2020版高中物理 第四章 电磁感应 4 法拉第电磁感应定律课件 新人教版选修3-2

4法拉第电磁感应定律一、法拉第电磁感应定律1.感应电动势:(1)定义:在_________现象中产生的电动势。(2)电源:产生感应电动势的那部分_____相当于电源。(3)产生条件:穿过电路的磁通量发生变化,与电路是否闭合_____。电磁感应导体无关2.法拉第电磁感应定律:(1)内容:闭合电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通量的_______成正比,后人称之为法拉第电磁感应定律。(2)表达式:E=____(单匝线圈);E=_____(n匝线圈)。变化率tnt二、导体切割磁感线时的感应电动势1.垂直切割:B、l、v两两垂直时,如图甲所示,E=___。Blv2.不垂直切割:导线的运动方向与导线本身垂直,与磁感线方向夹角为θ时,如图乙所示,则E=____=_________。Blv1Blvsinθ三、反电动势1.定义:电动机转动时,由于切割磁感线,线圈中产生的_____电源电动势作用的感应电动势。2.作用:_____线圈的转动。削弱阻碍【思考辨析】(1)在电磁感应现象中,有感应电动势,就一定有感应电流。()(2)磁通量越大,磁通量的变化量也越大。()(3)穿过某电路的磁通量变化量越大,产生的感应电动势就越大。()(4)闭合电路置于磁场中,当磁感应强度很大时,感应电动势可能为零;当磁感应强度为零时,感应电动势可能很大。()提示:(1)×。不管电路是否闭合,只要穿过电路的磁通量发生变化,电路中就会产生感应电动势;有感应电动势不一定存在感应电流(要看电路是否闭合),有感应电流一定存在感应电动势。(2)×。Φ与ΔΦ的大小没有直接关系。穿过一个平面的磁通量大,磁通量的变化量不一定大。(3)×。感应电动势的大小取决于磁通量的变化率,而与Φ、ΔΦ的大小没有必然的联系。(4)√。根据法拉第电磁感应定律,感应电动势的大小取决于磁通量的变化率而不是磁通量的大小,所以上述两种情况均有可能。一法拉第电磁感应定律考查角度1对法拉第电磁感应定律的理解【典例1】对于法拉第电磁感应定律E=下面理解正确的是世纪金榜导学号()A.穿过线圈的磁通量越大,感应电动势越大nt，B.穿过线圈的磁通量为零,感应电动势一定为零C.穿过线圈的磁通量变化越大,感应电动势越大D.穿过线圈的磁通量变化越快,感应电动势越大【正确解答】选D。根据E=可知,穿过线圈的磁通量变化越快,感应电动势越大,故选项D正确,A、B、C错误。nt【核心归纳】1.磁通量Φ、磁通量的变化量ΔΦ及磁通量的变化率的比较:t磁通量Φ磁通量的变化量ΔΦ磁通量的变化率物理意义某时刻穿过磁场中某个面的磁感线条数在某一过程中穿过某个面的磁通量的变化量穿过某个面的磁通量变化的快慢t磁通量Φ磁通量的变化量ΔΦ磁通量的变化率当B、S互相垂直时,大小计算Φ=BS⊥t21BSSB21||tSBttBSt磁通量Φ磁通量的变化量ΔΦ磁通量的变化率注意若穿过某个面有方向相反的磁场,则不能直接用Φ=BS。应考虑相反方向的磁通量或抵消以后所剩余的磁通量开始和转过180°时平面都与磁场垂直,但穿过平面的磁通量是不同的,一正一负,ΔΦ=2BS,而不是零既不表示磁通量的大小,也不表示变化的多少。在Φ-t图像中,可用图线的斜率表示t2.公式E=n的理解:感应电动势的大小由磁通量变化的快慢,即磁通量变化率决定,与磁通量Φ、磁通量变化量ΔΦ无关。tt考查角度2法拉第电磁感应定律的应用【典例2】如图甲所示,一个圆形线圈匝数n=1000匝、面积S=2×10-2m2、电阻r=1Ω。在线圈外接一阻值为R=4Ω的电阻。把线圈放入一个匀强磁场中,磁场方向垂直线圈平面向里,磁场的磁感应强度B随时间变化规律如图乙所示。求:世纪金榜导学号(1)0～4s内,回路中的感应电动势。(2)t=5s时,a、b两点哪点电势高。(3)t=5s时,电阻R两端的电压U。【正确解答】(1)根据法拉第电磁感应定律得,0～4s内,回路中的感应电动势E=n=1000×V=1V(2)t=5s时,磁感应强度正在减弱,根据楞次定律,感应电流的磁场方向与原磁场方向相同,即感应电流产生的磁场方向是垂直纸面向里,故a点的电势高。t20.40.2)2104（(3)在t=5s时,线圈的感应电动势为E′=n=1000×V=4V根据闭合电路欧姆定律得电路中的电流为I==0.8A故电阻R两端的电压U=IR=0.8×4V=3.2V答案:(1)1V(2)a点的电势高(3)3.2Vt2|00.4|2102E4ARr41【核心归纳】运用E=n求解的三种思路:(1)磁感应强度B不变,垂直于磁场的回路面积S发生变化,则E=nB(2)垂直于磁场的回路面积S不变,磁感应强度B发生变化,则E=nSt|S|t。|B|t。(3)磁感应强度B、垂直于磁场的回路面积S均发生变化,则E=n21||t。【过关训练】1.(2019·济南高二检测)当线圈中的磁通量发生变化时,下列说法中正确的是()A.线圈中一定有感应电流B.线圈中一定有感应电动势,其大小与磁通量成正比C.线圈中一定有感应电动势,其大小与磁通量的变化量成正比D.线圈中一定有感应电动势,其大小与磁通量的变化率成正比【解析】选D。当线圈中的磁通量发生变化时,若线圈是闭合的,则有感应电流,若不闭合,则无感应电流。有感应电动势,根据法拉第电磁感应定律E=N知感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比,故A、B、C错误,D正确。t2.如图甲所示的螺线管,匝数n=1500匝,横截面积S=20cm2,方向向右穿过螺线管的匀强磁场的磁感应强度按图乙所示规律变化。则(1)2s内穿过线圈的磁通量的变化量是多少?(2)磁通量的变化率多大?(3)线圈中感应电动势大小为多少?【解析】(1)磁通量的变化量是由磁感应强度的变化引起的,则Φ1=B1S,Φ2=B2S,ΔΦ=Φ2-Φ1,所以ΔΦ=ΔBS=(6-2)×20×10-4Wb=8×10-3Wb(2)磁通量的变化率为=4×10-3Wb/s(3)根据法拉第电磁感应定律得感应电动势的大小E=n=1500×4×10-3V=6.0V3810Wb/st2t答案:(1)8×10-3Wb(2)4×10-3Wb/s(3)6.0V【补偿训练】穿过一个单匝闭合线圈的磁通量始终为每秒均匀增加1Wb,则()A.线圈中感应电动势每秒增加1VB.线圈中感应电动势每秒减小1VC.线圈中感应电动势始终为1VD.线圈中感应电动势始终为一个确定值,但由于线圈有电阻,电动势小于1V【解析】选C。磁通量始终保持每秒均匀地增加1Wb,则E=n=1V,知线圈中的感应电动势始终为1V,与线圈的电阻无关,故C正确,A、B、D错误。t二导体切割磁感线时产生的感应电动势考查角度1导体平动切割磁感线【典例1】(2015·海南高考)如图,空间有一匀强磁场,一直金属棒与磁感应强度方向垂直,当它以速度v沿与棒和磁感应强度都垂直的方向运动时,棒两端的感应电动势大小为E,将此棒弯成两段长度相等且相互垂直的折弯,置于与磁感应强度相垂直的平面内,当它沿两段折线夹角平分线的方向以速度v运动时,棒两端的感应电动势大小为E′,则等于()世纪金榜导学号A.B.C.1D.EE12222【正确解答】选B。若直金属棒的长为L,则弯成折线后,有效切割长度为L。根据E=Blv可知感应电动势的大小与有效切割长度成正比,故=,B正确。22EE22【核心归纳】导体平动切割磁感线产生的感应电动势(1)对公式E=Blvsinθ的理解:①该公式可看成法拉第电磁感应定律的一个推论,通常用来求导线运动速度为v时的瞬时感应电动势,随着v的变化,E也相应变化;若v为平均速度,则E也为平均感应电动势。②当B、l、v三个量方向互相垂直时,θ=90°,感应电动势最大,E=Blv;当有任意两个量的方向互相平行时,θ=0°,感应电动势为零,E=0。(2)有效长度:E=Blv中的l应理解为导体切割磁感线时的有效长度,导体切割磁感线的情况应取与B和v垂直的等效导体长度。考查角度2导体转动切割磁感线【典例2】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:世纪金榜导学号(1)ab棒各点的平均速率。(2)ab两端的电势差。(3)经时间Δt金属棒ab所扫过面积中磁通量为多少?此过程中平均感应电动势多大?【正确解答】(1)ab棒各点的平均速率(2)ab两端的电势差:E=(3)经时间Δt金属棒ab所扫过的扇形面积为ΔS,则:ΔS=l2θ=l2ωΔtΔΦ=BΔS=Bl2ωΔt。abvv01v222ll21BvB2ll121212由法拉第电磁感应定律得:答案:(1)ωl(2)Bl2ω(3)Bl2ωΔtBl2ω221Bt12EBtt2。ll12121212【核心归纳】导体转动切割磁感线产生的感应电动势当导体绕一端转动时如图所示,由于导体上各点的速度不同,自圆心向外随半径增大,速度是均匀增加的,所以导体运动的平均速度为由公式E=得,E=B·l·v022，llBvl21B22。ll【过关训练】1.如图所示,导体AB的长为2R,绕O点以角速度ω匀速转动,OB为R,且OBA三点在一条直线上,有一磁感应强度为B的匀强磁场,充满转动平面且与转动平面垂直,那么AB两端的电势差为()A.B.2BωR2C.4BωR2D.6BωR22BR2【解析】选C。AB两端的电势差大小等于金属棒AB中感应电动势E=B·2R·=B·2R·=4BωR2,故选C。R3R2v2.如图所示,有导线ab长0.2m,在磁感应强度为0.8T的匀强磁场中,以3m/s的速度做切割磁感线运动,导线垂直磁感线,运动方向跟磁感线及直导线均垂直。磁场的有界宽度L=0.15m,则导线中的感应电动势大小为()A.0.48VB.0.36VC.0.16VD.0.6V【解析】选B。导线切割磁感线产生的感应电动势:E=BLv=0.8×0.15×3V=0.36V;其中L为导体棒在磁场中的有效长度,故选B。3.(多选)如图所示,一个金属圆环放在匀强磁场中,将它匀速拉出磁场,下列说法中正确的是(不计重力)()世纪金榜导学号A.环中感应电流的方向是顺时针方向B.环中感应电流的强度大小不变C.所施加水平拉力的大小不变D.若将此环向左拉出磁场,则环中感应电流的方向也是顺时针方向【解析】选A、D。环向右拉出的过程中,在磁场中的部分切割磁感线,相当于电源,故根据右手定则,可以判断出感应电流的方向是顺时针方向,或向右拉出的过程中,环中的磁通量在减少,所以根据楞次定律可以判断出环中电流的方向是顺时针方向,A正确;因为是匀速拉出,所以拉力的大小应等于环受到的安培力的大小,环中的电流是先增大后减小,切割磁感线的有效长度也是先增大后减小,所以安培力是先增大后减小,故拉力是先增大后减小,B、C错误;若将环向左拉出磁场,环中的磁通量在减少,根据楞次定律可以判断出环中感应电流的方向也是顺时针方向,D正确。三电磁感应中的电路问题考查角度1公式E=在电路中的应用【典例1】如图所示,面积为0.2m2的100匝线圈处在匀强磁场中,磁场方向垂直于线圈平面。已知磁感应强度随时间变化的规律为B=(2+0.2t)T,定值电阻R1=6Ω,线圈电阻R2=4Ω,求:世纪金榜导学号t(1)磁通量变化率,回路的感应电动势。(2)a、b两点间电压Uab。【解题探究】(1)B=(2+0.2t)T能给我们提供什么信息?提示:可得磁感应强度变化率=0.2T/s,由此再进一步求出磁通量变化率和感应电动势。Bt(2)回路中哪部分是电源?哪部分是外电路?提示:回路中处于变化的磁场中的a、b左侧线圈为电源,右侧定值电阻R1为外电路。(3)怎样求电源的路端电压?提示:利用闭合电路欧姆定律和部分电路欧姆定律。【正确解答】(1)由B=(2+0.2t)T得=0.2T/s故=0.04Wb/