高中物理 第十章 第2讲 法拉第电磁感应定律　自感现象课件 新人教版.ppt

第2讲法拉第电磁感应定律自感现象 知识点1法拉第电磁感应定律 1 感应电动势 1 概念 在 中产生的电动势 2 产生条件 穿过回路的 发生改变 与电路是否闭合 3 方向判断 感应电动势的方向用 或 判断 电磁感应现象 磁通量 楞次定律 右手定则 无关 2 法拉第电磁感应定律 1 内容 闭合电路中感应电动势的大小 跟穿过这一电路的 成正比 2 公式 其中n为 3 感应电流与感应电动势的关系 遵守 即i 磁通量的变化率 线圈匝数 闭合电路欧姆定律 4 导体切割磁感线时的感应电动势 blv blvsin 知识点2自感 涡流 1 自感现象由于通过导体自身的 而产生的电磁感应现象 2 自感电动势 1 定义 在 中产生的感应电动势 2 表达式 电流发生变化 自感现象 3 自感系数l 相关因素 与线圈的大小 形状 以及是否有 等因素有关 单位 亨利 h 常用单位还有毫亨 mh 微亨 h 1mh h 1 h h 圈数 铁芯 10 3 10 6 3 涡流当线圈中的电流发生变化时 在它附近的导体中产生的像水的旋涡一样的 1 电磁阻尼 当导体在磁场中运动时 感应电流会使导体受到 安培力的方向总是 导体的相对运动 2 电磁驱动 如果磁场相对于导体转动 在导体中会产生 使导体受到安培力的作用 安培力使导体运动起来 交流感应电动机就是利用 的原理工作的 3 电磁阻尼和电磁驱动的原理体现了 的推广应用 感应电流 安培力 阻碍 感应电流 电磁驱动 楞次定律 思考辨析 1 线圈中磁通量越大 产生的感应电动势大 2 线圈中磁通量变化越大 产生的感应电动势大 3 线圈中磁通量变化越快 产生的感应电动势大 4 线圈中磁通量增加时感应电动势增大 线圈中磁通量减小时感应电动势减小 5 对于同一线圈 当电流变化越大时 线圈产生的自感电动势也越大 6 对于同一线圈 当电流变化越快时 线圈的自感系数也越大 7 对于同一线圈 当电流变化越快时 线圈中的自感电动势也越大 分析 1 线圈中磁通量越大 感应电动势不一定越大 1 错 2 线圈中磁通量变化越大 感应电动势不一定越大 2 错 3 感应电动势 在线圈匝数一定的情况下 感应电动势由磁通量变化量和所用时间共同决定 所以线圈中磁通量变化越快 产生的感应电动势越大 3 正确 4 如果线圈中磁通量均匀增加或者均匀减少 感应电动势的大小就不变 故 4 错 5 自感电动势的大小 与电流变化快慢有关 与电流变化大小无关 故 5 错 6 自感系数只取决于线圈的本身因素 与电流变化情况无关 故 6 错 7 根据自感电动势的公式可知 7 正确 考点1法拉第电磁感应定律的应用 三年9考 拓展延伸 考点解读 1 感应电动势的大小由穿过电路的磁通量的变化率和线圈的匝数共同决定 而与磁通量 磁通量的变化量 的大小没有必然联系 2 法拉第电磁感应定律应用的几种情况 磁通量的变化是由面积变化引起时 b s 则 磁通量的变化是由磁场变化引起时 b s 则 磁通量的变化是由于面积和磁场变化共同引起的 则根据定义求 末 初 3 在图像问题中磁通量的变化率是 t图像上某点切线的斜率 利用斜率和线圈匝数可以确定感应电动势的大小 典例透析1 如图甲所示 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连接成闭合回路 线圈的半径为r1 在线圈中半径为r2的圆形区域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乙所示 图线与横 纵轴的截距分别为t0和b0 导线的电阻不计 求0至t1时间内 1 通过电阻r1的电流大小和方向 2 通过电阻r1的电荷量q及电阻r1上产生的热量 解题探究 在求解该题时 应明确 1 公式中的s应为 2 公式q it中的i应为 线圈在磁场范围内的有效面积 流过电阻的平均电流 解析 1 穿过闭合线圈的磁场的面积为由题图乙可知 磁感应强度b的变化率的大小为根据法拉第电磁感应定律得 由闭合电路欧姆定律可知流过电阻r1的电流为 再根据楞次定律可以判断 流过电阻r1的电流方向应由b到a 2 0至t1时间内通过电阻r1的电荷量为电阻r1上产生的热量为答案 1 方向从b到a 2 互动探究 在 典例透析1 中 如果保持匀强磁场的磁感应强度b0不变 而让线圈以某一直径为轴经时间t1转过90 则回路中产生的平均感应电流以及0至t1时间内通过电阻r1的电荷量各是多少 解析 根据法拉第电磁感应定律回路中产生的平均感应电流为在0至t1时间内通过电阻r1的电荷量为答案 总结提升 应用电磁感应定律应注意的三个问题 1 公式求解的是一个回路中某段时间内的平均电动势 在磁通量均匀变化时 瞬时值才等于平均值 2 利用公式求感应电动势时 s为线圈在磁场范围内的有效面积 3 通过回路截面的电荷量q仅与n 和回路电阻r有关 与时间长短无关 推导如下 变式备选 如图所示 导线全部为裸导线 半径为r的圆内有垂直于圆平面的匀强磁场 磁感应强度为b 一根长度大于2r的导线mn以速度v在圆环上无摩擦地自左端匀速滑到右端 电路的固定电阻为r 其余电阻不计 求mn从圆环的左端滑到右端的过程中电阻r上的电流的平均值和通过电阻r的电荷量 解析 mn做切割磁感线运动 有效切割长度在不断地变化 用e blv难以求得平均感应电动势 从另一角度看 回路中的磁通量在不断地变化 可利用法拉第电磁感应定律求平均感应电动势 从左端到右端磁通量的变化量 b s b r2从左端到右端的时间根据法拉第电磁感应定律 平均感应电动势 所以 电路中平均感应电流通过r的电荷量答案 考点2导体切割磁感线产生感应电动势的计算 三年7考 深化理解 考点解读 对于导体平动切割磁感线产生感应电动势的计算式e blv 应从以下几个方面理解和掌握 1 使用条件本公式是在一定条件下得出的 除了磁场是匀强磁场外 还需b l v三者相互垂直 实际问题中当它们不相互垂直时 应取垂直的分量进行计算 公式可为e blvsin 为b与v方向间的夹角 2 使用范围导体平动切割磁感线时 若v为平均速度 则e为平均感应电动势 即若v为瞬时速度 则e为相应的瞬时感应电动势 3 有效性公式中的l为有效切割长度 即导体与v垂直的方向上的投影长度 例如 求图中mn两点间的电动势时 有效长度分别为 甲图 l cdsin 乙图 沿v1方向运动时 沿v2方向运动时 l 0 丙图 沿v1方向运动时 沿v2方向运动时 l 0 沿v3方向运动时 l r 4 相对性e blv中的速度v是相对于磁场的速度 若磁场也运动 应注意速度间的相对关系 典例透析2 在范围足够大 方向竖直向下的匀强磁场中 磁感应强度b 0 2t 有一水平放置的光滑框架 宽度为l 0 4m 如图所示 框架上放置一质量为0 05kg 电阻为1 的金属杆cd 框架电阻不计 若杆cd以恒定加速度a 2m s2由静止开始做匀加速运动 则 1 在前5s内 平均感应电动势是多少 2 在第5s末 回路中的电流有多大 3 在第5s末时 作用在cd杆上的水平外力有多大 解题探究 求感应电动势的一般方法 1 求平均感应电动势时 用公式 或 2 求瞬时感应电动势时 用公式 e blv 其中v为瞬时速度 解析 1 5s内的位移5s内的平均速度 也可用求解 故平均感应电动势 2 第5s末 v at 10m s此时感应电动势 e blv则回路中的电流为 3 杆cd匀加速运动 由牛顿第二定律得f f安 ma即f bil ma 0 164n答案 1 0 4v 2 0 8a 3 0 164n 总结提升 感应电动势两个公式的比较 变式训练 2012 新课标全国卷 如图 均匀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 在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 磁感应强度随时间的变化率的大小应为 解析 选c 设导线框半径为l 电阻值为r 导线框以角速度 匀速转动产生的电流大小为导线框中磁感应强度大小随时间线性变化时产生的电流大小为因为i1 i2 所以故选项c正确 考点3通电自感和断电自感 三年5考 对比分析 考点解读 典例透析3 如图甲 乙所示的电路中 电阻r和自感线圈l的电阻值都很小 且小于灯a的电阻 接通s 使电路达到稳定 灯泡a发光 则 a 在电路甲中 断开s a将立即熄灭b 在电路甲中 断开s a将先变得更亮 然后逐渐变暗c 在电路乙中 断开s a将逐渐变暗d 在电路乙中 断开s a将先变得更亮 然后逐渐变暗 解题探究 分析甲 乙电路 确定开关s断开时灯的亮暗变化情况 1 灯的亮暗变化取决于 2 乙电路中 断开s前 线圈l中的电流 灯a中的电流 流过灯的电流与灯中原电流的大小关 系 大于 解析 选d 在甲电路中 灯a和线圈l串联 它们的电流相同 断开s时 线圈上产生自感电动势 阻碍原电流的减小 但流过灯a的电流仍逐渐减小 从而灯a只能逐渐变暗 故a错误 在乙电路中电阻r和灯a串联 灯a的电阻大于线圈l的电阻 电流则小于线圈l中的电流 断开s时 电源不再给灯a供电 而线圈产生自感电动势阻碍电流的减小 通过r a形成回路 灯a中电流突然变大 灯a先变得更亮 然后逐渐变暗 故d正确 总结提升 分析自感现象的两点注意 1 通过自感线圈中的电流不能发生突变 即通电过程中 电流是逐渐变大 断电过程中 电流是逐渐变小 此时线圈可等效为 电源 该 电源 与其他电路元件形成回路 2 断电自感现象中灯泡是否 闪亮 问题的判断 在于对电流大小的分析 若断电后通过灯泡的电流比原来强 则灯泡先闪亮后再慢慢熄灭 变式训练 如图所示的电路 d1和d2是两个相同的灯泡 l是一个自感系数相当大的线圈 其电阻与r相同 由于存在自感现象 在开关s接通和断开时 灯泡d1和d2先后亮暗的次序是 a 接通时d1先达最亮 断开时d1后灭b 接通时d2先达最亮 断开时d2后灭c 接通时d1先达最亮 断开时d1先灭d 接通时d2先达最亮 断开时d2先灭 解析 选a 电流发生变化时 自感电动势将阻碍电流的变化 根据电流的变化来分析电路中灯的明暗情况 当开关s接通时 d1和d2应该同时亮 但由于自感现象的存在 电流流过线圈时 线圈中产生感应电流 使通过线圈的电流从零开始慢慢增加 所以接通瞬时电流几乎全部从d1通过 而该电流又将同时分别通过d2和r 所以d1先达最亮 经过一段时间电路稳定后 d1和d2达到一样亮 当开关s断开时 电源电流立即为零 因此d2立即熄灭 而对d1 线圈中产生感应电流 使线圈l和d1组成的闭合电路中有感应电流 所以d1后灭 故a正确 备选例题 典例透析 2013 芜湖模拟 如图所示 在方向垂直纸面向里 磁感应强度为b的匀强磁场区域中有一个由均匀导线制成的单匝矩形线框abcd 线框以恒定的速度v沿垂直磁场方向向右运动 运动中线框dc边始终与磁场右边界平行 线框边长ad l cd 2l 线框导线的总电阻为r 则线框离开磁场的过程中 下列说法中正确的是 a 流过线框截面的电量为b 线框中的电流在ad边产生的热量为c 线框所受安培力的合力为d ad间的电压为 规范解答 选a 线框离开磁场的过程中 感应电动势e 2blv 由电路知识可知ad间的电压为线框所受安培力的合力为产生的热量q i2rt 通过的电量由以上分析可知 只有a正确 电磁感应中的 双杆切割 问题 典例 2013 成都模拟 12分 磁场在xoy平面内的分布如图所示 其磁感应强度的大小均为b0 方向垂直于xoy平面 相邻磁场区域的磁场方向相反 每个同向磁场区域的宽度均为l0 整个磁场以速度v沿x轴正方向匀速运动 若在磁场所在区间内放置一由n匝线圈组成的矩形线框abcd 线框的bc lb ab l lb略大于l0 总电阻为r 线框始终保持静止 求 1 线框中产生的总电动势大小和 导线中的电流大小 2 线框所受 安培力的大小和方向 审题 抓住信息 快速推断 答题 规范解题 步步得分 1 线框相对于磁场向左做切割磁感线的匀速运动 切割磁感线的速度大小为v 任意时刻线框ab边切割磁感线产生的感应电动势大小为e1 nb0lv 2分 cd边切割磁感线产生的感应电动势大小为e2 nb0lv 2分 ab边和cd边所处的磁场方向总是相反的 故ab边和cd边线圈中产生的感应电动势方向顺时针时都是顺时针 逆时针时都是逆时针 所以总的感应电动势大小e 2nb0lv 2分 由闭合电路欧姆定律得导线中的电流大小 2分 2 线框所受安培力的大小 2分 由左手定则判断 线框所受安培力的方向始终沿x轴正方向 2分 答案 方向沿x轴正方向 双基题组 1 关于电路中感应电动势的大小 下列说法正确的是 a 穿过电路的磁通量越大 感应电动势就越大b 电路中磁通量的改变量越大 感应电动势就越大c 电路中磁通量改变越快 感应电动势就越大d 若电路中某时刻磁通量为零 则该时刻感应电流一定为零 解析 选c 由法拉第电磁感应定律知 感应电动势与磁通量的变化率成正比 与磁通量的大小 磁通量的改变量都无关 故a b错 c正确 某时刻磁通量为零 若磁通量的变化率不为零 感应电动势不为零 即感应电流不为零 d错误 2 如图所示 mn pq为两条平行的水平放置的金属导轨 左端接有定值电阻r 金属棒ab斜放在两导轨之间 与导轨接触良好 磁感应强度为b的匀强磁场垂直于导轨平面 设金属棒与两导轨接触点之间的距离为l 金属棒与导轨间夹角为60 以速度v水平向右匀速运动 不计导轨和金属棒的电阻 则流过金属棒中的电流为 a b c d 解析 选b 金属棒匀速运动 所以平均感应电动势的大小等于瞬时感应电动势的大小 题中l的有效长度为根据闭合电路欧姆定律得故b正确 3 如图所示的电路中 电容c和电感l的值都很大 l的电阻不计 a b是完全相同的灯泡 当电键k闭合时 下面所叙述的情况中正确的是 a a灯比b灯先亮 然后a灯熄灭b b灯比a灯先亮 然后b灯熄灭c a灯 b灯一起亮 然后a灯熄灭d a灯 b灯一起亮 然后b灯熄灭 解析 选b 因a灯串接了一个电感l 由于电感阻碍电流的变化 故a灯后亮 而b灯串接了一个电容c 故b灯亮一下即熄灭 故b正确 高考题组 4 2011 广东高考 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 解析 选c 根据法拉第电磁感应定律感应电动势的大小与线圈的匝数 磁通量的变化率 磁通量变化的快慢 成正比 所以a b选项错误 c正确 因不知原磁场变化趋势 增强或减弱 故无法用楞次定律确定感应电流产生的磁场的方向 d错误 5 2012 北京高考 物理课上 老师做了一个奇妙的 跳环实验 如图 她把一个带铁芯的线圈l 开关s和电源用导线连接起来后 将一金属套环置于线圈l上 且使铁芯穿过套环 闭合开关s的瞬间 套环立刻跳起 某同学另找来器材再探究此实验 他连接好电路 经重复试验 线圈上的套环均未动 对比老师演示的实验 下列四个选项中 导致套环