2019-2020学年高中物理 第1章 电磁感应 第4节 法拉第电磁感应定律课件 粤教版选修3-2

第四节法拉第电磁感应定律1．如下图所示，当磁铁突然向铜环运动时，铜环的运动情况是()A．向右摆动B．向左摆动C．静止不动D．不能判定【答案】A课前·自主学习2．闭合线圈abcd运动到如图所示的位置时，bc边所受到的磁场力的方向向下，那么线圈的运动情况是()A．向左平动进入磁场B．向右平动离开磁场C．向上平动D．向下平动【答案】A3．如下图所示，AB为固定的通电直导线，闭合导线框P与AB在同一平面内，当P远离AB运动时，导体框中产生的感应电流的情况是()A．电流的方向是顺时针方向B．电流的方向是逆时针方向C．没有感应电流产生D．以上说法都不对【答案】A【解析】线圈的磁场方向指向纸里面，向右则运动磁通量减少，由感应电流阻碍磁通量的变化(楞次定律)可知，感应磁场方向也指向纸里面，再由右手螺旋定则可知，感应电流为顺时针方向．一、感应电动势1．感应电动势：在________________中产生的电动势．产生感应电动势的那部分导体相当于______．2．感应电动势和感应电流关系(1)产生电磁感应现象时，闭合电路中有____________，有______________；电路断开时，没有______________，有____________．(2)感应电动势的产生与电路是否闭合、电路如何组成__________，感应电动势比感应电流更能反映电磁感应现象的本质．电磁感应现象电源感应电流感应电动势感应电流感应电动势无关二、法拉第电磁感应定律1．内容：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的____________________成正比．3．单位：ΔΦ的单位是__________，Δt的单位是秒(s)，E的单位是________．磁通量的变化率2．公式：E＝nΔΦΔt.n为______________，ΔΦ是________________，ΔΦΔt是___________________．线圈的匝数磁通量的变化量磁通量的变化率韦伯(Wb)伏特(V)4．电磁感应现象的本质：在电磁感应现象里，一定产生___________，不一定产生__________．是否产生___________才是电磁感应现象的本质．感应电动势感应电流感应电动势穿过某电路的磁通量的变化量越大，产生的感应电动势就越大吗？【答案】不一定，感应电动势的大小取决于穿过电路的磁通量的变化率而不是变化量，即感应电动势的大小由磁通量的变化量和发生这个变化所用的时间这两个因素共同决定．三、导体切割磁感线时的感应电动势1．导体棒垂直于磁场运动，B、L、v两两垂直时，如图甲所示，E＝______.甲乙BLv2．导线的运动方向与导线本身垂直，但与磁感线方向夹角为θ时，如图乙所示，E＝__________.BLvsinθ如何根据法拉第电磁感应定律来解释“点燃智慧火花”栏目中风速测量仪的工作原理．【答案】风速测量仪内部有一个磁体，磁体内部放置一个和电流表相连的线圈，当风速增大时，线圈中磁通量的变化率增大，产生的感应电流增大，从而在仪表上显示出来的数值(风速值)增大．课堂·优化整合磁通量及其变化量和变化率的对比物理量单位物理意义公式磁通量ΦWb表示某时刻或某位置时穿过某一面积的磁感线条数的多少Φ＝BS⊥磁通量的变化量ΔΦWb表示在某一过程中穿过某一面积的磁通量变化的多少ΔΦ＝Φ2－Φ1磁通量的变化率Wb/s表示穿过某一面积的磁通量变化的快慢ΔΦΔt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，在此过程中穿过线圈的磁通量的变化量是________Wb；磁通量的平均变化率是________Wb/s；线圈中的感应电动势的大小是________V.解析：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.例1答案：4×10－48×10－31.6磁通量的变化率为ΔΦΔt＝4×10－40.05Wb/s＝8×10－3Wb/s.感应电动势的大小可根据法拉第电磁感应定律E＝nΔΦΔt＝200×8×10－3V＝1.6V.►题后反思(1)ΔΦ、ΔΦΔt与匝数无关．(2)B与S不垂直时应以投影面积计算Φ或ΔΦ.1．将闭合多匝线圈置于仅随时间变化的磁场中，线圈平面与磁场方向垂直，关于线圈中产生的感应电动势和感应电流，下列表述正确的是()A．感应电动势的大小与线圈的匝数无关B．穿过线圈的磁通量越大，感应电动势越大C．穿过线圈的磁通量变化越快，感应电动势越大D．感应电流产生的磁场方向与原磁场方向始终相同【答案】C【解析】由法拉第电磁感应定律知：E＝nΔΦΔt，可见感应电动势的大小与线圈的匝数有关，A错误；感应电动势的大小取决于磁通量的变化快慢，而与磁通量的大小无关，B错误，C正确；感应电流产生的磁场阻碍原磁场的变化，当原磁场增强时，感应电流产生的磁场与原磁场方向相反，D错误．1．感应电动势(1)定义：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)产生条件：不管电路是否闭合，只要穿过电路的磁通量发生变化，电路中就会产生感应电动势．(3)方向判断：可用楞次定律或右手定则判断感应电动势的方向．正确理解法拉第电磁感应定律①对于由于磁场变化产生的电磁感应现象，可用楞次定律判断产生感应电动势的那部分导体中感应电流的方向(若电路断开，可假设将电路闭合)，感应电流的方向就是该部分导体中感应电动势的方向．②对于由于导体切割磁感线产生的电磁感应现象，可用右手定则判断做切割运动的导体中感应电动势的方向，四指所指的方向就是感应电动势的方向．2．电磁感应定律(1)内容：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．(2)表达式：E＝ΔΦΔt(单匝线圈)E＝nΔΦΔt(n匝线圈)(3)法拉第电磁感应定律是普遍适用的．既可以计算平均感应电动势，还可以计算瞬时感应电动势，计算瞬时感应电动势时，磁通量的变化率是Φt图象上某点切线的斜率．例2如图所示，匀强磁场的磁感应强度方向垂直于纸面向里，大小随时间的变化率ΔBΔt＝k.用电阻率为ρ、横截面积为S的硬导线做成一边长为l的方框．将方框固定于纸面内，其右半部位于磁场区域中．求：(1)导线中感应电流的大小；(2)磁场对方框作用力的大小随时间的变化率．解析：根据法拉第电磁感应定律可求出线框中产生的感应电动势，再根据电阻定律可求出线框的电阻，最后根据闭合电路欧姆定律即可求出导线中电流的大小．(1)线框中产生的感应电动势E＝ΔΦΔt＝ΔBS′Δt＝12l2k，①在线框产生的感应电流I＝ER，②R＝ρ4lS，③联立①②③得I＝klS8ρ.(2)导线框所受磁场力的大小为F＝BIl，它随时间的变化率为ΔFΔt＝IlΔBΔt，由以上几式联立可得ΔFΔt＝k2l2S8ρ.答案：(1)klS8ρ(2)k2l2S8ρ2．(2019·海淀期末)如图甲所示，矩形导线框ABCD固定在匀强磁场中，磁感线垂直于线框所在平面向里，磁感应强度B随时间t变化的规律如图乙所示．规定垂直于线框所在平面向里为磁场的正方向；线框中沿着ABCDA方向为感应电流i的正方向．则在线框中产生的感应电流随时间变化的关系可能为下图中的()【答案】A【解析】线圈中磁通量的变化率不变，由法拉第电磁感应定律可知，线圈内产生的感应电动势不变，所以感应电流的大小不变．由图可知，0～2t0内，线圈中磁通量的变化率相同，故0～2t0时间内电流的方向相同，由楞次定律可知，电路中电流方向为顺时针，即电流为ABCDA方向，与正方向相同，故A正确，B、C、D错误．2．式中的L应理解为导线切割磁感线时的有效长度，如果导线不和磁场垂直，L应是导线在磁场垂直方向投影的长度，式中vsinθ表示导体切割磁感线时，速度在垂直于磁感应强度方向的分量．3．E＝BLvsinθ适用于匀强磁场中导体切割磁感线时感应电动势的计算．通常用于计算某个时刻或某个位置感应电动势的瞬时值．公式E＝nΔΦΔt与E＝BLvsinθ的区别与联系1．E＝BLvsinθ是由E＝nΔΦΔt在一定条件下推导出来的，该公式可看作法拉第电磁感应定律的一个推论．4．列表对比比较E＝nE＝BLvsinθ区别一般求的是Δt的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一般求的是瞬时电动势，E与某个时刻或某个位置相对应求的是整个回路的感应电动势，整个回路的感应电动势为零时，其回路中某段导体的感应电动势不一定为零求的是回路中一部分导体切割磁感线时产生的感应电动势ΔΦΔt比较E＝nE＝BLvsinθ区别由于求的是整个回路的感应电动势，因此相当于电源的部分不容易确定由于是一部分导体切割磁感线的运动产生的，该部分导体相当于电源联系公式E＝n和E＝BLvsinθ是统一的，当Δt→0时，E为瞬时感应电动势，只是由于高中知识有限，现在还不能够用该方法求瞬时感应电动势，而公式E＝BLvsinθ中的速度如果是平均速度，则求出的感应电动势为平均感应电动势.ΔΦΔt【特别提醒】当导体各部分切割磁感线速度不同时，取平均速度，如下图，导体棒绕A点以ω匀速转动时产生感应电动势大小E＝Blv＝12B·ωl2.如下图所示，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，求ab两端的电势差．例3解析：方法一棒上各处速率不等，故不能直接用公式E＝BLv求，由v＝ωr可知，棒上各点线速度跟半径成正比，故可用棒的中点的速度作为平均切割速度代入公式计算，由v＝ωL2有：E＝BLv＝12BL2ω.方法二设经过Δt时间ab棒扫过的扇形面积为ΔS，则ΔS＝12LωΔt·L＝12L2ωΔt，变化的磁通量为ΔΦ＝BΔS＝12BL2ωΔt，所以E＝ΔΦΔt＝12BL2ω，所以ab两端的电势差为12BL2ω.答案：12BL2ω►题后反思a、b两端的电势差等于金属棒切割磁感线产生的感应电动势，因此，只要求出感应电动势即可．若用E＝BLv求E，则必须先求出平均切割速率；若用E＝ΔΦΔt求E，则必须先求出金属棒ab在Δt时间内扫过的面积，从而求出磁通量的变化率．3．(多选)(2016·浙江乐成月考)如图，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()【答案】ACD【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，磁场方向向里，根据楞次定律可知感应电流的方向始终为逆时针方向，保持不变，故A正确；由于CD段导线与磁场垂直，必定受到安培力作用，根据左手定则判断得知，CD段受安培力向下，故B错误；A．感应电流方向不变B．CD段直线始终不受安培力C．感应电动势最大值E＝BavD．感应电动势平均值E－＝14πBav当切割有效长度最大时，由图可知最大长度为半径a，故感应电动势最大值E＝Bav，故C正确；由法拉第电磁感应定律可得感应电动势平均值E＝nΔΦΔt＝πa2B2×2av＝14πaBv，故D正确．1．模型特点“杆＋导轨”模型是电磁感应问题高考命题的“基本道具”，也是高考的热点．“杆＋导轨”模型问题的物理情境变化空间大，涉及的知识点多，如力学问题、电路问题、磁场问题及能量问题等，常用的规律有法拉第电磁感应定律、楞次定律、右手定则、左手定则、欧姆定律及力学中的运动规律、动能定理、功能关系、能的转化和守恒定律等．电磁感应中常见的“杆＋导轨”模型2．模型分类模型一单杆水平式物理模型匀强磁场与导轨垂直，磁感应强度为B，棒ab长为L，质量为m，初速度为零，拉力恒为F，水平导轨光滑，除电阻R外，其他电阻不计动态分析设运动过程中某时刻棒的速度为v，由牛顿第二定律知棒ab的加速度a＝Fm－B2L2vmR，a、v同向，随速度的增加，棒的加速度a减小，a＝0时v最大，I＝BLvR恒定运动形式匀速直线运动力学特征a＝0v恒定不变收尾状态电学特征I