2012届高三物理第二轮专题讲座(51讲)9-2法拉第电磁感应定律及其应用 新人教版

用心 爱心 专心 1 法拉第电磁感应定律及其应用法拉第电磁感应定律及其应用 温故自查 1 感应电动势 在电磁感应现象中产生的电动势叫感应电动势 产生感应电动势的那部分导体相当于电 源 只要穿过回路的 发生改变 在回路中就会产生感应电动势 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 成正比 磁 通量 磁通量 的变化率 2 公式E 考点精析 感应电动势的产生与磁通量发生变化的原因无关 感应电动势的大小与磁通量的大小无关 只与磁通量的变化率 即磁通量的变化快慢 有关 在E 中 E的大小是由线圈的匝 数及磁通量的变化率决定的 与 与 之间无大小上的必然联系 大 及 不一定大 大 及 也不一定大 用心 爱心 专心 2 1 E n n为 本式是确定感应电动势的普遍规律 适用于所有导体回路 回 路闭合 2 当导体做切割磁感线运动时 其感应电动势的计算公式为 适用于回路中一部分 导体在匀强磁场中做切割磁感线运动时B v l两两互相垂直的情况 当B v l不满足上 述情况时 应取其垂直分量进行计算 若导体是曲折的 则l是 即与B和v 垂直的有效长度 线圈匝数 不一定 E Blv 导体的有效切割长度 3 转动轴与磁感线平行 如图所示 磁感应强度为B的匀强磁场方向垂直于纸面向外 长 L的金属棒Oa以O为轴在该平面内以角速度 逆时针匀速转动 求金属棒中的感应电动 势 在用导体切割磁感线产生感应电动势的公式时注意其中的速度v应该是平均速度 即 此时E BL B L2 用心 爱心 专心 3 金属棒中点的 速度 4 线圈的转动轴与磁感线垂直 如图所示 矩形线圈的长 宽分别为L1 L2 所围面积为 S 向右的匀强磁场的磁感应强度为B 线圈绕图示的轴以角速度 匀速转动 线圈的 ab cd两边切割磁感线 产生的感应电动势相加可得E BS 如果线圈由n匝导线绕制而 成 则E nBS 从图示位置开始计时 则感应电动势的瞬时值为e nBS cos t 该结论 与线圈的形状和转动轴的具体位置无关 但是轴必须与B垂直 实际上 这就是交流发电机 发出的交流电的瞬时电动势的计算公式 考点精析 公式E n与E BLv的比较 1 研究对象不同 前者是一个回路 不一定闭合 后者是一段直导线 或等效成直导线 用心 爱心 专心 4 2 适用范围不同 前者具有普遍性 无论什么方式引起的磁通量的变化都适用 后者只适 用于一部分导体做切割磁感线运动的情况 3 条件不同 前者不一定是匀强磁场 E由 决定与 大小无必然联系 后者B L v之间应取两两互相垂直的分量 可采用投影的办法 4 意义不同 前者求得的是平均电动势 后者v若是平均速度 则E为平均电动势 若v 为瞬时速度 则E为瞬时电动势 5 公式E n 与E BLv是统一的 公式E n 中当 t 0 时 求出的E为瞬 时感应电动势 公式E BLv中当v代入平均速度时 则求出的的E为平均感应电动势 用心 爱心 专心 5 温故自查 在电磁感应中 的导体或磁通量发生变化的回路将产生感应电动势 该导体或回路相 当于 与其他导体构成闭合的电路 因此 电磁感应往往又和电路问题联系在一起 切割磁感线 电源 考点精析 解决与电路相联系的电磁感应问题的基本方法 1 用法拉第电磁感应定律和楞次定律确定感应电动势的大小和方向 2 画出等效电路图 3 运用闭合电路欧姆定律 串并联电路的性质 电功率等公式联立求解 温故自查 电磁感应中常涉及 磁通量 感应电动势E 感应电流I 安培力F 安或外 力F 外随时间 t变化的图象 即 t图 E t图 I t图 F t图 对 于切割磁感线产生感应电动势和感应电流的情况 还常涉及感应电动势E和感应电流I随位 移x变化的图象 即E x图 I x图等 磁感应强度B B t图 考点精析 电磁感应中的图象问题大体上可分为两类 1 由给定的电磁感应过程选出或画出正确的图象 2 由给定的有关图象分析电磁感应过程 求解相应的物理量 不管是何种类型 电磁感应中的图象问题常需利用左手定则 右手定则 楞次定律和法拉第 电磁感应定律等规律分析解决 温故自查 1 自感现象 1 自感现象 由于导体本身电流发生而产生的电磁感应现象叫自感现象 2 自感电动势的方向 根据楞次定律判定 自感电动势总要阻碍导体中电流的 当导体中的电流增大时 自感电动势与原电流方 向 当导体中的电流减小时 自感电动势与原电流方向 用心 爱心 专心 6 变化 变化 相反 相同 2 自感现象的应用 日光灯原理 1 日光灯的电路图 主要由灯管 和启动器组成 2 启动器的作用 启动时 通过启动器的通断 在镇流器中产生 从而激发日光灯 管内的气体导电 正常工作时 镇流器的线圈产生自感电动势 阻碍电流的变化 这时镇流 器就起着的作用 保证日光灯的正常工作 镇流器 瞬间高电压 降压限流 考点精析 1 自感现象和自感电动势 当导体中电流发生变化时 导体自身产生的电磁感应现象 叫自感现象 在自感现象中产生 的电动势 叫自感电动势 自感电动势的表达式为 不要求定量计算 L叫自感系数 自感系数的单位是亨利 H 自感系数由线圈自身条件决定 线圈直径大 长度长 单位长度匝数多 自感系数大 若线 圈中有铁芯 自感系数会更大 2 对自感现象应从以下几方面理解 1 根据楞次定律 电磁感应的效果总是阻碍引起电磁感应现象的某种变化 因此 自感现 象总是阻碍自身电流的变化 2 自感现象的阻碍作用 只是延缓了过程的进行 但它不能阻止过程的发生 如在接有线 圈的回路中 当电路接通时 电流会逐渐增大至稳定值 自感现象只是使这个增加过程缓慢 了些 但最终回路的电流还是增加的 自感现象对回路中电流的变化有延缓作用 3 自感现象的一般性和特殊性 一般性 自感电动势阻碍磁通量变化 特殊性 阻碍发生自感现象的导体自身电流的变化 即当它所在支路电流增大 自感电动势 即与原电流方向相反 反之相同 4 在交流电路中 由于电流的大小和方向不断变化 所以自感电动势一直存在 3 日光灯主要由灯管 镇流器 启动器组成 1 灯管 管两端各有一个灯丝 管内充有微量的氩和稀薄汞蒸气 管壁涂有荧光粉 2 镇流器 是一个带铁芯的线圈 自感系数很大 3 启动器 是一个充有氖气的小玻璃泡 里面有两个电极 一个是固定不动的静触片 另 一个是用双金属片制成的U型动触片 4 日光灯的工作原理 1 如图所示 当开关闭合后 电源电压加在启动器的两极之间 使氖气放电发出辉光 辉 光产生的热量使U型触片膨胀伸长 与静触片接触 电路导通 于是镇流器的线圈和灯管的 灯丝中就有电流通过 用心 爱心 专心 7 2 电路接通后 启动器中氖气停止放电 U型动触片冷却收缩 两个触片分离 电路断开 镇流器中产生很高的自感电动势 方向与原来电压的方向相同 两者加在一起形成瞬时高电 压 加在灯管两端 使灯管中气体开始放电 日光灯管成为电流的通路开始发光 3 正常发光时 镇流器降压限流 保证日光灯正常工作 命题规律 利用法拉第电磁感应定律 求平均电动势或回路中通过某导体截面的电荷量 考例 1 2009 山东广饶月考 如图所示 一圆环与外切正方形线圈均由相同的绝缘导线 制成 并各自形成闭合电路 匀强磁场布满整个正方形线圈 当磁场均匀变化时 线圈和圆 环中的感应电动势之比为多少 解析 设正方形线圈的边长为a 则正方形的面积为a2 圆环的面积为 a2 4 由法拉第 用心 爱心 专心 8 电磁感应定律得E 如下图 左 所示 n 50 匝的圆形线圈M 它的两端点a b与内阻很大的电压表相连 线圈 中磁通量的变化规律如下图 右 所示 则ab两点的电势高低与电压表的读数为 用心 爱心 专心 9 A a b 20V B a b 10V C a b 20V D a b 根据法拉第电磁感应定律 答案 B 命题规律 根据题所给条件 利用E n 或E BLvsin 求平均电动势或瞬时电动势 考例 2 如图所示 平行导轨置于磁感应强度为B的匀强磁场中 方向向里 间距为L 左端电阻为R 其余电阻不计 导轨右端接一电容为C的电容器 现有一长 2L的金属棒ab 放在导轨上 ab以a为轴顺时针以角速度 转过 90 的过程中 通过R的电荷量为多少 解析 设ab棒以a为轴旋转到b端刚脱离导轨的过程中 通过R的电量为Q1 根据法拉第电磁感应定律和闭合电路的欧姆定律得 用心 爱心 专心 10 在这一过程中电容器充电的总电荷量Q2 CUm Um为ab棒在转动过程中产生的感应电动势 的最大值 即 用心 爱心 专心 11 2009 山东 如图所示 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 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 A 感应电流方向不变 B CD段直线始终不受安培力 C 感应电动势最大值Em Bav D 感应电动势平均值 解析 本题主要考查电磁感应问题 在线圈进入磁场过程中磁通量一直增大 由楞次定律 知 感应电流方向不变 A 正确 由于CD中有电流且垂直B 所以CD始终受安培力作用 B 错 当线圈一半进入磁场时 相当于半径a切割磁感线 此时产生的电动势最大 Em Bav C 正确 线圈由D进入磁场至C进入磁场所用时间t 磁通量变化量 用心 爱心 专心 12 答案 ACD 命题规律 1 根据发生的电磁感应过程画图象 2 由图象分析电磁感应过程 求解相对应 的问题 考例 3 2008 上海 如图所示 平行于y轴的导体棒以速度v向右匀速直线运动 经过 半径为R 磁感应强度为B的圆形匀强磁场区域 导体棒中的感应电动势 与导体棒位置x 关系的图象是 用心 爱心 专心 13 解析 由题图可知导体棒的有效切割长度l随x的变化率先减小后增大 因感应电动势 Blv B和v均恒定 故 随x的变化率也应先减小后增大 选 A 答案 A 总结评述 考查电磁感应 感应电动势图象问题 主要考查学生分析图象能力 推理能力 用数学知识处理物理问题的能力 2009 广东一模 如图 甲 所示 矩形导线框abcd放在匀强磁场中 在外力控制下静止不 动 磁场方向与线圈平面垂直 磁感应强度B随时间变化的图象如图 乙 所示 t 0 时刻 磁感应强度的方向垂直纸面向里 在 0 4s 时间内 线框ab边受安培力随时间变化的图象 可能是图中的 规定力向左为正 用心 爱心 专心 14 解析 由B t图象可知 在 0 1s 内 匀强磁场垂直纸面向里 且均匀减小 据楞次定 律可判定线框中感应电流方向b a d c b进一步由左手定则判定ab边受安培力方向向 左 为正值 又根据综合考虑不难得出正确答案为 D 答案 D 命题规律 根据自感线圈的特性 分析它在电路中的作用及电路中的电流变化情况 考例 4 如图所示电路中 L为电感线圈 电阻不计 A B为两灯泡 则 用心 爱心 专心 15 A 合上 S 的瞬间 A先亮 B后亮 B 合上 S 的瞬间 A B同时亮 C 合上 S 后 A逐渐变亮 B逐渐变暗直至熄灭 D 断开 S 时 A熄灭 B重新亮后再熄灭 解析 合上 S 时由于电感线圈的自感作用 A B同时亮 然后由于自感作用的逐渐结束 电感线圈慢慢把灯B短路 故A逐渐变亮 B逐渐变暗直至熄灭 断开 S 时由于电感线圈的 自感作用 灯B和电感线圈构成闭合回路 因此A熄灭 B重新亮后再熄灭 正确答案为 BCD 答案 BCD 总结评述 本题考查自感现象的规律 合上 S 时L产生的自感电动势阻碍电流增大 断开 S 时L产生的自感电动势阻碍电流减小 易错的地方是L为电感线圈 电阻不计的条件理解 不当 导致错选 因此在做题时 要充分理解题目条件的含义 才能正确解题 右图所示的实验中带铁芯的 电阻较小的线圈L与灯A并联 当合上电键K后 灯A正常发 光 下列说法中正确的是 用心 爱心 专心 16 A 当断开K时 灯A立即熄灭 B 当断开K时灯A突然闪亮后熄灭 C 若用阻值与线圈L相同的电阻取代L接入电路 当断开K 灯A立即熄灭 D 若用阻值与线圈L相同的电阻取代L接入电路 当断开K 灯A突然闪亮后熄灭 解析 原来电路闭合处于稳定状态 L与A并联 其电流分别为IL和IA 方向