高中物理 第四章 电磁感应 4 法拉第电磁感应定律课件 新人教版选修32.ppt

自主学习 基础知识 4法拉第电磁感应定律 学习目标 1 了解感应电动势的概念 2 理解法拉第电磁感应定律 并能够运用法拉第电磁感应定律定量计算感应电动势的大小 重点 难点 3 能够运用e blv或e blvsin 计算导体切割磁感线时的感应电动势 重点 4 知道反电动势的定义和作用 合作探究 重难疑点 解题技巧 素养培优 1 感应电动势 1 在 现象中产生的电动势 2 产生感应电动势的那部分导体相当于 3 在电磁感应现象中 只要闭合回路中有感应电流 这个回路就一定有 回路断开时 虽然没有感应电流 但 依然存在 电磁感应 电源 电动势 电动势 磁通量 变化率 产生感应电动势的条件是什么 提示 不管电路是否闭合 只要穿过电路的磁通量发生变化 电路中就会产生感应电动势 1 穿过某闭合线圈的磁通量的变化量越大 产生的感应电动势也越大 2 感应电动势的方向可用右手定则或楞次定律判断 3 穿过闭合回路的磁通量最大时 其感应电动势一定最大 1 磁场方向 导体棒与导体棒运动方向三者两两垂直时 e 2 如图4 4 1所示 导体棒与磁场方向垂直 导体棒的运动方向与导体棒本身垂直 但与磁场方向夹角为 时 e blv blvsin 如图4 4 2所示 一边长为l的正方形导线框abcd垂直于磁感线 以速度v在匀强磁场中向右运动 甲同学说 由法拉第电磁感应定律可知 这时穿过线框的磁通量的变化率为零 所以线框中感应电动势应该为零 乙同学说线框中ad和bc边均以速度v做切割磁感线运动 由e blv可知 这两条边都应该产生电动势且ead ebc blv 他们各执一词 到底谁说的对呢 提示 这两个同学说的并不矛盾 虽然ad边与bc边都产生感应电动势 但由于方向相反 相当于两个电源并联没有对外供电 所以整个回路的电动势为零 可见 用法拉第电磁感应定律求出的是整个回路的感应电动势 而用e blv求的是回路中做切割磁感线的那部分导体产生的电动势 1 对于e blv中的b l v三者必须相互垂直 2 导体棒在磁场中运动速度越大 产生的感应电动势一定越大 3 当b l v三者大小 方向均不变时 在 t时间内的平均感应电动势和它在任意时刻产生的瞬时感应电动势相同 1 定义 电动机转动时 由于切割磁感线 线圈中产生的 电源电动势作用的电动势 2 作用 线圈的转动 削弱 阻碍 1 电动机通电转动 电动机中出现的感应电动势为反电动势 反电动势会阻碍线圈的运动 2 电动机正常工作时 反电动势会加快线圈的运动 3 电动机工作中由于机械阻力过大而停止转动 就没有了反电动势 线圈中的电流会很大 很容易烧毁电动机 预习完成后 请把你认为难以解决的问题记录在下面的表格中 学生分组探究一法拉第电磁感应定律的理解和应用第1步探究 分层设问 破解疑难1 面积为s的平面垂直于磁场放置 将此面翻转180 穿过此面的磁通量是否发生变化 提示 发生变化 第3步例证 典例印证 思维深化有一个100匝的线圈 其横截面是边长为l 0 20m的正方形 放在磁感应强度b 0 50t的匀强磁场中 线圈平面与磁场垂直 若将这个线圈横截面的形状在5s内由正方形改变成圆形 横截面的周长不变 在这一过程中穿过线圈的磁通量改变了多少 磁通量的变化率是多少 线圈的感应电动势是多少 思路点拨 解答本题时应注意以下几点 1 周长相同的所有形状中 圆形的面积最大 2 磁通量的变化率并不等同于电动势 第4步巧练 精选习题 落实强化1 下列几种说法正确的是 a 线圈中磁通量变化越大 线圈中产生的感应电动势一定越大b 线圈中磁通量越大 线圈中产生的感应电动势一定越大c 线圈放在磁场越强的位置 线圈中产生的感应电动势一定越大d 线圈中磁通量变化越快 线圈中产生的感应电动势一定越大 解析 依据法拉第电磁感应定律 感应电动势与磁通量无关 与磁通量的变化量无关 而与线圈匝数和磁通量的变化率成正比 因此 选项a b错误 感应电动势与磁场的强弱也无关 所以 选项c错误 线圈中磁通量变化越快意味着线圈的磁通量的变化率越大 依据法拉第电磁感应定律可知 感应电动势与磁通量的变化率成正比 在此条件下线圈中产生的感应电动势越大 故选项d正确 答案 d 2 一个200匝 面积为20cm2的线圈 放在磁场中 磁场的方向与线圈平面成30 角 若磁感应强度在0 05s内由0 1t增加到0 5t 在此过程中磁通量变化了多少 磁通量的平均变化率是多少 线圈中感应电动势的大小是多少 解析 磁通量的变化是由磁场的变化引起的 应该用公式 bssin 来计算 所以 bssin 0 5 0 1 20 10 4 0 5wb 4 10 4wb 磁通量的平均变化率 学生分组探究二对公式e blv的理解第1步探究 分层设问 破解疑难1 公式e blv能否用来求解平均感应电动势 提示 当e blv中v为平均速度时可求平均感应电动势 2 导体棒绕一端垂直于匀强磁场做匀速圆周运动时 如何求感应电动势 3 若导线是弯曲的 如何求其切割磁感线的有效长度 提示 l应为导线两端点的连线在与b和v都垂直的直线上的投影长度 第2步结论 自我总结 素能培养1 该公式可看成法拉第电磁感应定律的一个推论 一般用于导体各部分切割磁感线的速度相同的情况 当v为瞬时速度时 e为瞬时感应电动势 若v是平均速度 则e为平均感应电动势 如果导体各部分切割磁感线的速度不相等 图4 4 3 2 公式中的v应理解为导线和磁场间的相对速度 当导线不动而磁场运动时 也有电磁感应现象产生 3 公式中的l应理解为导线切割磁感线时的有效长度 如果导线和磁场不垂直 l应是导线在垂直磁场方向投影的长度 如果切割磁感线的导线是弯曲的 l应取导线两端点的连线在与b和v都垂直的直线上的投影长度 例如 如图所示的三幅图中切割磁感线的导线是弯曲的 则切割磁感线的有效长度应取与b和v垂直的等效直线长度 即ab的长 第3步例证 典例印证 思维深化 2013 课标全国卷 如图4 4 4 在水平面 纸面 内有三根相同的均匀金属棒ab ac和mn 其中ab ac在a点接触 构成 v 字型导轨 空间存在垂直于纸面的均匀磁场 用力使mn向右匀速运动 从图示位置开始计时 运动中mn始终与 bac的平分线垂直且和导轨保持良好接触 下列关于回路中电流i与时间t的关系图线 可能正确的是 图4 4 4 思路点拨 1 导体切割磁感线的有效长度与时间的关系 2 闭合回路的总电阻与导轨长度的关系 3 感应电流由闭合电路欧姆定律求出 此类题一般采用解析法 先推导出感应电动势 感应电流的表达式 再利用表达式进行分析 本题还要注意切割磁感线的有效长度和回路的总电阻是变化的 第4步巧练 精选习题 落实强化1 多选 如图4 4 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 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4 4 5 解析 在半圆形闭合回路进入磁场的过程中磁通量不断增加 始终存在感应电流 由左手定则可知cd边始终受到安培力作用 选项b错 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e blv 可知最大值emax bav 最小值为0 2 如图4 4 6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4 4 6 学生分组探究三电磁感应现象中的电路问题第1步探究 分层设问 破解疑难1 如图4 4 7所示 导体棒ab在切割磁感线的过程中电路中会产生感应电流 图4 4 7 请分析 1 哪部分导体相当于电源呢 2 哪端为电源的正极 提示 ab相当于电源 a端为正极 2 产生感应电动势的部分是电源 其余部分则为外电路 试说明图4 4 8 甲 乙 所示电路中哪部分导体相当于电源 并画出等效电路 判断a b两点电势的高低 图4 4 8 提示 第2步结论 自我总结 素能培养1 解决与电路相联系的电磁感应问题的基本方法 1 明确哪部分导体或电路产生感应电动势 该导体或电路就是电源 其他部分是外电路 2 用法拉第电磁感应定律确定感应电动势的大小 用楞次定律确定感应电动势的方向 3 画等效电路图 分清内外电路 画出等效电路图是解决此类问题的关键 4 运用闭合电路欧姆定律 串并联电路特点 电功率 电热等公式联立求解 第3步例证 典例印证 思维深化 2014 黄冈高二期末 如图4 4 9所示 oac是半径为l 圆心角为120 的扇形金属框 o点为圆心 oa边与oc边电阻不计 圆弧ac单位长度的电阻相等 总阻值为4r 长度也为l 电阻为r的金属杆od绕o点从oa位置以角速度 顺时针匀速转动 整个过程中金属杆两端与金属框接触良好 求 1 金属杆od转过60 时它两端的电势差uod 2 金属杆od转过120 过程中 金属杆od中的电流i与转过的角度 的关系式 求解电磁感应中电路问题的关键电磁感应中的电路问题 实际上是电磁感应和恒定电流问题的综合题 感应电动势大小的计算 方向的判定以及电路的等效转化 是解决此类问题的关键 第4步巧练 精选习题 落实强化1 如图4 4 10 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 2 多选 半径为a右端开小口的导体圆环和长为2a的导体杆 单位长度电阻均为r0 圆环水平固定放置 整个内部区域分布着竖直向下的匀强磁场 磁感应强度为b0 杆在圆环上以速度v0平行于直径cd向右做匀速直线运动 杆始终有两点与圆环良好接触 从圆环中心o开始 杆的位置由 确定 如图4 4 11所示 则 图4 4 11 电磁感应中的电荷量问题根据法拉第电磁感应定律 在电磁感应现象中 只要穿过闭合电路的磁通量发生变化 闭合电路中就会产生感应电流 设在时间 t内通过导线某截面的电荷量为q 则根据电流定义式i q t及法拉第电磁感应定律e n t 得 上式中n为线圈的匝数 为磁通量的变化量 r为闭合电路的总电阻 如图4 4 12所示 在匀强磁场中固定放置一根串接一电阻r的直角形金属导轨aob 在纸面内 磁场方向垂直于纸面向里 另有两根金属导轨c