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）

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歡迎進入物理課堂 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磁體和埋設(shè)在軌道地面的一組線圈及電學(xué)測量儀器組成 記錄測量儀未畫出 當列車經(jīng)過線圈上方時 由于穿過線圈的磁通量發(fā)生變化 線圈中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 如果已知強磁體的磁感應(yīng)強度B 線圈的長度l和匝數(shù)n 根據(jù)測得的感應(yīng)電動勢E 就可以算出列車的速度v 當B l n一定時 列車速度僅由感應(yīng)電動勢決定 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)生的電動勢叫做 產(chǎn)生電動勢的那部分導(dǎo)體就相當于 2 法拉第電磁感應(yīng)定律 電路中感應(yīng)電動勢的大小 跟穿過這一電路的 成正比 公式為 3 導(dǎo)線切割磁感線時的感應(yīng)電動勢 1 感應(yīng)電動勢電源3 E Blv 說明 1 是狀態(tài)量 是在某時刻 某位置 穿過閉合回路的磁感線條數(shù) 當磁場與回路平面垂直時 BS 2 是過程量 是表示回路從某一時刻變化到另一時刻磁通量的增加 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 回路在磁場中相對位置發(fā)生改變 如轉(zhuǎn)動等 總之 只要影響磁通量的因素發(fā)生變化 磁通量就會變化 3 表示磁通量的變化快慢 即單位時間內(nèi)磁通量的變化 又稱為磁通量的變化率 4 的大小沒有直接關(guān)系 這一點可與運動學(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 當 按正弦規(guī)律變化時 最大時 0 反之 當 為零時 最大 磁通量的變化率是 t圖象上某點切線的斜率 一個200匝 面積為20cm2的線圈 放在磁場中 磁場的方向與線圈平面成30 角 若磁感應(yīng)強度在0 05s內(nèi)由0 1T增加到0 5T 在此過程中穿過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)電動勢的大小是 V 解析 磁通量的變化是由磁場的變化引起的 應(yīng)該用公式 BSsin 來計算 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)電動勢的大小可根據(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)電動勢 1 定義 當閉合回路中磁通量發(fā)生變化時 線路中產(chǎn)生感應(yīng)電流 則必然有電動勢 此電動勢叫感應(yīng)電動勢 2 產(chǎn)生條件 不管電路是否閉合 只要穿過電路的磁通量發(fā)生變化 電路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 2 感應(yīng)電動勢的大小 法拉第電磁感應(yīng)定律 1 定律內(nèi)容 電路中感應(yīng)電動勢的大小 跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比 即E k 在國際單位制中 E的單位為V 的單位為Wb t的單位為s 則k 1 所以E 2 對定律的五點理解 感應(yīng)電動勢E的大小取決于穿過電路的磁通量的變化率 而與 的大小 的大小沒有必然的關(guān)系 與電路的電阻R無關(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圖象上的某點切線的斜率 若穿過線圈的磁通量發(fā)生變化 且線圈的匝數(shù)為n 則感應(yīng)電動勢表達式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)強度B不變 垂直于磁場的回路面積發(fā)生變化 S S2 S1 此時E nB 二是垂直于磁場的回路面積S不變 磁感應(yīng)強度發(fā)生變化 B B2 B1 此時E nS 其中叫磁感應(yīng)強度的變化率 等于B t圖象某點切線的斜率 三是磁感應(yīng)強度和線圈的面積均不變 而線圈繞過線圈平面內(nèi)的某一軸轉(zhuǎn)動 此時E n 公式E n中 若 t取一段時間 則E為 t這段時間內(nèi)的平均值 當磁通量的變化率不是均勻變化的 平均電動勢一般不等于初態(tài)與末態(tài)電動勢的算術(shù)平均值 若 t趨近于零 則E為瞬時值 故此式多用于求電動勢的平均值 下列幾種說法正確的是 A 線圈中磁通量變化越大 線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢一定越大B 線圈中磁通量越大 線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢一定越大C 線圈放在磁場越強的位置 線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢一定越大D 線圈中磁通量變化越快 線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢一定越大 解析 依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知 感應(yīng)電動勢與磁通量無關(guān) 與磁通量的變化量無關(guān) 與線圈匝數(shù)和磁通量的變化率成正比 因此 選項A B都是錯誤的 磁場的強弱與感應(yīng)電動勢也無關(guān) 所以 選項C也是錯誤的 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)電動勢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)電動勢越大 故選項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)強度為B的勻強磁場放置 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)電動勢是多大 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 但在這兩個位置穿過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 這時磁感線穿過方向與該箭頭N的方向相同 當線圈轉(zhuǎn)動時 固定在平面上的箭頭方向也隨著轉(zhuǎn)動 當轉(zhuǎn)過180 時 箭頭N的方向?qū)⑾蛳?這時磁感線穿過方向與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 磁通量雖然是標量 但也可以用正負號表示 這里的正負號正是表示上述磁感線穿過線圈的差別 因此在這個過程中磁通量的變化 2 1 BS BS 2BS 由法拉第電磁感應(yīng)定律可求得感應(yīng)電動勢E 答案 2 決定閉合電路中感應(yīng)電動勢大小的因素是 A 磁通量B 磁感應(yīng)強度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)體切割磁感線時的電動勢1 導(dǎo)體垂直切割感線時如下圖所示 導(dǎo)體棒ab在間距為L的兩導(dǎo)軌上以速度v 垂直磁感線運動 磁場的磁感應(yīng)強度為B 試分析導(dǎo)體棒ab運動時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢多大 這屬于閉合電路面積的改變引起磁通量的變化 進而導(dǎo)致感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生 由法拉第電磁感應(yīng)定律知 在時間t內(nèi)E B B BLv即E BLv 說明 E BLv通常用來計算瞬時感應(yīng)電動勢的大小 2 導(dǎo)體不垂直切割磁感線時若導(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)電動勢為E BLv1 BLvsin 上式即為導(dǎo)體不垂直切割磁感線時 感應(yīng)電動勢大小的計算式 3 在公式E BLv或E BLvsin 中 L是指有效長度 在下圖中 半徑為r的半圓形導(dǎo)體垂直切割磁感線時 感應(yīng)電動勢E BLv 2Brv 4 在下圖中 長為L的導(dǎo)體棒垂直切割磁感線時 其感應(yīng)電動勢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)軌上無摩擦滑動 若AB以5m s的速度從O點開始沿導(dǎo)軌勻速向右滑動 導(dǎo)體與導(dǎo)軌都足夠長 它們每米長度的電阻都是0 2 磁場的磁感應(yīng)強度為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)生的感應(yīng)電動勢才是電路中的電動勢 3s末時刻 夾在導(dǎo)軌間導(dǎo)體的長度為l OBtan30 vttan30 5m 所以E Blv 5V此時電阻為R OB OA AB 0 2 8 19 所以I 1 06A 2 3s內(nèi)的感應(yīng)電動勢的平均值為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磁場 磁場寬度均為L 邊長為L的正方形框abcd的bc邊緊靠磁場邊緣置于桌面上 使線框從靜止開始沿x軸正方向勻加速通過磁場區(qū)域 若以逆時針方向為電流的正方向 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與時間t成線性關(guān)系 當bc邊進入第二個磁場后 bc和ad邊均切割磁感線 回路中的感應(yīng)電動勢是進入前的2倍 但感應(yīng)電流的方向相反 bc邊開始出第二個磁場時 只有一條邊切割磁感線 電動勢為出來之前瞬間的1 2倍 所以選項A對 B錯 由I與x的關(guān)系 同理可知C對 D錯 答案 AC 四 反電動勢1 反電動勢的概念如下圖所示 當電動機通過如下圖所示的電流時 線圈受安培力方向可用左手定則判斷 轉(zhuǎn)動方向如圖中所示 此時AB CD兩邊切割磁感線 必有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生 感應(yīng)電流方向可用右手定則判斷 與原電流反向 故這個電動勢為反電動勢 它會阻礙線圈的轉(zhuǎn)動 如果線圈維持原來的轉(zhuǎn)動 電源就要向電動機提供能量 此時電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能 2 對反電動勢的理解 1 如果電動機工作中由于機械阻力過大而停止轉(zhuǎn)動 這時沒有了反電動勢 電阻很小的線圈直接接在電源兩端 電流會很大 很容易燒毀電動機 2 反電動勢的作用是阻礙線圈的轉(zhuǎn)動 3 反電動勢阻礙轉(zhuǎn)動的過程 即電路中電能向其他形式能轉(zhuǎn)化的過程 4 由于反電動勢的存在 使回路中的I 所以在有反電動勢工作的電路中 不能用閉合電路的歐姆定律直接計算電流 1 如下圖所示 在豎直向下的勻強磁場中 將一水平放置的金屬棒ab以水平初速度v0拋出 設(shè)在整個過程中棒的方向不變且不計空氣阻力 則在金屬棒運動過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小變化情況是 A 越來越大B 越來越小C 保持不變D 無法判斷 解析 金屬棒水平拋出后 在垂直于磁場方向上的速度不變 由E BLv知 電動勢也不變 故C正確 答案 C 基礎(chǔ)鞏固 6 2011年陜西西安 北半球地磁場的豎直分量向下 如圖所示 在北京某中學(xué)實驗室的水平桌面上 放置邊長為L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 下列說法中正確的是 A 若使線圈向東平動 則a點的電勢比b點的電勢低B 若使線圈向北平動 則a點的電勢比b點的電勢低C 若以ab為軸將線圈向上翻轉(zhuǎn) 則線圈中感應(yīng)電流方向為a b c d aD 若以ab為軸將線圈向上翻轉(zhuǎn) 則線圈中感應(yīng)電流方向為a d c b a 能力提升 解析 本題考查地磁場分布的特點 用楞次定律判斷產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向 線圈向東平動時 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)電動勢大小相同 a點電勢比b點電勢低 A對 同理 線圈向北平動 則a b電勢相等 高于c d兩點電勢 B錯 以ab為軸將線圈翻轉(zhuǎn) 向下的磁通量減小了 感應(yīng)電流的磁場方向應(yīng)該向下 再由右手螺旋定則知 感應(yīng)電流的方向為a b c d a 則C對 答案 AC 祝 您 學(xué)業(yè)有成 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全