电磁感应规律的应用

第五节电磁感应规律的应用,1.,知道法拉第电机的工作原理,2,理解电磁感应现象中的能量转化，并会运用能量观点分析电磁感应问题,(,重点和难点,),一、法拉第电机,法拉第电机的原理,1.,如图所示是,_,做成的世界上第一台发电机模型的原理图把一个铜盘放在磁场,里，使磁感线,_,穿过铜盘；转动铜盘，就可以使,_,获得持续的电流,法拉第,垂直,闭合电路,2.,感应电动势的大小,(1),铜盘可以看做由无数根长度等于铜盘半径的导体棒组成，导体棒在转动过程中要,_,磁感线,(,如图所示,),切割,不等,3.,感应电动势的方向,导体,Oa,在转动切割磁感线时产生感应电动势，相当于,_,如果它与用电器连接构成闭合电路，则产生感应电流的方向由,_,(,右手定则,),而电源内部电流方向是由负极流向正极，所以,O,为电动势的,_,，,a,为电动势的,_,电源,a,O,正极,负极,二、电磁感应中的能量转化,1.,电磁感应中的能量转化,在电磁感应现象中，产生感应电动势的那部分导体相当于,_,如果电路闭合，电路中会产生,_,，而导体又处在磁场中，因此导体将受到,_,的作用如图所示,电源,感应电流,安培力,导体,ab,向右运动，会产生由,_,流向,_,的感应电流，在磁场中，通电导体,ab,要受到,_,的安培力作用,电磁感应现象中产生的电能是通过克服,_,做功转化而来的克服,_,做了多少功，就有多少,_,产生，而这些,_,又通过电流做功而转化为其它形式的,能因此，电磁感应现象符合能量守恒定,律,b,a,向左,安培力,安培力,电能,电能,想一想,如图所示，下面是螺线管和灵敏电流表组成的闭合电路，上面是弹簧和条形磁铁组成的振动装置，线圈直径大于磁铁的线度使磁铁在线圈内振动，试分析磁铁如何运动？能量如何转化？,提示：,磁铁上下振动，振幅越来越小，直至停止机械能转化为电能,2.,反电动势,(1),概念：当电动机通入如图所示的电流时，因线圈受,_,作用，电动机会按图示方向转,动，此时,ab,、,cd,两边因切割磁感线而产生的感应电动势的方向跟令线圈转动的电流方向相,反，因此也跟外加电压的方向,_,，这个电动势被称为反电动势,安培力,相反,(2),作用：消弱电源电动势；阻碍线圈的转动,(3),决定因素：电动机线圈转动,_,，反电动势越大,越快,要点一导体棒在匀强磁场中的转动问题,学案导引,1.,如何判断导体棒转动切割磁感线产生的感应电动势的正、负极？,2.,公式,E,BL,2,是如何推导的？,(,单选,)(2012,南昌高二检测,),如图所示，金属棒,ab,长为,L,，以角速度,绕,ab,棒延长线上一点,O,逆时针转动，,Oa,间距为,r,，金属棒转动方向与磁感应强度为,B,的匀强磁场方向垂直,(,磁场方向垂直纸面向里,),则,a,、,b,两点间电势差大小为,(,),【,审题指导,】,求解本题时应把握以下两点：,(1),棒转动切割磁感线时有效速度,(2),必要时根据两点电势求解电势差,【,答案,】,D,变式训练,1.(,单选,),如图所示，,ab,为一金属杆，它处在垂直于纸面向里的匀强磁场中，可绕,a,点在纸面内转,动；,s,为以,a,为圆心位于纸面内的金属圆环；在杆转动过程中，杆的,b,端与金属环保持良好接,触；,A,为电流表，其一端与金属环相连，一端与,a,点良好接触当杆沿顺时针方向转动时，某时刻,ab,杆的位置如图，则此时刻,(,),A,有电流通过电流表，方向由,c,d,；作用于,ab,的安培力向右,B,有电流通过电流表，方向由,c,d,；作用于,ab,的安培力向左,C,有电流通过电流表，方向由,d,c,；作用于,ab,的安培力向右,D,无电流通过电流表，,作用于,ab,的安培力为零,解析：选,A.,ab,杆切割磁感线，回路中产生感应电流，由右手定则可判知，,ab,中感应电流方向,a,b,，所以电流表中感应电流的方向由,c,d,.,再根据左手定则，,ab,所受安培力向右，,A,项正确,要点二电磁感应中的电路问题,学案导引,1.,导体棒做切割磁感线运动时，如何确定闭合电路的内、外电路？,2.,如何确定等效电源的正、负极？,1.,内电路和外电路,(1),切割磁感线运动的导体或磁通量发生变化的线圈都相当于电源，该部分导体的电阻或线圈的电阻相当于电源的内阻,(,r,),(2),除电源外其余部分是外电路,2.,解决与电路相联系的电磁感应问题的基本方法,(1),用法拉第电磁感应定律和楞次定律,(,或右手定则,),确定感应电动势的大小和方向,(2),画等效电路图,(3),运用闭合电路欧姆定律、串并联电路的性质、电功率等公式求解,(,单选,),粗细均匀的电阻丝围成的正方形线框置于有界匀强磁场中，磁场方向垂直于线框平面，其边界与正方形线框的边平行现使线框以同样大小的速度沿四个不同方向平移出磁场，则在移出过程中线框的一边,a,、,b,两点间电势差绝对值最大的是,(,),【,关键提醒,】,求解此题应把握以下两点：,(1),正确区分哪是电源，哪是负载,(2),对于电源而言，它两端的电压就等于路端电压,【,精讲精析,】,将线框等效成直流电路，设线框每条边的电阻为,r,，,A,、,B,、,C,、,D,对应的等效电路图分别如图甲、乙、丙、丁所示,【,答案,】,B,【,题后反思,】,分析电磁感应与电路综合问,题，明确哪部分导体产生感应电动势很关键这部分导体既是产生电磁感应现象的主体，又是回路中的电源，是联系电磁感应与电路问题的关键,变式训练,2.,(,单选,)(2012,济南高二检测,),如图所示，圆环,a,和,b,的半径比,R,1,R,2,2,1,，且是由粗细相同的同种材料的导线构成，连接两环的导线电阻不计，匀强磁场的磁感应强度始终以恒定的变化率变化那么，当只有,a,环置于磁场中、只有,b,环置于磁场中两种情况下，,A,、,B,两点的电势差之比为,(,),A,1,1,B,2,1,C,3,1 D,4,1,解析：选,B.,设,b,环的面积为,S,，由题可知，,a,环的面积为,4,S,，若,b,环的电阻为,R,，则,a,环的电阻为,2,R,.,当,a,环置于磁场中时，,a,环等效为内电路，,b,环等效为外电路，,A,、,B,两端的电压为路端电压，根据法拉第电磁感应定律,要点三电磁感应现象中的能量转化与守恒,学案导引,1.,产生感应电流时能量是通过什么途径实现转化的？,2.,发生电磁感应现象时，为什么说能量是守恒的？,1.,电磁感应现象中的能量转化,(1),由磁场变化引起的电磁感应现象中，磁场能转化为电能，若电路是纯电阻电路，转化过来的电能将全部转化为电阻的内能,(2),由相对运动引起的电磁感应现象中，通过克服安培力做功，把机械能或其他形式的能转化为电,能克服安培力做多少功，就产生多少电能若电路是纯电阻电路，转化过来的电能也将全部转化为电阻的内能,2.,求解电磁感应现象中能量守恒问题的一般思路,(1),分析回路，分清电源和外电路,在电磁感应现象中，切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路将产生感应电动势，该导体或回路就相当于电源，其余部分相当于外电路,(2),分析清楚有哪些力做功，明确有哪些形式的能量发生了转化如：,做功情况,能量变化特点,滑动摩擦力做功,有内能产生,重力做功,重力势能必然发生变化,克服安培力做功,必然有其他形式的能转化为电能，并且克服安培力做多少功，就产生多少电能,安培力做正功,电能转化为其他形式的能,(3),根据能量守恒列方程求解,特别提醒：,电能的三种求解思路：,(1),利用克服安培力做功求解：电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功,(2),利用能量守恒求解：相应的其他能量的减少量等于产生的电能,(3),利用电路特征求解：通过电路中所消耗的电能来计算,如图所示，匀强磁场的磁感应强度为,B,，方向竖直向下，在磁场中有一边长为,l,的正方形导线框，,ab,边质量为,m,，其余边质量不计，,cd,边有固定的水平轴，导线框可以绕其转动，现将导线框拉至水平位置由静止释放，不计摩擦和空气阻力，金属框运动到竖直位置，此时,ab,边的速度为,v,，求：,(1),线框运动到竖直位置时线框感应电动势的大小；,(2),此过程中线框产生的热量,【,审题指导,】,在电磁感应现象中，其他形式的能转化为电能，电路中的感应电流通过电路元件，又将电能转化为其他形式的能，分析问题时，常用能量观点求解,【,规律总结,】,本题中由于感应电动势不断变化，感应电流变化，因此产生的热量只能依靠能量守恒定律求解,变式训练,3.(,单选,)(2012,台州高二检测,),如图所示，固定于水平绝缘面上的平行金属导轨不光滑，垂直于导轨平面有一匀强磁场，质量为,m,的金属棒,cd,垂直放在导轨上，除,R,和,cd,棒的电阻,r,外，其余电阻不计现用水平恒力,F,作用于,cd,棒，使,cd,棒由静止开始向右滑动的过程中，下列说法正确的是,(,),A,水平恒力,F,对,cd,棒做的功等于电路中产生的电能,B,只有在,cd,棒做匀速运动时，,F,对,cd,棒做的功才等于电路中产生的电能,C,无论,cd,棒做何种运动，它克服磁场力做的功一定等于电路中产生的电能,D,R,两端的电压始终等于,cd,棒上感应电动势的值,解析：选,C.,F,作用于棒上使棒由静止开始做切割磁感线运动，产生感应电动势的过程中，,F,做的功转化为三种能量：棒的动能,E,k,、摩擦生热,Q,和回路电能,E,电,，即使,cd,棒匀速运动，,E,k,0,，但,Q,0,，故,A,、,B,错误；对,C,项可这样证明，经过时间,t,，,cd,棒发生的位移为,s,，则,cd,棒克服磁场力做的功,W,BIL,s,BI,S,I,EI,t,E,电,，永远成立，故,C,项正确；回路中，,cd,棒相当于电源，有内阻，所以路端电压不等于感应电动势，所以,D,错误,电磁感应的动态分析问题,经典案例,(10,分,)(2012,佛山高二质检,),如图所示，两根足够长的直金属导轨,MN,、,PQ,平行放置在倾角为,的绝缘斜面上，两导轨间距为,L,，,M,、,P,两点间接有阻值为,R,的电阻一质量为,m,的均匀直金属杆,ab,放在两导轨上，并与导轨垂直,整套装置处于磁感应强度大小为,B,、方向垂直斜面向下的匀强磁场中，导轨和金属杆的电阻可忽略不计让,ab,杆沿导轨由静止开始下滑，导轨和金属杆接触良好，不计它们之间的摩擦求：,(1),当,ab,杆的速度大小为,v,时，,ab,杆中的电流,I,及其加速度的大小,(2),ab,杆下滑的最大速度,v,m,.,【,思维流程,】,求解本题可按以下思路分析：,当加速度等于零时，导体达到稳定运动状态要抓住,a,0,时速度,v,达到最大值的特点,【,规律方法,】,(1),解决动态问题的基本方法：受力分析,运动分析,(,确定运动过程和最终的稳定状态,),由牛顿第二定律列方程求解,(2),求极值的方法：物理量的最大值或最小值通常是出现在稳定状态时，所以求极值的方法通常是先根据动态分析法分析出稳定状态的特点根据稳定状态时受力特点和能量转化特点列式求解,法拉第时刻,1831,年,8,月,29,日，对法拉第来说是个终生难忘的日子他用软铁焊接成圆环，环的半边上绕,3,个线圈，连起来就成为,1,个大线圈，分开就是,3,个线圈，每个线圈用铜线绕成，再用棉线将导线隔开，包上棉布，使导线之间、导线与铁环之间都绝缘，环的另一边用相同的铜导线以,相同的方法和同样的方向绕在上面，做成另一个线圈两个线圈的两端各相隔一段距离后一线圈连在电流计上当法拉第将大线圈接上电池,时，电流计的指针突然偏转但是，指针晃动一下就停止了，当他打算将电池拆掉时，指针又偏转了，可是偏转的方向相反法拉第继续做各种实验，他把电流计从后一线圈上拆下，接到大线圈的一个线圈上，把大线圈的另外两个线圈接上电池，这时指针的偏转大多了；法拉第又把电池,的两极对调，发现电流计的指针反向偏转；他又多加几节电池，重复上面实验，指针偏转更大,法拉第并不满足于这些实验取得的成就，他坚信磁能够转化为电几星期后，他抛开电池，在一个纸做的空