高二物理 4.5《电磁感应现象的两类情况》课件（4）（新人教版选修3-2）

欢迎进入物理课堂 知识与技能1 了解电磁感应现象中的感生电场和洛伦兹力的产生原因 2 知道感生电场 感生电动势的概念 3 会用楞次定律判断感生电场的方向 用左手定则判断洛伦兹力的方向 过程与方法用类比的方法得到产生的感生电动势来源于感生电场 从已有洛伦兹力的知识推理动生电动势是由导体内自由电荷受洛伦兹力作用运动而产生的 情感 态度与价值观能利用公式解决实际问题 培养分析 归纳和解决实际问题的能力 体会物理理论在实际问题中的指导意义 19世纪60年代 英国物理学家麦克斯韦在他的电磁场理论中指出 磁场变化时会在空间激发一种电场 如果此刻空间存在闭合导体 导体中的自由电荷就会在这种电场的作用下做定向运动 产生感应电流 或者说导体中产生了感应电动势 如图所示是一种环保手摇式手电筒 不用电池 使用之前沿轴线方向摇动几下 手电筒就能持续发光一段时间 你知道它的工作原理吗 原来 手电筒中间部分是一个与灯泡及蓄电电路相连的线圈 手电筒内有一块柱状的永久磁体 摇动手电筒时磁体可以来回穿过线圈 引起穿过线圈磁通量的变化 从而产生感应电动势和感应电流 维持灯泡发光 感生电场与感生电动势1 感生电场19世纪60年代 英国物理学家麦克斯韦在他的电磁场理论中指出 变化的磁场在周围空间激发电场 我们把这种电场叫感生电场 1 产生 如图所示 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 2 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 1 感生电场是否存在仅取决于有无变化的磁场 与是否存在导体及是否存在闭合回路无关 2 静电场的电场线不闭合 感生电场由于是一种涡旋场 所以电场线闭合 2 感生电动势的产生由感生电场使导体产生的电动势叫感生电动势 感生电动势在电路中的作用就是充当电源 其电路就是内电路 当它与外电路连接后就会对外电路供电 变化的磁场在闭合导体所在空间产生电场 导体内自由电荷在电场力作用下产生感应电流 或者说导体中产生了感应电动势 由此可见 感生电场就相当于电源内部的所谓的非静电力 对电荷产生力的作用 1 动生电动势 导体在磁场中做切割磁感线运动时产生的电动势 2 动生电动势的产生原因分析导体在磁场中做切割磁感线运动时 产生动生电动势 它是由于导体中自由电子受到洛伦兹力作用引起的 使自由电子做定向移动的非静电力就是洛伦兹力 如图所示 一条直导线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F evB 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 此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 C D两端便产生了一个稳定的电势差 如果用另外的导线把C D两端连起来 由于C端电势比D端高 自由电子在静电力作用下将在导线框中沿顺时针方向流动 形成逆时针的感应电流 电荷的流动使C D两端积累的电荷减少 洛伦兹力又不断地使电子从C端运动到D端 达到动态平衡 形成一个稳定的电动势 洛伦兹力是产生动生电动势的原因 即洛伦兹力是产生动生电动势的非静电力 3 动生电动势与感生电动势的区别与联系 1 相当于电源的部分不同由于导体运动而产生电动势时 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的电动势 是由于导体线框本身的面积发生变化而产生的 所以 B S 而感生电动势 是由于 B引起的 所以 B S 3 动生电动势和感生电动势具有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 空间各点的磁性也没有发生变化 而线圈在运动 线圈中的电动势是动生的 但是 如果在相对于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 线圈中的电动势又是感生的 在这种情况下 究竟把电动势看做是动生的还是感生的 决定于观察者所在参考系 1 并不是在任何情况下都能通过转换参考系把一种电动势归结为另一种电动势 2 不管对哪一种电动势 法拉第电磁感应定律 楞次定律都成立 3 若在磁场变化的同时导体也做切割磁感线运动 则两种电动势可同时存在 例1如图所示 内壁光滑 水平放置的玻璃圆管内 有一直径略小于圆管直径的带正电的小球 以速率v0沿逆时针方向匀速转动 若在此空间突然加上方向竖直向上 磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场 设运动过程中小球带电荷量不变 那么 A 小球对玻璃圆管的压力一定不断增大B 小球所受的磁场力一定不断增大C 小球先沿逆时针方向减速运动 过一段时间后沿顺时针方向加速运动D 磁场力对小球一直不做功答案 CD 分析 变化的磁场将产生感生电场 这种感生电场由于其电场线是闭合的 也称为涡旋电场 其场强方向可借助电磁感应现象中感应电流方向的判定方法 使用楞次定律判断 解析 当磁场增强时 会产生顺时针方向的涡旋电场 电场力先对小球做负功使其速度减为零 后对小球做正功使其沿顺时针方向做加速运动 所以C正确 磁场力始终与小球运动方向垂直 因此始终对小球不做功 D正确 反思提升 本题有一定的综合性 解题的关键是判断出感生电场的方向 由感生电场与感应电流的方向关系 楞次定律以及右手螺旋定则可知 在小球轨道处产生一稳定的感生电场 带电小球既受洛伦兹力又受电场力的作用 变式训练1 1如图所示 是一电子感应加速器的示意图 实线表示通电螺线管的横截面 线圈中通以如图所示电流 线圈内产生匀强磁场 电子垂直磁场进入后在该磁场中沿虚线做匀速圆周运动 当螺线管中电流I增大时 电子的动能将 填 增大 减小 或 不变 答案 增大 解析 当螺线管中通以如图所示的恒定电流时 管内产生垂直纸面向内的匀强磁场 当电子垂直于磁场射入时 就可在磁场内做顺时针方向的匀速圆周运动 当螺线管中电流增大时 磁场的磁感应强度增大 变化的磁场在周围会引起电场 这个电场的电场线是一些以螺线管轴线为中心的同心圆 方向为逆时针 电子处在这个由变化的磁场产生的电场中 受电场力作用而被加速 故动能增大 例2如图所示 为地磁场磁感线的示意图 在北半球地磁场的竖直分量向下 飞机在我国上空匀速巡航 机翼保持水平 飞行高度不变 由于地磁场的作用 金属机翼上有电势差 设飞行员左方机翼末端处的电势为 1 右方机翼末端处的电势为 2 则 A 若飞机从西往东飞 1比 2高B 若飞机从东往西飞 2比 1高C 若飞机从南往北飞 1比 2高D 若飞机从北往南飞 2比 1高答案 AC解析 这是一道考查右手定则的题目 要解答好这道题 首先明确用哪只手判断 其次要明确磁场的方向 手的放法 最后要明确拇指 四指应各指什么方向 四指所指的方向应是正电荷积累的方向 该端电势高于另一端 对A选项 磁场竖直分量向下 手心向上 拇指指向飞机飞行方向 四指指向左翼末端 故 1 2 A正确 同理 飞机从东往西飞 仍是 1 2 B错误 从南往北 从北往南飞 都是 1 2 故C选项正确 D选项错误 反思提升 该题中飞机两翼是金属材料 可视为一垂直于飞行方向切割竖直向下的磁感线的导体棒 磁场水平分量对产生电动势无作用 用右手定则时四指所指方向电势高 变式训练2 1如图所示 直导线MN上通过电流I 当其右侧的金属棒ab在金属导轨上向右匀速移动时 绕在铁芯上的线圈AB中的电流的方向为 线圈CD中感应电流的方向为 A点的电势于B点的电势 C点的电势于D点的电势 答案 从A到B从C到D高低 例3如图所示 处于匀强磁场中的平行金属导轨跟大线圈P相接 导轨 导轨的电阻不计 上放一导线ab 大线圈P内有同圆心的闭合小线圈M 要使M中产生顺时针方向的感应电流 导线ab的运动是 A匀速向右运动B 加速向右运动C 减速向右运动D 加速向左运动答案 CD解析 导线ab切割磁感线产生感应电流 在大线圈P中产生磁场 当通过线圈M的磁通量发生变化 M中就产生感应电流 逐项分析如下 反思提升 本题的情景中发生了两次电磁感应 只有ab棒变速 才会产生变化的感应电流 从而在P中产生变化的磁场 穿过M的磁通量变化 就产生第二次电磁感应 这两次电磁感应分别是由切割磁感线和磁通量变化产生的 变式训练3 1如图所示装置中 cd杆原来静止 当ab杆做如下哪些运动时 cd杆将向右移动 A 向右匀速运动B 向右加速运动C 向左加速运动D 向左减速运动答案 BD 解析 ab匀速运动时 ab中感应电流恒定 L1中磁通量不变 穿过L2的磁通量不变化 L2中无感应电流产生 cd保持静止 A不正确 ab向右加速运动时 L2中的磁通量向下 增大 通过cd的电流方向向下 cd向右移动 B正确 同理可得C不正确 D正确 选B D 磁流体发电机磁流体发电机是一种将高温的带电流体 等离子体或液态金属 以极高的速度喷射到磁场中去 利用磁场对带电流体的作用而发电的一种装置 从能量形式看它将化学能变成热能 再将热能直接转化为电能 它与普通火力发电机的主要区别是 在磁流体发电机中 高温高速的带电流体代替了普通火力发电机中的电枢绕组和转动部分 磁流体发电机的构造如下图所示 由燃烧室 发电通道及磁体三个主要部件组成 其中发电通道是磁流体发电机的核心部件 磁流体发电机的主要特点是 发电效率高 环境污染少 实际应用时将它作为热循环系统的第一级 与普通火力发电机组成联合电站 我们知道 常温下的气体是绝缘体 须在6000 以上才能电离 这样的高温是难以达到的 为使气体在较低温度下 3000 左右 就能电离 可在高温燃烧的气体中添加一定比例 1 的容易电离的低电离电位物质 如钾 铯等碱金属化合物 磁流体发电机燃烧室产生的高温等离子体经喷管提高流速 以高温高速进入发电通道 切割磁感线产生电磁感应 并在电极壁的两极上形成电动势 或者说 离子在洛伦兹力的作用下 不断奔向两电极 从而形成电势差对外供电 因为E Blv 所以P 由此可知 利用磁流体发电 只要加快等离子体的喷射速度 增加磁感应强度 就能提高磁流体发电机的功率 磁流体发电机产生的是直流电 须经逆变换器变换成交流电才能并入电网 1 磁场变化时会在空间激发一种电场 如果此时空间存在闭合导体 导体中的自由电荷就会在这种电场的作用下做定向运动 产生感应电流 或者说导体中产生了 在这种情况下 所谓的非静电力就是这种 对自由电荷的作用 2 一段导体在做切割磁感线运动时 相当于一个 这时的非静电力与 有关 1 感应电动势感应电场2 电源洛伦兹力 一 感生电动势1 感应电场19世纪60年代 英国物理学家麦克斯韦在他的电磁场理论中指出 变化的磁场能在周围空间激发电场 我们把这种电场叫感应电场 1 产生如右图所示 当磁场变化时 产生的感应电场的电场线是与磁场方向垂直的曲线 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应电动势 2 方向闭合环形回路 可假定存在 的电流方向就表示感应电场的电场方向 感应电场是否存在仅取决于有无变化的磁场 与是否存在导体及是否存在闭合回路无关 尽管如此 我们要判定感应电场的方向还要依据实际存在的或假定存在的回路结合楞次定律来进行 2 感生电动势的产生由感应电场使导体产生的电动势叫感生电动势 感生电动势在电路中的作用就是充当电源 其电路就是内电路 当它与外电路连接后就会对外电路供电 变化的磁场在闭合导体所在空间产生电场 导体内自由电荷在电场力作用下产生感应电流 或者说导体中产生了感应电动势 由此可见 感生电场就相当于电源内部的所谓的非静电力 对电荷产生力的作用 如下图 a 所示 截面积为0 2m2的100匝圆形线圈A处在变化的磁场中 磁场方向垂直纸面 其磁感应强度B随时间t的变化规律如图 b 所示 设向里为B的正方向 线圈A上的箭头为感应电流I的正方向 R1 4 R2 6 C 30 F 线圈内阻不计 求电容器充电时的电压和2s后电容器放电的电荷量 解析 由题意可知圆形线圈A上产生的感生电动势E nS 100 0 02 0 2V 0 4V 电路中的电流I 0 04A 电容器充电时的电压UC IR2 0 04A 6 0 24V 2s后电容器放电的电荷量Q CUC 30 10 6F 0 24V 7 2 10 6C 答案 0 24V7 2 10 6C 变式迁移 1 某空间出现了如右图所示的闭合的电场 电场线为一簇闭合曲线 这可能是 A 沿AB方向磁场在迅速减弱B 沿AB方向磁场在迅速增加C 沿BA方向磁场在迅速增加D 沿BA方向磁场在迅速减弱 解析 根据电磁感应 闭合回路中的磁通量变化时 使闭合回路中产生感应电流 该电流可用楞次定律判断 根据麦克斯韦电磁理论 闭合回路中产生感应电流 是因为闭合回路中受到了电场力的作用 而变化的磁场产生电场 与是否存在闭合回路没有关系 故空间磁场变化产生的电场方向 仍然可用楞次定律判断 四指环绕方向即为感应电场的方向 由此可知A C正确 答案 AC 二 动生电动势1 动生电动势原因分析导体在磁场中做切割磁感线运动时 产生动生电动势 它是由于导体中自由电子受洛伦兹力作用而引起的 如下图甲所示 一条直导线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F evB F的方向竖直向下 在力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 结果使导体上端D的电势高于下端C的电势 出现由D指向C的静电场 此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 当作用在自由电子上的静电力F 与洛伦兹力F互相平衡时 DC两端便产生了一个稳定的电势差 如果用另外的导线把CD两端连接起来 由于D端电势比C端高 自由电子在静电力的作用下将在导线框中沿顺时针方向流动 形成逆时针方向的感应电流如图乙所示 电荷的流动使CD两端积累的电荷减少 洛伦兹力又不断地使电子从D端运动到C端 从而在CD两端维持一个稳定的电动势 可见 运动的导体CD就是一个电源 D端为正极 C端为负极 自由电子受洛伦兹力的作用 从D端被搬运到C端 也可以看作是正电荷受洛伦兹力的作用从C端搬运到D端 这里 洛伦兹力就相当于电源中的非静电力 根据电动势的定义 电动势等于单位正电荷从负极通过电源内部移动到正极非静电力所做的功 作用在单位正电荷上的洛伦兹力F vB于是 动生电动势就是E Fl Blv上式与法拉第电磁感应定律得到的结果一致 2 动生电动势与感生电动势的区别 1 相当于电源的部分不同由于导体运动而产生电动势时 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的电动势 是由于导体线框本身的面积发生变化而产生的 所以 B S 而感生电动势 是由于 B引起的 所以 B S 如图甲所示 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 一根质量为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为B的匀强磁场中 磁场方向垂直斜面向下 导轨和金属杆的电阻可忽略 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 1 由b向a方向看到的装置如图乙所示 请在此图中画出ab杆下滑过程中某时刻的受力示意图 2 在加速下滑过程中 当ab杆的速度大小为v时 求此时ab杆中的电流及其加速度的大小 3 求在下滑过程中 ab杆可以达到的最大速度 答案 1 重力mg 方向竖直向下 支持力FN 方向垂直斜面向上 安培力F 方向平行斜面向上 如右图所示 变式迁移 2 如右图所示 水平地面上方有正交的匀强电场E和匀强磁场B 电场方向竖直向下 磁场方向垂直纸面向外 等腰三角形的金属框由底边呈水平位置开始沿竖直平面的电磁场中由静止开始下落 下落过程中三角形平面始终在竖直平面内 不计阻力 a b落到地面的次序是 A a先于bB b先于aC a b同时落地D 无法判断 解析 本题考查由楞次定律判定感应电动势的方向 本题关键是用楞次定律判定感应电动势的方向 并理解感应电动势的正 负极是聚集着正 负电荷 当 abc线框下落时 闭合回路中磁通量没有发生变化 回路不产生感应电流 但由于各边都在切割磁感线 所以会产生感应电动势 根据楞次定律 可以判定出a点的电势高 是电源的正极 B点的电势低 是电源的负极 a点聚集着多余的正电荷 b点聚集着负电荷 a点的正电荷受到的电场力向下 使a点加速度 g b点的负电荷受到的电场力向上 使b点加速度 g 故a点先落地 故正确答案为A 答案 A 三 电磁感应中的能量问题电磁感应现象中总是伴随着能量的转化和守恒 当外力克服安培力做多少功时 就有多少其他形式的能转化为电能 当安培力做多少正功时 就有多少电能转化为其他形式的能 例如 将条形磁铁插入或拔出闭合的螺线管的相对运动 阻碍不等于阻止 相对运动继续进行 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 再如导体切割磁感线产生感应电流会受到安培力的作用 安培力的方向与推动导体运动的外力方向是相反的 推动力克服安培力做功 以电流的形式使导线及环境的温度升高 如下图所示 水平放置的平行轨道M N间接一阻值为R 0 128 的电阻 轨道宽为L 0 8m 轨道上搭一金属棒ab 其质量m 0 4kg ab与轨道间动摩擦因数为0 5 除R外其余电阻不计 垂直于轨道面的匀强磁场磁感应强度为B 2T ab在一电动机牵引下由静止开始运动 经过2s ab运动了1 2m并达到最大速度 此过程中电动机平均输出功率为8W 最大输出功率为14 4W 求该过程中电阻R上消耗的电能 取g 10m s2 变式迁移 3 如下图所示 固定的水平放置金属导轨 间距为L 左端接有阻值为R的电阻 处在方向竖直 磁感应强度为B的匀强磁场中 质量为m的导体棒与固定的弹簧相连 放在导轨上 导轨与导体棒的电阻均可忽略 初始时刻 弹簧恰处于自然长度 导体棒具有水平向右的初速度v0 在沿导轨往复运动的过程中 导体棒始终与导轨垂直并保持良好接触 1 求初始时刻导体棒受到的安培力 2 若导体棒从初始时刻到速度第一次为零时 弹簧的弹性势能为Ep 则这一过程中安培力所做的功W1和电阻R上产生的焦耳热Q1分别为多少 3 导体棒往复运动 最终将静止于何处 从导体棒开始运动直到最终静止的过程中 电阻R上产生的焦耳热Q为多少 1 如下图所示 金属杆ab以恒定的速率v在光滑平行导轨上向右滑行 设整个电路中总电阻为R 恒定不变 整个装置置于垂直纸面向里的匀强磁场中 下列叙述正确的是 A ab杆中的电流与速率v成正比B 磁场作用于ab杆的安培力与速率v成正比C 电阻R上产生的电热功率与速率v的平方成正比D 外力对ab杆做功的功率与速率v的平方成正比 基础巩固 7 2011年北京海淀 水平面内两光滑的平行金属导轨 左端与电阻R相连接 匀强磁场B竖直向下分布在导轨所在的空间内 质量一定的金属棒垂直于导轨并与导轨接触良好 今对金属棒施加一个水平向右的外力F 使金属棒从a位置开始向右做初速度为零的匀加速运动 依次通过位置b和c 若导轨与金属棒的电阻不计 ab与bc的距离相等 关于金属棒在运动过程中的有关说法正确的是 能力提升 A 金属棒通过b c两位置时 电阻R的电功率之比为1 2B 金属棒通过b c两位置时 外力F的大小之比为1 C 从a到b和从b到c的两个过程中 电阻R上产生的热量之比为1 1D 从a到b和从b到c的两个过程中 通过金属棒横截面的电荷量之比为1 1 安全检查报警器北京奥运会期间 观众入场前都要接受安全检查 下图中是一种手持式安全检查报警器 一靠近金属体 它就会发出报警声 这是为什么呢 原来 在报警器内有一线圈 线圈中通有高频电流 因此线圈周围有着高频的变化磁场 当报警器靠近金属体时 线圈的磁场在金属体中感应出涡电流 涡电流产生的磁场又会穿过线圈 改变线圈中的原磁场 使相关的电子线路产生报警声 祝 您 学业有成 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全