2019-2020年高中物理 第4章 电磁感应 第5节 电磁感应规律的应用教案 新人教版选修3.doc

第5节电磁感应规律的应用要点一 感生电动势是如何产生的？如何判断其方向？1产生：如图452所示当磁场变化时，产生感生电场感生电场的电场线是与磁场垂直的曲线如果空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在电场力作用下定向移动而产生感应电流或者说导体中产生了感生电动势2019-2020年高中物理 第4章 电磁感应 第5节 电磁感应规律的应用教案 新人教版选修32方向：闭合环形回路(可假定存在)的电流方向就是感生电动势的方向，根据楞次定律和右手定则确定要点二 洛伦兹力和动生电动势的关系是什么？1洛伦兹力的作用：如图453所示，一条导线CD在匀强磁场B中以速度v向右运动，并且导线CD与B、v的方向互相垂直由于导体中的自由电子随导体一起以速度v运动因此每个电子受到的洛伦兹力为FevB，如图所示，F的方向竖直向下，在F的作用下自由电子沿导体向下运动，使导体下端出现过剩的负电荷，导体上端出现过剩的正电荷，结果是C端的电势高于D端的电势出现由C端指向D端的静电场图4532形成平衡态：新产生的电场对电子的作用力F是向上的，与洛伦兹力的方向相反，随着导体两端正负电荷的积累，场强不断增强，当作用到自由电子上的静电力与洛伦兹力互相平衡时，CD两端便产生了一个稳定的电势差要点三 感应电流产生过程中的能量转化1将条形磁铁插入或拔出闭合螺线管时线圈中产生感应电流感应电流的磁场阻碍磁铁与螺线管的相对运动在整个过程中，外力克服磁场力做功把其他形式的能转化为电能2导体切割磁感线时回路中产生感应电流，导体受到安培力的作用，安培力的方向与推动导体运动外力的方向相反在导体运动过程中，外力克服安培力做功，其他形式的能转化为电能而且，克服安培力做了多少功，就有多少其他形式的能转化为电能.一、动生电动势与感生电动势的区别与联系是什么？1相当于电源的部分不同由于导体运动产生感应电动势时，运动部分的导体相当于电源，而由于磁场变化产生感应电动势时，磁场穿过的线圈部分相当于电源2的含义不同导体运动产生电动势，是由于导体线框本身的面积发生变化产生的所以BS；而感生电动势，是由于B引起的，所以SB.3动生电动势和感生电动势的相对性动生电动势和感生电动势的划分在某些情况下只有相对意义，将条形磁铁插入线圈中，如果在相对于磁铁静止的参考系内观察磁铁不动，空间中各点的磁场也没有发生变化而线圈在运动，线圈中产生的是动生电动势，如果在相对线圈静止的参考系内观察，则看到磁铁在运动引起空间磁场发生变化因而，线圈中产生的是感生电动势究竟把电动势看作动生电动势还是感生电动势，决定于观察者所在的参考系二、从电动势公式角度理解感生电动势和动生电动势1公式En求出的是闭合电路的总感应电动势，可以是感生电动势，也可以是动生电动势，还可以二者兼有如果t不是无穷小，则求出的感应电动势是t这段时间内的平均值；当t很小时，平均值接近瞬时值；当给出的某时刻的磁通量的变化率(或面积的变化率或磁感应强度的变化率)，则求出的感应电动势为该时刻的瞬时值；如果磁通量均匀变化，则求出的感应电动势的瞬时值就等于平均值2公式EBlvsin 求出的只是切割磁感线的那部分导线中的感应电动势，是动生电动势.一、感生电动势的运算【例1】 有一面积为S100 cm2的金属环，电阻为R0.1 ，环中磁场变化规律如图454乙所示，且磁场方向垂直环面向里，在t1到t2时间内，环中感应电流的方向如何？通过金属环的电荷量为多少？图454解析(1)由楞次定律，可以判断金属环中感应电流方向为逆时针方向(2)由图可知：磁感应强度的变化率为金属环中磁通量的变化率SS环中形成的感应电流I通过金属环的电荷量QIt由解得Q C0.01 C答案逆时针方向0.01 C二、动生电动势的运算【例2】 如图455所示，图455三角形金属导轨EOF上放有一金属杆AB，在外力作用下，使AB保持与OF垂直，以速度v匀速从O点开始右移，设导轨与金属棒均为粗细相同的同种金属制成，则下列判断正确的是()A电路中的感应电流大小不变B电路中的感应电动势大小不变C电路中的感应电动势逐渐增大D电路中的感应电流逐渐减小解析导体棒从O开始到如图所示位置所经历时间设为t，EOF，则导体棒切割磁感线的有效长度LOBtan ，故EBLvBvvttan Bv2tan t，即电路中电动势与时间成正比，C选项正确；电路中电流强度I.而L等于OAB的周长，LOBABOAvtvttan vt(1tan )，所以I恒量，所以A正确答案AC1.图456一个面积S4102 m2、匝数n100匝的线圈放在匀强磁场中，磁场方向垂直于线圈平面，磁感应强度B随时间t变化的规律如图456所示，则下列判断正确的是()A在开始的2 s内穿过线圈的磁通量变化率等于0.08 Wb/sB在开始的2 s内穿过线圈的磁通量的变化量等于零C在开始的2 s内线圈中产生的感应电动势等于8 VD在第3 s末线圈中的感应电动势等于零答案AC解析磁通量的变化率S，其中磁感应强度的变化率即为Bt图象的斜率由图知前2 s的2 T/s，所以24102 Wb/s0.08 Wb/s，A选项正确在开始的2 s内磁感应强度B由2 T减到0，又从0向相反方向的B增加到2 T，所以这2 s内的磁通量的变化量B1SB2S2BS224102 Wb0.16 Wb，B选项错在开始的2 s内En1000.08 V8 V，C选项正确第3 s末的感应电动势等于2 s4 s内的电动势，EnnS10024102 V8 V.2闭合电路中产生的感应电动势大小，跟穿过这一闭合电路的下列哪个物理量成正比()A磁通量B磁感应强度C磁通量的变化率 D磁通量的变化量答案C3在下图所示的四种磁场情况中能产生恒定的感生电场的是()答案C4如图457所示，图457一个带正电的粒子在垂直于匀强磁场的平面内做圆周运动，当磁感应强度均匀增大时，此粒子的动能将()A不变B增加C减少D以上情况都可能答案B5如图458所示，图458bacd为静止于水平面上宽度为L，而长度足够长的U型金属滑轨，ac边接有电阻R，其他部分电阻不计ef为一可在滑轨平面上滑动，质量为m的均匀导体棒整个滑轨面处在竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度为B，忽略所有摩擦(1)若用恒力F沿水平方向向右拉棒，使其平动，求导体棒的最大速度(2)若导体棒从开始运动到获得最大速度发生的位移为s，求这一过程中电阻R上产生的热量Q.答案(1)(2)Fs解析(1)方法1：导体棒受到恒力F后的运动情况，可用如下式子表示：FvEIF安F合a当a0时，速度达到最大值，即FBILBL，解得v方法2：从能量角度看，当棒稳定时P外P电，即Fv，解得v(2)导体棒受到恒力F后的能量转化情况如下：F做功根据能量转化与守恒定律得：Fsmv2Q，解得QFs题型 动生电动势的综合运算 如图1所示，图1一个边长为l的正方形虚线框内有垂直于纸面向里的匀强磁场；一个边长也为l的正方形导线框所在平面与磁场方向垂直；虚线框对角线ab与导线框的一条边垂直，ba的延长线平分导线框在t0时，使导线框从图示位置开始以恒定速度沿ab方向移动，直到整个导线框离开磁场区域以i表示导线框中感应电流的强度，取逆时针方向为正下列表示it关系的图示中，可能正确的是()思维步步高 进入过程中哪一部分相当于电源？应该怎样进行分析研究？怎样利用线框的边长和磁场宽度的关系？答案C解析从正方形线框下边开始进入到下边完全进入过程中，线框切割磁感线的有效长度逐渐增大，所以感应电流也逐渐增大，A项错误从正方形线框下边完全进入至下边刚穿出磁场边界时，切割磁感线有效长度不变，故感应电流不变，B项错当正方形线框下边离开磁场，上边未进入磁场的过程比正方形线框上边进入磁场过程中，磁通量减少的稍慢，故这两个过程中感应电动势不相等，感应电流也不相等，D项错，故正确选项为C. 拓展探究 如图2所示，图2小灯泡规格为“2 V,4 W”，接在光滑水平导轨上，导轨间距为0.1 m，电阻不计金属棒ab垂直搁在导轨上，电阻为1 ，整个装置处于B1 T的匀强磁场中求：(1)为使灯泡正常发光，ab的滑行速度为多大？(2)拉动金属棒ab的外力的功率有多大？答案(1)40 m/s(2)8 W解析当金属棒在导轨上滑行时，切割磁感线产生感应电动势，相当于回路的电源，为小灯泡提供电压金属棒在光滑的导轨上滑行过程中，外力克服安培力做功，能量守恒，所以外力的功率与电路上产生的电功率相等(1)灯泡的额定电流和电阻分别为I2 A，R1 设金属棒的滑行速度为v，则I感，式中r为棒的电阻由I感I，即I得v m/s40 m/s(2)根据能量转换，外力的机械功率等于整个电路中的电功率，即P机P电I2(Rr)22(11) W8 W.题型 动生电动势和感生电动势的区别与联系 如图3所示，图3两根平行金属导轨固定在水平桌面上，每根导轨每米的电阻为r00.10 ，导轨的端点P、Q用电阻可以忽略的导线相连，两导轨间的距离l0.20 m有随时间变化的匀强磁场垂直于桌面，已知磁感应强度B与时间t的关系为Bkt，比例系数k0.020 T/s.一电阻不计的金属杆可在导轨上无摩擦地滑动，在滑动过程中保持与导轨垂直在t0时刻，金属杆紧靠在P、Q端，在外力作用下，杆以恒定的加速度从静止开始向导轨的另一端滑动，求在t6.0 s时金属杆所受的安培力思维步步高 在导体棒向左运动过程中，产生的是动生电动势还是感生电动势？两种电动势是相加还是相减？求解电流时应注意什么问题？答案1.44103 N解析以a表示金属杆运动的加速度，在t时刻，金属杆与初始位置的距离Lat2此时杆的速度vat，这时，杆与导轨构成的回路的面积SLl，回路中的感应电动势ESBlv因Bkt故k回路的总电阻R2Lr0回路中的感应电流I作用于杆的安培力FBlI解得Ft，代入数据为F1.44103 N拓展探究 如图4所示，图4导体AB在做切割磁感线运动时，将产生一个电动势，因而在电路中有电流通过，下列说法中正确的是()A因导体运动而产生的感应电动势称为动生电动势B动生电动势的产生与洛伦兹力有关C动生电动势的产生与电场力有关D动生电动势和感生电动势产生的原因是一样的答案AB解析如右图所示，当导体向右运动时，其内部的自由电子因受向下的洛伦兹力作用向下运动，于是在棒的B端出现负电荷，而在棒的A端出现正电荷，所以A端电势比B端高棒AB就相当于一个电源，正极在A端1.如图5所示，图5一个金属薄圆盘水平放置在竖直向上的匀强磁场中，下列做法中能使圆盘中产生感应电流的是()A圆盘绕过圆心的竖直轴匀速转动B圆盘以某一水平直径为轴匀速转动C圆盘在磁场中向右匀速平移D匀强磁场均匀增加答案BD图62如图6所示为一弹性闭合导线圈，匀强磁场垂直纸面，当磁感应强度B发生变化时，观察到线圈所围的面积增大了，由此可判断B的方向和大小的情况是()AB垂直纸面向里，B变大BB垂直纸面向里，B变小CB垂直纸面向外，B变大DB垂直纸面向外，B变小答案BD3如图7所示，图7一水平放置的圆形通电线圈1固定，另一较小的圆形线圈2从线圈1的正上方下落，在下落过程中两线圈平面始终保持平行且共轴，则线圈2从线圈1的正上方下落至线圈1的正下方过程中，从上往下看线圈2，应是()A无感应电流产生B有顺时针方向的感应电流C有先顺时针后逆时针的感应电流D有先逆时针后顺时针方向的感应电流答案C解析通电线圈1固定，它所产生的磁场根据右手螺旋定则在中心处方向向上，当线圈2从正上方下落的过程中，穿过它的磁通量先是向上增加，再向上减少，根据楞次定律判断线圈2中的感应电流方向，选项C正确，A、B、D错4.图8金属杆ab水平放置在某高处，当它被平抛进入一个方向竖直向上的匀强磁场中后(如图8所示)，有关其上感应电动势的大小和两端电势的高低，以下说法中正确的是()A运动过程中感应电动势的大小不变，UaUbB运动过程中感应电动势的大小不变，UaUbD由于速率不断增大，所以感应电动势变大，Uav2，v1向右，v2向左Dv1v2，v1向左，v2向右答案C6如图10所示，图10MN、PQ为两平行金属导轨，M、P间连接一阻值为R的电阻，导轨处于匀强磁场中，磁感应强度为B，磁场方向与导轨所在平面垂直，图中磁场垂直纸面向里，有一金属圆环沿两导轨滑动、速度为v，与导轨接触良好，圆环的直径d与两导轨间的距离相等，设金属环与导轨的电阻均可忽略，当金属环向右做匀速运动时()A有感应电流通过电阻R，大小为B有感应电流通过电阻R，大小为C有感应电流通过电阻R，大小为D没有感应电流通过电阻R答案B解析圆环的左右两边相当于一个电源，每个半圆的有效长度为d，所以电流大小为.7.图11一直升机停在南半球的地磁极上空，该处地磁场的方向竖直向上，磁感应强度为B，直升机螺旋桨叶片的长度为l，螺旋桨转动的频率为f，顺着地磁场的方向看螺旋桨，螺旋桨按顺时针方向转动螺旋桨叶片的近轴端为a，远轴端为b，如图11所示如果忽略a到转轴中心线的距离，用E表示每个叶片中的感应电动势，则()AEfl2B，且a点电势低于b点电势BE2fl2B，且a点电势低于b点电势CEfl2B，且a点电势高于b点电势DE2fl2B，且a点电势高于b点电势答案A解析直升机螺旋桨的叶片围绕着轴转动，产生的感应电动势为,设想ab是闭合电路的一部分导体，由右手定则知感应电流因为ab，所以b点电势比a点电势高所以选项A正确8均匀导线制图12成的单匝正方形闭合线框abcd，每边长为L，总电阻为R，总质量为m.将其置于磁感强度为B的水平匀强磁场上方h处，如图12所示线框由静止自由下落，线框平面保持在竖直平面内，且cd边始终与水平的磁场边界面平行当cd边刚进入磁场时：(1)求线框中产生的感应电动势大小(2)求cd两点间的电势差大小(3)若此时线框加速度恰好为零，求线框下落的高度h所应满足的条件答案(1)BL(2)BL(3)解析(1)cd边刚进入磁场时，线框速度v线框中产生的感应电动势EBLvBL(2)此时线框中的电流 Icd两点间的电势差UI(R)EBL(3)安培力FBIL根据牛顿第二定律mgFma，因a0解得下落高度满足 h9如图13所示，P、Q为水平面内平行放置的光滑金属长直导轨，间距为L1，处在竖直向下、磁感应强度大小为B1的匀强磁场中一导体杆ef垂直于P、Q放在导轨上，在外力作用下向左做匀速直线运动质量为m、每边电阻均为r、边长为L2的正方形金属框abcd置于竖直平面内，两顶点a、b通过细导线与导轨相连，磁感应强度大小为B2的匀强磁场垂直金属框向里，金属框恰好处于静止状态不计其余电阻和细导线对a、b点的作用力图13(1)通过ab边的电流Iab是多大？(2)导体杆ef的运动速度v是多大？答案(1)(2)解析(1)设通过正方形金属框的总电流为I，ab边的电流为Iab，dc边的电流为Idc，则IabIIdcI金属框受重力和安培力，处于静止状态，有mgB2IabL2B2IdcL2由，解得Iab(2)由(1)可得I设导体杆切割磁感线产生的电动势为E，有EB1L1v设ad、dc、bc三边电阻串联后与ab边电阻并联的总电阻为R，则Rr根据闭合电路欧姆定律，有I由，解得v