高考物理总复习 第9章 第2讲 法拉第电磁感应定律及其应用课件 新人教版

第九章电磁感应第二讲法拉第电磁感应定律及其应用1考纲展示1.法拉第电磁感应定律(Ⅱ)2.自感、涡流(Ⅰ)复习目标1.理解法拉第电磁感应定律的内容，掌握利用其表达式计算感应电动势大小的方法．2.会用E＝Blvsinθ计算导体切割磁感线时感应电动势大小．3.了解自感、涡流现象，会分析与自感、涡流有关的问题.知识点一法拉第电磁感应定律1．感应电动势在中产生的电动势叫做感应电动势，产生感应电动势的那部分导体相当于．电磁感应现象电源感应电动势的方向为电源内部感应电流的方向，由电源的“－”极指向“＋”极，可根据楞次定律或右手定则判断．2．法拉第电磁感应定律(1)内容：感应电动势的大小跟穿过这一电路的成正比．(2)公式：E＝，其中n为线圈匝数．(3)单位：伏特，1V＝1Wb/s.磁通量的变化率nΔΦΔt1．决定感应电动势大小的因素感应电动势E的大小决定于穿过电路的磁通量的变化率ΔΦΔt和线圈的匝数n.而与磁通量的大小、磁通量变化量ΔΦ的大小无必然联系．2．磁通量变化通常有两种方式(1)磁感应强度B不变，垂直于磁场的回路面积发生变化，此时E＝nBΔSΔt；(2)垂直于磁场的回路面积不变，磁感应强度发生变化，此时E＝nΔBΔtS，其中ΔBΔt是B­t图象的斜率．1．(2011·广东高考)将闭合多匝线圈置于仅随时间变化的磁场中，线圈平面与磁场方向垂直，关于线圈中产生的感应电动势和感应电流，下列表述正确的是()A．感应电动势的大小与线圈的匝数无关B．穿过线圈的磁通量越大，感应电动势越大C．穿过线圈的磁通量变化越快，感应电动势越大D．感应电流产生的磁场方向与原磁场方向始终相同解析：根据法拉第电磁感应定律可知感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比，即磁通量变化越快，感应电动势越大，选项C正确；根据楞次定律可知，当原磁场减小时，感应电流的磁场才与其方向相同，选项D错误．答案：C知识点二导体切割磁感线产生感应电动势导体棒切割磁感线时的三种情形：切割方式电动势表达式说明垂直切割倾斜切割E＝其中θ为v与B的夹角旋转切割(以一端为轴)E＝①导体棒与磁场方向垂直②磁场为匀强磁场E＝BlvBlvsinθ12Bl2ω1．切割磁感线的两种情形(1)导体平动切割磁感线对于导体平动切割磁感线产生感应电动势的计算式E＝Blv，应从以下几个方面理解和掌握．①使用条件：磁场是匀强磁场，B、l、v三者相互垂直．实际问题中当它们不相互垂直时，应取垂直的分量进行计算，公式可为E＝Blvsinθ，θ为B与v方向间的夹角．②使用范围：导体平动切割磁感线时，若v为平均速度，则E为平均感应电动势，即E＝Blv.若v为瞬时速度，则E为相应的瞬时感应电动势．③有效性：公式中的l为有效切割长度，即导体与v垂直的方向上的投影长度．图中有效长度分别为：甲图：l＝cdsinβ；乙图：沿v1方向运动时，l＝MN；沿v2方向运动时，l＝0.丙图：沿v1方向运动时，l＝2R；沿v2方向运动时，l＝0；沿v3方向运动时，l＝R.④相对性：E＝Blv中的速度v是相对于磁场的速度，若磁场也运动，应注意速度间的相对关系．(2)导体转动切割磁感线如图所示，导体棒在垂直于磁场的平面内绕棒的一端转动，则感应电动势大小可利用E＝Blv和棒上各点速度的平均值v＝lω2求得E＝Blv＝12Bl2ω，2．公式E＝nΔΦΔt与E＝BLvsinθ比较两个公式项目E＝nΔΦΔtE＝BLvsinθ(1)求的是Δt时间内的平均感应电动势，E与某段时间或某个过程相对应(1)求的是瞬时感应电动势，E与某个时刻或某个位置相对应(2)求的是整个回路的感应电动势，而不是回路中某部分导体的电动势，整个回路的感应电动势为零时，其回路某段导体的感应电动势不一定为零(2)求的是回路中一部分导体切割磁感线时产生的感应电动势区别(3)由于是整个回路的感应电动势，因此电源部分不容易确定(3)由于是由一部分导体切割磁感线的运动产生的，该部分就相当于电源联系公式E＝nΔΦΔt和E＝BLvsinθ本质上是一致的，当Δt→0时，E为瞬时感应电动势，而公式E＝BLvsinθ的v若代入v，则求出的E为平均感应电动势2．某地的地磁场磁感应强度的竖直分量方向向下，大小为4.5×10－5T.一灵敏电压表连接在当地入海河段的两岸，河宽100m，该河段涨潮和落潮时有海水(视为导体)流过．设落潮时，海水自西向东流，流速为2m/s.下列说法正确的是()A．电压表记录的电压为5mVB．电压表记录的电压为9mVC．河南岸的电势较高D．河北岸的电势较高解析：可以将海水视为垂直河岸方向放置的导体平动切割地磁场的磁感线产生感应电动势，由E＝BLv＝9mV，B项正确；由右手定则可知，感应电流方向由南向北，故河北岸的电势较高，D项正确．答案：BD知识点三自感涡流1．自感现象由于通过导体自身的而产生的电磁感应现象．电流变化2．自感电动势(1)定义：在中产生的感应电动势．(2)表达式：.(3)自感系数L①相关因素：与线圈的、形状、以及是否有铁芯有关．②单位：亨利(H)，1mH＝H,1μH＝10－6H.自感现象E＝LΔIΔt大小圈数10－33．涡流(1)定义：当线圈中的电流发生变化时，由于电磁感应，在它附近的任何导体中都会产生电流，这种电流像水中的旋涡，所以称为涡流．(2)应用①涡流可以在金属内产生大量热能，利用这一特点可制造出、治金炉．②涡流在磁场中受到安培力，利用这一特点可应用于电磁和电磁阻尼．感应感应驱动1．通电自感与断电自感的比较通电自感断电自感电路图器材要求A1、A2同规格，R＝RL，L较大L很大(有铁芯)现象在S闭合瞬间，A2灯立即亮起来，A1灯逐渐变亮，最终一样亮在开关S断开时，灯A逐渐熄灭通电自感断电自感原因由于开关闭合时，流过电感线圈的电流迅速增大，使线圈产生自感电动势，阻碍了电流的增大，使流过A1灯的电流比流过A2灯的电流增加得慢断开开关S时，流过线圈L的电流减小，产生自感电动势，阻碍了电流的减小，使电流继续存在一段时间；在S断开后，通过L的电流反向通过电灯A，灯A不会立即熄灭．若RLRA，原来的电流ILIA，则A灯熄灭前要闪亮一下．若RL≥RA，原来的电流IL≤IA，则灯A逐渐熄灭，不再闪亮一下能量转化电能转化为磁场能磁场能转化为电能①通电自感中，线圈中产生的自感电动势阻碍电流的增加，但最终电流仍会达到某一恒定值；断电自感中，线圈中产生的自感电动势阻碍电流的减小，但最终电流仍会减小至零．②自感电动势只是延缓了过程的进行，但它并不能使过程停止．3．如图所示的电路，开关S原先闭合，电路处于稳定状态，在某一时刻突然断开开关S，则通过电阻R1的电流I随时间变化的图象可能是图中的()解析：开关S原先闭合时，电路处于稳定状态，流过R1的电流方向向左，大小为I1，与R1并联的R2和线圈L支路，电流I2的方向也向左，当某一时刻开关S突然断开时，L中向左的电流I2要减小，因自感现象，线圈L产生自感电动势，在回路“L→R1→A→R2”中形成感应电流，电流通过R1的方向与原来相反，变为向右，并从I2开始逐渐减小到零．答案：D如图甲所示，一个电阻值为R、匝数为n的圆形金属线圈与阻值为2R的电阻R1连接成闭合回路，线圈的半径为r1，在线圈中半径为r2的圆形区域内存在垂直于线圈平面向里的匀强磁场，磁感应强度B随时间t变化的关系图线如图乙所示．图线与横、纵轴的截距分别为t0和B0.导线的电阻不计，求0至t1时间内：(1)通过电阻R1上的电流大小和方向；(2)通过电阻R1上的电荷量q及电阻R1上产生的热量．由磁场变化产生的感应电动势问题，只要用法拉第电磁感应定律求出感应电动势，就可以将电磁感应问题等效为电路问题，运用电路有关知识求解．解析：(1)根据法拉第电磁感应定律，电路中产生的感应电动势：E＝nΔΦΔt＝nΔBΔt·S＝n·B0t0πr22通过电阻R1上的电流：I＝ER＋R1＝E3R＝nπB0r223Rt0根据楞次定律，可判定流经电阻R1的电流方向从下往上，即图中从b到a.(2)在0至t1时间内通过电阻R1的电荷量q＝It1＝nπB0r22t13Rt0电阻R1上产生的热量Q＝I2R1t1＝2n2π2B20r42t19Rt20.答案：(1)nπB0r223Rt0方向b→a(2)nπB0r22t13Rt02n2π2B20r42t19Rt201.公式E＝nΔΦΔt是求解回路某段时间内平均电动势的最佳选择．2．用公式E＝nSΔBΔt求感应电动势时，S为线圈在磁场范围内的有效面积．3．通过回路截面的电荷量q仅与n、ΔΦ和回路电阻R有关，与时间长短无关．推导如下：q＝IΔt＝nΔΦΔtRΔt＝nΔΦR.【变式训练】1.半径为r、电阻为R的n匝线圈在边长为l的正方形abcd之外，匀强磁场充满并垂直穿过该正方形区域，如图甲所示．当磁场随时间的变化规律如图乙所示时，则穿过线圈磁通量的变化率为______，t0时刻线圈的感应电流为______．解析：磁通量的变化率为ΔΦΔt＝ΔBΔtS＝B0t0l2根据法拉第电磁感应定律得线圈中的感应电动势E＝nΔΦΔt＝nB0t0l2再根据闭合电路欧姆定律得感应电流I＝nΔΦΔtR＝nB0t0Rl2.答案：B0t0l2nB0t0Rl2(16分)如图所示，水平面上固定一个间距L＝1m的光滑平行金属导轨，整个导轨处在竖直方向的磁感应强度B＝1T的匀强磁场中，导轨一端接阻值R＝9Ω的电阻．导轨上有质量m＝1kg、电阻r＝1Ω、长度也为1m的导体棒，在外力的作用下从t＝0开始沿平行导轨方向运动，其速度随时间的变化规律是v＝2，不计导轨电阻．求：(1)t＝4s时导体棒受到的安培力的大小；(2)请在坐标图中画出电流平方与时间的关系(I2－t)图象，并通过该图象计算出4s时间内电阻R上产生的热量．(1)4s时导体棒的速度是：v＝2t＝4m/s(1分)感应电动势：E＝BLv(2分)感应电流：I＝ER＋r(2分)此时导体棒受到的安培力：F安＝BIL＝0.4N．(3分)(2)由(1)可得：I2＝ER＋r2＝4BLR＋r2t＝0.04t(3分)作出图象如图所示(2分)在极短时间Δt内电阻R上产生的热量为：ΔQ＝I2RΔt由I2t图象可得，4s时间内电阻R上产生的热量为：Q＝×4×0.16×9J＝2.88J，(3分)答案：(1)0.4N(2)2.88J【变式训练】2.如图所示，在光滑水平面上有一长为L1、宽为L2的单匝矩形闭合导体线框abcd，处于磁感应强度为B的有界匀强磁场中，其ab边与磁场的边界重合．线框由同种粗细均匀的导线制成，它的总电阻为R.现用垂直于线框ab边的水平拉力，将线框以速度v向右沿水平方向匀速拉出磁场，此过程中保持线框平面与磁感线垂直，且ab边与磁场边界平行．求线框被拉出磁场的过程中：(1)通过线框的电流；(2)线框中产生的焦耳热；(3)线框中a、b两点间的电压大小．解析：(1)线框被拉出磁场的过程中，产生的感应电动势E＝BL2v，故通过线框的电流I＝ER＝BL2vR.(2)线框被拉出磁场所需时间t＝L1v，此过程线框中产生的焦耳热Q＝I2Rt＝B2L1L22vR.(3)ab边的电阻Rab＝L22L1＋L2R线框中a、b两点间电压的大小U＝IRab＝BL22v2L1＋L2.答案：(1)BL2vR(2)B2L1L22vR(3)BL22v2L1＋L2(2011·北京高考)某同学为了验证断电自感现象，自己找来带铁芯的线圈L、小灯泡A、开关S和电池组E，用导线将它们连接成如图所示的电路．检查电路后，闭合开关S，小灯泡发光；再断开开关S，小灯泡仅有不显著的延时熄灭现象．虽经多次重复，仍未见老师演示时出现的小灯泡闪亮现象，他冥思苦想找不出原因．你认为最有可能造成小灯泡未闪亮的原因是A．电源的内阻较大B．小灯泡电阻偏大C．线圈电阻偏大D．线圈的自感系数较大根据自感电动势的作用及断电后回路的构成进行分析．解析：小灯泡没有出现闪亮现象是因为断电后电路中的小灯泡两端电压太小．因断电后电路与电源脱离关系，线圈与灯泡组成闭合回路，故电源内阻大小对自感无影响，A错误