高考物理一轮总复习 专题九 第2讲 法拉第电磁感应定律 自感和涡流课件 新人教版.ppt

第2讲法拉第电磁感应定律自感和涡流 一 法拉第电磁感应定律 2 法拉第电磁感应定律 磁通量的变化率 1 内容 在电磁感应现象中 电路中感应电动势的大小 跟 成正比 2 表达式 其中n为线圈的匝数 3 公式的变形 3 导体切割磁感线时产生的感应电动势 BLv 1 导体平行移动 E 其中B L v三者两两垂直 且L为导体的有效切割长度 基础检测 1 2014年江苏卷 如图9 2 1所示 一正方形线圈的匝数为n 边长为a 线圈平面与匀强磁场垂直 且一半处在磁场中 在 t时间内 磁感应强度的方向不变 大小由B均匀地增大 到2B 在此过程中 线圈中产生的感应电动势为 图9 2 1 答案 B 二 自感和涡流 1 自感现象 电磁感应 自感 1 定义 由导体本身的电流发生变化时而产生的 现象 自感现象遵循电磁感应的所有规律 2 自感电动势 定义 在 现象中产生的感应电动势叫做自感电动势 表达式 E 电流 方向 总是阻碍导体中原来 的变化 增反减同 单位 亨利 H 1mH 10 3H 1 H 10 6H 3 自感系数L 长短 形状 匝数 大 有关因素 与线圈的 以及是否有铁芯有关 线圈越长 单位长度上线圈的匝数越多 横截面积越大 它的自感系数越 线圈中插入铁芯 自感系数会增大很多 4 自感现象的应用和防止 启动器 产生瞬时高压 应用 如日光灯电路中的镇流器 振荡电路等 日光灯电路是由启动器 镇流器和灯管组成的 在日光灯启动时起到开关作用 正常工作时断开 镇流器的作用是在灯开始点亮时起 的作用 在日光灯正常发光时起 作用 降压限流 双线 涡流 防止 制作精密电阻时 采用 绕法 防止自感现象的发生 减小因自感而造成的误差 2 涡流 块状金属在磁场中运动 或者处在变化的磁场中 金属块内部会产生感应电流 这种电流在整块金属内部自成闭合回路 叫做 基础检测 2 多选 2015年广东深圳南山期末 如图9 2 2所示 A B是相同的白炽灯 L是自感系数很大 电阻可忽略的自感线 圈 下面说法正确的是 A 闭合开关S时 A B灯同时亮 且达到正常B 闭合开关S时 B灯比A灯先亮 最 后一样亮 图9 2 2 C 闭合开关S时 A灯比B灯先亮 最后一样亮D 断开开关S时 A灯与B灯同时慢慢熄灭答案 BD 考点1 对法拉第电磁感应定律的理解 重点归纳1 磁通量 磁通量的变化量 磁通量的变化率 续表 续表 3 感应电荷量 2 有关因素 感应电荷量由磁通量变化大小 线圈匝数及电路的电阻R决定 与变化时间无关 3 q I t也适用一段时间内流过该电路的平均电荷量 若 一直变大或变小 则 q等于总电荷量 典例剖析例1 2015年湖北重点中学联考 如图9 2 3甲所示 一个圆形线圈的匝数n 100 线圈面积S 200cm2 线圈的电阻r 1 线圈外接一个阻值R 4 的电阻 把线圈放入一方向垂直线圈平面向里的匀强磁场中 磁感应强度随时间变化规律 如图乙所示 下列说法中正确的是 图9 2 3 A 线圈中的感应电流方向为顺时针方向B 电阻R两端的电压随时间均匀增大 C 线圈电阻r消耗的功率为4 10 4W D 前4s内通过R的电荷量为4 10 4C 思维点拨 由题意可知 磁感应强度是均匀变化的 故产生恒定的感应电动势和恒定电流 答案 C 考点练透 1 2015年新课标卷 如图9 2 4所示 直角三角形金属框abc放置在匀强磁场中 磁感应强度大小为B 方向平行于ab边向上 当金属框绕ab边以角速度 逆时针转动时 a b c三点的电势分别为Ua Ub Uc 已知bc边的长度为l 下列判断正 确的是 图9 2 4 答案 C 2 2013年新课标卷 如图9 2 5所示 在水平面 纸面 内有3根相同的均匀金属棒ab ac和MN 其中ab ac在a点接触 构成 V 字形导轨 空间存在垂直于纸面的均匀磁场 用力使MN向右匀速运动 从a位置开始计时 运动中MN始终与 bac的角平分线垂直且和导轨保持良好接触 下列关于回路中 电流i与时间t的关系图象 可能正确的是 图9 2 5 A B C D 答案 A 考点2 对自感现象的分析 重点归纳1 通电自感 1 电路图如图9 2 6所示 为了方便比较 使L1 L2同规格 R RL 自感系数L较大 图9 2 6 2 现象 在S闭合瞬间 灯L2立即亮起来 灯L1逐渐变 亮 最终一样亮 3 由于开关闭合时 流过电感线圈的电流迅速增大 线圈产生自感电动势 阻碍了电流的增大 使流过灯L1的电流比流过灯L2的电流增加得慢 这个过程电能转化为磁场能 2 断电自感 1 电路图如图9 2 7所示 为使现象明显 L应很大 即有 铁芯 图9 2 7 2 现象 S断开时 灯L渐渐熄灭或闪亮一下再熄灭 3 原因 S断开时 线圈L产生自感电动势 阻碍电流减小 使电流继续存在一段时间 灯L中电流反向 不会立即熄灭 若RLIL 则灯L熄灭前要闪亮一下 若RL RL S断开前电流IL IL 则灯L逐渐熄灭 不再闪亮一下 这个过程磁场能转化为电能 考点练透 3 2015年江苏常州检测 如图9 2 8所示 电路中A B是两个完全相同的灯泡 L是一个自感系数很大 电阻可忽略的自感线圈 C是电容很大的电容器 当S闭合与 断开时 A B灯泡的发光情况是 A S刚闭合后 A亮一下又逐渐熄灭 B逐 渐变亮 图9 2 8 B S刚闭合后 B亮一下又逐渐变暗 A逐渐变亮C S闭合足够长时间后 A和B一样亮D S闭合足够长时间后 A B都熄灭答案 A 4 如图9 2 9所示的电路中 电源的电动势为E 内阻为r 电感L的电阻不计 电阻R的阻值大于灯泡L的阻值 在t 0时刻闭合开关S 经过一段时间后 在t t1时刻断开S 下列表示A B两点间电压UAB随时间t变化的 图象中 正确的是 图9 2 9 A B C D 答案 B 解析 在t 0时刻闭合开关S时 线圈中电流增大 产生自感电动势 使得线圈中电流只能逐渐增大 干路中电流I也逐渐增大 根据欧姆定律UAB E Ir UAB逐渐减小直到稳定 稳定时 电阻R的电流小于灯泡L的电流 在t t1时刻断开S时 灯泡中原来的电流立即减小为零 线圈中产生自感电动势 电阻R 灯泡L和线圈组成回路 回路中电流从原来值逐渐减小到零 此时流过灯泡L的电流方向与原来的方向相反 B点的电势比A点电势高 UAB 0 由于稳定时线圈中电流较小 根据UAB IRL 则此时UAB值比稳定时小 方法 导体切割磁感线产生的感应电动势的计算方法 1 平动类型感应电动势的计算 E Blv 1 该类型中导体平动切割磁感线 2 正交性 B l v相互垂直时公式成立 3 有效性 式中的l为有效切割长度 即导体在垂直于v方向上的投影长度 1 该类型主要是导体或杆在与磁场平面成一定角度的平面上转动时产生的电动势 2 当导体在垂直于磁场的平面内 绕一端以角速度 匀速转动时 产生的感应电动 图9 2 10 3 产生感应电动势的导体电势高低的判断 1 导体切割磁感线 任意一小段导体切割磁感线时 让磁感线穿过右手掌心 大拇指指向导线的运动方向 则其余四指指向这一侧的导体端电势高 注意 切割磁感线的导体相当于电源 感应电流流向高电势那端 外导体中的电流流向低电势处 2 磁场变化产生的电动势的判断 其电动势大小为E 判断时先由楞次定律和安培定则确定感应电流方向 若电 路断路 则假设构建它通路 然后根据变化磁场之内的电路电流流向高电势 变化磁场之外的电路电流流向低电势来判断电势的高低 例2 2014年天津卷 如图9 2 11所示 两根足够长的平行金属导轨固定在倾角 30 的斜面上 导轨电阻不计 间距L 0 4m 导轨所在空间被分成区域 和 两区域的边界与斜面的交线为MN 中的匀强磁场方向垂直斜面向下 中的匀强磁场方向垂直斜面向上 两磁场的磁感应强度大小均为B 0 5T 在区域 中 将质量m1 0 1kg 电阻R1 0 1 的金属条ab放在导轨上 ab刚好不下滑 然后 在区域 中将质量m2 0 4kg 电阻R2 0 1 的光滑导体棒cd置于导轨上 由静止开始下滑 cd在滑动过程中始终处于区域 的磁场中 ab cd始终与导轨垂直且两端与导轨保持良好接触 取g 10m s2 问 图9 2 11 1 cd下滑的过程中 ab中的电流方向 2 ab刚要向上滑动时 cd的速度v多大 3 从cd开始下滑到ab刚要向上滑动的过程中 cd滑动的距离x 3 8m 此过程中ab上产生的热量Q是多少 审题突破 ab放在导轨上刚好不下滑 可知ab与导轨间的最大静摩擦力大小等于其重力沿斜面向下的分力 ab刚要上滑时 所受摩擦力沿斜面向下 依此可求出回路中的电流和cd的下滑速度 从而可由能量守恒定律求出热量 解 1 根据右手定则判断知cd中电流方向由d流向c 故ab中电流方向由a流向b 2 开始放置ab刚好不下滑时 ab所受摩擦力为最大静摩 擦力 设其为Fmax 有Fmax m1gsin 设ab刚好要上滑时 cd棒的感应电动势为E 由法拉第电磁感应定律有 E BLv设电路中的感应电流为I 由闭合电路欧姆定律有 设ab所受安培力为F安 有 F安 BIL 此时ab受到的最大静摩擦力方向沿斜面向下 由平衡条件 有F安 m1gsin Fmax 联立 式 代入数据解得v 5m s 3 设cd棒的运动过程中电路中产生的总热量为Q总 由能量守恒定律有 联立 式解得Q 1 3J 由串联电路规律有 题外拓展 本类题的最大特点是电磁学与力学知识相结合 应注意 1 受力分析 如重力 支持力 摩擦力 安培力等 找出关键信息 如 静止 匀速 匀加速 等 建立方程 2 运动过程分析 找出每个过程的物理关系式 3 功能关系的熟练运用 如重力 安培力 摩擦力等做功 情况 以及与之对应的能量变化关系 本题中 若改变磁场的大小 导体棒最终静止时 电阻R 产生的焦耳热会如何变化 触类旁通 2014年广东广州一模 如图9 2 12所示 匀强磁场垂直铜环所在的平面 导体棒a的一端固定在铜环的圆心O处 另一端紧贴铜环 可绕O匀速转动 通过电刷把铜环 环心与两竖直平行金属板P Q连接成如图所示的电路 R1 R2是定值电阻 带正电的小球通过绝缘细线挂在两板间M点 被拉起到水平位置 合上开关K 无初速度释放小球 小球沿圆弧经过M点正下方的N点到另一侧 已知 磁感应强度为B a的角速度大小为 长度为l 电阻为r R1 R2 2r 铜环电阻不计 P Q两板间距为d 带电小球的质量为m 电荷量为q 重力加速度为g 求 1 a匀速转动的方向 2 P Q间电场强度E的大小 3 小球通过N点时对细线拉力T的大小 图9 2 12 解 1 依题意 小球从水平位置释放后 能沿圆弧向下摆动 故小球受到电场力的方向水平向右 P板带正电 Q板带负电 由右手定则可知 导体棒a顺时针转动 2 导体棒a转动切割磁感线 由法拉第电磁感应定律得电动势大小 由欧姆定律可知 PQ的电压为UPQ IR2