湖南省邵阳市隆回县万和实验学校高中物理课件选修324.5电磁感应现象的两类情况

1、5.电磁感应现象的两类情况,自主学习,一、电磁感应现象中的感生电场 1感生电场 (1)产生 英国物理学家麦克斯韦在他的电磁场理论中指出：变化的磁场能在周围空间激发电场，这种电场与静电场不同，它不是由电荷产生的，我们把它叫做 电场 (2)特点 感生电场线与 垂直感生电场的强弱与磁感应强度的有关,感生,磁场方向,变化率,(2)感生电场的作用 感生电场对自由电荷的 就相当于电源内部的非静电力 (3)感生电动势 磁场变化时，感应电动势是由感生电场产生的，它也叫感生电动势 3感生电场的方向 磁场变化时，垂直磁场的闭合环形回路(可假定存在)中感应电流的方向就表示感生电场的方向,作用,二、电磁感应现象中的洛

2、伦兹力 1成因：导体棒做切割磁感线运动时，导体棒中的自由电荷随棒一起定向运动，并因此受到洛伦兹力 2动生电动势：由于而产生的感应电动势 3动生电动势中的非静电力：与 有关.,导体运动,洛伦兹力,精讲点拨,一、感生电场、感生电动势是如何产生的？如何判断其方向？ 1产生： 如图所示，当磁场变化时，产生感生电场感生电场的电场线是与磁场垂直的曲线如果空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在电场力作用下定向移动而产生感应电流或者说导体中产生了感生电动势,2、特点： 变化的磁场周围产生感生电场，与闭合电路是否存在无关如果在变化的磁场中放一个闭合电路，电路中的自由电荷在感生电场作用下，做定向移动，形成电流在

3、这种情况下所谓的非静电力就是感生电场的作用 感应电场是电场的一种形式，是客观存在的一种特殊物质 感生电场可用电场线形象描述，但感生电场的电场线是闭合曲线，所以感生电场又称为涡旋电场这一点与静电场不同，静电场的电场线不闭合 感生电场可以对带电粒子做功，可使带电粒子加速和偏转,3方向： 闭合环形回路(可假定存在)的电流方向就是感生电动势的方向，也是感生电场的方向 ，可根据楞次定律和右手定则确定判定时可先假设有导体存在，推出的感应电流的方向，就是感生电场的方向,某空间出现了如图所示的磁场，当磁感应强度B变化时，在垂直于磁场的方向上会产生感生电场，有关磁感应强度B的变化与感生电场的方向关系描述正确的是

4、(),A当磁感应强度均匀增大时，感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向 B当磁感应强度均匀增大时，感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向 C当磁感应强度均匀减小时，感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向 D当磁感应强度均匀减小时，感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向,解析：假设垂直磁场方向有如图中a所示的闭合环形回路，,答案：AD,二、变化的磁场周围所产生的电场与电荷周围的静电场的区别 1静电场由电荷激发，而感生电场是由变化的磁场激发 2静电场的电场线不闭合，总是出发于正电荷，终止于负电荷，且单位正电荷在电场中沿闭合路径运动一周时，电场力所做的功为零而变化磁场周围的电场中的电场线是闭

5、合曲线(如图所示)，没有终点与起点，这种情况与磁场中的磁感线类似，所以，单位正电荷在此电场中沿闭合路径运动一周时，电场力所做的功不为零,三、电磁现象中的洛伦兹力,(1)一段导体在做切割磁感线的运动时相当于一个电源，这时的非静电力与洛伦兹力有关 (2)产生感应电动势原因分析 导体在磁场中做切割磁感线运动时，产生感应电动势(它也叫做“动生电动势”)，它是由于导体中自由电子受洛伦兹力作用而引起的 感应电动势的产生实质是洛伦兹力(非静电力)对自由电荷做了功； 导体棒在磁场中运动过程中要受到安培力作用，要维持导体棒运动，外力必须克服安培力做功，因此产生电流的过程是其他形式的能转化为电能的过程,四、感生电

6、动势与动生电动势的区别,如图所示，固定于水平桌面上的金属框架cdef，处在竖直向下的匀强磁场中，金属棒ab搁在框架上，可无摩擦滑动此时adeb构成一个边长为l的正方形棒的电阻为r，其余部分电阻不计开始时磁感应强度为B0.,(1)若从t0时刻起，磁感应强度均匀增加，每秒增加k，同时保持棒静止，求棒中的感应电流大小和方向 (2)在上述(1)情况中，始终保持棒静止，当tt1秒末时需加的垂直于棒的水平拉力为多大？,答案：(1)kl2/r，棒中电流方向由b到a(2)(B0kt1)kl3/r,讨论： 洛伦兹力总是与电荷的运动方向垂直，因此，洛伦兹力对电荷不做功，但是感生电动势又等于洛伦兹力搬运单位正电荷所

7、做的功，这就是说两者有矛盾，你怎样理解这一问题？,答案：其实并不矛盾，运动导体中的自由电子，不仅随导体以速度v运动，而且还沿导体以速度u做定向移动，正是这个定向移动才产生感应电流，如下图所示因此，导体中的电子的合速度v合等于v和u的矢量和，所以电子受到的洛伦兹力为Fv合ev合B，Fv合与合速度v合垂直，它对电子不做功，Fv合的一个分量是F1evB，这个分力做功，产生感应电动势Fv合的另一个分量是F2euB，阻碍导体运动，做负功可以证明两个分力F1和F2所做功的代数和为零结果仍然是洛伦兹力并不提供能量，而只是起传递能量的作用，即外力克服洛伦兹力的一个分力F2所做的功通过另一个分力F1转化为感应电

8、流的能量.,四、产生动生电动势时，洛伦兹力对导体棒中的自由电荷是否做功？ 不做功当导体棒处于闭合回路中做切割磁感线运动时，导体棒中产生感应电流，根据前面的讨论，我们知道，自由电荷既随导体棒一起运动，又沿导体棒运动，其合运动与导体棒成一定夹角，所以洛伦兹力与合运动方向垂直，如图所示，此时洛伦兹力沿棒方向的分力就是非静电力，对自由电荷做正功，但洛伦兹力的另一个分力垂直于导体棒且与切割运动的方向相反，对自由电荷做负功，这两个分力的总功恰好为零,感生电动势和动生电动势方向关系的判定 如果同一电路中同时存在感生电动势和动生电动势，应考虑两者的方向，弄清连接方式，是串联还是并联，如果串联，方向相同则电动势

9、相加，相反则电动势相减,如图所示，两根平行金属导轨固定在水平桌面上，每根导轨的单位长度电阻为r00.10 /m，导轨的端点P、Q用电阻可忽略的导线相连，两导轨间的距离l0.20 m有随时间变化的匀强磁场垂直于桌面，已知磁感应强度B与时间t的关系为Bkt，比例系数k0.02 T/s.一电阻不计的金属杆可在导轨上无摩擦地滑动，在滑动过程中保持与导轨垂直，在t0时刻，金属杆紧靠在P、Q端，在外力作用下，杆以恒定的加速度从静止开始向导轨的另一端滑动，求在t6.0 s时金属杆所受的安培力,答案：1.44103 N, 教材资料分析 思考与讨论教材P20 如图所示，导体棒CD在均匀磁场中运动,(1)自由电荷

10、会随着导体棒运动，并因此受到洛伦兹力导体中自由电荷的合运动在空间大致沿什么方向？为了方便，可以认为导体中的自由电荷是正电荷 (2)导体棒一直运动下去，自由电荷是否也会沿着导体棒一直运动下去？为什么？ (3)导体棒的哪端电势比较高？ (4)如果用导线把C，D两端连到磁场外的一个用电器上，导体棒中电流是沿什么方向的？,【点拨】(1)若导体棒中的自由电荷是正电荷，它在随棒运动中将受洛伦兹力，由左手定则可判断，自由电荷将受到DC方向的力，所以自由电荷一方面向右运动，一方面沿导体棒向上运动，其合运动大致沿右上方 (2)不会，因为正电荷向C运动，D端将出现过剩负电荷，C端出现过剩正电荷，结果导体棒下端的电

11、势低于上端的电势，形成由上端C指向下端D的静电场静电场对正电荷的力向下，当作用到自由电荷上的静电力与洛伦兹力沿导体棒方向的分力互相平衡时，自由电荷不再沿导体棒定向移动,(3)C端电势高 (4)若用导线把C、D两端连到用电器上，CD相当于电源，电源内部，电流由低电势流向高电势，所以电流方向是DC.,答案：5 s,【反思总结】(1)本题中应分清恒量和变量，导体不动，磁场发生变化，产生感生电动势，由于变化率是定值，则E、I均为恒量，ab受的安培力随磁场的增大而增大 (2)在审题中应加强对某些隐含条件的理解，如本题中的“刚好”两字，就说明了地面此时对物体无支持力,【跟踪发散】 在一水平光滑绝缘塑料板上

12、有一环形凹槽，有一带电小球质量为m，电荷量为q，在槽内沿顺时针作匀速圆周运动，现加一竖直向上的均匀变化的匀强磁场，且B逐渐增加，则 (),A小球速度变大B小球速度变小 C小球速度不变 D以上三种情况都有可能 解析：在此空间中，没有闭合导体，但磁场的变化，使空间产生感生电场据楞次定律得出图示感生电场，又因小球带正电荷，电场力与小球速度同向，电场力对小球做正功，小球速度变大A选项正确,答案：A 点评：此题因部分同学受洛伦兹力不做功的影响，而误选C.,(2010重庆卷)法拉第曾提出一种利用河流发电的设想，并进行了实验研究实验装置的示意图可用图所示，两块面积均为S的矩形金属板，平行、正对、竖直地全部浸

13、在河水中，间距为d，水流速度处处相同，大小为v，方向水平金属板与水流方向平行，地磁场磁感应强度的竖直分量为B，水的电阻率为，水面上方有一阻值为R的电阻通过绝缘导线和电键K连接到两金属板上，忽略边缘效应求：,(1)该发电装置的电动势； (2)通过电阻R的电流强度； (3)电阻R消耗的电功率,【跟踪发散】21：一航天飞机下有一细金属杆，杆指向地心若仅考虑地磁场的影响，则当航天飞机位于赤道上空() A由东向西水平飞行时，金属杆中感应电动势的方向一定由上向下 B由西向东水平飞行时，金属杆中感应电动势的方向一定由上向下 C沿经过地磁极的那条经线由南向北水平飞行时，金属杆中感应电动势的方向一定由下向上 D

14、沿经过地磁极的那条经线由北向南水平飞行时，金属杆中一定没有感应电动势,解析：逐项分析如下： 答案：AD,例3：定值电阻R，导体棒ab电阻r，水平光滑导轨间距 l ，匀强磁场磁感应强度为B，当棒ab以速度v向右匀速运动时：,产生电动势,回路电流,ab两端电压,电流的总功率,ab棒消耗的电功率,问题1：,例1：定值电阻R，导体棒ab电阻r，水平光滑导轨间距 l ，匀强磁场磁感应强度为B，当棒ab以速度v向右匀速运动时：,问题2：棒ab受到的安培力为多大；要使棒ab匀速运动，要施加多大的外力，方向如何？,问题3：整个回路中消耗的电能从哪里转化来的，它们之间有什么样的关系？,外力F对棒ab做功,1在空

15、间某处存在一变化的磁场，则下列说法中正确的是() A在磁场中放一闭合线圈，线圈中一定会产生感应电流 B在磁场中放一闭合线圈，线圈中不一定产生感应电流 C在磁场中不放闭合线圈，在变化的磁场周围一定不会产生电场 D在磁场中不放闭合线圈，在变化的磁场周围一定会产生电场,解析：由感应电流产生的条件可知，只有闭合线圈中磁通量发生改变，才能产生感应电流，如果闭合线圈平面与磁场方向平行，则线圈中无感应电流产生，故A错误，B正确；由麦克斯韦电磁场理论可知，感生电场的产生与变化的磁场周围有无闭合线圈无关，故C错误，D正确故正确答案为B、D. 答案：BD,2在如图所示的四种磁场情况中能产生恒定的感生电场的是()

16、解析：均匀变化的磁场会产生恒定的感生电场，由Bt图象可以看出只有C中的磁场是均匀变化的 答案：C,3.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伦兹力有关 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：如右图所示，当导体向右运动时，其内部的自由电子因受向下的洛伦兹力作用向下运动，于是在棒的B端出现负电荷，而在棒的A端出现正电荷，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：AB,4.某空间出现了如右图所示的一组闭

17、合的电场线，这可能是() A沿AB方向的磁场在迅速减弱 B沿AB方向的磁场在迅速增强 C沿BA方向的磁场在迅速增强 D沿BA方向的磁场在迅速减弱,解析：根据电磁感应原理，闭合回路中的磁通量变化时，会使闭合回路中产生感应电流，该电流的方向可用楞次定律判断根据麦克斯韦电磁理论，闭合回路中产生感应电流，是因为闭合回路中的自由电荷受到了电场力的作用，而变化的磁场产生电场，与是否存在闭合回路没有关系，故空间磁场变化产生的电场方向，仍然可用楞次定律判断，四指环绕方向即为感应电场的方向，由此可知A、C正确 答案：AC,5如右图所示，内壁光滑的塑料管弯成的圆环平放在水平桌面上，环内有一带负电的小球，整个装置处于竖直向下的磁场中，当磁场突然增大时，小球将() A沿顺时针方向运动 B沿逆时针方向运