高二物理 4.4《法拉第電磁感應(yīng)定律》課件（3）（新人教版選修3-2）

歡迎進(jìn)入物理課堂 第4節(jié)法拉第電磁感應(yīng)定律 電磁感應(yīng) 測(cè)量列車的速度法拉第電磁感應(yīng)定律可以在許多方面得到靈活的用 例如 為了測(cè)量高速列車的速度大小 可采用如下圖所示的裝置 它由一塊安裝在列車車頭底部的強(qiáng)磁體和埋設(shè)在軌道地面的一組線圈及電學(xué)測(cè)量?jī)x器組成 記錄測(cè)量?jī)x未畫出 當(dāng)列車經(jīng)過(guò)線圈上方時(shí) 由于穿過(guò)線圈的磁通量發(fā)生變化 線圈中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 如果已知強(qiáng)磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度B 線圈的長(zhǎng)度l和匝數(shù)n 根據(jù)測(cè)得的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E 就可以算出列車的速度v 當(dāng)B l n一定時(shí) 列車速度僅由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)決定 因此可直接從電表上讀出列車的速度 1 在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫做 產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的那部分導(dǎo)體就相當(dāng)于 2 法拉第電磁感應(yīng)定律 電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小 跟穿過(guò)這一電路的 成正比 公式為 3 導(dǎo)線切割磁感線時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 1 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電源3 E Blv 說(shuō)明 1 是狀態(tài)量 是在某時(shí)刻 某位置 穿過(guò)閉合回路的磁感線條數(shù) 當(dāng)磁場(chǎng)與回路平面垂直時(shí) BS 2 是過(guò)程量 是表示回路從某一時(shí)刻變化到另一時(shí)刻磁通量的增加 即 2 1 常見磁通量變化方式有 B不變 S變 S不變 B變 B和S都變 回路在磁場(chǎng)中相對(duì)位置發(fā)生改變 如轉(zhuǎn)動(dòng)等 總之 只要影響磁通量的因素發(fā)生變化 磁通量就會(huì)變化 3 表示磁通量的變化快慢 即單位時(shí)間內(nèi)磁通量的變化 又稱為磁通量的變化率 4 的大小沒(méi)有直接關(guān)系 這一點(diǎn)可與運(yùn)動(dòng)學(xué)中v v 三者類比 值得指出的是 很大 可能很小 很小 可能很大 0 可能不為零 如線圈平面轉(zhuǎn)到與磁感線平行時(shí) 當(dāng) 按正弦規(guī)律變化時(shí) 最大時(shí) 0 反之 當(dāng) 為零時(shí) 最大 磁通量的變化率是 t圖象上某點(diǎn)切線的斜率 一個(gè)200匝 面積為20cm2的線圈 放在磁場(chǎng)中 磁場(chǎng)的方向與線圈平面成30 角 若磁感應(yīng)強(qiáng)度在0 05s內(nèi)由0 1T增加到0 5T 在此過(guò)程中穿過(guò)線圈的磁通量的變化量是 Wb 磁通量的平均變化率是 Wb s 線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小是 V 解析 磁通量的變化是由磁場(chǎng)的變化引起的 應(yīng)該用公式 BSsin 來(lái)計(jì)算 所以 BSsin 0 5 0 1 20 10 4 0 5Wb 4 10 4Wb 磁通量的變化率用公式 Wb s 8 10 3Wb s 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小可根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律E n 200 8 10 3V 1 6V 答案 4 10 48 10 31 6 二 法拉第電磁感應(yīng)定律1 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 1 定義 當(dāng)閉合回路中磁通量發(fā)生變化時(shí) 線路中產(chǎn)生感應(yīng)電流 則必然有電動(dòng)勢(shì) 此電動(dòng)勢(shì)叫感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 2 產(chǎn)生條件 不管電路是否閉合 只要穿過(guò)電路的磁通量發(fā)生變化 電路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 2 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小 法拉第電磁感應(yīng)定律 1 定律內(nèi)容 電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小 跟穿過(guò)這一電路的磁通量的變化率成正比 即E k 在國(guó)際單位制中 E的單位為V 的單位為Wb t的單位為s 則k 1 所以E 2 對(duì)定律的五點(diǎn)理解 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的大小取決于穿過(guò)電路的磁通量的變化率 而與 的大小 的大小沒(méi)有必然的關(guān)系 與電路的電阻R無(wú)關(guān) 感應(yīng)電流的大小與E回路總電阻R有關(guān) 磁通量的變化率 是 t圖象上的某點(diǎn)切線的斜率 若穿過(guò)線圈的磁通量發(fā)生變化 且線圈的匝數(shù)為n 則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式E 在高中階段所涉及的磁通量發(fā)生變化有三種方式 一是磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變 垂直于磁場(chǎng)的回路面積發(fā)生變化 S S2 S1 此時(shí)E nB 二是垂直于磁場(chǎng)的回路面積S不變 磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化 B B2 B1 此時(shí)E nS 其中叫磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化率 等于B t圖象某點(diǎn)切線的斜率 三是磁感應(yīng)強(qiáng)度和線圈的面積均不變 而線圈繞過(guò)線圈平面內(nèi)的某一軸轉(zhuǎn)動(dòng) 此時(shí)E n 公式E n中 若 t取一段時(shí)間 則E為 t這段時(shí)間內(nèi)的平均值 當(dāng)磁通量的變化率不是均勻變化的 平均電動(dòng)勢(shì)一般不等于初態(tài)與末態(tài)電動(dòng)勢(shì)的算術(shù)平均值 若 t趨近于零 則E為瞬時(shí)值 故此式多用于求電動(dòng)勢(shì)的平均值 下列幾種說(shuō)法正確的是 A 線圈中磁通量變化越大 線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一定越大B 線圈中磁通量越大 線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一定越大C 線圈放在磁場(chǎng)越強(qiáng)的位置 線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一定越大D 線圈中磁通量變化越快 線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一定越大 解析 依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量無(wú)關(guān) 與磁通量的變化量無(wú)關(guān) 與線圈匝數(shù)和磁通量的變化率成正比 因此 選項(xiàng)A B都是錯(cuò)誤的 磁場(chǎng)的強(qiáng)弱與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也無(wú)關(guān) 所以 選項(xiàng)C也是錯(cuò)誤的 線圈中磁通量變化越快意味著線圈磁通量的變化率越大 依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量的變化率成正比 在此條件下線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大 故選項(xiàng)D是正確的 答案 D 變式遷移 1 如右圖所示 矩形線圈面積為S 線圈平面垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)放置 若在t秒內(nèi)將線圈繞bc翻轉(zhuǎn)180 則線圈中產(chǎn)生的平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是多大 解析 線圈翻轉(zhuǎn)180 在初末兩位置雖然線圈平面均與磁感線垂直 但在這兩個(gè)位置穿過(guò)線圈的磁通量并不相同 我們可以設(shè)想在線圈平面上固定一根與線圈平面垂直的箭頭N 如右圖所示 在初位置箭頭向上 這時(shí)磁感線穿過(guò)方向與該箭頭N的方向相同 當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 固定在平面上的箭頭方向也隨著轉(zhuǎn)動(dòng) 當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)180 時(shí) 箭頭N的方向?qū)⑾蛳?這時(shí)磁感線穿過(guò)方向與N的方向相反 若規(guī)定初位置磁通量為 BS 則末位置磁通量就為 2 BS 磁通量雖然是標(biāo)量 但也可以用正負(fù)號(hào)表示 這里的正負(fù)號(hào)正是表示上述磁感線穿過(guò)線圈的差別 因此在這個(gè)過(guò)程中磁通量的變化 2 1 BS BS 2BS 由法拉第電磁感應(yīng)定律可求得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E 答案 2 決定閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的因素是 A 磁通量B 磁感應(yīng)強(qiáng)度C 磁通量的變化率D 磁通量的變化量 解析 由法拉第電磁感應(yīng)定律知E n E由決定 答案 C 三 導(dǎo)體切割磁感線時(shí)的電動(dòng)勢(shì)1 導(dǎo)體垂直切割感線時(shí)如下圖所示 導(dǎo)體棒ab在間距為L(zhǎng)的兩導(dǎo)軌上以速度v 垂直磁感線運(yùn)動(dòng) 磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 試分析導(dǎo)體棒ab運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)多大 這屬于閉合電路面積的改變引起磁通量的變化 進(jìn)而導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生 由法拉第電磁感應(yīng)定律知 在時(shí)間t內(nèi)E B B BLv即E BLv 說(shuō)明 E BLv通常用來(lái)計(jì)算瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小 2 導(dǎo)體不垂直切割磁感線時(shí)若導(dǎo)體不是垂直切割磁感線 即v與B有一夾角 如右圖所示 此時(shí)可將導(dǎo)體的速度v向垂直于磁感線和平行于磁感線兩個(gè)方向分解 則分速度v2 vcos 不使導(dǎo)體切割磁感線 使導(dǎo)體切割磁感線的是分速度v1 vsin 從而使導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E BLv1 BLvsin 上式即為導(dǎo)體不垂直切割磁感線時(shí) 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的計(jì)算式 3 在公式E BLv或E BLvsin 中 L是指有效長(zhǎng)度 在下圖中 半徑為r的半圓形導(dǎo)體垂直切割磁感線時(shí) 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E BLv 2Brv 4 在下圖中 長(zhǎng)為L(zhǎng)的導(dǎo)體棒垂直切割磁感線時(shí) 其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E BLvsin BLv 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(wú)摩擦滑動(dòng) 若AB以5m 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(zhǎng) 它們每米長(zhǎng)度的電阻都是0 2 磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0 2T 求 1 3s末電路上的電流為多少 2 3s內(nèi)電路中產(chǎn)生的平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)才是電路中的電動(dòng)勢(shì) 3s末時(shí)刻 夾在導(dǎo)軌間導(dǎo)體的長(zhǎng)度為l OBtan30 vttan30 5m 所以E Blv 5V此時(shí)電阻為R OB OA AB 0 2 8 19 所以I 1 06A 2 3s內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值為E 4 33V 答案 1 1 06A 2 4 33V 變式遷移 3 2010年上海卷 如右圖 一有界區(qū)域內(nèi) 存在著磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B 方向分別垂直于光滑水平桌面向下和向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 磁場(chǎng)寬度均為L(zhǎng) 邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形框abcd的bc邊緊靠磁場(chǎng)邊緣置于桌面上 使線框從靜止開始沿x軸正方向勻加速通過(guò)磁場(chǎng)區(qū)域 若以逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)殡娏鞯恼较?能反映線框中感應(yīng)電流變化規(guī)律的是圖 解析 感應(yīng)電流大小為I I與時(shí)間t成線性關(guān)系 當(dāng)bc邊進(jìn)入第二個(gè)磁場(chǎng)后 bc和ad邊均切割磁感線 回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是進(jìn)入前的2倍 但感應(yīng)電流的方向相反 bc邊開始出第二個(gè)磁場(chǎng)時(shí) 只有一條邊切割磁感線 電動(dòng)勢(shì)為出來(lái)之前瞬間的1 2倍 所以選項(xiàng)A對(duì) B錯(cuò) 由I與x的關(guān)系 同理可知C對(duì) D錯(cuò) 答案 AC 四 反電動(dòng)勢(shì)1 反電動(dòng)勢(shì)的概念如下圖所示 當(dāng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)如下圖所示的電流時(shí) 線圈受安培力方向可用左手定則判斷 轉(zhuǎn)動(dòng)方向如圖中所示 此時(shí)AB CD兩邊切割磁感線 必有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生 感應(yīng)電流方向可用右手定則判斷 與原電流反向 故這個(gè)電動(dòng)勢(shì)為反電動(dòng)勢(shì) 它會(huì)阻礙線圈的轉(zhuǎn)動(dòng) 如果線圈維持原來(lái)的轉(zhuǎn)動(dòng) 電源就要向電動(dòng)機(jī)提供能量 此時(shí)電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能 2 對(duì)反電動(dòng)勢(shì)的理解 1 如果電動(dòng)機(jī)工作中由于機(jī)械阻力過(guò)大而停止轉(zhuǎn)動(dòng) 這時(shí)沒(méi)有了反電動(dòng)勢(shì) 電阻很小的線圈直接接在電源兩端 電流會(huì)很大 很容易燒毀電動(dòng)機(jī) 2 反電動(dòng)勢(shì)的作用是阻礙線圈的轉(zhuǎn)動(dòng) 3 反電動(dòng)勢(shì)阻礙轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程 即電路中電能向其他形式能轉(zhuǎn)化的過(guò)程 4 由于反電動(dòng)勢(shì)的存在 使回路中的I 所以在有反電動(dòng)勢(shì)工作的電路中 不能用閉合電路的歐姆定律直接計(jì)算電流 1 如下圖所示 在豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 將一水平放置的金屬棒ab以水平初速度v0拋出 設(shè)在整個(gè)過(guò)程中棒的方向不變且不計(jì)空氣阻力 則在金屬棒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小變化情況是 A 越來(lái)越大B 越來(lái)越小C 保持不變D 無(wú)法判斷 解析 金屬棒水平拋出后 在垂直于磁場(chǎng)方向上的速度不變 由E BLv知 電動(dòng)勢(shì)也不變 故C正確 答案 C 基礎(chǔ)鞏固 6 2011年陜西西安 北半球地磁場(chǎng)的豎直分量向下 如圖所示 在北京某中學(xué)實(shí)驗(yàn)室的水平桌面上 放置邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形閉合導(dǎo)體線圈abcd 線圈的ab邊沿南北方向 ad邊沿東西方向 下列說(shuō)法中正確的是 A 若使線圈向東平動(dòng) 則a點(diǎn)的電勢(shì)比b點(diǎn)的電勢(shì)低B 若使線圈向北平動(dòng) 則a點(diǎn)的電勢(shì)比b點(diǎn)的電勢(shì)低C 若以ab為軸將線圈向上翻轉(zhuǎn) 則線圈中感應(yīng)電流方向?yàn)閍 b c d aD 若以ab為軸將線圈向上翻轉(zhuǎn) 則線圈中感應(yīng)電流方向?yàn)閍 d c b a 能力提升 解析 本題考查地磁場(chǎng)分布的特點(diǎn) 用楞次定律判斷產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向 線圈向東平動(dòng)時(shí) ba和cd兩邊切割磁感線 且兩邊切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小相同 a點(diǎn)電勢(shì)比b點(diǎn)電勢(shì)低 A對(duì) 同理 線圈向北平動(dòng) 則a b電勢(shì)相等 高于c d兩點(diǎn)電勢(shì) B錯(cuò) 以ab為軸將線圈翻轉(zhuǎn) 向下的磁通量減小了 感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向應(yīng)該向下 再由右手螺旋定則知 感應(yīng)電流的方向?yàn)閍 b c d a 則C對(duì) 答案 AC 祝 您 學(xué)業(yè)有成 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全