高三物理法拉第电磁感应定律一轮复习讲义

教学内容：法拉第电磁感应定律基础知识】1.法拉第电磁感应定律在电磁感应现象中，不管电路是否闭合，只要穿过这个电路所围面积的磁通量发生变化，电路中就有感应电动势产生，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，即，在国际单位制中可以证明其中的k=l,所以有。对于n匝线圈有过。A<5>A<5>A<5>公式中，若At恒定，则感应电动势E恒定，若加变化，则感应_E=—电动势也是变化的。通常△t为一段时间，计算的是△t时间内的平均感应电动势。△t-0时，At的极限值等于感应电动势的瞬时值。2.法拉第电磁感应定律的运用有两种典型情形：第一，回路面积不变，穿过E=ns—回路的磁场变化，如本例，此时；第二，穿过回路的磁场恒定，回路面E=nE坐积变化，此时(1)根据法拉第电磁感应定律可以证明：垂直于磁场方向的导体棒，当它以垂直于磁场方向的速度运动时，产生的感应电动势大小为E=BLv。式中B为磁场的磁感应强度，L为导体棒长度，v为导体棒运动的速度。如果导体棒运动的速度方向和磁场方向丕垂直，如图所示。此时，我们可以将导体棒的速度v分解为垂直于磁场方向的分量麺丄和沿磁场方向的分量％，显然％对感应电动势没有贡献。所以，导体棒中感应电动势为产生感应电动势那部分导体相当于电源，在电源内部，电流从负极流向正极，不论回路是否闭合，都设想电路闭合，由楞次定律或右手定则判断出感应电流方向，根据在电源内部电流从负极到正极，就可确定感应电动势的方向。将均匀电阻丝做成的边长为l的正方形线圈abed从匀强磁场中向右匀速拉出的过程，仅ab边上有感应电动势E=Blv,ab边相当于电源，另3边相当于外电路。ab边两端的电压为3Blv/4,另3边每边两端的电压均为Blv/4。（2）导体棒转动产生的感应电动势直导线在磁场中转动切割磁场线而产生感应电动势，电动势的大小如何求呢？如图，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（转动轴与磁感线平行）在该平面内以角速度①逆时针匀速转动，求金属棒中的感应电动势。在应用感应电动势的公式时，必须注意其中的速度v应该指导线上各点的平均速度，在本题中应该是金属棒中点的速度，因此有E=BL-in—=—BiuZ2。另一种推导方法：如图所示，铜棒OA长为L，在匀强磁场B中以角速度3逆时针方向旋转，我们可以以OA为边，作一假想的非闭合回路OCA在At时间内，铜棒转过角度厶0，回路面积的改变为扇形面积as=|l?a^A<S>=BAS=丄E2竺二EL?竺二EUAt2At2

若是半径r的圆盘在匀强磁场B中以角速度3匀速转动，当盘平面垂直于磁场方向时，导体盘可以视为无数由半径相同的铜条并联而成。故半径为r的圆盘在磁感应强度为B的匀强磁场中以均匀角速度3匀速转动所产生的感应E=1ELS电动势，且盘心的电势高于盘边缘的电势。典型例题】例1.在一横截面积为的100匝圆形闭合线圈，电阻为0.2Q。线圈处在匀强磁场中，磁场方向垂直线圈截面，其磁感应强度B随时间t的变化规律如图所示，求线圈中感应电流的大小。V)=2V)=2A)由题给B—t图像可知，B随时间均匀变化，磁感应强度的变化率AE(B—t图线的斜率)At为恒量。线圈截面与磁场方向垂直，则穿过截面的磁通量变化率A®_gAE因此，线圈中产生的感应电动势和感应电流为E=n—=nS—=100x0.2x—=0.4AtAt4例2.如图所示，U形导线框固定在水平面上，右端放有质量为m的金属棒ab，ab与导轨间的动摩擦因数为”，它们围成的矩形边长分别为L、L，回路的总电12阻为R。从t=0时刻起，在竖直向上方向加一个随时间均匀变化的匀强磁场B=kt，(k>0)那么在t为多大时，金属棒开始移动？

解：由=kLL可知，回路中感应电动势是恒定的，电流大小也是恒定的，但由于安培力F=1BIL-B=kt^t,所以安培力将随时间而增大。当安培力增大到等于最大静摩擦力时，ab将开始向左移动。这时有：例3.如图所示，长L宽L的矩形线圈电阻为R,处于磁感应强度为B的匀强磁场边缘，线圈与磁感线垂直。求：将线圈以向右的速度v匀速拉出磁场的过程中，⑴拉力的大小F；⑵拉力的功率P；⑶拉力做的功W；⑷线圈中产生的电热Q:⑸通过线圈某一截面的电荷量q。解：这是一道基本练习题，要注意计算中所用的边长是L还是L，还应该12思考一下这些物理量与速度v之间有什么关系。⑴⑶討罟与V无关(4)Q=炉氏⑴⑶討罟与V无关(4)Q=炉氏v(5)_A申特别要注意电热Q和电荷q的区别，其中―飞与速度无关!例4.如图所示，竖直放置的U形导轨宽为L,上端串有电阻R（其余导体部分的电阻都忽略不计）。磁感应强度为B的匀强磁场方向垂直于纸面向外。金属棒ab的质量为m，与导轨接触良好，不计摩擦。从静止释放后ab保持水平而下滑。试求ab下滑的最大速度vm。解：释放瞬间ab只受重力，开始向下加速运动。随着速度的增大，感应电动势E、感应电流I、安培力F都随之增大，加速度随之减小。当F增大到F=mg时，加速度变为零，这时ab达到最大速度。

由_mgR可得入-Rb由_mgR可得入-Rb这道题也是一个典型的习题。要注意该过程中的功能关系：重力做功的过程是重力势能向动能和电能转化的过程；安培力做功的过程是机械能向电能转化的过程；合外力（重力和安培力）做功的过程是动能增加的过程；电流做功的过程是电能向内能转化的过程。达到稳定速度后，重力势能的减小全部转化为电能，电流做功又使电能全部转化为内能。这时重力的功率等于电功率也等于热功率。进一步讨论：如果在该图上端电阻的右边串联接一只电键，让ab下落一段距离后再闭合电键，那么闭合电键后ab的运动情况又将如何？（无论何时闭合电键，ab可能先加速后匀速，也可能先减速后匀速，还可能闭合电键后就开始匀速运动，但最终稳定后的速度总是一样的）。例5.如图（a），圆形线圈P静止在水平桌面上，其正上方悬挂一相同的线圈Q，P和Q共轴。Q中通有变化电流，电流随时间变化的规律如图（b）所示。P所受的重力为G,桌面对P的支持力为2则（）B.D.B.D.A.t刚N沁C.左时刻NcGt4mN=G解：线圈Q内电流变化使穿过P的磁通量发生变化，线圈P中产生的感应电流阻碍引起产生感应电流的磁通量的变化。如图（b）场、t斗时刻q中电流不变,穿过P的磁通量不变，根据法拉第电磁感应定律，P中不产生感应电流，P只受重力G和桌面的支持力N作用，由平衡条件N=G，所以D正确，B错。S时刻Q中电流增强，穿过P的磁通量增多，P中产生感应电流，感应电流产生的效果是阻碍P中磁通量的增多，即安培力欲使P远离Q,此时P受重力G,桌面支持力N和向下的安培力F作用，由平衡条件G+F二N，所以N>G，A正确。％时刻Q中电流的变化率、P中磁通量的变化率均不为零，所以P中产生感应电流，但因Q中电流i=0,故P不受安培力作用，N=G，所以C错。答案：AD【模拟试题】一匀强磁场，磁场方向垂直纸面，规定向里的方向为正。在磁场中有一细金属圆环，线圈平面位于纸面内，如图（甲）所示。现令磁感应强度B随时间t变化，先按图乙中所示的Oa图线变化，后来又按图线be和cd变化，令E「E、E分别表示这三段变化过程中感应电动势的大小，I、I、I分别表示对应的勺感应电流，则（）E>E，I沿逆时针方向，I沿顺时针方向1212E<E，I沿逆时针方向，I沿顺时针方向1212E<E，I沿顺时针方向，I沿逆时针方向1223E=E，I沿顺时针方向，I沿顺时针方向瓢时针甲如图所示，有一闭合线圈放在匀强磁场中，线圈的轴线和磁场线方向成30°角，磁感应强度随时间均匀变化，用下述方法中的哪一种可使线圈中的感应电流增加一倍（）使线圈的匝数增加一倍使线圈的面积增加一倍使线圈的半径增加一倍D.改变线圈的轴线方向，使之与磁场方向平行如图所示，金属三角形导轨COD上放置一根金属棒MN,拉动MN使它以速度v向右匀速平动。如果导轨和金属棒都是粗细相同的均匀导体，电阻率都相同,那么在MN运动过程中，闭合回路的（）A.感应电动势保持不变A.感应电动势保持不变B.感应电流保持不变D.感D.感C.感应电动势逐渐增大应电流逐渐增大A.A.已畑血QBdvcos^如图所示，平行导轨间距为d,—端跨接一个电阻R,匀强磁场的磁感应强度为B，方向垂直于平行金属导轨所在平面。一根金属棒与导轨成0角放置，金属棒与导轨的电阻均不计。当金属棒沿垂直于棒的方向以恒定的速度v在金属轨上滑行时，通过电阻R的电流强度是（）B.C.EhRsinaa）aa）如图所示，a、b、c为三个在同一平面内的同心圆环，环的半径，各环的电阻都相等。当a环中通入的顺时针方向的电流突然增大时，b、c两环中感应电流的方向及大小的关系是（）A.均为顺时针，B.均为逆时针，h“C.均为顺时针，D.均为逆时针，c两个匝数不同，但大小、材料、总质量均相同的正方形线圈，先后从磁场外同一高度自由下落，垂直穿过磁场区域后落地（不计空气阻力）则它们（）下落的时间相同，线圈产生的热量相同下落的时间相同，匝数少的线圈产生的热量多匝数少线圈落地的时间少，产生的热量多匝数多线圈落地的时间少，产生的热量多如图（a）所示，水平放置的两平行导轨左侧连接电阻，其他电阻不计，导体杆MN放在导轨上，在水平恒力F的作用下，沿导轨向右运动，并将穿过方向竖直向下的有界匀强磁场，磁场边界PQ与MN平行，从MN进入磁场开始计时，通过的感应电流i随时间t的变化可能是图（b）中的（）

b）b）如图所示矩形线圈长为L,宽为h,电阻为R,质量为m,自某一高度在空中自由下落（空气阻力不计），然后进入一宽度也为h的磁感应强度为B的匀强磁场中，线圈进入磁场时的动能为Ek'，穿出磁场时的动能为忙％,这一过程线圈中产生的焦耳热为Q,线圈克服安培力做功Wi,重力做功为W2,线圈重力势能减少量为AEp,则下列关系中正确的是（）A.Q=AEP+Ek|-E%A.Q=AEP+Ek|-E%B.Q=W2-WxD.如图（a）所示，A是一边长为l的正方形线框，电阻为R。今维持线框以恒定速度v沿x轴转动,并穿过图中所示的匀强磁场B区域。若以x轴正方向作为力的正方向,线框在图示位置的时刻作为时间的零点,则磁场对线框的作用力F随时间t的变化图线为图（b）中的（）如图所示，用铝板制成“二”型框，将一质量为m的带电小球用绝缘细绳悬挂在框的上板上，让整体在垂直于水平方向的匀强磁场中向左以速度v匀速运动，悬线拉力为丁，则（）悬线竖直，T=mg悬线竖直，T<mgv选择合适的大小，可使T=0条件不足，不能判定如图所示，匀强磁场的磁感应强度为B磁场中有正方形线框abed，线框总电阻为R,边长为L,每边质量为m,磁场方向水平向右。开始时线框处于水平位置且be边与磁场垂直。把线框由静止释放使它以be为轴，在ts内由水平位置转到竖直位置刚好又静止下来，则在这个过程中，线框中平均感应电动势为，产生的热量为。88一电容器的电容为10“F，垂直于回路平面的磁场的磁感应强度以5x10_3T/s的变化率增加，回路面积为，如图所示，则A、C两板的电势差为V，A板带电荷的种类为，带电量为C。如图所示，abed为一边长为l具有质量的刚性导线框位于水平面内，be边中串接有电阻R，导线的电阻不计。虚线表示一匀强磁场区域的边界，它与线框ab边平行，磁场区域的宽度为21，磁场磁感强度为B，方向竖直向下，线框在一垂直于ab边的水平恒定拉力作用下，沿光滑水平面运动，直到通过磁场区域。已知ab边刚进入磁场时，线框便变为匀速运动，此时通过电阻R的电流的大小为试在图的坐标上定性画出：从导线框刚进入磁场到完全离开磁场的过程中，流过电阻R的电流i的大小随ab边的位置坐标x变化的曲线。如图所示，正方形线圈abed边长为L电阻为R，放在磁感应强度为B的匀强磁场中，当线圈以ab边为轴、角速度①匀速转动至图示位置时，穿过线TOC\o"1-5"\h\z圈的磁通量变化率加=，磁力矩M二。把一个矩形线圈从有理想边界的匀强磁场中匀速拉出如图。第一次速度为网勺，第二次速度为巾，且叫=坷，则两情况下拉力的功之比^2=，旦鱼=拉力的功率之比巳=，线圈中产生的焦耳热之比Q》如图所示，MN、PQ是两根足够长的固定平行金属导轨，两导轨间的距离为l导轨平面与水平面的夹角为e，在整个导轨平面内都有垂直于导轨平面斜向上方的匀强磁场。磁感应强度为B,在导轨的M、P端连接一个阻值为R的电阻，一根垂直于导轨放置的金属棒ab，质量为m，从静止释放开始沿导轨下滑，求ab棒的最大速度。（要求画出ab棒的受力图，已知ab与导轨间的动摩擦因数为卩，导轨和金属棒的电阻不计）如图所示，MN和PQ为相距L=30cm的平行金属导轨，电阻为的金属棒ab可紧贴平行导轨运动，相距d=20cm、水平放置的两平行金属板E和F分别与a、b相连。图中，金属棒ac=cd=bd，导轨和连线的电阻不计，整个装置处于垂直纸面向里的匀强磁场中，当ab以速度v向右做匀速运动时，恰能使一带电粒子以速率v在金属板间做匀速圆周运动，求ab棒匀速运动的速率v的取值范围。（g取10m/s2）放在绝缘水平面上两平行导轨MN和PQ间距离为L，置于磁感应强度为B的匀强磁场中，B的方向垂直于导轨平面。导轨左端接有阻值为R的电阻，其他部分电阻不计，导轨右端接一电容为C的电容器。长为2L的金属棒开始垂直PQ放置且接触良好，其a端放在导轨PQ上，现将金属棒以a端为轴，以角速度3沿导轨平面顺时针转90°角，如图所示，求这个过程中通过电阻R的电量？（设导轨长度比2L长得多）

如图（a）所示的螺线管，匝数n=1500匝，横截面积S=20cm2。电阻r=1.5d,与螺线管串联的外电阻,,方向向右，穿过螺线管的匀强磁场的磁感应强度按图（b）所示规律变化，试计算电阻尺2的电功率和a、b两点的电势（设c点电势为零）。.B解析：根据楞次定律和右手螺旋定则，当a环中顺时针方向电流增加时，b、c环中均感应出逆时针方向的电流。.EA念1=—=由于尺AtR在式中At、R是一样的，但b环中磁通量的变化大于c环中磁通量的变化。色％皿轧，所以陀儿。A解析：设线圈匝数为n每边长为L,密度为□，电阻率为灯，导线的横截面积为S。m=/74nLS两线圈自由下落进入磁场区域时的速度是相同的，进入磁场时的加速度是否相同，就能判断它们的运动情况。•/E=nBLv又ma=mg-riEIL因为线框进入磁场后的速度、加速度都相同，则落地时间相同。产生的热量At=A^=(nRL?)AtRRAt=A^=(nRL?)AtRR-Atn2B2L4nB2L3S4口AtB2L2-m16p-p'At电磁场中运动产生的热量与匝数n无关，所以热量相同A、C、D解析：MN进入磁场后，所受安培力可能等于、大于、小于外力F。CD解析：线圈在每段位移l上，在场区外运动，线框不受安培力作用，F=0。线框经$开始进入磁场，并保持v不变，这时线圈右侧切割磁场线，产生感应电动势E=Blv恒定不变，在线圈内产生感应电流I恒定不变，线圈受到2/“阻碍”相对运动的安培力F=BI1大小不变，方向与x轴反向，取负值。当t=v时，线圈全部进入磁场区，回路磁通量不变，感应电流为零，线框受的安培力为£零，此过程到t=F为止；此后线圈以恒定速度出磁场，线圈左边切割磁场线，一Z=-一一一产生的感应电动势E=阪，感应电流尺恒定不变，受到阻碍相对运动的安培力卩=助大小不变，方向仍沿x轴负向，此过程到卩为止。A解析：设线框右边长为L，运动时小球受洛伦兹力f=qvB,右边切割磁场线产生电动势E=BLv，小球处在上、下两边形成的电场中，其电场力F=qE=q■—=驭£L，且无论小球带何种电荷，f与F总反向，合力为零。由于小球处于匀速运动状态中，因此所受绳的拉力和重力必然平衡，即T=mg。EL?〒；沁LE_A®_E•L?解析：平均感应电动势一矿t，产生的热量弘口*负；5xlO-10解析：A、C两板的电势差为U=E=S—=5x10-3x10-2=5x10-5VAt，电容器带电量q=CU=5xlO-5xlOxlO^5=5xlO~10C解析：由题意，ab边刚进入磁场，线框便匀速运动，故在线框匀速运动l距离过程中回路电流恒为山；当线框在x=l至x=2l间运动时，回路无磁通变化，故1=0,但该段距离内线框受到的合外力为水平拉力，故框做匀加速运动。当ab边出磁场时（x=2l），框的速度大于刚进磁场时的速度，cd段切割磁场线产生的电流心切。同时受到的安培力大于F,做减速运动。随着速度的减小，安

培力变小，减速运动的加速度变小，电流的变化变慢，但cd边出磁场时(x=3l)最小速度不能小于进磁场时的速度，故x=3l处回路中电流不能小于订。说明：解答此题的关键是线框ab边在x=l和x=2l间运动时做加速运动，故ab边出磁场时产生的电流心几，又F>F，做减速运动，i逐渐变安拉小，F逐渐变小，i的变化率变小，最终cd边出磁场时的速度不能小于匀速运安..动的速度。故x=3l时。因此，当x=2l到x=3l区间，线框中感应电流的1-瓦图线形状不惟一，可以表示成三种情况，如图所示。；(根据法拉第电磁感应定律，穿过线圈的磁通量变化率实际上就等于单匝线圈所产生的感应电动势，而线圈abcd中ab、ad、bc边均没有切割磁场线，不产生感应电动势，而cd边所产生的感应电动势E二BLv二廿匚■eL=BL2-eM=EIL-L=EL■昱卫-L=巴色)15.15.16.解析：ab下滑做切割磁场线运动，产生的感应电流方向及受力如图所示。E=BLvF=BIL

mgsin―——-冲gcos&由①②③可得*m在ab下滑过程中v增大，由上式知a减小，循环过程为肝T—>eT—>lT—T—>F^（—aI在这个循环过程中，ab做加速度逐渐减小的加速运动，当a=0时（即循环结束时），速度到达最大值，设为％，则有mgsin&=屮nigc