高中物理10大难点强行突破之七法拉第电磁感应定律

第 - 1 - 页 共 8 页 难点之 七 法拉第电磁感应定律 一、难点形成原因 1、关于表达式 此公式在应用时容易漏掉匝数 n，实际上 n 匝线圈产生的感应电动势是串联在一起的，其次 是合磁通量的变化，尤其变化过程中磁场方向改变的情况特别容易出错，并且感应电动势 E 与 、 、t的关系容易混淆不清。 2、应用法拉第电磁感应定律的 三种特殊情况 E=221 、 E=E=决问题时，不注意各公式应用的条件，造成公式应用混乱从而形成难点。 3、公式 E= E=记忆和推导是难点，造成推导困难的原因主要是此情况下，线圈在三维空间运动，不少同学缺乏立体思维。 二、难点突破 1、 、 、t同 v、 v、一样都是容易混淆的物理量，如果理不清它们之间的关系，求解感应电动势就会受到影响，要真正掌握它们的区别应从以下几个方面深入理解。 磁通量 磁通量变化量 磁通量变化率t物理 意义 磁通量越大，某时刻穿过磁场中某个面的磁感线条数越多 某段时间穿过某个面的末、初磁通量的差值 表述磁场中穿过某个面的磁通量变化快慢的物理量 大小 计算 S 为与 B 垂直的面积 12 ， 或 或注 意 若穿过某个面有方向相反的磁场，则不能直接用，应考虑相反方向的磁通量相互抵消以后所剩余的磁通量 开始 和转过 1800时平面都与磁场垂直，穿过平面的磁通量是不同的，一正一负， =2 不是零 既不表示磁通量的大小，也不表示变化的多少，在 2、明确感应电动势的三种特殊情况中各公式的具体用法及应用时须注意的问题 导体切割磁感线产生的感应电动势 E=用此公式时 B、 l、 v 三个量必须是两两相互垂直，若不垂直应转化成相互垂直的有效分量进行计算，生硬地套用公式会导致错误。有的注意到三者之间的关系，发现不垂直后，在不明白角含义的情况下用 E=也是不可取的。 处理这类问题，最好画图找 B、 l、 v 三个量的关系，如若不两两垂直则在图上画出它们两两垂直的有效分量，然后将有效分量代入公式 E=解。此公式也可计算平均感应电动势，只要将 v 代入平均速度即可。 导体棒以端点为轴在垂直于磁感线的匀强磁场中匀速转动，计算此时产生的感应电第 - 2 - 页 共 8 页 动势须注意棒上各点的线速度不同，应用平均速度（即中点位置的线速度）来计算，所以221 。 矩形线圈在匀强磁场中，绕垂直于磁场的任意轴匀速转动产生的感应电动势何时用E=时用 E=容易记混。其实这两个公式的区别是计时起点不同，记住两个特殊位置是关键。当线圈转至中性面（即线圈平面与磁场垂直的位置）时 E=0，当线圈转至垂直中性面的位置（即线圈平面与磁场平行）时 E=样，线圈从中性面开始计时感应电动势按 E=圈从垂直中性面的位置开始计时感应电动势按 E=且用这两个公式可以求某时刻线圈的磁通量变化率 / t，不少同学没有这种意识。推导这两个公式时，如果能根据三维空间的立体图准确画出二维空间的平面图，问题就会迎刃 而解。 另外， 求的是整个闭合回路的平均感应电动势， t 0 的极限值才等于瞬时感应电动势。当均匀变化时，平均感应电动势等于瞬时感应电动势。但三种特殊情况中的公式通常用来求感应电动势的瞬时值。 4、典型 例 例 1： 关于感应电动势，下列说法正确的是（ ） A穿过回路的磁通量越大，回路中的感应电动势就越大 B穿过回路的磁通量变化量越大，回路中的感应电动势就越大 C穿过回路的磁通量变化率越大，回路中的感应电动势就越大 D单位时间内穿过回路的磁通量变化量越大 ，回路中的感应电动势就越大 【 审题 】题目考查内容非常明确，主要考查感应电动势 、磁通量变化量 、磁通量变化率t之间的关系。 【 解析 】感应电动势 E 的大小与 磁通量变化率t成正比，与 磁通量 、磁通量变化量 无直接联系。 A 选项中 磁通量 很大时，磁通量变化率 t 可能很小，这样感应电动势E 就会很 小，故 A 错。 B 选项中 很大时，若经历时间很长，磁通量变化率t仍然会很小，感应电动势 E 就很小，故 B 错。 D 选项中单位时间内穿过回路的磁通量变化量即磁通量变化率t，它越大 感应电动势 E 就越大，故 D 对。 答案： 总结】 感应电动势的有无由 磁通量变化量 决定， 0 是回路中存在感应电动势的前提， 感应 电动势的大小由 磁通量变化率t决定，t越大，回路中的感应电动势越第 - 3 - 页 共 8 页 大，与 、 无关。 例 2： 一个面积 S=4 10数 N=100 的线圈，放在匀强磁场中，磁场方向垂直线圈平面，磁场的磁感应强度 B 随时间变化规律为 B / t=2T/s，则穿过线圈的磁通量变化率t为 Wb/s，线圈中产生的 感应电动势 E= V。 【 审题 】 磁通量的变化率t与匝数 N 无关，因为磁通量表示穿过某一面积的磁感线条数，穿过一匝线圈和穿过 N 匝线圈的磁感线条数是一样的。这样，一段时间内磁通量的变化一匝线圈和 N 匝线圈是一样的，所以t不受匝数 N 的影响。而感应电动势除与t有关外还与匝数 N 有关，因为产生感应电动势的过程中，每一匝线圈都相当于一个电源，线圈匝数越多，意味 着串联的电源越多，说明 E 与 N 有关。 【 解析 】根据 磁通量变化率的定义得t= S B / t=4 102 Wb/s=8 10s 由 E=N / t 得 E=100 8 10V 答案： 8 108 【 总结 】计算磁通量 =通量变化量 = 2、磁通量变化率 / ，但在求感应电动势时必须考虑匝数 N，即 E=N / t。同样，求安培力时也要考虑匝数 N，即 F=为通电导线越多，它们在磁场中所受安培 力就越大，所以安培力也与匝数 N 有关。 例 3： 如图 7示，两条平行且足够长的金属导轨置于磁感应强度为 B 的匀强磁场中， 导轨间距为 L，左端接一电阻 R，其余电阻不计。长为 2L 的导体棒 图所示放置， 开始时 与导轨垂直，在 绕 a 点紧贴导轨滑倒的过程中，通过电阻 R 的电荷量是 。 【 审题 】求 通过电阻 R 的电荷量首先须求出通过电阻 R 的平均电流，由于电阻 R 已知，因此根据法拉第电磁感应定律求出这一过程的平均感应电动势是解题关键。 【 解析 】 23421 222 32 图 7 - 4 - 页 共 8 页 答案：【 总结 】用 E=N / t 求的是平均感应电动势，由平均感应电动势求闭合回路的平均电流。而 电路中通过的电荷量等于平均电流与时间的乘积，即 ，注意这个式子在不同情况下的应用。 例 4： 如图 7示，在竖直向下的匀强磁场中，将一水平放置的金属棒以水平速 度 出，设整个过程中，棒的取向不变，不计空气阻力，则金属棒运动过程中产生的感应电动势的大小变化情况应是（ ） A越来越大 B越来越小 C保持不变 D无法判断 【 审题 】 金属棒运动过程中速度越来越大，但产生感应电动势的有效切割速度仅仅是速度的水平分量 在金属棒运动过程中 不变的。 【 解析 】导体切割磁感线产生的感应电动势 E=属棒运动过程中 B、 l 和 v 的有效分量均不变，所以感应电动势 E 不变，故选 C。 答案： C 【 总结 】应用感应电动势的计算公式 E=，一定要注意 B、 l、 v 必须两两垂直，若不垂直要取两两垂直的有效分量进行计算。 例 5： 如图 7示，长为 L 的金属棒 b 端在垂直于匀强磁场的平面内以角速度匀速转动，磁感应强度为 B，求 端的电势差。 【 审题 】 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。 本题是导体棒转动切割磁感线产生感应电动势的情况，棒上各点的速率不相等，由 v= r 知，棒上各点的线速度跟半径成正比，故可用棒的中点的速率作为平均切割速率代入公式 E=解。本题也可以设 t 时间 扫过的扇形面积为 S，根据 E=n / t 求解。 【 解析 】解法一： E=： E=n / t= B S/ t= /21 2= 2 22答案： 2 【 总结 】 若用 E= E，则必须先求出平均切割速率；若用 E=n / t 求 E，则必须先求出金属棒 t 时间扫过的扇形面积，从而求出磁通量的变化率。 图 7 7 - 5 - 页 共 8 页 例 6： 如图 7示，矩形线圈 有 n 匝，总电阻为 R，部分置于有理想边界的匀强磁场中，线圈平面与磁场垂直，磁感应强度大小为 B。让线圈从图示位置开始以 为轴匀速转动，角速度为。若线圈 长为 长为 磁场外部分为2 线圈从图示位置转过 530 时的感应电动势的大小为 。 线圈从图示位置转过 1800 的过程中，线圈中的平均感应电流为 。 若磁场没有边界，线圈从图示位置转过 450 时的感应电动势的大小为 ，磁通量的变化率为 。 【 审题 】磁场有边界时，线圈 图示位置转过 530 的过程中，穿过线圈的磁通量始终没有变化，所以此过程感应电动势始终为零；在 线圈 图示位置转过 1800 的过程中，初末状态磁通量大小不变，但方向改变，所以2121 。磁场没有边界时， 线圈 图示位置转动产生的感应电动势按 E=E=t， t 时刻磁通量的变化率 / t=E/n= t。 【 解析 】 线圈从图示位置转过 530 时的感应电动势的大小为零。 线圈从图示位置转过 1800 的过程中，56562121 56 21若磁场没有边界，线圈从图示位置转过 450 时的感应电动势 E=t= 21 1 答案： 0；1 ； 21 2 21 总结 】本题考查了三个知识点：感应电动势的产生由 决定， =0 则感应电动势等于零； 磁通量的变化量的求法， 开始和转过 1800 时平面都与磁场垂直， =2 不是零； 线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴转动产生感应电动势的表达式及此过程中任一时刻磁通量的变化率的求法。 例 7： 一个圆形闭合线圈固定在垂直纸面的匀强磁场中，线图 7 7 - 6 - 页 共 8 页 圈平面与磁场方向垂直，如图 7所示。设垂直纸面向里的磁感应强度方 向为正，垂直纸面向外的磁感应强度方向为负。线圈中顺时针方向的感应电流为正，逆时针方向的感应电流为负。已知圆形线圈中感应电流 i 随时间变化的图象如图 7所示，则线圈所在处的磁场的磁感应强度随时间变化的图象可能是（ ） 【 审题 】由图乙可知线圈中的感应电流是周期性变化的，因此只研究一个周期（即前两秒）的情况即可。 0 应电流沿逆时针方向且大小不变，所以 垂直纸面向里的磁场在均匀增强或垂直纸面向外的磁场在均匀减弱； 应电流沿顺时针方向，所以垂直纸面向里的磁场在均匀减弱或垂直纸面向外 的磁场在均匀增强； 2s 的情况同 0【 解析 】 A 选项中 0 磁场垂直纸面向外且均匀增加，与图乙中 感应电流方向矛盾，故 A 错； B 选项中 0 磁场垂直纸面向外且均匀减弱符合条件，但 1s， 磁场垂直纸面向里且均匀增强与图乙中 感应电流方向矛盾，故 B 错； C 选项中 0 磁场垂直纸面向里且均匀增强， 1s， 磁场垂直纸面向里且均匀减弱， 1 磁场垂直纸面向外且均匀增强， 2s， 磁场垂直纸面向外且均匀减弱，都与题意相付，故 C 对； 磁场垂直纸面 向里且均匀增强， 磁场垂直纸面向里且均匀减弱， 2s 磁场垂直纸面向里且均匀增强，都与题意相付，故 D 对。 答案： 总结 】本题考查了从图象上获取信息的能力，在回路面积一定的情况下， B t 图象的斜率反映感应电动势的大小， B 大小或方向的改变决定回路中感应电动势的方向。若给出的是 t 图象，情况是一样的。 例 8： 如图 7示，金属导轨间距为 d，左端接一电阻 R，匀强磁场的磁感应强度为 B，方向垂直于平行金属导轨所在的平面，一根长金属棒与导轨成角放置，金属棒与导轨电阻不计。当金属棒沿垂直 于棒的方向，以恒定速度 v 在金属导轨上滑行时，通过电阻的电流强度为 ；电阻 R 上的发热功率为 ；拉力的机械功率为 。 【 审题 】导体棒做切割磁感线运动，导体棒两端产生的感应电动势相当于闭合回路的电源，所以题中 R 是外电阻， 金属棒为电源且电源内阻不计。由于金属棒 切割磁感线时， B、 L、v 两两垂直，则感应电动势可直接用 E=解，从而求出感应电流和发热功率，又因为金图 7 - 7 - 页 共 8 页 属棒匀速运动，所以拉力的机械功率等于电阻 R 上的发热功率，也可以用 P=拉力的 机械功率。 【 解析 】 22222s 热2222s 热机械或者 2222s i ns i ns i n R d L 机械答案：22222222总结 】本题是法拉第电磁感应定律与闭合回路欧姆定律、焦耳定律及力学中功率相结合的题目，涉及到 能量转化的问题，扎实的基础知识是解题的关键。 例 9： 如图 7示，两根足够长的直金属导轨 行放置在倾角为的绝缘斜面上，两导轨间距为 L。 M、 P 两点间接有电阻值为 R 的电阻，一根质量为 m 的均匀直金属杆 在两导轨上，并与导轨垂直。整套装置处于磁感应强度为 B 的匀强磁场中，磁场方向垂直斜面向下。导轨和金属杆的电阻可忽略。让 沿导轨由静止开始下滑，导轨和金属杆接触良好，不计它们之间的摩擦。求： 在加速下滑过程中，当 的速度大小为 v 时杆中的电流及杆的加速度大小； 在下滑过程中， 可以 达到的速度最大值。 【 审题 】求 在加速下滑过程中 的加速度首先要明确 b 向 a 看 的受力示意图如图 7示，根据受力情况结合牛顿第二定律即可求解。另外根据受力情况还可以判断 的运动情况， 下滑过程中速度越来越大，安培力F 越来越大，其合外力越来越小，加速度越来越小，当加速度为零时速度最大，所以 做的是加速度逐渐减小的加速运动，最后以最大速度匀速运动。根据 达最大速度时合外力为零可求其最大速度。 【 解析 】 的速度为 v 时，感应电动势 E=R 根据牛顿第二定律，有 ma=F 图 7 7