2019_20学年高中物理第一章电磁感应第五节课时1法拉第电机电磁感应中电荷量的计算课件粤教版.pptx

第一章 第五节 电磁感应规律的应用,课时1 法拉第电机 电磁感应中电荷量的计算,学科素养与目标要求,物理观念： 了解法拉第电机的构造及工作原理. 科学思维： 1.会计算导体棒转动切割产生的感应电动势. 2.进一步理解公式 与EBLv的区别和联系，能够区别运用这两个公式求解电 动势. 3.会选用公式求电磁感应中的电荷量问题.,NEIRONGSUOYIN,内容索引,自主预习,达标检测,课时对点练,预习新知 夯实基础,检测评价 达标过关,注重双基 强化落实,重点探究,启迪思维 探究重点,自主预习,1.法拉第电机原理 (1)如图1，把圆盘看作是由无数根长度等于半径的紫铜 组成的，在转动圆盘时，每根辐条都做_的运动，电路中便有了持续不断的电流.,法拉第电机,图1,(2)在法拉第电机中，产生感应电动势的那部分导体相当于_.,切割磁感线,电源,辐条,2.情景分析：如图2所示，铜棒Oa长为L，磁场的磁感应强度为B，铜棒在垂直于匀强磁场的平面上绕O点以角速度匀速转动，则铜棒切割磁感线产生_.,图2,3.转动切割磁感线产生的电动势 以导体棒的一端为轴转动切割磁感线：,由v_可知各点线速度随半径按线性规律变化，切割速度用_的线速度替代，即v_.感应电动势E_.,感应电动势,r,中点,一直升机停在南半球的地磁极上空.该处地磁场的方向竖直向上，磁感应强度为B.直升机螺旋桨叶片的长度为l，螺旋桨转动的频率为f，顺着地磁场的方向看螺旋桨，螺旋桨按顺时针方向转动，螺旋桨叶片的近轴端为a，远轴端为b，如图3所示，如果忽略a到转轴中心线的距离，每个叶片中的感应电动势E_，且a点电势_(选填“高于”或“低于”)b点电势.,图3,fl2B,低于,即学即用,重点探究,例1 如图4所示，导轨OM和ON都在纸面内，导体AB可在导轨上无摩擦滑动，ABON，若AB以5 m/s的速度从O点开始沿导轨匀速右滑，导体与导轨都足够长，匀强磁场的磁感应强度为0.2 T.问：,图4,(1)第3 s末夹在导轨间的导体长度是多少？此时导体切割磁感线产生的感应电动势多大？,解析 第3 s末，夹在导轨间导体的长度：,(2)3 s内回路中的磁通量变化了多少？此过程中的平均感应电动势为多少？,解析 3 s内回路中磁通量的变化量,3 s内电路中产生的平均感应电动势：,学科素养 例1通过对瞬时感应电动势和平均感应电动势的计算，加深了学 生对公式 和 EBlv适用条件的理解.知道 研究整个闭合回路， 适用于计算各种电磁感应现象中t内的平均感应电动势；EBlv研究的是闭合回路的一部分，即做切割磁感线运动的导体，只适用于计算导体切割磁感线运动产生的感应电动势，可以是平均感应电动势，也可以是瞬时感应电动势.通过这样的训练，锻炼了学生的综合分析能力，体现了“科学思维”的学科素养.,针对训练 (多选)如图5所示，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向下.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,图5,A.感应电动势最大值E2Bav B.感应电动势最大值EBav,解析 在半圆形闭合回路进入磁场的过程中，有效切割长度如图所示，,所以进入过程中l先逐渐增大到a，然后再逐渐减小为0，由EBlv可知，最大值EmaxBav，最小值为0，A错误，B正确；,二、法拉第电机的原理 转动切割电动势的计算,1.感应电动势的高低 图6中导体棒ab在转动切割磁感线时产生感应电动势，相当于电源，如果它与用电器连接构成闭合电路，则产生的感应电流方向由b向a(右手定则)，而电源内部电流方向是由负极流向正极，所以a相当于电源的正极，b相当于电源的负极，即a端电势高于b端电势.,图6,2.导体转动切割磁感线产生的电动势的计算,如图7所示，长为L的导体棒Oa以O为圆心，以角速度在磁感应强度为B的匀强磁场中匀速转动，感应电动势大小可用两种方法分析：,图7,例2 如图8是法拉第研制成的世界上第一台发电机模型的原理图.将铜盘放在磁场中，让磁感线垂直穿过铜盘，图中a、b导线与铜盘的中轴线处在同一平面内，转动铜盘，就可以使闭合电路获得电流.若图中铜盘半径为r，匀强磁场的磁感应强度为B，回路总电阻为R，匀速转动铜盘的角速度为，则电路的功率是,图8,三、电磁感应中电荷量的计算,(1)从上式可知，线圈匝数一定时，感应电荷量仅由回路电阻和磁通量的变化量决定，与时间无关. (2)求解电路中通过的电荷量时，I、E均为平均值.,例3 (2018中山市第一中学高二第一次段考)一个阻值为R、匝数为n的圆形金属线圈与阻值为2R的电阻R1、电容为C的电容器连接成如图9(a)所示回路.金属线圈的半径为r1，在线圈中半径为r2的圆形区域内存在垂直于线圈平面向里的匀强磁场，磁感应强度B随时间t变化的关系图线如图(b)所示.图线与横、纵轴的截距分别为t0和B0.导线的电阻不计.求：,图9,(1)通过电阻R1的电流大小和方向；,根据法拉第电磁感应定律，感应电动势：,根据楞次定律可知通过R1的电流方向为从b到a.,(2)0t1时间内通过电阻R1的电荷量q；,(3)t1时刻电容器所带电荷量Q.,达标检测,1.(转动切割产生的动生电动势)如图10所示，直角三角形金属框abc放置在匀强磁场中，磁感应强度大小为B，方向平行于ab边向上.当金属框绕ab边以角速度逆时针转动时，a、b、c三点的电势分别为a、b、c.已知bc边的长度为l.下列判断正确的是,图10,A.ac，金属框中无电流 B.bc，金属框中电流方向沿abca,1,2,3,4,解析 金属框abc平面与磁场方向平行，转动过程中穿过金属框平面的磁通量始终为零，所以无感应电流产生，选项B、D错误； 转动过程中bc边和ac边均切割磁感线，产生感应电动势，由右手定则判断ac，bc，选项A错误；,1,2,3,4,2.(磁场变化产生的电动势)在竖直向上的匀强磁场中，水平放置一个不变形的单匝金属圆线圈，规定线圈中感应电流的正方向如图11甲所示，当磁场的磁感应强度B随时间t按如图乙所示规律变化时，下列四个图中正确表示线圈中感应电动势E变化的是,图11,1,2,3,4,在第23 s内，磁感应强度B不变化，即线圈中无感应电流， 在第35 s内，磁感应强度B均匀减小，,1,2,3,4,3.(电磁感应中电荷量的计算)如图12所示，空间存在垂直于纸面的匀强磁场，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(ba)、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，通过导线环截面的电荷量为,图12,1,2,3,4,解析 设开始时穿过导线环向里的磁通量为正值，1Ba2， 则向外的磁通量为负值，2B(b2a2)，总的磁通量为它们的代数和(取绝对值)B|b22a2|，末态总的磁通量为0，,1,2,3,4,4.(平动切割产生的动生电动势)如图13所示，“”形金属框架MON所在平面与磁感应强度为B的匀强磁场垂直，金属棒ab能紧贴金属框架运动，且始终与ON垂直，金属棒与金属框架粗细相同，且由同种材料制成.当ab从O点开始(t0)匀速向右平动时，速度为v0，MON30.,图13,(1)bOc回路中感应电动势随时间变化的函数关系式为_.,1,2,3,4,解析 t0时ab从O点出发，经过时间t后，ab匀速运动的距离为s，则有sv0t.,则金属棒ab接入回路的bc部分切割磁感线产生的感应电动势为,1,2,3,4,(2)闭合回路中的电流随时间变化的图象是_.,B,1,2,3,4,课时对点练,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,1.(多选)(2017清江中学周练)如图1甲，在虚线所示的区域有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度随时间的变化规律如图乙所示，虚线区域内有一面积为S、与纸面平行的单匝金属线框，线框与电阻R相连，若金属线框的电阻为 ，下列说法正确的是,图1,A.流过电阻R的感应电流由a到b B.线框cd边受到的安培力方向向上,13,14,解析 穿过线框的磁通量在增大，根据楞次定律可得感应电流为逆时针方向，故流过电阻R的感应电流的方向为由a到b，A正确； 感应电流是从c到d，根据左手定则，可得线框cd边受到的安培力方向向下，B错误；,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,2.如图2为无线充电技术中使用的受电线圈示意图，线圈匝数为n，面积为S.若在t1到t2时间内，匀强磁场平行于线圈轴线向右穿过线圈，其磁感应强度大小由B1均匀增加到B2，则该段时间线圈两端a和b之间的电势差ab,图2,13,14,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,3.如图3所示，长为L的金属导线弯成一圆环，导线的两端接在电容为C的平行板电容器上，P、Q为电容器的两个极板，磁场垂直于环面向里，磁感应强度以BB0kt(k0)的规律随时间变化，t0时，P、Q两板电势相等，两板间的距离远小于环的半径，经时间t，电容器P板,图3,A.不带电 B.所带电荷量与t成正比,13,14,由楞次定律和安培定则知电容器P板带负电，故D选项正确.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,A.电路中的感应电流大小不变 B.电路中的感应电动势大小不变 C.电路中的感应电动势逐渐增大 D.电路中的感应电流逐渐减小,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,4.(多选)如图4所示，三角形金属导轨EOF上放有一金属杆AB，在外力作用下，使AB保持与OF垂直，从O点开始以速度v匀速右移，该导轨与金属杆均为粗细相同的同种金属制成，则下列判断正确的是,图4,13,14,解析 设金属杆从O开始运动到如题图所示位置所经历的时间为t，EOF，金属杆切割磁感线的有效长度为L，故EBLvBvvttan Bv2tan t，即电路中感应电动势与时间成正比，C选项正确；,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,5.如图5所示，等腰直角三角形OPQ区域内存在匀强磁场，另有一等腰直角三角形导线框abc以恒定的速度v沿垂直于磁场方向穿过磁场，穿越过程中速度方向始终与ab边垂直，且保持ac平行于OQ.关于线框中的感应电流，以下说法正确的是,图5,A.开始进入磁场时感应电流最小 B.开始穿出磁场时感应电流最大 C.开始进入磁场时感应电流沿顺时针方向 D.开始穿出磁场时感应电流沿顺时针方向,13,14,解析 线框中感应电流的大小正比于感应电动势的大小，又感应电动势EBL有v，L有指切割磁感线部分两端点连线在垂直于速度方向上的投影长度，故开始进入磁场时感应电流最大，开始穿出磁场时感应电流最小，选项A、B错误. 感应电流的方向可以用楞次定律判断，可知选项D正确，C错误.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,考点二 转动切割问题 6.夏天时，在北半球，当我们抬头观看教室内的电风扇，会发现电风扇正在逆时针转动.金属材质的电风扇示意图如图6所示，由于地磁场的存在，下列关于A、O两点的电势及电势差的说法，正确的是,图6,A.A点电势比O点电势高 B.A点电势比O点电势低 C.A点电势和O点电势相等 D.扇叶长度越短，UAO的电势差数值越大,解析 在北半球，地磁场的竖直分量竖直向下，电风扇转动时，可将扇叶看作电源，由右手定则可判断A点为正极，电势高，O点为负极，电势低，A对，B、C错；,13,14,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,7.如图7所示，导体棒AB的长为2R，绕O点以角速度匀速转动，OB长为R，且O、B、A三点在一条直线上，有一磁感应强度为B的匀强磁场充满转动平面且与转动平面垂直，那么AB两端的电势差大小为,图7,A. B.2BR2 C.4BR2 D.6BR2,13,14,8.如图8所示，匀强磁场中有一由半圆弧及其直径构成的导线框，半圆直径与磁场边缘重合；磁场方向垂直于半圆面(纸面)向里，磁感应强度大小为B0.使该线框从静止开始绕过圆心O、垂直于半圆面的轴以角速度匀速转动半周，线框中产生感应电流.现使线框保持图中所示位置，磁感应强度大小随时间线性变化.为了产生与线框转动半周过程中同样大小的电流，磁感应强度随时间变化的变化率 的大小应为,图8,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,A.C点电势一定低于D点电势 B.圆盘中产生的感应电动势大小为Br2 C.电流计中的电流方向为由a到b D.铜盘不转动，所加磁场磁感应强度减小，则铜盘中 产生顺时针方向感应电流(从左向右看),9.(多选)(2018日照市高二下学期期末统考)如图9所示是法拉第制作的世界上第一台发电机的模型原理图.把一个半径为r的铜盘放在磁感应强度大小为B的匀强磁场中，使磁感线水平向右垂直穿过铜盘，铜盘安装在水平的铜轴上.两块铜片C、D分别与转动轴和铜盘的边缘接触.G为灵敏电流计.现使铜盘按照图示方向以角速度匀速转动，则下列说法正确的是,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,图9,13,14,解析 将铜盘看成无数条由中心指向边缘的铜棒组合而成，当铜盘转动时，每根铜棒都在切割磁感线，相当于电源，由右手定则可知，铜盘边缘为电源正极，中心为负极，C点电势低于D点电势，此电源对外电路供电，电流方向由b经电流计再从a流向铜盘，故A正确，C错误；,若铜盘不转动，使所加磁场磁感应强度均匀减小，在铜盘中产生顺时针方向感应电流(从左向右看)，故D正确.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,A.q1q212 B.q1q214 C.q1q211 D.q1q221,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,考点三 电磁感应中电荷量问题,10.如图10所示，将一个闭合金属圆环从有界磁场中匀速拉出，第一次速度为v，通过金属圆环某一横截面的电荷量为q1，第二次速度为2v，通过金属圆环某一横截面的电荷量为q2，则,图10,13,14,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,11.物理实验中，常用一种叫做“冲击电流计”的仪器测定通过电路的电荷量.如图11所示，探测线圈与冲击电流计串联后可用来测定磁场的磁感应强度.已知线圈的匝数为n，面积为S，线圈与冲击电流计组成的回路电阻为R.若将线圈放在被测匀强磁场中，开始时线圈平面与磁场垂直，现把探测线圈翻转180，冲击电流计测出通过线圈的电荷量为q，由上述数据可得出被测磁场的磁感应强度为,图11,13,14,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,12.(多选)(2017南京市第三次模拟考试)如图12甲所示，静止在水平面上的等边三角形金属线框，匝数n20匝，总电阻R2.5 ，边长L0.3 m，处在两个半径均为r0.1 m的圆形匀强磁场中，线框顶点与右侧圆心重合，线框底边与左侧圆直径重合.磁感应强度B1垂直水平面向外，B2垂直水平面向里，B1、B2随时间t的变化如图乙所示，线框一直处于静止状态，计算过程中取3，下列说法正确的是,图12,A.线框具有向左运动的趋势 B.t0时刻穿过线框的磁通量为0.5 Wb C.t0.4 s时刻线框中感应电动势为1.5 V D.00.6 s内通过线框横截面的电荷量为0.36 C,13,14,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,解析 磁感应强度B1增加，由楞次定律和右手定则可知，线框中的电流为顺时针方向，由左手定则可知，线框所受安培力方向向右，所以线框有向右运动的趋势，A错误；,13,14,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,二、非选择题 13.如图13甲所示，固定在水平面上电阻不计的光滑金属导轨，间距d0.5 m，右端接一阻值为4 的小灯泡L.在CDEF矩形区域内有竖直向上的匀强磁场，磁感应强度B按如图乙所示规律变化，CF长为2 m.在t0时，金属棒ab从图示位置由静止在恒力F作用下向右