清内、外电路．(2)根据产生感应电动势的方式计算感应电动势的大小，如果是磁场变化，由E＝nΔΦΔt计算；如果是导体切割磁感线，由E＝Blv计算．(3)根据楞次定律判断感应电流的方向．(4)根据电路组成列出相应的方程式．3．如图所示，面积为0.2m2的100匝线圈处在匀强磁场中，磁场方向垂直于线圈平面，已知磁感应强度随时间变化的规律为B＝(2＋0.2t)T(t的单位为s)，定值电阻R1＝6Ω，线圈电阻R2＝4Ω，则a、b两点间电压U为()A．2.4VB．0.024VC．4VD．1.6V解析：线圈中感应电动势E＝nΔΦΔt＝nΔBΔt·S＝4V，感应电流I＝ER1＋R2＝0.4A，a、b两点间电压即路端电压，所以U＝IR1＝2.4V，选项A正确．答案：A4.(多选)如图所示，三角形金属导轨EOF上放有一根金属杆AB，在外力作用下，保持金属杆AB和OF垂直，以速度v匀速向右移动．设导轨和金属杆AB都是用粗细相同的同种材料制成的，金属杆AB与导轨接触良好，则下列判断正确的是()A．电路中的感应电动势大小不变B．电路中的感应电流大小不变C．电路中的感应电动势大小逐渐增大D．电路中的感应电流大小逐渐增大解析：设三角形金属导轨的夹角为θ，金属杆AB由O点经时间t运动了vt的距离，则E＝Bvt·tanθ·v，电路总长为l＝vt＋vttanθ＋vtcosθ＝vt(1＋tanθ＋1cosθ)，又因为R＝ρlS，所以I＝ER＝BvSsinθρ1＋sinθ＋cosθ，I与t无关，是恒量，故选项B正确．E逐渐增大，故选项C正确．答案：BC电磁感应中的含容电路问题的分析方法电磁感应中含容电路的两类问题电磁感应回路类型特点只有电容器