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2010届高三物理第一轮复习全套教学案第九章电磁感应知识网络第1单元电磁感应楞次定律一、电磁感应现象1.产生感应电流的条件感应电流产生的条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化。以上表述是充分必要条件。不论什么情况,只要满足电路闭合和磁通量发生变化这两个条件,就必然产生感应电流反之,只要产生了感应电流,那么电路一定是闭合的,穿过该电路的磁通量也一定发生了变化。当闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时,电路中有感应电流产生。这个表述是充分条件,不是必要的。在导体做切割磁感线运动时用它判定比较方便。2.感应电动势产生的条件。感应电动势产生的条件是穿过电路的磁通量发生变化。这里不要求闭合。无论电路闭合与否,只要磁通量变化了,就一定有感应电动势产生。这好比一个电源不论外电路是否闭合,电动势总是存在的。但只有当外电路闭合时,电路中才会有电流。二、右手定则伸开右手,使大拇指与四指在同一个平面内,并跟四指垂直,让磁感线穿过手心,使大拇指指向导体的运动方向,这时四指所指的方向就是感应电流的方向。三、楞次定律1.楞次定律感应电流总具有这样的方向,即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。阻碍原磁场增加时,反抗,原磁场减小时,补充2.对阻碍意义的理解R(1)阻碍原磁场的变化。阻碍不是阻止,而是延缓(2)阻碍的是原磁场的变化,而不是原磁场本身,如果原磁场不变化,即使它再强,也不会产生感应电流.(3)阻碍不是相反.当原磁通减小时,感应电流的磁场与原磁场同向,以阻碍其减小当磁体远离导体运动时,导体运动将和磁体运动同向,以阻碍其相对运动.(4)由于阻碍,为了维持原磁场变化,必须有外力克服这一阻碍而做功,从而导致其它形式的能转化为电能.因此楞次定律是能量转化和守恒定律在电磁感应中的体现.3.楞次定律的具体应用从阻碍相对运动的角度来看,楞次定律的这个结论可以用能量守恒来解释既然有感应电流产生,就有其它能转化为电能。又由于是由相对运动引起的,所以只能是机械能减少转化为电能,表现出的现象就是阻碍相对运动。4.运用楞次定律处理问题两种思路方法①常规法据原磁场(B原方向及ΔΦ情况)楞次定律确定感应磁场(B感方向)安培定则判断感应电流(I感方向)左手定则导体受力及运动趋势.②效果法由楞次定律可知,感应电流的效果总是阻碍引起感应电流的原因,深刻理解阻碍的含义.据阻碍原则,可直接对运动趋势作出判断.例题举例【例1】一平面线圈用细杆悬于P点,开始时细杆处于水平位置,释放后让它在如图所示的匀强磁场中运动,已知线圈平面始终与纸面垂直,当线圈第一次通过位置Ⅰ和位置Ⅱ时,顺着磁场的方向看去,线圈中的感应电流的方向分别为B位置Ⅰ位置Ⅱ(A)逆时针方向逆时针方向(B)逆时针方向顺时针方向(C)顺时针方向顺时针方向(D)顺时针方向逆时针方向【例2】如图所示,有两个同心导体圆环。内环中通有顺时针方向的电流,外环中原来无电流。当内环中电流逐渐增大时,外环中有无感应电流方向如何解由于磁感线是闭合曲线,内环内部向里的磁感线条数和内环外向外的所有磁感线条数相等,所以外环所围面积内(应该包括内环内的面积,而不只是环形区域的面积)的总磁通向里、增大,所以外环中感应电流磁场的方向为向外,由安培定则,外环中感应电流方向为逆时针。【例3】如图所示,闭合导体环固定。条形磁铁S极向下以初速度v0沿过导体环圆心的竖直线下落的过程中,导体环中的感应电流方向如何解从阻碍磁通量变化来看,原磁场方向向上,先增后减,感应电流磁场方向先下后上,感应电流方向先顺时针后逆时针。从阻碍相对运动来看,先排斥后吸引,把条形磁铁等效为螺线管,根据同向电流互相吸引,反向电流互相排斥,也有同样的结论。【例4】如图所示,O1O2是矩形导线框abcd的对称轴,其左方有匀强磁场。以下哪些adbcO1O2NSv0情况下abcd中有感应电流产生方向如何A.将abcd向纸外平移B.将abcd向右平移C.将abcd以ab为轴转动60°D.将abcd以cd为轴转动60°解A、C两种情况下穿过abcd的磁通量没有发生变化,无感应电流产生。B、D两种情况下原磁通向外,减少,感应电流磁场向外,感应电流方向为abcd。【例5】如图所示装置中,cd杆原来静止。当ab杆做如下那些运动时,cd杆将向右移动(B、D)A.向右匀速运动B.向右加速运动C.向左加速运动D.向左减速运动【例6】如图当磁铁绕O1O2轴匀速转动时,矩形导线框(不考虑重力)将如何运动解本题分析方法很多,最简单的方法是从阻碍相对运动的角度来看,导线框一定会跟着条形磁铁同方向转动起来。如果不计摩擦阻力,最终导线框将和磁铁转动速度相同如果考虑摩擦阻力导线框的转速总比条形磁铁转速小些。【例7】如图所示,水平面上有两根平行导轨,上面放两根金属棒a、b。当条形磁铁如图向下移动时(不到达导轨平面),a、b将如何移动解若按常规用阻碍磁通量变化判断,则要根据下端磁极的极性分别进行讨论,比较繁琐。而且在判定a、b所受磁场力时。应该以磁极对它们的磁场力为主,不能以a、b间的磁场力为主(因为它们是受合磁场的作用)。如果主注意到磁铁向下插,通过闭合回路的磁通量增大,由ΦBS可知磁通量有增大的趋势,因此S的相应变化应该使磁通量有减小的趋势,所以a、b将互相靠近。【例8】如图所示,在条形磁铁从图示位置绕O1O2轴转动90°的过程中,放在导轨右端附近的金属棒ab将如何移动解无论条形磁铁的哪个极为N极,也无论是顺时针转动还是逆时针转动,在转动90°过程中,穿过闭合电路的磁通量总是增大的(条形磁铁内、外的磁感线条数相同但方向相反,在线框所围面积内的总磁通量和磁铁内部的磁感线方向相同且增大。而该位置闭合电路所围面积越大,总磁通量越小,所以为阻碍磁通量增大金属棒ab将向右移动。【例9】如图所示,用丝线悬挂闭合金属环,悬于O点,虚线左边有匀强磁场,右边没有磁场。金属环的摆动会很快停下来。试解释这一现象。若整个空间都有向外的匀强磁场,会有这种现象吗解只有左边有匀强磁场,金属环在穿越磁场边界时,由于磁通量发生变化,环内一定会有感应电流产生,根据楞次定律将会阻碍相对运动,所以摆动会很快停下来,这就是电磁阻尼现象。当然也可以用能量守恒来解释既然有电流产生,就一定有一部分机械能向电能转化,最后电流通过导体转化为内能。若空间都有匀强磁cadbL2L1O1O2abO1aO2bOB场,穿过金属环的磁通量反而不变化了,因此不产生感应电流,因此也就不会阻碍相对运动,摆动就不会很快停下来。四、电磁感应在实际生活中的应用例析【例10】如图所示是生产中常用的一种延时继电器的示意图。铁芯上有两个线圈A和B。线圈A跟电源连接,线圈B的两端接在一起,构成一个闭合电路。在拉开开关S的时候,弹簧k并不能立即将衔铁D拉起,从而使触头C(连接工作电路)立即离开,过一段时间后触头C才能离开延时继电器就是这样得名的。试说明这种继电器的工作原理。解析当拉开开关S时使线圈A中电流变小并消失时,铁芯中的磁通量发生了变化(减小),从而在线圈B中激起感应电流,根据楞次定律,感应电流的磁场要阻碍原磁场的减小,这样,就使铁芯中磁场减弱得慢些,因此弹簧K不能立即将衔铁拉起。【例11】如图是家庭用的漏电保护器的关键部分的原理图,其中P是变压器铁芯,入户的两根电线(火线和零线)采用双线绕法,绕在铁芯一侧作为原线圈,然后再接入户内的用电器。Q是一个脱扣开关的控制部分(脱扣开关本身没有画出,它是串联在本图左边的火线和零线上,开关断开时,用户供电被切断),Q接在铁芯另一侧副线圈的两端a、b之间,当a、b间没有电压时,Q使得脱扣开关闭合,当a、b间有电压时,脱扣开关即断开,使用户断电。(1)用户正常用电时,a、b之间有没有电压(2)如果某人站在地面上,手误触火线而触电,脱扣开关是否会断开为什么解析(1)用户正常用电时,a、b之间没有电压,因为双线绕成的初级线圈两根导线中的电流总是大小相等而方向相反的,穿过铁芯的磁通量总为0,副线圈中不会有感应电动势产生。(2)人站在地面上手误触火线,电流通过火线和人体而流向大地,不通过零线,这样变压器的铁芯中就会有磁通量的变化,从而次级产生感应电动势,脱扣开关就会断开。第2单元法拉第电磁感应定律自感一.区分物理量1、磁通量Φ穿过某一面积的磁感线的条数2、磁通量的变化量△Φ=Φ2-Φ13、磁通量的变化率t单位时间内的磁通量的变化二.法拉第电磁感应定律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。这就是法拉第电磁感应定律。tnEABSkDCQabP1、反映磁通量变化的快慢2、电动势的平均值3、△Φ的产生方式①改变B,②改变S,③、改变B和S的夹角三、推论把AB向右移动一段距离,AB长L,速度v,匀强磁场B当B⊥L,L⊥v,B⊥v时有BLvEttBLvtSBtE推广已知B,L,ω求E=2222122BLELtBtLBtSBtE例题举例【例1】如图所示,长L1宽L2的矩形线圈电阻为R,处于磁感应强度为B的匀强磁场边缘,线圈与磁感线垂直。求将线圈以向右的速度v匀速拉出磁场的过程中,⑴拉力F大小⑵拉力的功率P⑶拉力做的功W⑷线圈中产生的电热Q⑸通过线圈某一截面的电荷量q。解⑴vRvLBFBILFREIvBLE22222,,,⑵22222vRvLBFvP⑶vRvLLBFLW12221⑷vWQ⑸RtREtIq与v无关注意电热Q和电荷q的区别,其中Rq与速度无关(这个结论以后经常会遇到)。【例2】如图,竖直放置的U形导轨宽为L,上端串有电阻R(其余导体部分的电阻都忽略不计)。磁感应强度为B的匀强磁场方向垂直于纸面向外。金属棒ab的质量为m,与导轨接触良好,不计摩擦。从静止释放后ab保持水平而下滑。试求ab下滑的最大速度vm解释放瞬间ab只受重力,开始向下加速运动。随着速度的增大,感应电动势E、感应电流I、安培力F都随之增大,加速度随之减小。当F增大到Fmg时,加速度变为零,这时ab达到最大速度。由mgRvLBFm22,可得22LBmgRvm【例3】如图所示,U形导线框固定在水平面上,右端放有质量为m的金属棒ab,ab与导轨间的动摩擦因数为μ,它们围成的矩形边长分别为L1、L2,回路的总电阻为R。从t0时刻起,在竖直向上方向加一个随时间均匀变化的匀强磁场Bkt,(k0)那么在t为多大时,金属棒开始移动解由tEkL1L2可知,回路中感应电动势是恒定的,电流大小也是恒定的,但由FL1L2BvRabmLbaBL1L2RAB(电动势的平均值和瞬时值)于安培力FBIL∝Bkt∝t,随时间的增大,安培力将随之增大。当安培力增大到等于最大静摩擦力时,ab将开始向左移动。这时有2212211,LLkmgRtmgRLkLLkt【例4】如图所示,水平面上固定有平行导轨,磁感应强度为B的匀强磁场方向竖直向下。同种合金做的导体棒ab、cd横截面积之比为2∶1,长度和导轨的宽均为L,ab的质量为m,电阻为r,开始时ab、cd都垂直于导轨静止,不计摩擦。给ab一个向右的瞬时冲量I,在以后的运动中,cd的最大速度vm、最大加速度am、产生的电热各是多少解给ab冲量后,ab获得速度向右运动,回路中产生感应电流,cd受安培力作用而加速,ab受安培力而减速当两者速度相等时,都开始做匀速运动。所以开始时cd的加速度最大,最终cd的速度最大。全过程系统动能的损失都转化为电能,电能又转化为内能。由于ab、cd横截面积之比为2∶1,所以电阻之比为1∶2,根据QI2Rt∝R,所以cd上产生的电热应该是回路中产生的全部电热的2/3。又根据已知得ab的初速度为v1I/m,因此有2/,,2,1mFaBLIFrrEIBLvEm,解得rmILBam22232。最后的共同速度为vm2I/3m,系统动能损失为ΔEKI2/6m,其中cd上产生电热QI2/9m【例5】如图所示,空间存在垂直于纸面的均匀磁场,在半径为a的圆形区域内部及外部,磁场方向相反,磁感应强度的大小均为B。一半径为b,电阻为R的圆形导线环放置在纸面内,其圆心与圆形区域的中心重合。当内、外磁场同时由B均匀地减小到零的过程中,通过导线截面的电量q____________。解析由题意知122220Bba,,21222Bba,由qRqBbaR,222【例6】如图所示是一种测量通电螺线管中磁场的装置,把一个很小的测量线圈A放在待测处,线圈与测量电量的冲击电流计G串联,当用双刀双掷开关S使螺线管的电流反向时,测量线圈中就产生感应电动势,从而引起电荷的迁移,由表G测出电量Q,就可以算出线圈所在处的磁感应强度B。已知测量线圈共有N匝,直径为d,它和表G串联电路的总电阻为R,则被测处的磁感强度B为多大解析当双刀双掷开关S使螺线管的电流反向时,测量线圈中就产生感应电动势,根据法拉第电磁感应定律可得tdBNtNE22/2由欧姆定律得REtQI由上述二式可得2.2NdQRB四、自感现象Badbc1、自感由于导体本身的电流变化而产生的电磁感应现象叫自感现象。产生的电动势叫自感电动势。电流I变化时,自感电动势阻碍电流的变化(当I增加,自感电动势反抗I的增加,当I减小,自感电动势补充I的减小)2、原因导体本身的电流变化,引起磁通量的变化3、自感电动势和自感系数tILE①反映电流变化的快慢②自感系数L决定于线圈的自身(长度、截面积、匝数、铁芯)③自感电动势由L和I的变化率共同决定④单位亨利1H=103mH1mH=103μH自感现象只有在通过电路电流发生变化才会产生.在判断电路性质时,一般分析方法是当流过线圈L的电流突然增大瞬间,我们可以把L看成一个阻值很大的电阻当流经L的电流突然减小的瞬间,我们可以把L看作一个电源,它提供一个跟原电流同向的电流.图2电路中,当S断开时,我们只看到A灯闪亮了一下后熄灭,那么S断开时图1电路中就没有自感电流能否看到明显的自感现象,不仅仅取决于自感电动势的大小,还取决于电路的结构.在图2电路中,我们预先在电路设计时取线圈的阻值远小于灯A的阻值,使S断开前,并联电路中的电流ILIR,S断开瞬间,虽然L中电流在减小,但这一电流全部流过A灯,仍比S断开前A灯的电流大得多,且延滞了一段时间,所以我们看到A灯闪亮一下后熄灭,对图1的电路,S断开瞬间也有自感电流,但它比断开前流过两灯的电流还小,就不会出现闪亮一下的现象.除线圈外,电路的其它部分是否存在自感现象当电路中的电流发生变化时,电路中每一个组成部分,甚至连导线,都会产生自感电动势去阻碍电流的变化,只不过是线圈中产生的自感电动势比较大,其它部分产生的自感电动势非常小而已。2、自感现象的应用日光灯(1)启动器利用氖管的辉光放电,起自动把电路接通和断开的作用(2)镇流器在日光灯点燃时,利用自感现象,产生瞬时高压,在日光灯正常发光时,,利用自感现象,起降压限流作用。3、日光灯的工作原理图如下图中A镇流器,其作用是在灯开始点燃时起产生瞬时高压的作用在日光灯正常发光时起起降压限流作用.B是日光灯管,它的内壁涂有一层荧光粉,使其发出的光为柔和的白光C是启动器,它是一个充有氖气的小玻璃泡,里面装上两个电极,一个固定不动的静触片和一个用双金属片制成的U形触片组成.【例7】如图所示的电路中,A1和A2是完全相同的灯泡,线圈L的电阻可以忽略不计,下列说法中正确的是(A、D)A.合上开关S接通电路时,A2先亮A1后亮,最后一样亮B.合上开关S接通电路时,A1和A2始终一样亮C.断开开关S切断电路时,A2立即熄灭,A1过一会熄灭D.断开开关S切断电路时,A1和A2都要过一会才熄灭四、针对练习
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liyun上传于2013-11-22

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