物理浙江專版人教版選修32講義：第四章 第5節(jié) 電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況 Word版含解析

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1、 第5節(jié)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況 感生電場與感生電動(dòng)勢 [探新知·基礎(chǔ)練] 1．感生電場 麥克斯韋認(rèn)為，磁場變化時(shí)會(huì)在空間激發(fā)一種電場，它與靜電場不同，不是由電荷產(chǎn)生的，我們叫它感生電場。 2．感生電動(dòng)勢 由感生電場產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢。 3．感生電動(dòng)勢中的非靜電力 感生電場對(duì)自由電荷的作用。 4．感生電場的方向判斷 由磁場的方向和強(qiáng)弱變化，根據(jù)楞次定律用安培定則判斷。 [特別提醒]　(1)感生電場是一種渦旋電場，電場線是閉合的。 (2)感生電場的方向可由楞次定律判斷。如圖所示，當(dāng)磁場增強(qiáng)時(shí)，產(chǎn)生的感生電場是與磁場方向垂直且阻礙磁場增強(qiáng)的電場。 (3)感生電場

2、的存在與是否存在閉合電路無關(guān)。 [辨是非](對(duì)的劃“√”，錯(cuò)的劃“×”) 1．感生電場線是閉合的。(　　) 2．磁場變化時(shí)，可以產(chǎn)生感生電場，并不需要電路閉合這一條件。(　　) 3．感生電場是產(chǎn)生感生電動(dòng)勢的原因。(　　) 答案：1.√　2.√　3.√ [釋疑難·對(duì)點(diǎn)練] 感生電動(dòng)勢 磁場變化時(shí)會(huì)在空間激發(fā)感生電場，處在感生電場中的閉合導(dǎo)體，導(dǎo)體中的自由電荷在電場力的作用下做定向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，或者說，導(dǎo)體中產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢。由感生電場產(chǎn)生的電動(dòng)勢叫做感生電動(dòng)勢。 (1)電路中電源電動(dòng)勢是非靜電力對(duì)自由電荷的作用。在電池中，這種力表現(xiàn)為化學(xué)作用。 (2)感生電場對(duì)電荷產(chǎn)

3、生的力，相當(dāng)于電源內(nèi)部的所謂的非靜電力。感生電動(dòng)勢在電路中的作用就是電源。 [試身手] 1．在按如圖所示的四種變化規(guī)律的磁場中能產(chǎn)生恒定的感生電場的是(　　) 解析：選C　據(jù)麥克斯韋電磁理論，恒定的感生電場由均勻變化的磁場產(chǎn)生，C對(duì)。 電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的洛倫茲力 [探新知·基礎(chǔ)練] 1．動(dòng)生電動(dòng)勢 由于導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢。 2．動(dòng)生電動(dòng)勢中的“非靜電力” 自由電荷因隨導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)而受到洛倫茲力，非靜電力與洛倫茲力有關(guān)。 3．動(dòng)生電動(dòng)勢中的功能關(guān)系 閉合回路中，導(dǎo)體棒做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，克服安培力做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。 [辨是非](對(duì)的劃“√

4、”，錯(cuò)的劃“×”) 1．如圖所示，導(dǎo)體棒向右運(yùn)動(dòng)切割磁感線時(shí)，棒中的電子受的洛倫茲力方向向左。(　　) 2．動(dòng)生電動(dòng)勢中的洛倫茲力起到“非靜電力”作用。(　　) 3．導(dǎo)體切割磁感線過程，克服安培力做功。(　　) 答案：1.×　2.√　3.√ [釋疑難·對(duì)點(diǎn)練] 感生電動(dòng)勢與動(dòng)生電動(dòng)勢的對(duì)比 感生電動(dòng)勢 動(dòng)生電動(dòng)勢 產(chǎn)生原因 磁場的變化 導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng) 移動(dòng)電 荷的非 靜電力 感生電場對(duì)自由電荷的電場力 導(dǎo)體中自由電荷所受洛倫茲力沿導(dǎo)體方向的分力 回路中相 當(dāng)于電源 的部分　 處于變化磁場中的線圈部分 做切割磁感線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體 ΔΦ產(chǎn)生 的原

5、因 磁場變化產(chǎn)生電動(dòng)勢，ΔΦ是由于磁場變化而產(chǎn)生的，所以ΔΦ＝ΔB·S 導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)勢，ΔΦ是由于導(dǎo)體線框本身的面積發(fā)生變化而產(chǎn)生的，所以ΔΦ＝B·ΔS 方向判斷 方法　　 由楞次定律判斷 通常由右手定則判斷，也可由楞次定律判斷 大小計(jì)算 方法　　 由E＝n計(jì)算 通常由E＝Blvsin θ計(jì)算，也可由E＝n計(jì)算 [特別提醒]　有些情況下，動(dòng)生電動(dòng)勢和感生電動(dòng)勢具有相對(duì)性。例如，將條形磁鐵插入線圈中，如果在相對(duì)磁鐵靜止的參考系內(nèi)觀察，線圈運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的是動(dòng)生電動(dòng)勢；如果在相對(duì)線圈靜止的參考系中觀察，線圈中磁場變化，產(chǎn)生感生電動(dòng)勢。 [試身手] 2.如圖所示為一個(gè)水

6、平放置的玻璃圓環(huán)形小槽，槽內(nèi)光滑，槽寬度和深度處處相同?，F(xiàn)將一直徑略小于槽寬的帶正電小球放在槽中，讓它獲得一初速度v0，與此同時(shí)，有一變化的磁場垂直穿過玻璃圓環(huán)形小槽外徑所對(duì)應(yīng)的圓面積，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小隨時(shí)間成正比例增大，方向豎直向下。設(shè)小球在運(yùn)動(dòng)過程中電荷量不變，則 (　　) A．小球受到的向心力大小不變 B．小球受到的向心力大小不斷增大 C．磁場力對(duì)小球做了功 D．小球受到的磁場力大小與時(shí)間成正比 解析：選B　當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小隨時(shí)間均勻增大時(shí)，將產(chǎn)生一恒定的感生電場，由楞次定律知，電場方向和小球初速度方向相同，因小球帶正電，安培力對(duì)小球做正功，小球速度逐漸增大，向心力也隨

7、著增大，故A錯(cuò)，B對(duì)；洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷不做功，故C錯(cuò)；帶電小球所受洛倫茲力F＝qBv，隨著速率的增大而增大，同時(shí)B∝t，則F和t不成正比，故D錯(cuò)。 感生電場的理解 [典例1]　某空間出現(xiàn)了如圖所示的一組閉合電場線，方向從上向下看是順時(shí)針的，這可能是(　　) A．沿AB方向磁場在迅速減弱 B．沿AB方向磁場在迅速增強(qiáng) C．沿BA方向磁場恒定不變 D．沿BA方向磁場在迅速減弱 [思路點(diǎn)撥]　將圖中的電場線視為閉合導(dǎo)體回路中的感應(yīng)電流，用楞次定律和安培定則判斷。 [解析]　感生電場的方向從上向下看是順時(shí)針的，假設(shè)在平行感生電場的方向上有閉合回路，則回路中的感應(yīng)電

8、流方向從上向下看也應(yīng)該是順時(shí)針的，由右手螺旋定則可知，感應(yīng)電流的磁場方向向下，根據(jù)楞次定律可知，原磁場的情況有兩種可能：原磁場方向向下且沿AB方向減弱，或原磁場方向向上，且沿BA方向增強(qiáng)，所以A有可能。 [答案]　A E＝n和E＝Blv的選用技巧 [典例2]　如圖甲所示，n＝50匝的圓形線圈M，它的兩端點(diǎn)a、b與內(nèi)阻很大的電壓表相連，線圈中磁通量的變化規(guī)律如圖乙所示，則a、b兩點(diǎn)的電勢高低與電壓表的讀數(shù)為(　　) A．φa＞φb,20 V　　　　　 　B．φa＞φb,10 V C．φa＜φb,20 V D．φa＜φb,10 V [思路點(diǎn)撥]　感生電動(dòng)勢的大小可由法拉第電

9、磁感應(yīng)定律計(jì)算，方向可由楞次定律判斷。產(chǎn)生感生電動(dòng)勢的部分相當(dāng)于電源。 [解析]　圓形線圈產(chǎn)生電動(dòng)勢，相當(dāng)于電源內(nèi)電路。磁通量均勻增大，由楞次定律知，線圈中感應(yīng)電流為逆時(shí)針方向，又線圈相當(dāng)于內(nèi)電路，故φa＞φb；E＝n＝50× V＝10 V，電壓表測量的是電源的電動(dòng)勢，即感應(yīng)電動(dòng)勢。因而電壓表的讀數(shù)為10 V。故B正確。 [答案]　B [典例3]　如圖所示，導(dǎo)軌OM和ON都在紙面內(nèi)，導(dǎo)體AB可在導(dǎo)軌上無摩擦滑動(dòng)，若AB以5 m/s的速度從O點(diǎn)開始沿導(dǎo)軌勻速向右滑動(dòng)，導(dǎo)體與導(dǎo)軌都足夠長，它們每米長度的電阻都是0.2 Ω，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.2 T。問： (1)3 s末夾在導(dǎo)軌間的導(dǎo)體長

10、度是多少？此時(shí)導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢多大？回路中的電流為多少？ (2)3 s內(nèi)回路中的磁通量變化了多少？此過程中的平均感應(yīng)電動(dòng)勢為多少？ [解析]　(1)夾在導(dǎo)軌間的部分導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生的電動(dòng)勢即電路中的感應(yīng)電動(dòng)勢。 3 s末，夾在導(dǎo)軌間導(dǎo)體的長度為： l＝vt·tan 30°＝5×3×tan 30° m＝5 m 此時(shí)：E＝Blv＝0.2×5×5 V＝5 V 電路電阻為R＝(15＋5＋10)×0.2 Ω≈8.196 Ω 所以I＝≈1.06 A。 (2)3 s內(nèi)回路中磁通量的變化量 ΔΦ＝BS－0＝0.2××15×5 Wb＝ Wb 3 s內(nèi)電路產(chǎn)生的平均感應(yīng)電動(dòng)勢為

11、： E＝＝ V。 [答案]　(1)5 m　5 V　1.06 A (2) Wb　 V 1．解題前先弄清楚求瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢還是某一段時(shí)間或某一過程中的平均感應(yīng)電動(dòng)勢。 2．一般求某一位置或某一時(shí)刻的感應(yīng)電動(dòng)勢應(yīng)用瞬時(shí)電動(dòng)勢公式求解，如切割磁感線情形用E＝Blv；求某一段時(shí)間或某一過程中的感應(yīng)電動(dòng)勢要用E＝n，其中Δt為對(duì)應(yīng)的這段時(shí)間。 如圖所示，一長為l的導(dǎo)體棒在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中繞其一端以角速度ω在垂直于磁場的平面內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，棒OA兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢E＝Bωl2。 O點(diǎn)速度vO＝0，A點(diǎn)速度vA＝ωl，則由公式E＝Blv，其中v取棒的平均速度，得E＝B

12、l·ωl＝Bωl2。 [典例4]　長為l的金屬棒ab以a點(diǎn)為軸在垂直于勻強(qiáng)磁場的平面內(nèi)以角速度ω做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖所示，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。求： (1)金屬棒ab的平均速率； (2)a、b兩端的電勢差； (3)經(jīng)時(shí)間Δt金屬棒ab所掃過面積中的磁通量為多少；此過程中平均感應(yīng)電動(dòng)勢為多大。 [解析]　(1)金屬棒ab的平均速率 ＝＝＝ωl。 (2)a、b兩端的電勢差：Uab＝E＝Bl ＝Bl2ω。 (3)經(jīng)時(shí)間Δt金屬棒ab所掃過的扇形面積為ΔS，則： ΔS＝l2θ＝l2ωΔt，ΔΦ＝BΔS＝Bl2ωΔt。 由法拉第電磁感應(yīng)定律得： ＝＝＝Bl2ω。 [答案]　(1)ωl　(2

13、)Bl2ω (3)Bl2ωΔt　Bl2ω [課堂對(duì)點(diǎn)鞏固] 1．(多選)在空間某處存在一變化的磁場，則(　　) A．在磁場中放一閉合線圈，線圈中一定會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流 B．在磁場中放一閉合線圈，線圈中不一定會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流 C．在磁場中不放閉合線圈，在變化的磁場周圍一定不會(huì)產(chǎn)生電場 D．在磁場中放不放閉合線圈，在變化的磁場周圍一定會(huì)產(chǎn)生電場 解析：選BD　由產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件知，閉合線圈的磁通量發(fā)生變化時(shí)才能產(chǎn)生感應(yīng)電流，如果線圈平面與磁場方向平行時(shí)，則無感應(yīng)電流產(chǎn)生，故A錯(cuò)誤，B正確；由麥克斯韋電磁場理論知感應(yīng)電場的產(chǎn)生與磁場周圍是否有閉合線圈無關(guān)，故C錯(cuò)誤，D正確。 2．(

14、多選)下列說法中正確的是(　　) A．感生電場是由變化的磁場產(chǎn)生 B．恒定的磁場也能在周圍空間產(chǎn)生感生電場 C．感生電場的方向也同樣可以用楞次定律和右手螺旋定則來判定 D．感生電場的電場線是閉合曲線，其方向一定是沿逆時(shí)針方向 解析：選AC　磁場變化時(shí)在空間激發(fā)感生電場，其方向與所產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向相同，可由楞次定律和右手螺旋定則判斷，A、C項(xiàng)正確。 3.如圖所示，設(shè)有界勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0.10 T，方向豎直向下，矩形導(dǎo)線框abcd的邊長Lab＝60 cm，Lbc＝40 cm，線框的電阻R＝0.50 Ω，其ad邊在磁場外。當(dāng)線框向右水平勻速運(yùn)動(dòng)的速度為5.0 m/s時(shí)，求：

15、 (1)線框中感應(yīng)電動(dòng)勢的大?。? (2)線框中感應(yīng)電流的大小。 解析：(1)線框向右水平運(yùn)動(dòng)過程中，只有bc邊切割磁感線，并且B、L、v兩兩垂直， 所以線框中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小為 E＝BLbcv＝0.10×0.40×5.0 V＝0.20 V。 (2)由閉合電路歐姆定律得感應(yīng)電流大小為 I＝＝ A＝0.40 A。 答案：(1)0.20 V　(2)0.40 A 4.如圖所示，邊長為a的正方形閉合線框ABCD在勻強(qiáng)磁場中繞AB邊勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，初始時(shí)刻線框所在平面與磁感線垂直，經(jīng)過t時(shí)刻轉(zhuǎn)過120°角，求： (1)線框內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢在t時(shí)間段內(nèi)的平均值； (2)轉(zhuǎn)過120°角時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值。 解析：(1)設(shè)初始時(shí)刻線框向紙外的一面為正面，此時(shí)磁通量Φ1＝－Ba2，磁感線從反面穿入， t時(shí)刻后Φ2＝Ba2，磁感線從正面穿出，磁通量的變化量為ΔΦ＝， 則＝＝。 (2)感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值為E＝Blvsin θ， v＝，θ＝120°，所以E＝。 答案：(1)　(2) [課堂小結(jié)]