高考物理一轮复习（要点+命题导向+策略）931法拉第电磁感应定律 自感课件.ppt

课时31法拉第电磁感应定律自感,考点一感应电动势基础梳理1概念：在电磁感应现象中产生的电动势2产生感应电动势的条件：无论电路是否闭合，只要穿过电路的磁通量发生变化，电路中就一定有感应电动势,3感应电动势的方向：可假设电路闭合，由楞次定律或右手定则先判断出感应电流方向，产生感应电动势的那部分导体相当于电源，其中电流方向由低电势指向高电势,4感生电动势和动生电动势(1)感生电动势由于磁场的变化而激发的电场叫感生电场感生电场对自由电荷的作用力充当了非静电力由感生电场产生的感应电动势，叫做感生电动势(2)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由于导体运动而产生的感应电动势叫动生电动势,疑难详析1产生电动势的那部分导体相当于电源，其电阻相当于电源内阻2感应电动势的方向由右手定则或楞次定律判定其中，感生电动势的方向可用楞次定律来判定；动生电动势的方向可用右手定则或楞次定律来判定3感应电动势是产生感应电流的原因，感应电动势e与感应电流i以及回路的电阻之间的关系遵循闭合电路欧姆定律,深化拓展1感应电动势与外电路无关2有感应电动势但不一定产生感应电流，有感应电流一定有感应电动势3判断感应电动势方向时，往往是通过电流的方向来判断，要注意外电路和“相当于电源”的内电路的区别，外电路中电流由高电势流向低电势，而在内电路中恰好相反,考点二法拉第电磁感应定律基础梳理1内容：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比,3物理意义：反映了电磁感应现象中感应电动势与磁通量的变化率成正比的关系,考点三感应电动势大小的计算基础梳理1电路中磁通量发生变化时，就产生感应电动势，e，n为线圈匝数2当导体做切割磁感线运动时，感应电动势还可使用公式eblv计算，b、v与导线l两两垂直当b、v与导线l垂直，速度v与b有一夹角时，eblvsin.,疑难详析公式e与eblvsin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)(2)适用范围不同：前者具有普遍性，无论什么方式引起的的变化都适用，后者只适用一部分导体做切割磁感线运动的情况,(4)意义不同：前者求得是平均电动势；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为瞬时电动势公式e与eblvsin是统一的公式en/t中当t0时，求出的e为瞬时感应电动势；公式eblvsin中当v代入平均速度时，则求出的e为平均感应电动势,深化拓展公式eblvsin的拓展(1)转动轴与磁感线平行如图1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为圆心在该平面内以角速度逆时针匀速转动在用导线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，即金属棒中点的速度,图1图2,(2)线圈的转动轴与磁感线垂直如图2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ebs.如果线圈由n匝导线绕制而成，则enbs.从图2示位置开始计时，则感应电动势的即时值为enbscost.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即时电动势公式,考点四互感现象和自感现象基础梳理1互感现象(1)概念：当一个线圈中电流变化时，它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势，这种现象叫互感(2)互感现象产生的原因：线圈中电流变化，引起另一线圈中的磁通量的变化,(3)互感电动势：在互感现象中产生的感应电动势叫互感电动势(4)互感电动势的作用：阻碍线圈中原来电流的变化线圈中电流增大时，另一线圈互感电动势阻碍它增大，线圈中电流减小时，另一线圈的互感电动势阻碍它减小,2自感现象(1)概念：由于线圈本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象(2)自感现象产生的原因：线圈本身电流变化，引起磁通量的变化(3)自感电动势：在自感现象中产生的感应电动势叫自感电动势,(4)自感电动势的作用：阻碍线圈中原来电流的变化线圈中原电流增大时，自感电动势阻碍它增大线圈中原电流减小时，自感电动势阻碍它减小(5)影响自感电动势大小的因素：自感电动势的大小与电流的变化率成正比l是自感系数,(6)自感系数：自感系数是用来表示线圈的自感特性的物理量简称自感或电感决定线圈自感系数的因素：线圈的大小、形状、匝数以及线圈中是否有铁芯自感系数的单位：亨利，简称亨，符号是h.更小的单位有毫亨(mh)、微亨(h),1h103mh,1h106h.(7)自感现象的防止及应用：在变压器和电动机开关断开时，电流突然变化，在开关中的金属片之间产生电火花，会产生危害；日光灯则是用自感现象工作的,疑难详析1自感电动势的大小与电流的变化率成正比，与电流或电流的变化无关2在分析自感现象时，一般分析方法是：当流过线圈l的电流突然增大瞬间，我们可以把l看成一个阻值很大的电阻；当流经l的电流突然减小的瞬间，我们可以把l看作一个电源，它提供一个跟原电流同向的电流,3能否看到明显的自感现象，不仅仅取决于自感电动势的大小，还取决于电路的结构在图3电路中，我们预先在电路设计时取线圈的阻值远小于灯a的阻值，使s断开前，并联电路中的电流ilia，s断开瞬间，虽然l中电流在减小，但这一电流全部流过a灯，仍比s断开前a灯的电流大得多，且延滞了一段时间，所以我们看到a灯闪亮一下后熄灭，对图4的电路，s断开瞬间也有自感电流，但它比断开前流过两灯的电流还小，就不会出现闪亮一下的现象,图3图4,深化拓展1互感现象中当一个线圈中的电流变化时，它产生的磁场就发生变化，变化的磁场在周围空间产生感生电场，在感生电场的作用下，另一个线圈中的自由电荷定向运动，于是产生感应电动势利用互感现象，可以把能量从一个线圈传递到另一个线圈,2自感现象说明能量可能存储在磁场中自感现象是电磁感应的特例一般的电磁感应现象中变化的原磁场是外界提供的，而自感现象中是靠流过线圈自身变化的电流提供一个变化的磁场它们同属电磁感应，所以自感现象遵循所有的电磁感应规律3自感电动势仅仅是减缓了原电流的变化，不会阻止原电流的变化或逆转原电流的变化因此可以借用力学中的术语，说线圈能够体现电的“惯性”线圈的自感系数越大，这个现象越明显，可见，电的“惯性”大小决定于线圈的自感系数,考点五涡流1涡流：当线圈中的电流发生变化时，这个线圈附近的导体中就会产生感应电流这种感应电流是像漩涡一样的闭合的曲线，我们把它叫做涡流2涡流产生的原因：导体可以看作是由许多闭合导体框组成的，当线圈接入变化的电流时，产生变化的磁场，从而在导体中产生涡旋状的感应电流,3涡流的效应：(1)热效应：由于导体存在电阻，当电流在导体中流动时，就会产生电热，这就是涡流的热效应应用：真空冶炼炉、电磁炉、金属探测器危害：线圈中流过变化的电流，在铁芯中产生的涡流使铁芯发热，浪费了能量，还可能损坏电器减少涡流的途径：增大铁芯材料的电阻率，常用的材料是硅钢；用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯,(2)机械效应：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应用：磁电式仪表、电气机车的电磁制动、阻尼摆等电磁驱动：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应用：感应电动机、电能表、汽车上用的电磁式速度表等,疑难详析1涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵守电磁感应定律由于整块金属的电阻通常很小，故涡流常常很大2电磁阻尼是导体相对于磁场运动，而电磁驱动是磁场相对于导体运动安培力的作用都是阻碍它们间的相对运动,题型一感应电动势的分析与计算,例1例1如图5所示，水平放置的平行金属导轨，相距l0.50m，左端接一电阻r0.20，磁感应强度b0.40t的匀强磁场方向垂直于导轨平面，导体棒ab垂直放在导轨上，并能无摩擦地沿导轨滑动，导轨和导体棒的电阻均可忽略不计，当ab以v4.0m/s的速度水平向右匀速滑动时，求：,图5,(1)ab棒中感应电动势的大小，并指出a、b哪端电势高？(2)回路中感应电流的大小；(3)维持ab棒做匀速运动的水平外力f的大小,解析(1)根据法拉第电磁感应定律，ab棒中的感应电动势为eblv0.400.504.0v0.80v.根据右手定则可判定感应电动势的方向由ba，所以a端电势高(2)感应电流大小为a4.0a(3)由于ab棒受安培力，故外力filb4.00.50.4n0.8n，故外力的大小为0.8n答案(1)0.80vab(2)4.0a(3)0.8n,题后反思：1.感应电动势的计算方法有以下三种，要区分它们的使用条件(1)法拉第电磁感应定律：(2)导体切割磁感线产生感应电动势：eblv(3)导体转动切割磁感线产生感应电动势：,2电势高低的判断方法：(1)要明确磁场的方向及导体运动的方向；(2)据右手定则判断出感应电流的方向即感应电动势的方向；(3)把切割磁感线导体作为电源，在电源内部电流从低电势点(负极)流向高电势点(正极),(2009山东高考)如图6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6,a感应电流方向不变bcd段直导线始终不受安培力c感应电动势最大值embav,解析：本题主要考查楞次定律、法拉第电磁感应定律，意在考查考生掌握物理规律解决物理问题的能力根据楞次定律可判定闭合回路中产生的感应电流方向始终不变，a项正确；cd段电流方向是d指向c，根据左手定则可知，cd段受到安培力，且方向竖直向下，b错；当有一半进入磁场时，产生的感应电流最大，embav，c对；由法拉第电磁感应定律得d也对答案：acd,题型二计算通过导体的电荷量例2如图7，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)磁场方向垂直纸面朝里，另有两根金属导轨c、d分别平行于oa、ob放置保持导轨之间接触良好，金属导轨的电阻不计现经历以下四个过程：,图7,以速率v移动d，使它与ob的距离增大一倍；再以速率v移动c，使它与oa的距离减小一半；然后，再以速率2v移动c，使它回到原处；最后以速率2v移动d，使它也回到原处设上述四个过程中通过电阻r的电荷量的大小依次为q1、q2、q3和q4，则()aq1q2q3q4bq1q22q32q4c2q12q2q3q4dq1q2q3q4,答案a,(2009安徽高考)如图8甲所示，一个电阻为r，面积为s的矩形导线框abcd，水平放置在匀强磁场中，磁场的磁感应强度为b，方向与ad边垂直并与线框平面成45角，o、o分别是ab边和cd边的中点现将线框右半边obco绕oo逆时针旋转90到图8乙所示位置在这一过程中，导线中通过的电荷量是(),图8,答案：a,题型三电磁感应的图象问题例3如图9所示，lool为一折线，它所形成的两个角loo和ool均为45.折线的右边有一匀强磁场，其方向垂直于纸面向里一边长为l的正方形导线框沿垂直于oo的方向以速度v做匀速直线运动，在t0时刻恰好位于图9中所示位置以逆时针方向为导线框中电流的正方向，在下面四幅图中能够正确表示电流时间(it)关系的是(时间以l/v为单位)(),图9,图10,时间内，线框位置如图10(3)，回路电动势blv，因l线性减小，故线性减小，i线性减小答案d,题后反思：电磁感应现象中，穿过回路的磁通量、感应电动势、感应电流及磁场对回路的作用力随时间的变化情况，可用图象直观地表示出来1这些图象问题大体可分为两类(1)由给出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，求解相应物理量不管是哪种类型，电磁感应中的图象问题常需利用右手定则、左手定则、楞次定律和法拉第电磁感应定律等规律分析解决,2电磁感应现象中图象问题分析的关键抓住磁通量的变化是否均匀，从而推知感应电动势(电流)是否大小恒定用楞次定律判断出感应电动势(或电流)的方向，从而确定其正负，以及在坐标中的范围,图11中两条平行虚线之间存在匀强磁场，虚线间的距离为l，磁场方向垂直纸面向里abcd是位于纸面内的梯形线圈，ad与bc间的距离也为l.t0时刻，bc边与磁场区域边界重合(如图11)现令线圈以恒定的速度v沿垂直于磁场区域边界的方向穿过磁场区域取沿abcda的感应电流为正，则在线圈穿越磁场区域的过程中，感应电流i随时间t变化的图线可能是(),图11,解析：由楞次定律可得：线圈进磁场时电流方向为逆时针方向，出磁场时电流为顺时针方向无论线圈进磁场还是出磁场，线圈有效切割长度均大，故感应电动势增大，而线圈电阻不变，感应电流增大b项正确答案：b,题型四对自感现象的理解例4如图12所示的电路，开关原先闭合，电路处于稳定状态，在某一时刻突然断开开关s，则通过电阻r1中的电流i1随时间变化的图线可能是下图中的(),图12,解析开关s原先闭合时，电路处于稳定状态，流过r1的电流方向向左，大小为i1，与r1并联的r2和线圈l支路，电流i2的方向也向左，当某一时刻开关s突然断开时，l中向左的电流i2要减小，因自感现象，线圈l产生自感电动势，在回路“lr1ar2”中形成感应电流，电流通过r1的方向与原来反向，变为向右，并从i2开始逐渐减小到零，故d选项正确答案d,题后反思：解决自感现象问题的关键在于认真分析电路，把握电路中线圈的电流发生变化时，自感线圈会产生自感电动势阻碍原电流的变化，应用楞次定律再进行判断分析,在如图13所示的电路中，a、b为两个完全相同的灯泡，l为自感线圈，e为电源，s为开关关于两灯泡点亮和熄灭的先后次序，下列说法正确的是(),图13,a合上开关，a先亮，b后亮；断开开关，a、b同时熄灭b合上开关，b先亮，a后亮；断开开关a先熄灭，b后熄灭c合上开关，b先亮，a后亮；断开开关，a、b同时熄灭d合上开关，a、b同时亮；断开开关，b先熄灭，a后熄灭,解析：由于l是自感线圈，当合上s时，自感线圈l将产生自感电动势，阻碍电流的流过，故有b灯先亮，而a灯后亮当s断开时，a、b组成回路，l产生自感电动势阻碍电流的减弱，由此可知，a、b同时熄灭，故选项c正确答案：c,1法拉第通过精心设计的一系列实验，发现了电磁感应定律，将历史上认为各自独立的学科“电学”与“磁学”联系起来在下面几个典型的实验设计思想中，所作的推论后来被实验否定的是()a既然磁铁可使近旁的铁块带磁，静电荷可使近旁的导体表面感应电荷，那么静止导线上的稳恒电流也可在近旁静止的线圈中感应出电流,b既然磁铁可在近旁运动的导体中感应出电动势，那么稳恒电流也可在近旁运动的线圈中感应出电流c既然运动的磁铁可在近旁静止的线圈中感应出电流，那么静止的磁铁也可在近旁运动的导体中感应出电动势d既然运动的磁铁可在近旁的导体中感应出电动势，那么运动导线上的稳恒电流也可在近旁的线圈中感应出电流,解析：磁铁可使近旁的铁块磁化带磁，静电荷可使近旁的导体引起静电感应带电，但静止的稳恒电流，其磁场不变，不会使静止的线圈磁通量发生变化而产生感应电流，所以a项被实验否定，答案应为a.除此之外，磁铁可使运动的导体切割磁感线产生感应电动势，稳恒电流尽管磁场