（新课标）2020高中物理 第四章 电磁感应 第4节 法拉第电磁感应定律课件 新人教版选修3-2

第四章电磁感应第四节法拉第电磁感应定律•素养目标定位※知道感应电动势的概念，理解决定感应电动势大小的因素※知道反电动势的概念，了解反电动势的作用※※掌握不同条件下感应电动势的表达式及其应用•素养思维脉络课前预习反馈•1．感应电动势•(1)在____________现象中产生的电动势。•(2)产生感应电动势的那部分导体相当于________。•(3)在电磁感应现象中，只要闭合回路中有感应电流，这个回路就一定有______________；回路断开时，虽然没有感应电流，但______________依然存在。知识点1电磁感应定律电磁感应电源感应电动势感应电动势•2．法拉第电磁感应定律•(1)内容：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的__________成正比。•(2)表达式：E＝______(单匝线圈)，E＝________(多匝线圈)。变化率ΔΦΔtnΔΦΔt•1．垂直切割•导体棒垂直于磁场运动，B、l、v两两垂直时如图所示，E＝__________。知识点2导体切割磁感线时的感应电动势Blv•2．非垂直切割•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，如图所示，E＝__________。Blvsinθ•1．定义•电动机转动时，由于切割磁感线，线圈中产生的________电源电动势作用的电动势。•2．作用•________线圈的转动。知识点3反电动势削弱阻碍•『判一判』•(1)在电磁感应现象中，有感应电动势，就一定有感应电流。()•(2)磁通量越大，磁通量的变化量也越大。()•(3)穿过某电路的磁通量变化量越大，产生的感应电动势就越大。()•(4)穿过线圈的磁通量的变化率越大，所产生的感应电动势就越大。()•(5)穿过线圈的磁通量等于零，所产生的感应电动势就一定为零。()思考辨析×××√ו『选一选』•如图所示，某实验小组在操场上做摇绳发电实验。长导线两端分别连在灵敏电流表的两个接线柱上，形成闭合电路。两位同学以每2秒约3圈的转速匀速摇动AB段导线。假定被摇动的导线由水平位置1按图示方向第一次运动到竖直位置2的过程中，磁通量的变化量约为10－4Wb，则该过程回路中产生的感应电动势约为()•A．2×10－4V•B．2.7×10－4V•C．3×10－4V•D．6×10－4VD解析：每2秒约3圈，则1圈需要23s，那么14圈需要16s；在16s内，闭合线圈的磁通量变化量约为10－4Wb，根据法拉第电磁感应定律得：E＝ΔΦΔt＝10－416＝6×10－4V，故D正确，ABC错误。•『想一想』•如图所示，甲图中导体棒(有电阻)沿水平导轨向右做切割磁感线运动，乙图中磁铁靠近线圈时，电路中均产生了感应电流。•(1)甲图电路中哪部分相当于电源？a、b两点哪点电势高？•(2)乙图电路中哪部分相当于电源？a、b两点哪点电势高？•答案：(1)导线ab相当于电源，a端电势高(2)线圈ab相当于电源，b端电势高•解析：(1)导线ab向右切割磁感线，产生感应电动势。导线ab相当于电源，a是电源的正极。•(2)当磁铁靠近线圈时，线圈中磁通量增加，产生感应电动势，线圈ab相当于电源，b是电源的正极。课内互动探究探究一法拉第电磁感应定律的理解和应用•如图所示，磁铁迅速插入线圈或缓慢插入线圈，电流计指针偏转有何不同？•提示：磁铁迅速插入线圈时，指针偏转角度大。11．表述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．公式E＝k·ΔΦΔtk为比例常数当E、ΔΦ、Δt都取国际单位时，k＝1，所以有E＝ΔΦΔt若线圈有n匝，则相当于n个相同的电动势ΔΦΔt串联，所以整个线圈中的电动势为E＝nΔΦΔt•注意：产生感应电动势的那部分导体相当于电源，感应电动势即该电源的电动势。3．磁通量Φ，磁通量的变化量ΔΦ与磁通量变化率ΔΦΔt的比较。物理量单位物理意义计算公式磁通量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＝B·S⊥磁通量的变化量ΔΦWb表示在某一过程中穿过某一面积磁通量变化的多少ΔΦ＝Φ2－Φ1磁通量的变化率ΔΦΔtWb/s表示穿过某一面积的磁通量变化的快慢ΔΦΔt＝B·ΔSΔtΔBΔt·S|Φ1－Φ2|Δt特别提醒：(1)Φ、ΔΦ、ΔΦΔt均与线圈匝数无关。(2)磁通量和磁通量的变化率大小没有直接关系，Φ很大时，ΔΦΔt可能很小，也可能很大；Φ＝0时，ΔΦΔt可能不为零。•一个面积S＝4×10－2m2、匝数n＝100匝的线圈放在匀强磁场中，磁场方向垂直于线圈平面，磁感应强度B随时间t变化的规律如图所示，则下列判断正确的是()例1A．在开始的2s内穿过线圈的磁通量的变化率等于0.08Wb/sB．在开始的2s内穿过线圈的磁通量的变化量等于零C．在开始的2s内线圈中产生的感应电动势等于0.08VD．在第3s末线圈中的感应电动势等于零A•解题指导：对于磁通量的变化量和磁通量的变化率，磁感线穿过1匝线圈和穿过n匝线圈是一样的，而感应电动势则不一样，感应电动势与匝数有关。解析：在开始的2s内，磁通量的变化率ΔΦΔt＝ΔB·SΔt＝8×10－2Wb/s，因此A正确，B错误。感应电动势E＝nΔΦΔt＝100×8×10－2V＝8V，因此C错误。第3s末磁通量变化率不为零，因此D错误。•〔对点训练1〕(2019·安徽部分省示范中学高二下学期期中)如图，边长L＝20cm的正方形线框abcd共有10匝，靠着墙角放置，线框平面与地面的夹角α＝30°。该区域有磁感应强度B＝0.2T、水平向右的匀强磁场。现将cd边向右拉动，ab边经0.1s着地。在这个过程中线框中产生的感应电动势的大小与方向是()•A．0.8V方向：adcb•B．0.8V方向：abcd•C．0.4V方向：adcb•D．0.4V方向：abcdC解析：初状态的磁通量Φ1＝BSsinα，末状态的磁通量Φ2＝0，根据法拉第电磁感应定律得：E＝nΔΦΔt＝nBSsinαt＝10×0.2×0.22×120.1V＝0.4V；根据楞次定律可知，感应电流的方向：adcba，故C正确，A、B、D错误。探究二导线切割磁感线时的感应电动势•据报道，1992年7月，美国“阿特兰蒂斯”号航天飞机进行了一项卫星悬绳发电实验，实验取得部分成功，航天飞机在地球赤道上空离地面约3000km处，由航天飞机发射一颗卫星，携带一根长20km的金属悬绳，使这根悬绳与地磁场垂直，做切割磁感线运动。2•卫星悬绳发电的实验原理是什么？发电电压大小跟哪些因素有关呢？•提示：导线切割磁感线产•生感应电动势；与磁感应强度B，导线的有效切割长度l及垂直切割速度v有关。•1．对公式E＝Blvsinθ的理解•(1)该公式可看成法拉第电磁感应定律的一个推论，通常用来求导体运动速度为v时的瞬时电动势，若v为平均速度，则E为平均电动势。•(2)当B、l、v三个量方向相互垂直时，E＝Blv；当有任意两个量的方向平行时，E＝0。•(3)式中的l应理解为导体切割磁感线时的有效长度。•如图所示，导体切割磁感线的情况应取与B和v垂直的等效直线长度，即ab的长度。(4)该式适用于导体平动时，即导体上各点的速度相等时。(5)当导体绕一端转动时如图所示，由于导体上各点的速度不同，是线性增加的，所以导体运动的平均速度为v＝0＋ωl2＝ωl2，由公式E＝Blv得，E＝Blωl2＝12Bl2ω(6)公式中的v应理解为导线和磁场的相对速度，当导线不动而磁场运动时，也有电磁感应现象产生。2．公式E＝nΔΦΔt与E＝Blvsinθ的对比E＝nΔΦΔtE＝Blvsinθ研究对象整个闭合回路回路中做切割磁感线运动的那部分导体区别适用范围各种电磁感应现象只适用于导体切割磁感线运动的情况E＝nΔΦΔtE＝Blvsinθ计算结果求得的是Δt内的平均感应电动势求得的是某一时刻的瞬时感应电动势区别适用情景用于磁感应强度B变化所产生的电磁感应现象(磁场变化型)用于导体切割磁感线所产生的电磁感应现象(切割型)联系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•特别提醒：若磁场本身在变化的同时，电路中还有一部分导体切割磁感线运动，则上述两种情况都同时存在，应分别分析，总电动势等于感生电动势和动生电动势的和或差。•如图所示，半径为r的金属圆盘在垂直于盘面的磁感应强度的大小为B的匀强磁场中绕圆心O点以角速度ω沿逆时针方向匀速转动，圆盘的圆心和边缘间接有一个阻值为R的电阻，则通过电阻R的电流的大小和方向分别为(金属圆盘的电阻不计)()例2A．I＝Br2ωR，由d到cB．I＝Br2ωR，由c到dC．I＝Br2ω2R，由d到cD．I＝Br2ω2R，由c到dC•解题指导：将金属圆盘看成无数条金属幅条组成的，这些幅条切割磁感线，产生感应电流。解析：由右手定则判断可知：通过电阻R的电流方向为从d到c。金属圆盘产生的感应电动势为：E＝12Br2ω，金属圆盘的电阻不计，则通过电阻R的电流强度的大小为：I＝ER＝Br2ω2R，故C正确，ABD错误。故选C。•〔对点训练2〕(多选)如图所示，在国庆70周年阅兵盛典上，我国预警机“空警－2000”在天安门上空时机翼保持水平，以4.5×102km/h的速度自东向西飞行，该机的翼展(两翼尖之间的距离)为50m，北京地区地磁场的竖直分量向下，大小为4.7×10－5T，则()•A．两翼尖之间的电势差为0.29V•B．两翼尖之间的电势差为2.9V•C．飞行员左方翼尖的电势比右方翼尖的电势高•D．飞行员左方翼尖的电势比右方翼尖的电势低•解析：E＝BLv＝4.7×10－5×50×125V＝0.29V•由右手定则知飞行员左方翼尖电势高，故选AC。AC核心素养提升•1．题型特点•在电磁感应现象中，闭合电路中磁通量发生变化(或部分导体切割磁感线)，在回路中将产生感应电动势和感应电流。在题目中常涉及电流、电压、电功等的计算，还可能涉及电磁感应与力学、能量等知识的综合分析。电磁感应现象中的电路问题•2．解题思路•(1)明确哪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。•(2)用法拉第电磁感应定律或切割公式确定感应电动势的大小，用楞次定律或右手定则确定感应电动势的方向。•(3)画出等效电路图。注意分清内外电路。•(4)运用闭合电路欧姆定律、串并联电路特点、电功率、电功等公式联立求解。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、磁通量的变化量及总电阻有关，与完成该过程需要的时间无关。•如图所示，矩形线圈在0.01s内由原始位置Ⅰ转落至位置Ⅱ。已知ad＝5×10－2m，ab＝20×10－2m，匀强磁场的磁感应强度B＝2T，R1＝R3＝1Ω，R2＝R4＝3Ω。求：•(1)平均感应电动势；•(2)转落时，通过各电阻的平均电流。(线圈的电阻忽略不计)案例解析：线圈由位置Ⅰ转落至位置Ⅱ的过程中，穿过线圈的磁通量Φ发生变化，即产生感应电动势，视这一线圈为一等效电源，线圈内部为内电路，线圈外部为外电路，然后根据闭合电路欧姆定律求解。(1)设线圈在位置Ⅰ时，穿过它的磁通量为Φ1，线圈在位置Ⅱ时，穿过它的磁通量为Φ2，有Φ1＝BSsin30°＝1×10－2Wb，Φ2＝2×10－2Wb，所以ΔΦ＝Φ2－Φ1＝1×10－2Wb根据电磁感应定律可得E＝ΔΦΔt＝1×10－20.01V＝1V(2)将具有感应电动势的线圈等效为电源，其外电路的总电阻R＝R1＋R22＝1＋32Ω＝2Ω。根据闭合电路欧姆定律得总电流I＝ER＋r＝12＋0A＝0.5A。通过各电阻的电流I′＝0.25A。•答案：(1)1V(2)0.25A