高二物理第四章 电磁感应 第5~7节人教实验版知识精讲

用心 爱心 专心 高二物理第四章高二物理第四章 电磁感应电磁感应 第第 5 7 节人教实验版节人教实验版 本讲教育信息本讲教育信息 一 教学内容 第四章 电磁感应 第五节 电磁感应规律的应用 第六节 互感和自感 第七节 涡流 电磁阻尼和电磁驱动 二 重点 难点解析 1 对感生电动势与动生电动势实质的理解 2 互感现象 自感现象和自感系数 自感现象的分析和判断 3 涡流的概念及其应用 电磁阻尼和电磁驱动的实例分析 三 知识内容 1 感生电场与感生电动势 感生电场 英国物理学家麦克斯韦认为 磁场变化时在空间激发出一种电场 这种电 场对自由电荷产生了力的作用 使自由电荷运动起来 形成了电流 或者说产生了电动势 这种由于磁场的变化而激发的电场叫感生电场 感生电动势 由感生电场产生的感应电动势 叫做感生电动势 感生电场对自由电荷 的作用力充当了非静电力 感生电场的方向 感应电流的方向用楞次定律判定 电流的方向与正电荷移动的方向 相同 感生电场的方向与正电荷受力的方向相同 因此 感生电场的方向也可以用楞次定 律判定 2 洛伦兹力与动生电动势 动生电动势 由于导体运动而产生的电动势叫动生电动势 一段导体切割磁感线运动 时相当于一个电源 这时非静电力与洛伦兹力有关 能量转化 导体棒中的电流受到安培力作用 安培力的方向与运动方向相反 阻碍导 体棒的运动 导体棒要克服安培力做功 将机械能转化为电能 3 互感现象 互感现象 当一个线圈中电流变化 在另一个线圈中产生感应电动势的现象 称为互 感现象 互感电动势 在互感现象中产生的感应电动势 称为互感电动势 说明 说明 1 任何两个相互靠近的电路之间都会存在互感现象 2 利用互感现象 可以把能量从一个线圈传递到另一个线圈 变压器就是利用互感 现象制成的 3 在电力工程和电子电路中 互感现象有时会影响电路的正常工作 这时就要设法 减小电路间的互感 4 自感现象 1 自感现象 由于导体本身电流发生变化而产生的电磁感应现象 自感现象的本质是 当通过导体中的电流发生变化时 导体本身就会产生感应电动势 从而形成感应电流 这个感应电动势总是阻碍导体中原来电流的变化 即感应电流的方向 总是与原电流的变化方向相反 用心 爱心 专心 2 自感电动势 自感现象中产生的感应电动势叫自感电动势 自感电动势 I EL t L 是自感系数 a L 跟线圈的形状 长短 匝数等因素有关系 线圈越粗 越长 匝数越密 它的自感系数越大 另外有铁芯的线圈自感系数比没有 铁芯时大得多 b 自感系数的单位是亨利 国际符号是 H 1 亨 103毫亨 106 微亨 3 关于自感现象的说明 如图所示 当合上开关后又断开开关瞬间 电灯 L 为什么会更亮 当合上开关后 由于线圈的电阻比灯泡的电阻小 因而过线圈的电流 I2较过灯泡的电流 I1大 当开关断开 后 过线圈的电流将由 I2变小 从而线圈会产生一个自感电动势 于是电流由 c b a d 流动 此电流虽然比 I2小但比 I1还要大 因而灯泡会更亮 假若线圈的电阻比灯泡的电阻 大 则 I2 I1 那么开关断开后瞬间灯泡是不会更亮的 开关断开后线圈是电源 因而 c 点电势最高 d 点电势最低 过线圈电流方向与开关闭合时一样 不过开关闭合时 d 点电势高于 c 点电势 当 断开开关后瞬间则相反 c 点电势高于 d 点电势 过灯泡的电流方向与开关闭合时的电流方向相反 a b 两点电势 开关闭合时 Ua Ub 开关断开后瞬间 Ua Ub 4 磁场的能量 电源断开以后 线圈中电流不会立即消失 这时的电流仍然可以做功 说明线圈储存 能量 当开关闭合时 线圈中的电流从无到有 其中的磁场也是从天到有 这可以看作电 源把能量输送到磁场 储存在磁场中 这里我们知识一个合理的假设 有关电磁场能量的 直接式样验证 要在我们认识了电磁波之后才有可能 5 自感现象的理解 线圈中电流的变化不能在瞬间完成 即不能 突变 也可以说线圈能体现电的惯性 6 自感的应用与防止 应用 日光灯 防止 变压器 电动机 5 涡流 1 定义 当线圈中的电流随时间发生变化时 线圈附近的导体中就会产生感应电流 电流在导体内自成闭合回路 这种电流看起来很像水的旋涡 所以叫做涡流 2 特点 整块金属的电阻往往很小 涡流往往很强 3 利用 冶炼金属的高频感应炉就是利用强大的涡流使金属尽快熔化 4 防止 在电机和变压器上通常用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压制成的铁芯来减少涡 流带来的损失 6 电磁阻尼 导体在磁场中运动时 感应电流使导体受到安培力的作用 安培力的方向总是阻碍导 体的运动 这种现象称为电磁阻尼 7 电磁驱动 用心 爱心 专心 磁场相对于导体运动时 感应电流使导体受到安培力的作用 安培力使导体运动起来 这种现象称为电磁驱动 典型例题典型例题 例 1 如图所示 一个闭合电路静止于磁场中 由于磁场强弱的变化 而使电路中产生了 感应电动势 下列说法中正确的是 A 磁场变化时 会在在空间中激发一种电场 B 使电荷定向移动形成电流的力是磁场力 C 使电荷定向移动形成电流的力是电场力 D 以上说法都不对 磁场变强 解析 解析 根据麦克斯韦理论 变化的磁场产生电场 处在其中的导体 其内部的自由电 荷在电场力作用下定向移动形成电流 答案 答案 AC 例 2 如图所示 导体 AB 在做切割磁感线运动时 将产生一个电动势 因而在电路中有 电流通过 下列说法中正确的是 A 因导体运动而产生的感应电动势称为动生电动势 B 动生电动势的产生与洛仑兹力有关 C 动生电动势的产生与电场力有关 D 动生电动势和感生电动势产生的原因是一样的 解析 解析 如图所示 当导体向右运动时 其内部的自由电子因受向下的洛仑兹力作用向 下运动 于是在棒的 B 端出现负电荷 而在棒的 A 端显示出正电荷 所以 A 端电势比 B 端高 棒 AB 就相当于一个电源 正极在 A 端 答案 答案 AB 例 3 如图所示 两根相距为 L 的竖直平行金属导轨位于磁感应强度为 B 方向垂直纸面 向里的匀强磁场中 导轨电阻不计 另外两根与上述光滑导轨保持良好接触的金属杆 用心 爱心 专心 ab cd 质量均为 m 电阻均为 R 若要使 cd 静止不动 则 ab 杆应向 运动 速度 大小为 作用于 ab 杆上的外力大小为 解析 解析 应用感应电动势的计算式 安培力的计算式 物体的平衡知识求解 解法一 解法一 因 cd 杆处于静止状态 故向上的安培力等于重力 即 mgBIL 回路中电流 R E I 2 又 BLvE 联立 解得 方向竖直向上 22 2 LB mgR v ab 棒匀速运动时 0 BILmgF 故mgBILmgF2 解法二 解法二 因 cd 静止 ab 匀速运动 两棒均处于平衡状态 取 ab cd 两棒整体研究 ab cd 中电流等大 反向 故 ab cd 所受安培力等大 反向 安培力之和为零 故 mgF2 又因 cd 静止 所以 mgBIL 回路中电流 R E I 2 又 BLvE 联立 解得 方向竖直向上 22 2 LB mgR v 答案 答案 向上 2mg 22 2 LB mgR 例 4 如图所示 电路甲 乙中 电阻 R 和自感线圈 L 的电阻值都很小 接通 S 使电路 达到稳定 灯泡 D 发光 则 A 在电路甲中 断开 S D 将逐渐变暗 B 在电路甲中 断开 S D 将先变得更亮 然后渐渐变暗 C 在电路乙中 断开 S D 将渐渐变暗 D 在电路乙中 断开 S D 将变得更亮 然后渐渐变暗 用心 爱心 专心 解析 解析 因 R L 阻值很小 在电路甲中 线圈 L 与灯泡 D 串联 L 中电流很小 断开 S 时自感电动势较小 自感作用使 D 与 L 中的电流值从 S 接通稳定后开始减小 D 将逐渐 变暗 而不是立即熄灭 在电路乙中 L 与 D R 并联 稳定时 L 中电流比 D 中电流大 断开 S 的瞬间 L 中电流从开始的稳定值逐渐减小 所以断开瞬间 通过灯泡 D 的电流变 大 D 将变得更亮 然后渐渐变暗 正确选项为 AD 点评 点评 S 接通后电路稳定 比较 L 与 D 中电流大小 S 断开后 因自感作用 L D R 构成回路有电流 判断 D 变暗还是变亮 关键是看 S 断开后从 L 流到 D 中的电流比 D 中 原来 S 未断开时 的电流是大还是小 例 5 如图所示 自感线圈的自感系数很大 电阻为零 电键 K 原来是合上的 在 K 断开 后 分析 1 若 R1 R2 灯泡的亮度怎样变化 2 若 R1 R2 灯泡的亮度怎样变化 解析 解析 灯泡的亮度由它的实际功率 I2R 即流过灯泡中的电流来决定 因而必须从题设 条件出发讨论在各种情况下流过灯泡中的电流 K 断开后 原来电源提供给小灯泡的电流立即消失 但 L 中因自感而产生逐渐减弱的 电流流过小灯泡 使小灯泡逐渐变暗到熄灭 1 因 R1 R2 即 I1 I2 所以小灯泡在 K 断开后先突然变到某一较暗状态 再逐渐 变暗到最后熄灭 2 因 R1 R2 即 I1 I2 小灯泡在 K 断开后电流从原来的 I2突变到 I1 方向相反 然后再渐渐变小 最后为零 所以灯泡在 K 断开后先变得比原来更亮 再逐渐变暗到熄灭 点评 点评 1 若是理想线圈 即直流电阻为零 L 与灯泡串联时 通过灯泡的电流与 L 中电流始终同步 因而不能突变 L 与灯泡并联时 通过灯泡的电流与 L 中的电流在电路接通时不同步 即灯丝中电 流突变到最大再渐渐变小到零 而 L 中电流从零逐渐增大到最大 断开电路时 L 因自感 而对灯丝供电 使灯丝中的电流从零突变到原来 L 中的电流值 再渐渐变为零 2 当 L 与灯丝并联且 L 的电阻不为零时 接通电源时灯丝中电流突变为最大 再 慢慢减小 而 L 中的电流由零开始逐渐增大到稳定 稳定后 L 和灯丝中都有电流 因而灯 不会熄灭 断开电源时 要讨论 RL R灯 RL R灯 RL R灯时 电流变化情况 用心 爱心 专心 例 6 如图所示是高频焊接原理示意图 线圈中通以高频变化的电流时 待焊接的金属工 件中就产生感应电流 感应电流通过焊缝产生大量热量 将金属融化 把工件焊接在一起 而工件其他部分发热很少 以下说法正确的是 A 电流变化的频率越高 焊缝处的温度升高的越快 B 电流变化的频率越低 焊缝处的温度升高的越快 C 工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻小 D 工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻大 解析 解析 线圈中通以高频变化的电流时 待焊接的金属工件中就产生感应电流 感应电 流的大小与感应电动势有关 电流变化的频率越高 电流变化的越快 感应电动势就越大 A 选项正确 工件上焊缝处的电阻大 电流产生的热量就多 D 选项也正确 答案 答案 AD 例 7 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 构成一个闭合回路 在断开开关 S 的时候 弹 簧 E 并不能立即将衔铁 D 拉起 因而不能使触头 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原理 解析 解析 线圈 A 与电源连接 线圈 A 中有恒定电流 产生恒定磁场 有磁感线穿过线圈 B 但穿过线圈 B 的磁通量不变化 线圈 B 中无感应电流 断开开关 S 时 线圈 A 中电流 迅速减减小为零 穿过线圈 B 的磁通量也迅速减少 由于电磁感应 线圈 B 中产生感应电 流 由于感应电流的磁场对衔铁 D 的吸引作用 触头 C 不离开 经过一小段时间后感应电 流减弱 感应电流磁场对衔铁 D 的吸引力减小 当弹簧 E 的作用力比磁场力大时 才将衔 铁 D 拉起 触头 C 离开 点评 点评 这是一道解释型论述题 关键是分析清楚题中有哪些过程及过程与过程间有哪 些联系 分析清楚从现象的产生 发展 到结果 引起了哪几个物理量的变化以及怎样变 化 本题中当 S 闭合时 线圈 A 的磁场对衔铁 D 的吸引 使工作电路正常工作 断开 S 时 线圈 B 中的感应电流的磁场 继续对衔铁 D 发生吸引力作用 但作用力逐渐减小直至弹簧 将衔铁拉起 工作电路断开 电磁感应现象与生活 生产 联系非常紧密 解答这种题的 关键是从实际问题中提炼出我们所学过的物理模型 然后按相应方法求解 例 8 异步电动机模型如图所示 蹄形轻磁铁和矩形线框 abcd 均可绕竖直轴转动 现使线框 沿逆时针方向保持匀速转动 从上往下看 则磁铁的运动情况是 A 磁铁沿逆时针方向 从上往下看 转动 用心 爱心 专心 B 磁铁沿顺时针方向 从上往下看 转动 C 磁铁由静止开始一直加速转动 D 磁铁先由静止开始加速转动 后匀速转动 解析 解析 刚开始 由于磁铁静止 线框匀速转动 它们之间存在相对运动 因而在线框 中产生感应电流 根据楞次定律可知 当线框中产生感应电流时 它阻碍磁铁与线框间的 相对运动 因而磁铁与线框同方向转动 而且磁铁逐渐加速转动 只要磁铁的转速比线框 的转速小 上述电磁感应现象一直存在 直到磁铁转速加大到与线框转速相等时 它们处 于相对静止 此时线框中无电磁感应现象产生 线框和磁铁一起匀速转动 答案 答案 AD 模拟试题模拟试题 1 如图所示 一个带正电的粒子在垂直于匀强磁场的平面内做圆周运动 当磁感应强度 均匀增大时 此粒子的动能将 A 不变 B 增加 C 减少 D 以上情况都可能 2 穿过一个电阻为 l 的单匝闭合线圈的磁通量始终是每秒钟均匀地减少 2Wb 则 A 线圈中的感应电动势一定是每秒减少 2 V B 线圈中的感应电动势一定是 2 V C 线圈中的感应电流一定是每秒减少 2 A D 线圈中的感应电流一定是 2 A 3 如图所示 A B 为大小 形状均相同且内壁光滑 但用不同材料制成的圆管 竖直 固定在相同高度 两个相同的磁性小球 同时从 A B 管上端的管口无初速释放 穿过 A 管的小球比穿过 B 管的小球先落到地面 下面对于两管的描述中可能正确的是 A A 管是用塑料制成的 B 管是用铜制成的 B A 管是用铝制成的 B 管是用胶木制成的 C A 管是用胶木制成的 B 管是用塑料制成的 D A 管是用胶木制成的 B 管是用铝制成的 用心 爱心 专心 4 如图所示 面积为 0 2 m2的 100 匝线圈处在匀强磁场中 磁场方问垂直于线圈平面 已知磁感应强度随时间变化的规律为 B 2 0 2t T 定值电阻 R1 6 线圈电阻 R2 4 求 1 磁通量变化率 回路的感应电动势 2 a b 两点间电压 Uab 5 如图所示 在物理实验中 常用 冲击式电流计 来测定通过某闭合电路的电荷量 探测器线圈和冲击电流计串联后 又能测定磁场的磁感应强度 已知线圈匝数为 n 面积为 S 线圈与冲击电流计组成的回路电阻为 R 把线圈放在被测匀强磁场中 开始时线圈与磁 场方向垂直 现将线圈翻转 180 冲击式电流计测出通过线圈的电荷量为 q 由此可知 被测磁场的磁磁感应强度 B 6 下列关于自感现象的说法中 正确的是 A 自感现象是由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象 B 线圈中自感电动势的方向总与引起自感的原电流的方向相反 C 线圈中自感电动势的大小与穿过线圈的磁通量变化的快慢有关 D 加铁芯后线圈的自感系数比没有铁芯时要大 7 关于线圈的自感系数 下面说法正确的是 A 线圈的自感系数越大 自感电动势一定越大 B 线圈中电流等于零时 自感系数也等于零 C 线圈中电流变化越快 自感系数越大 D 线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁芯决定 8 磁通量的单位是 磁感强度的单位是 自感系数的单位是 9 如图所示 L 为一个自感系数大的自感线圈 开关闭合后 小灯能正常发光 那么闭 合开关和断开开关的瞬间 能观察到的现象分别是 A 小灯逐渐变亮 小灯立即熄灭 B 小灯立即亮 小灯立即熄灭 C 小灯逐渐变亮 小灯比原来更亮一下再慢慢熄灭 D 小灯立即亮 小灯比原来更亮一下再慢慢熄灭 用心 爱心 专心 10 如图所示的电路中 灯泡 A1 A2的规格完全相同 自感线圈 L 的电阻可以忽略 下 列说法中正确的是 A 当接通电路时 A2先亮 A1后亮 最后 A2比 A1亮 B 当接通电路时 A1和 A2始终一样亮 C 当断开电路时 A1和 A2都过一会儿熄灭 D 当断开电路时 A2立即熄灭 A1过一会儿熄灭 11 如图所示电路中 A1 A2是两只相同的电流表 电感线圈 L 的直流电阻与电阻 R 阻 值相等 下面判断正确的是 A 开关 S 接通的瞬间 电流表 A1的读数大于 A2的读数 B 开关 S 接通的瞬间 电流表 A1的读数小于 A2的读数 C 开关 S 接通电路稳定后再断开的瞬间 电流表 A1的读数大于 A2的读数 D 开关 S 接通电路稳定后再断开的瞬间 电流表 A1数等于 A2的读数 12 如图所示 L 是电感足够大的线圈 其直流电阻可忽略不计 D1和 D2是两个相同的 灯泡 若将电键 S 闭合 等灯泡亮度稳定后 再断开电键 S 则 A 电键 S 闭合时 灯泡 D1 2同时亮 然后 D1会变暗直到不亮 D2更亮 B 电键 S 闭合时 灯泡 D1很亮 D2逐渐变亮 最后一样亮 C 电键 S 断开时 灯泡 D2随之熄灭 而 D1会亮一下后才熄灭 D 电键 S 断开时 灯泡 D1随之熄灭 而 D2会更亮后一下才熄灭 用心 爱心 专心 13 如图所示 一块长方形光滑铝板水平放在桌面上 铝板右端拼接一根与铝板等厚的 条形磁铁 一质量分布均匀的闭合铝环以初速度 v 从板的左端沿中线向右端滚动 则 A 铝环的滚动速度将越来越小 B 铝环将保持匀速滚动 C 铝环的运动将逐渐偏向条形磁铁