高中物理 4.4 法拉第电磁感应定律课件 新人教版选修32

1、4法拉第电磁感应定律,1.磁通量的变化率 知道磁通量的变化率是表示磁通量变化快慢的物理量;能区别磁通量、磁通量的变化量和磁通量的变化率 。 2.法拉第电磁感应定律 理解法拉第电磁感应定律及其数学表达式;会用法拉第电磁感应定律解决相关问题。 3.感应电动势 知道什么叫感应电动势;掌握导体切割磁感线产生的电动势e=blv的推导及意义;能熟练应用 和e=blv 解题。 4.反电动势 了解反电动势及其作用。,1,2,3,4,1.感应电动势 在电磁感应现象中产生的电动势。产生感应电动势的那部分导体相当于电源,它的电阻相当于电源的内阻。 结合我们以前学过的电路知识想一想,导体上有了感应电动势,就一定有电流

2、通过吗? 提示:不一定有电流通过。若要有电流通过,导体回路还必须闭合。,1,2,3,4,2.法拉第电磁感应定律 (1)内容:闭合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。 (2)表达式:e= 。,1,2,3,4,类比我们以前学过的加速度a与速度变化量v的关系想一想,穿过某电路的磁通量的变化量越大,产生的感应电动势也越大吗? 提示:不一定,感应电动势的大小取决于穿过电路的磁通量的变化率而非磁通量的变化量,即感应电动势的大小由磁通量的变化量和时间两个因素共同决定。,1,2,3,4,3.导体切割磁感线时的感应电动势 (1)公式:e= blv ,此式常用来计算瞬时感应电动势的大小。

3、 (2)适用条件:b、l、v两两垂直,如图所示。,1,2,3,4,如图所示,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?,1,2,3,4,提示:这两个同学说的都对,虽然ad边与bc边都产生感应电动势,但由于方向相同,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

4、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。,1,2,3,4,4.反电动势 由于电动机转动时,线圈要切割磁感线,也会产生感应电动势,这个电动势总是要削弱电源电动势的作用,我们把这个电动势称为反电动势。,1,2,3,1.磁通量、磁通量的变化量与磁通量的变化率,1,2,3,2.对公式e=blv的理解 (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;当v是平均速度时,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,可取其平均速度求感应电动势。 例如,长度为l的导体棒在磁场中

5、绕a点在纸面内以角速度匀速转动,磁感应强度为b,则ac在切割磁感线时产生的感应电动势为,1,2,3,(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e=blv只有当b、l、v两两垂直时才成立,如果不满足两两垂直,则应通过矢量分解(分解v或分解b)取两两垂直的分量计算。当有任意两个量的方向互相平行时,感应电动势为零。 例如,闭合电路的一部分导体处于匀强磁场中,导体棒以速度v斜向切割磁感线,求产生的感应电动势。由于b、l、v不满足两两垂直,我们可以把速度v分解为两个分量:垂直于磁感线的分量v1=vsin 和平行于磁感线的分量v2=vcos

6、。后者不切割磁感线,不产生感应电动势。前者切割磁感线,产生的感应电动势为e=blv1=blvsin 。,1,2,3,(4)公式中的l应理解为导线切割磁感线时的有效长度。如果导线不和磁场垂直,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。,1,2,3,1,2,3,类型一,类型二,类型三,类型四,类型五,类型一 法拉第电磁感应定律的应用,点拨:根据法拉第电磁感应定律可求出感应电动势的大小,进而求出电容器的

7、电荷量;由于等效电源的极性与电路是否闭合无关,所以可以根据楞次定律判断出等效电源的极性,进而判断出电容器极板的带电情况。,类型一,类型二,类型三,类型四,类型五,解析:因磁场在增强,由楞次定律可推知a端电势高,即a带正电荷。由法拉第电磁感应定律得,答案:210-9 ca带正电荷,类型一,类型二,类型三,类型四,类型五,触类旁通若例题1中的n匝线圈电阻不能忽略,在a、b间接一电阻与接一电容器相比,a、b两点间电势差的大小相同吗? 答案:不同,因为a、b两点间电势差的大小等于等效电源的路端电压。接电容器时,电路中电流为零,所以a、b两点间电势差的大小等于电源的电动势;而接电阻时,电路中有电流,此时

8、a、b两点间电势差的大小等于电源的路端电压,这个路端电压小于电源的电动势。,类型一,类型二,类型三,类型四,类型五,类型二 对公式e=blv的理解 【例题2】 如图所示,在水平方向的匀强磁场中,将一导体棒以初速度v0水平向右抛出,设整个过程中,棒始终平动且不计空气阻力,试分析金属棒在运动过程中产生电动势大小的变化情况,并画出电动势随时间变化的图线。 点拨:对e=blv,必须明确v是垂直于b和l的速度大小。,类型一,类型二,类型三,类型四,类型五,解析:棒水平抛出做平抛运动,据平抛运动的规律知 vx=v0 vy=gt 而v0平行于磁场,不切割磁感线,只有vy切割磁感线。 据电动势公式得 e=bl

9、vy(其中l为导体棒的长度) 联立得e=blgt 所以在运动过程中,电动势e随时间逐渐增大。 即e-t图象为过原点的直线,如图所示。 答案:电动势e随时间均匀增大;图象如解析图所示。 题后反思利用e=blv分析有关问题时,l、v、b应取两两互相垂直的分量。,类型一,类型二,类型三,类型四,类型五,触类旁通若将例题2中的匀强磁场方向改为竖直向下,其他条件不变,画出这种情况下电动势随时间变化的图象。 解析:由上面的分析可知,这种情况下,vy平行于磁场,不切割磁感线,而v0切割磁感线,所以e=blv0 ,即在运动过程中,电动势e不随时间发生变化。图象如图所示。 答案:见解析,类型一,类型二,类型三,

10、类型四,类型五,【例题3】(多选)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e=bav d.感应电动势平均值,点拨:平均感应电动势一般用瞬时感应电动势一般用 求解,公式e=blv求解。,类型一,类型二,类型三,类型四,类型五,解析:在闭合回路进入磁场的过程中,通过闭合回路的磁通量逐渐增大,根据楞次定律可知感应电流的方向始终为逆时针方向,选项a

11、正确。根据左手定则可以判断,cd段受安培力向下,选项b不正确。当半圆形闭合回路进入磁场一半时,等效长度最大为a,这时感应电动势最大为e=bav,选项c正确。感应电动势平均值 , 选项d正确。 答案:acd,题后反思应用 或e=blv计算感应电动势时,首先要弄清是计算平均感应电动势还是计算瞬时感应电动势,其次要弄清产生原因是磁场变化,还是导体切割磁感线。,类型一,类型二,类型三,类型四,类型五,类型四 电磁感应现象中的电路问题 【例题4】把总电阻为2r的均匀电阻丝焊接成一半径为a的圆环,水平固定在竖直向下的磁感应强度为b的匀强磁场中,如图所示。一长度为2a、电阻等于r、粗细均匀的金属棒mn放在圆

12、环上,它与圆环始终保持良好的接触,当金属棒以恒定速度v向右移动经过圆环的圆心o时,求: (1)棒上电流的大小和方向及棒两端的电压。 (2)在圆环和金属棒上消耗的总电功率。,类型一,类型二,类型三,类型四,类型五,点拨:弄清棒两端的电压与棒产生的感应电动势的关系是处理问题的关键。 解析:(1)把切割磁感线的金属棒看成一个内阻为r、感应电动势为e的电源,两个半圆环看成两个并联的电阻,画出等效电路图如图所示。 等效电源的电动势为e=blv=2bav。,电流的方向从n流向m。,类型一,类型二,类型三,类型四,类型五,题后反思画等效电路图的步骤:(1)分析产生感应电动势的原因,确定感应电动势存在于何处;(2)判断出感应电动势的方向;(3)将产生感应电动势的那部分导体用电源符号代替,而没有产生感应电动势的那部分导体用电阻符号代替,画出等效电路图。,类型一,类型二,类型三,类型四,类型五,类型五 电磁感应现象中的电荷量问题 【例题5】如图所示,导线全部为裸导线,半径为r的圆内有垂直于平面的匀强磁场,磁感应强度为b,一根