电磁感应现象的两类情况-人教版高中物理选修3-2讲义

第5节电磁感应现象的两类情况感生电场与感生电动势[探新知·基础练]1．感生电场麦克斯韦认为，磁场变化时会在空间激发一种电场，它与静电场不同，不是由电荷产生的，我们叫它感生电场。2．感生电动势由感生电场产生的感应电动势。3．感生电动势中的非静电力感生电场对自由电荷的作用。4．感生电场的方向判断由磁场的方向和强弱变化，根据楞次定律用安培定则判断。[特别提醒](1)感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的。(2)感生电场的方向可由楞次定律判断。如图所示，当磁场增强时，产生的感生电场是与磁场方向垂直且阻碍磁场增强的电场。(3)感生电场的存在与是否存在闭合电路无关。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．感生电场线是闭合的。()2．磁场变化时，可以产生感生电场，并不需要电路闭合这一条件。()3．感生电场是产生感生电动势的原因。()答案：1.√2.√3.√[释疑难·对点练]感生电动势磁场变化时会在空间激发感生电场，处在感生电场中的闭合导体，导体中的自由电荷在电场力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。由感生电场产生的电动势叫做感生电动势。(1)电路中电源电动势是非静电力对自由电荷的作用。在电池中，这种力表现为化学作用。(2)感生电场对电荷产生的力，相当于电源内部的所谓的非静电力。感生电动势在电路中的作用就是电源。[试身手]1．在按如图所示的四种变化规律的磁场中能产生恒定的感生电场的是()解析：选C据麦克斯韦电磁理论，恒定的感生电场由均匀变化的磁场产生，C对。电磁感应现象中的洛伦兹力[探新知·基础练]1．动生电动势由于导体切割磁感线运动而产生的感应电动势。2．动生电动势中的“非静电力”自由电荷因随导体棒运动而受到洛伦兹力，非静电力与洛伦兹力有关。3．动生电动势中的功能关系闭合回路中，导体棒做切割磁感线运动时，克服安培力做功，其他形式的能转化为电能。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．如图所示，导体棒向右运动切割磁感线时，棒中的电子受的洛伦兹力方向向左。()2．动生电动势中的洛伦兹力起到“非静电力”作用。()3．导体切割磁感线过程，克服安培力做功。()答案：1.×2.√3.√[释疑难·对点练]感生电动势与动生电动势的对比感生电动势动生电动势产生原因磁场的变化导体做切割磁感线运动移动电荷的非静电力感生电场对自由电荷的电场力导体中自由电荷所受洛伦兹力沿导体方向的分力回路中相当于电源的部分处于变化磁场中的线圈部分做切割磁感线运动的导体ΔΦ产生磁场变化产生电动势，ΔΦ是由于导体运动产生电动势，ΔΦ是由的原因磁场变化而产生的，所以ΔΦ＝ΔB·S于导体线框本身的面积发生变化而产生的，所以ΔΦ＝B·ΔS方向判断方法由楞次定律判断通常由右手定则判断，也可由楞次定律判断大小计算方法由E＝nΔΦΔt计算通常由E＝Blvsinθ计算，也可由E＝nΔΦΔt计算[特别提醒]有些情况下，动生电动势和感生电动势具有相对性。例如，将条形磁铁插入线圈中，如果在相对磁铁静止的参考系内观察，线圈运动，产生的是动生电动势；如果在相对线圈静止的参考系中观察，线圈中磁场变化，产生感生电动势。[试身手]2.如图所示为一个水平放置的玻璃圆环形小槽，槽内光滑，槽宽度和深度处处相同。现将一直径略小于槽宽的带正电小球放在槽中，让它获得一初速度v0，与此同时，有一变化的磁场垂直穿过玻璃圆环形小槽外径所对应的圆面积，磁感应强度的大小随时间成正比例增大，方向竖直向下。设小球在运动过程中电荷量不变，则()A．小球受到的向心力大小不变B．小球受到的向心力大小不断增大C．磁场力对小球做了功D．小球受到的磁场力大小与时间成正比解析：选B当磁感应强度的大小随时间均匀增大时，将产生一恒定的感生电场，由楞次定律知，电场方向和小球初速度方向相同，因小球带正电，安培力对小球做正功，小球速度逐渐增大，向心力也随着增大，故A错，B对；洛伦兹力对运动电荷不做功，故C错；带电小球所受洛伦兹力F＝qBv，随着速率的增大而增大，同时B∝t，则F和t不成正比，故D错。感生电场的理解[典例1]某空间出现了如图所示的一组闭合电场线，方向从上向下看是顺时针的，这可能是()A．沿AB方向磁场在迅速减弱B．沿AB方向磁场在迅速增强C．沿BA方向磁场恒定不变D．沿BA方向磁场在迅速减弱[思路点拨]将图中的电场线视为闭合导体回路中的感应电流，用楞次定律和安培定则判断。[解析]感生电场的方向从上向下看是顺时针的，假设在平行感生电场的方向上有闭合回路，则回路中的感应电流方向从上向下看也应该是顺时针的，由右手螺旋定则可知，感应电流的磁场方向向下，根据楞次定律可知，原磁场的情况有两种可能：原磁场方向向下且沿AB方向减弱，或原磁场方向向上，且沿BA方向增强，所以A有可能。[答案]AE＝nΔΦΔt和E＝Blv的选用技巧[典例2]如图甲所示，n＝50匝的圆形线圈M，它的两端点a、b与内阻很大的电压表相连，线圈中磁通量的变化规律如图乙所示，则a、b两点的电势高低与电压表的读数为()A．φa＞φb,20VB．φa＞φb,10VC．φa＜φb,20VD．φa＜φb,10V[思路点拨]感生电动势的大小可由法拉第电磁感应定律计算，方向可由楞次定律判断。产生感生电动势的部分相当于电源。[解析]圆形线圈产生电动势，相当于电源内电路。磁通量均匀增大，由楞次定律知，线圈中感应电流为逆时针方向，又线圈相当于内电路，故φa＞φb；E＝nΔΦΔt＝50×8×0.014×0.1V＝10V，电压表测量的是电源的电动势，即感应电动势。因而电压表的读数为10V。故B正确。[答案]B[典例3]如图所示，导轨OM和ON都在纸面内，导体AB可在导轨上无摩擦滑动，若AB以5m/s的速度从O点开始沿导轨匀速向右滑动，导体与导轨都足够长，它们每米长度的电阻都是0.2Ω，磁场的磁感应强度为0.2T。问：(1)3s末夹在导轨间的导体长度是多少？此时导体切割磁感线产生的感应电动势多大？回路中的电流为多少？(2)3s内回路中的磁通量变化了多少？此过程中的平均感应电动势为多少？[解析](1)夹在导轨间的部分导体切割磁感线产生的电动势即电路中的感应电动势。3s末，夹在导轨间导体的长度为：l＝vt·tan30°＝5×3×tan30°m＝53m此时：E＝Blv＝0.2×53×5V＝53V电路电阻为R＝(15＋53＋103)×0.2Ω≈8.196Ω所以I＝ER≈1.06A。(2)3s内回路中磁通量的变化量ΔΦ＝BS－0＝0.2×12×15×53Wb＝1532Wb3s内电路产生的平均感应电动势为：E＝ΔΦΔt＝523V。[答案](1)53m53V1.06A(2)1532Wb523V1．解题前先弄清楚求瞬时感应电动势还是某一段时间或某一过程中的平均感应电动势。2．一般求某一位置或某一时刻的感应电动势应用瞬时电动势公式求解，如切割磁感线情形用E＝Blv；求某一段时间或某一过程中的感应电动势要用E＝nΔΦΔt，其中Δt为对应的这段时间。导体棒转动切割磁感线产生感应电动势的计算如图所示，一长为l的导体棒在磁感应强度为B的匀强磁场中绕其一端以角速度ω在垂直于磁场的平面内匀速转动，棒OA两端产生的感应电动势E＝12Bωl2。O点速度vO＝0，A点速度vA＝ωl，则由公式E＝Blv，其中v取棒的平均速度，得E＝Bl·12ωl＝12Bωl2。[典例4]长为l的金属棒ab以a点为轴在垂直于匀强磁场的平面内以角速度ω做匀速转动，如图所示，磁感应强度为B。求：(1)金属棒ab的平均速率；(2)a、b两端的电势差；(3)经时间Δt金属棒ab所扫过面积中的磁通量为多少；此过程中平均感应电动势为多大。[解析](1)金属棒ab的平均速率v＝va＋vb2＝0＋ωl2＝12ωl。(2)a、b两端的电势差：Uab＝E＝Blv＝12Bl2ω。(3)经时间Δt金属棒ab所扫过的扇形面积为ΔS，则：ΔS＝12l2θ＝12l2ωΔt，ΔΦ＝BΔS＝12Bl2ωΔt。由法拉第电磁感应定律得：E＝ΔΦΔt＝12Bl2ωΔtΔt＝12Bl2ω。[答案](1)12ωl(2)12Bl2ω(3)12Bl2ωΔt12Bl2ω[课堂对点巩固]1．(多选)在空间某处存在一变化的磁场，则()A．在磁场中放一闭合线圈，线圈中一定会产生感应电流B．在磁场中放一闭合线圈，线圈中不一定会产生感应电流C．在磁场中不放闭合线圈，在变化的磁场周围一定不会产生电场D．在磁场中放不放闭合线圈，在变化的磁场周围一定会产生电场解析：选BD由产生感应电流的条件知，闭合线圈的磁通量发生变化时才能产生感应电流，如果线圈平面与磁场方向平行时，则无感应电流产生，故A错误，B正确；由麦克斯韦电磁场理论知感应电场的产生与磁场周围是否有闭合线圈无关，故C错误，D正确。2．(多选)下列说法中正确的是()A．感生电场是由变化的磁场产生B．恒定的磁场也能在周围空间产生感生电场C．感生电场的方向也同样可以用楞次定律和右手螺旋定则来判定D．感生电场的电场线是闭合曲线，其方向一定是沿逆时针方向解析：选AC磁场变化时在空间激发感生电场，其方向与所产生的感应电流方向相同，可由楞次定律和右手螺旋定则判断，A、C项正确。3.如图所示，设有界匀强磁场的磁感应强度B＝0.10T，方向竖直向下，矩形导线框abcd的边长Lab＝60cm，Lbc＝40cm，线框的电阻R＝0.50Ω，其ad边在磁场外。当线框向右水平匀速运动的速度为5.0m/s时，求：(1)线框中感应电动势的大小；(2)线框中感应电流的大小。解析：(1)线框向右水平运动过程中，只有bc边切割磁感线，并且B、L、v两两垂直，所以线框中感应电动势的大小为E＝BLbcv＝0.10×0.40×5.0V＝0.20V。(2)由闭合电路欧姆定律得感应电流大小为I＝ER＝0.200.50A＝0.40A。答案：(1)0.20V(2)0.40A4.如图所示，边长为a的正方形闭合线框ABCD在匀强磁场中绕AB边匀速转动，磁感应强度为B，初始时刻线框所在平面与磁感线垂直，经过t时刻转过120°角，求：(1)线框内感应电动势在t时间段内的平均值；(2)转过120°角时感应电动势的瞬时值。解析：(1)设初始时刻线框向纸外的一面为正面，此时磁通量Φ1＝－Ba2，磁感线从反面穿入，t时刻后Φ2＝12Ba2，磁感线从正面穿出，磁通量的变化量为ΔΦ＝3Ba22，则E＝ΔΦΔt＝3Ba22t。(2)感应电动势的瞬时值为E＝Blvsinθ，v＝2πa3t，θ＝120°，所以E＝3πBa23t。答案：(1)3Ba22t(2)3πBa23t­­­­­­­­­­­­­­­[课堂小结]­­­­­­­­­­­­­­­电磁感应现象的两类情况感生电动势感生电场感生电动势的方向感生电动势的大小：E＝nΔΦΔt动生电动势电磁感应中的洛伦兹力电场力与洛伦兹力平衡动生电动势大小：E＝BlvB与v垂直方向：右手定则