法拉第电磁感应定律综述课件

第一章第一章电电磁感磁感应应第四第四节节 法拉第法拉第电电磁感磁感应应定律定律电路中产生持续电流的条件是什么？电路中产生持续电流的条件是什么？（1 1）电路闭合）电路闭合（2 2）有电源）有电源复习回顾复习回顾：思考探究：思考探究：对对于置于磁于置于磁场场中的的中的的闭闭合回路，只要其磁通量不断合回路，只要其磁通量不断发发生生变变化，那么就会化，那么就会获获得持得持续续感感应电应电流，由此，你想到流，由此，你想到了什么？了什么？存在感应电流必然存在对应的电动势；存在感应电流必然存在对应的电动势；物理学中，我们把在电磁感应现象中，产生物理学中，我们把在电磁感应现象中，产生的电动势叫做的电动势叫做感应电动势感应电动势。等等 效效实验：探究影响感应电动势大小的因素实验：探究影响感应电动势大小的因素思考探究：如何通思考探究：如何通过该实验过该实验直直观观判断感判断感应电动势应电动势的大小？的大小？等等 效效实验仪器及连接：实验仪器及连接：探究项目：探究项目：影响感应电动势大小的因素影响感应电动势大小的因素 猜猜 想：可能与什么因素有关？想：可能与什么因素有关？探究探究过过程：控制程：控制变变量法量法1.磁通量磁通量变变化的大小。化的大小。2.磁通量磁通量变变化所用的化所用的时间时间。模拟实验一一根磁铁快速插入一根磁铁快速插入两根磁铁快速插入两根磁铁快速插入分析归纳：分析归纳：从条件上看从条件上看从结果上看从结果上看相同相同 不同不同感应电动势大小不同感应电动势大小不同磁通量变化量磁通量变化量 不不同同都产生感应电流都产生感应电流 I磁铁的快慢相同磁铁的快慢相同感应电流感应电流 I 大小不同大小不同模拟实验二一根磁铁慢速插入一根磁铁慢速插入一根磁铁快速插入一根磁铁快速插入分析归纳：分析归纳：从条件上看从条件上看从结果上看从结果上看相同相同 不同不同感应电动势大小不同感应电动势大小不同磁通量变化量磁通量变化量 相同相同都产生感应电流都产生感应电流 I磁铁插入的快慢不同磁铁插入的快慢不同感应电流感应电流 I 大小不同大小不同定性结论：定性结论：感应电动势大小与磁通量变化的快慢有关感应电动势大小与磁通量变化的快慢有关感应电动势大小与感应电动势大小与磁通量变化的快慢磁通量变化的快慢有关有关磁通量变化率磁通量变化率法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律电路中感应电动势的大小，跟穿过这电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的一电路的磁通量变化率磁通量变化率成正比成正比。1 1、内容：、内容：2 2、公式：、公式：（单位为（单位为 伏、韦伯、秒伏、韦伯、秒 则则 k=1k=1）注意：注意：公式中公式中取绝对值取绝对值，不涉及正负，感，不涉及正负，感应电流的方向另行判断。应电流的方向另行判断。当闭合电路中的线圈匝数是1匝时，感应电动势大小的表达式思考：思考：当闭合电路中的线圈匝数是n时，感应电动势大小是否也一样？如不一样又该如何表达？1匝线圈匝线圈n匝线圈匝线圈等等效效等效等效 法拉第电磁感应定律：法拉第电磁感应定律：若线圈有若线圈有n n匝匝，电动势为：，电动势为：若线圈有若线圈有1 1匝匝，电动势为：，电动势为：二、二、对对法拉第法拉第电电磁感磁感应应定律公式的理解定律公式的理解1.E表示回路中表示回路中总总感感应电动势应电动势的大小（不的大小（不论论何种何种电动势电动势），），n表示表示线线圈的匝数，圈的匝数，表示表示时间时间t内磁通量内磁通量变变化量的大小。化量的大小。思考与讨论：思考与讨论：问题问题1 1：磁通量大：磁通量大,磁通量变化量一定大吗磁通量变化量一定大吗?问题问题2 2：磁通量变化大：磁通量变化大,磁通量的变化率一定大吗磁通量的变化率一定大吗?物理意义物理意义与与电电磁磁感感应应关关系系磁通量磁通量穿过回路的磁穿过回路的磁感线的条数感线的条数多多少少无直接关系无直接关系磁磁 通通 量量 变变 化化穿过回路的磁穿过回路的磁通量通量变化变化了多了多少少产生产生感应电感应电动势的动势的条件条件磁通量变化率磁通量变化率/t/t穿过回路的穿过回路的磁磁通量通量变化的快变化的快慢慢决定决定感应电感应电动势的动势的大小大小1 1、理解、理解:、/t/t的意义的意义思考：思考：穿过线圈内的磁通量穿过线圈内的磁通量一样吗？一样吗？1 1匝线圈匝线圈n n匝线圈匝线圈穿过线圈内的磁通量穿过线圈内的磁通量一样一样1下列几种说法正确的是下列几种说法正确的是 ()A线圈中磁通量变化越大，线圈中产生的感应电动势一定线圈中磁通量变化越大，线圈中产生的感应电动势一定越大越大B线圈中磁通量越大，产生的感应电动势一定越大线圈中磁通量越大，产生的感应电动势一定越大C线圈放在磁场越强的位置，产生的感应电动势一定越大线圈放在磁场越强的位置，产生的感应电动势一定越大D线圈中磁通量变化越快，线圈中产生的感应电动势越大线圈中磁通量变化越快，线圈中产生的感应电动势越大解析：解析：依据法拉第电磁感应定律可知，感应电动势与磁通依据法拉第电磁感应定律可知，感应电动势与磁通量无关、与磁通量的变化量无关、与匝数和磁通量的变化量无关、与磁通量的变化量无关、与匝数和磁通量的变化率成正比。因此，选项率成正比。因此，选项A、B都是错误的。都是错误的。磁场的强弱与感应电动势也无关，所以，选项磁场的强弱与感应电动势也无关，所以，选项C也是不对的。也是不对的。线圈中磁通量变化越快意味着线圈的磁通量的变化率越大，线圈中磁通量变化越快意味着线圈的磁通量的变化率越大，依据法拉第电磁感应定律可知，感应电动势与磁通量的变依据法拉第电磁感应定律可知，感应电动势与磁通量的变化率成正比，在此条件下线圈中产生的感应电动势越大，化率成正比，在此条件下线圈中产生的感应电动势越大，故选项故选项D是正确的。是正确的。答案：答案：D2 2、关于、关于（取绝对值）变化（取绝对值）变化三种情况：三种情况：（1 1）.磁感应强度磁感应强度B B不变，垂直于磁场的回路不变，垂直于磁场的回路面积面积S S发生变化，发生变化，2 2-1 1=B=B（S S2 2-S-S1 1）=B=BSS，,此此时，时，E EnBSnBStt。（动生电动势）。（动生电动势）（2 2）.垂直于磁场的回路面积垂直于磁场的回路面积S S不变，磁感应强不变，磁感应强度度B B发生变化，发生变化，2 2-1 1=S=S（B B2 2-B-B1 1）=S=SBB，此时，此时，E EnSBnSBtt。（3 3）.磁感应强度磁感应强度B B和垂直于磁场的回路面积和垂直于磁场的回路面积S S都发生变都发生变化，此时化，此时n(Bn(B2 2S S2 2-B-B1 1S S1 1)。E En(Bn(B2 2S S2 2-B-B1 1S S1 1)tt。(动生电动势与感生电动势叠加）动生电动势与感生电动势叠加）（感生电动势）（感生电动势）(n(n为线圈的匝数为线圈的匝数)是一段时间内磁通量是一段时间内磁通量的平均变化率的平均变化率 算出的是平均感应电动势算出的是平均感应电动势 3.3.该公式实际算出的是一段时间对内的平均感应电该公式实际算出的是一段时间对内的平均感应电动势，当磁通量随时间均匀变化时，此时平均感应动势，当磁通量随时间均匀变化时，此时平均感应电动势等于瞬时感应电动势。电动势等于瞬时感应电动势。跟踪跟踪训练训练：如如图图所示：所示：L是由是由绝缘导线绕绝缘导线绕置的螺置的螺线线管，匝数管，匝数为为100，由于横截面，由于横截面积积不大，可不大，可认为认为穿穿过过各匝各匝线线圈的磁通量是相同的，圈的磁通量是相同的，设设在在0.5s把磁体的一把磁体的一级级插插入螺入螺线线管，管，这这段段时间时间内穿内穿过过每匝每匝线线圈的磁通量由圈的磁通量由0增加到增加到1.5X10-5wb，这时这时螺螺线线管管产产生的感生的感应电应电动势动势有多大？有多大？2一个一个200匝、面积为匝、面积为20 cm2的线圈放在磁场中，磁场的方的线圈放在磁场中，磁场的方向与线圈平面成向与线圈平面成30角，若磁感应强度在角，若磁感应强度在0.05 s内由内由0.1 T增增加到加到0.5 T，在此过程中磁通量变化了多少？磁通量的平，在此过程中磁通量变化了多少？磁通量的平均变化率是多少？线圈中感应电动势的大小是多少？均变化率是多少？线圈中感应电动势的大小是多少？解析：解析：磁通量的变化量是由磁场的变化引起的，应该用公磁通量的变化量是由磁场的变化引起的，应该用公式式BSsin 来计算，所以来计算，所以BSsin(0.50.1)201040.5 Wb4104Wb。答案：答案：4104 Wb8103 Wb/s1.6 V 例例1如图如图143所示，面积为所示，面积为0.2 m2的的100匝线圈处在匀强磁场中，磁匝线圈处在匀强磁场中，磁场方向垂直于线圈平面，已知磁感应强场方向垂直于线圈平面，已知磁感应强度随时间变化的规律为度随时间变化的规律为B(20.2t)T，定值电阻定值电阻R16，线圈电阻，线圈电阻R24，求：，求：(1)磁通量变化率，回路中的感应电动势；磁通量变化率，回路中的感应电动势；(2)a、b两点间电压两点间电压Uab。图图143答案答案(1)0.04 Wb/s4 V(2)2.4 V 例例3有一面积为有一面积为S100 cm2的金属环，电阻为的金属环，电阻为R0.1，环中磁场变化规律如图，环中磁场变化规律如图147所示，且磁场方向垂所示，且磁场方向垂直纸面向里，求：直纸面向里，求：图图147(1)在在t1到到t2时间内，环中感应电流的方向如何；时间内，环中感应电流的方向如何；(2)通过金属环的电荷量为多少。通过金属环的电荷量为多少。审题指导审题指导(1)由楞次定律可判断感应电流的方向。由楞次定律可判断感应电流的方向。(2)求解通过金属环的电荷量应用电流的平均值计算。求解通过金属环的电荷量应用电流的平均值计算。复复习习回回顾顾：什么是什么是电动势电动势？如果如果电源把源把电荷荷q时非静非静电力所做的功力所做的功为W，那么，那么W与与q的比的比值，叫做，叫做电源的源的电动势。用。用E表示表示电动势，则：每一个每一个电动势电动势都都对应对应一种非静一种非静电电力，力，对对于感于感应应电动势电动势它所它所对应对应的非静的非静电电力又是什么？力又是什么？思考探究：思考探究：一、动生电动势 当当导导体切割磁感体切割磁感线时线时引引发发回路磁通量回路磁通量发发生生变变化（化（B不不变变S改改变变），），根据法拉第根据法拉第电电磁磁感感应应定律，定律，我我们们把把这时产这时产生的生的电动势电动势称之称之为为动动生生电动势电动势,动生电动势动生电动势：?非静非静电力电力思考探究：思考探究：1、在光滑水平面上做匀速运动的导体棒，棒中的电荷都、在光滑水平面上做匀速运动的导体棒，棒中的电荷都受到那些力的作用？什么力充当非静电力？受到那些力的作用？什么力充当非静电力？探究探究动动生生电动势电动势的的产产生机理生机理思考探究：思考探究：结论结论：洛洛伦兹伦兹力分力力分力F1对对自由自由电电荷的作用荷的作用动动生生电动势电动势 非静非静电电力力理理论论公式：公式：思考探究：能否由法拉第思考探究：能否由法拉第电电磁感磁感应应定律推定律推导导出出导导体棒切体棒切割磁感割磁感线时动线时动生生电动势电动势的大小？的大小？三、动生三、动生电动势公式推导电动势公式推导 如图所示闭合线圈一部分导体如图所示闭合线圈一部分导体abab处于匀强磁场中，磁处于匀强磁场中，磁感应强度是感应强度是B B，abab以速度以速度v v匀速切割磁感线，求产生的感匀速切割磁感线，求产生的感应电动势应电动势ab Gabv回路在时间回路在时间t t内增大的面积为：内增大的面积为：S=L(S=L(vtt)产生的感应电动势为：产生的感应电动势为：穿过回路的磁通量的变化为：穿过回路的磁通量的变化为：=BS=BS=BL=BLvttV V是导体棒在磁是导体棒在磁场中移动的速度场中移动的速度vBv1v2思考探究：思考探究：若导体运动速度不垂直于磁场方向若导体运动速度不垂直于磁场方向 (导体斜切磁导体斜切磁感线感线)，这时感生电动势又该如何表达？，这时感生电动势又该如何表达？为为v与与B夹角夹角四、四、对动对动生生电动势电动势公式公式 的理解的理解1.E表示表示动动生生电动势电动势的大小，的大小，L表示有效表示有效长长度，度，B表示磁表示磁场场的磁感的磁感应应强强度，度，v表示表示导导体棒的速度，体棒的速度，表示速度方向表示速度方向与磁感与磁感应应强强度方向的度方向的夹夹角。角。有效长度有效长度L L：导线在垂直速度方向上的投影长度：导线在垂直速度方向上的投影长度3如图如图142所示的几种情况中，金属导体中产生的感所示的几种情况中，金属导体中产生的感应电动势为应电动势为BLv的是的是 ()A乙和丁乙和丁B甲、乙、丁甲、乙、丁C甲、乙、丙、丁甲、乙、丙、丁 D只有乙只有乙解析：解析：公式公式EBLv中的中的L应指导体的有效切割长度，甲、乙、应指导体的有效切割长度，甲、乙、丁中的有效长度均为丁中的有效长度均为L，感应电动势，感应电动势EBLv，而丙中的有效切，而丙中的有效切割长度为割长度为Lsin，感应电动势，感应电动势EBLvsin，故，故B项正确。项正确。答案：答案：B四、四、对动对动生生电动势电动势公式公式 的理解的理解2.如果速度如果速度V为为为为某段某段时间时间内的平均速度，内的平均速度，则动则动生生电动势电动势E就就为为就就该该段段时间时间内内动动生生电动势电动势的平均的平均值值.如果如果速度速度V为为某某时时刻的瞬刻的瞬时时速度，速度，则动则动生生电电动势动势E就就为为 该时该时刻的瞬刻的瞬时值时值.例例2(双选双选)如图如图145所示，一导线弯成半径为所示，一导线弯成半径为a的的半圆形闭合回路。虚线半圆形闭合回路。虚线MN右侧有磁感应强度为右侧有磁感应强度为B的匀强磁的匀强磁场，方向垂直于回路所在的平面，回路以速度场，方向垂直于回路所在的平面，回路以速度v向右匀速进向右匀速进入磁场，直径入磁场，直径CD始终与始终与MN垂直。从垂直。从D点到达边界开始到点到达边界开始到C点进入磁场为止，下列结论正确的是点进入磁场为止，下列结论正确的是 ()图图145答案答案AD四、四、对动对动生生电动势电动势公式公式 的理解的理解3.只要只要导导体棒做切割磁感体棒做切割磁感线线运运动动，则则在在导导体棒两端就体棒两端就会会产产生生动动生生电动势电动势，与回路是否，与回路是否闭闭合以及整个回路磁合以及整个回路磁通量是否通量是否变变化无关。化无关。思考探究：一思考探究：一闭闭合矩形合矩形线线圈在匀圈在匀强强磁磁场场中运中运动动，都，都有哪些有哪些边边做切割磁感做切割磁感线线运运动动，做切割磁感，做切割磁感线线运运动动的的边边是否是否产产生生电动势电动势？整个？整个线线圈的圈的电动势电动势又是多少？又是多少？是否与法拉第是否与法拉第电电磁感磁感应应定律相矛盾？定律相矛盾？1如图如图146所示，所示，MN、PQ为光滑金为光滑金属导轨属导轨(金属导轨电阻忽略不计金属导轨电阻忽略不计)，MN、PQ相距相距L50 cm，导体棒，导体棒AB在两轨道在两轨道间的电阻为间的电阻为r1，且可以在，且可以在MN、PQ上滑动，定值电阻上滑动，定值电阻R13，R26，整个装置放在磁感应强，整个装置放在磁感应强度为度为B1.0 T的匀强磁场中，磁场方向垂直于整个导轨平面，的匀强磁场中，磁场方向垂直于整个导轨平面，现用外力现用外力F拉着拉着AB棒向右以棒向右以v5 m/s速度做匀速运动。求：速度做匀速运动。求：(1)导体棒导体棒AB产生的感应电动势产生的感应电动势E和和AB棒上的感应电流方向；棒上的感应电流方向；(2)导体棒导体棒AB两端的电压两端的电压UAB。图图146答案：答案：(1)2.5 VBA方向方向(2)1.7 V一个一个闭闭合合电电路静止于磁路静止于磁场场中中,由于磁由于磁场场强强弱的弱的变变化化,（S不不变变，B改改变变）闭闭合合电电路内路内产产生了感生了感应电动势应电动势.我我们们称之称之为为感生感生电动势电动势。磁场变弱磁场变弱二、感生电动势二、感生电动势感生电动势感生电动势：?非静电力非静电力思考探究：思考探究：（二）英（二）英麦克斯韦认为：麦克斯韦认为：磁场变化时会在周围空间激发一种电磁场变化时会在周围空间激发一种电场场-感生电场感生电场闭合导体中的自由电荷在这种感生电闭合导体中的自由电荷在这种感生电场力作用下下做定向运动场力作用下下做定向运动.产生感生电动势产生感生电动势变变化的磁化的磁场场激激发发出感生（出感生（涡涡旋）旋）电场电场在感生（在感生（涡涡旋）旋）电场电场力作用下，力作用下，电电荷荷发发生定向运生定向运动动。2如图如图148所示，面积为所示，面积为0.2 m2的的100匝线圈匝线圈A处在磁场中，磁场方向垂处在磁场中，磁场方向垂直于线圈平面。磁感应强度随时间变直于线圈平面。磁感应强度随时间变化的规律是化的规律是B(60.2 t)T，已知，已知R14，R26，电容，电容C30 F，线圈，线圈A的电阻不计。求：的电阻不计。求：(1)闭合闭合S后，通过后，通过R2的电流强度大小和方向；的电流强度大小和方向；(2)闭合闭合S一段时间后再断开，一段时间后再断开，S断开后通过断开后通过R2的电量。的电量。图图148(2)断开断开S前电容两端的电压，等于电阻前电容两端的电压，等于电阻R2两端的电压两端的电压U2IR20.46 V2.4 V。电容电容C极板的带电量即为通过电阻极板的带电量即为通过电阻R2的电量的电量QCU2301062.4 C7.2105C。答案：答案：(1)0.4，ab(2)7.2105C