2020版高中物理 第四章 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[学习目标]1.知道什么是感应电动势.2.理解和掌握法拉第电磁感应定律的内容和表达式,会用法拉第电磁感应定律解答有关问题.3.掌握导体切割磁感线产生的电动势E=Blvsinθ的推导及意义,会用此关系式解答有关问题.4.知道反电动势的定义和作用.课前预习掌握新知知识梳理一、法拉第电磁感应定律1.感应电动势(1)在现象中产生的电动势.(2)产生感应电动势的那部分导体相当于.(3)在电磁感应现象中,只要闭合回路中有感应电流,这个回路就一定有;回路断开时,虽然没有感应电流,但依然存在.2.磁通量的变化率磁通量的变化率表示变化的快慢,用表示,其中ΔΦ表示磁通量的变化量,Δt表示发生磁通量变化所用的时间.电磁感应电源电动势电动势磁通量t3.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.变化率(2)表达式:E=(单匝线圈),E=(多匝线圈).(3)在国际单位制中,磁通量的单位是,感应电动势的单位是.二、导线切割磁感线产生的感应电动势1.导线垂直于磁场运动,B,l,v两两垂直时,如图(甲)所示,E=.tnt韦伯伏特Blv2.导线的运动方向与导线本身垂直,但与磁感线方向夹角为θ时,如图(乙)所示,E=.Blvsinθ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电动势.2.作用:反电动势的作用是线圈的转动.如果要使线圈维持原来的转动,电源就要向电动机提供能量,此时,电能转化为其他形式的能.削弱阻碍科学思维1.思考判断(1)穿过某闭合线圈的磁通量的变化量越大,产生的感应电动势就越大.()×(2)感应电动势的方向可用右手定则或楞次定律判断.()(3)穿过闭合回路的磁通量最大时,其感应电动势一定最大.()(4)导体棒在磁场中运动速度越大,产生的感应电动势一定越大.()(5)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.()(6)电动机工作中由于机械阻力过大而停止转动,就没有了反电动势,线圈中的电流就会很大,很容易烧毁电动机.()√××√√2.思维探究(1)感应电动势的大小与Φ或ΔΦ的大小有没有关系?Φ的大小与n有没有关系?答案:感应电动势E的大小与Φ或ΔΦ的大小没有关系.Φ的大小与n没有关系.(2)如图所示,一边长为L的正方形导线框abcd垂直于磁感线,以速度v在匀强磁场中向右运动,甲同学说:由法拉第电磁感应定律可知,这时穿过线框的磁通量的变化率为零,所以线框中感应电动势应该为零.乙同学说:线框中ad和bc边均以速度v做切割磁感线运动,由E=BLv可知,这两条边都应该产生电动势且Ead=Ebc=BLv.他们各执一词,到底谁说得对呢?答案:这两个同学说的并不矛盾,虽然ad边与bc边都产生感应电动势,但由于方向相反,相当于两个电源并联没有对外供电,所以整个回路的电动势为零.可见,用法拉第电磁感应定律求出的是整个回路的感应电动势,而用E=BLv求的是回路中做切割磁感线的那部分导体产生的电动势.(3)电动机工作时,加在电动机上的电压U和流经电动机的电流I及电动机线圈电阻r三者之间是否满足I=Ur?答案:电动机转动时其线圈中要产生一个反电动势U′,加在线圈电阻上的电压Ur远小于U,所以I=Ur不成立.此时线圈中的电流I=UUr.课堂探究突破要点要点一法拉第电磁感应定律的理解[探究导学]如图所示,将一条形磁铁插入线圈中时,电流表的指针要发生偏转.(1)将磁铁分别快速与缓慢插入线圈中,哪种情况下电流表的指针偏转角度大?(2)将磁铁分别快速与缓慢插入线圈中,哪种情况下磁通量的变化率大?(3)磁通量的变化率的大小与感应电流的大小有什么关系?答案:(1)磁铁快速插入时电流表指针偏转角度大.(2)磁铁快速插入时磁通量的变化率大.(3)磁通量的变化率越大则感应电流越大.[要点归纳]1.理解感应电动势E=nt的相关因素(1)感应电动势E的大小取决于穿过电路的磁通量的变化率t和匝数n,而与Φ的大小、ΔΦ的大小没有必然的关系.(2)感应电动势E的大小与电路的电阻R也无关,但感应电流的大小I与E及回路总电阻R都有关.(3)E=nt只表示感应电动势的大小,不涉及其正负,计算时ΔΦ应取绝对值.感应电流的方向,可以用楞次定律去判定.2.E=nt一般用来求出的是Δt时间内的平均感应电动势.其中ΔΦ总是取绝对值.3.磁通量的变化率t在Φ-t图象上是某点切线的斜率.4.感应电动势E=nt的两种基本形式(1)当垂直于磁场方向的线圈面积S不变,磁感应强度B发生变化时,ΔΦ=ΔB·S,则E=nBtS,其中Bt叫磁感应强度B的变化率.(2)当磁感应强度B不变,垂直于磁场方向的线圈面积S发生变化时,ΔΦ=B·ΔS,则E=nBSt.[例1]一个200匝、面积为20cm2的线圈,放在磁场中,磁场的方向与线圈平面成30°角,若磁感应强度在0.05s内由0.1T增加到0.5T.(1)在此过程中磁通量变化了多少?磁通量的平均变化率是多少?解析:(1)磁通量的变化量是由磁场的变化引起的,所以ΔΦ=ΔB·Ssinθ=(0.5-0.1)×20×10-4×0.5Wb=4×10-4Wb.磁通量的平均变化率为t=44100.05Wb/s=8×10-3Wb/s.核心点拨:(1)磁通量的变化量ΔΦ=Φ2-Φ1,即末态磁通量减去初态磁通量.答案:(1)4×10-4Wb8×10-3Wb/s(2)线圈中感应电动势的大小是多少?解析:(2)根据法拉第电磁感应定律求得感应电动势的大小E=nt=200×8×10-3V=1.6V.答案:(2)1.6V核心点拨:(2)利用法拉第电磁感应定律E=nt求感应电动势.学霸笔记理解Φ,ΔΦ与t的注意点(1)磁通量Φ、磁通量的变化量ΔΦ与磁通量的变化率t与线圈匝数n无关,穿过一匝线圈和穿过n匝线圈是一样的.(2)磁通量Φ和磁通量的变化率t没有直接关系.Φ很大时,t可能很小,也可能很大;Φ=0时,t可能不为0.(教师备用)例1-1:如图所示,半径为r的金属环绕通过其直径的轴OO′以角速度ω匀速转动,匀强磁场的磁感应强度为B.从金属环的平面与磁场方向平行时开始计时,在转过30°角的过程中,金属环中产生的电动势的平均值为()CA.2Bωr2B.23Bωr2C.3Bωr2D.33Bωr2解析:开始时,Φ1=0,金属环转过30°时,Φ2=BSsin30°=12Bπr2,故ΔΦ=Φ2-Φ1=12Bπr2,Δt==π6=π6.根据E=t得,金属环中电动势的平均值E=3Bωr2,选项C正确.[针对训练1-1](2019·湖南师大附中期末)关于法拉第电磁感应定律,下面说法正确的是()A.线圈中的磁通量变化越大,线圈中产生的感应电动势就越大B.线圈中的磁通量变化越快,线圈中产生的感应电动势就越大C.线圈中的磁通量越大,线圈中产生的感应电动势就越大D.线圈放在磁场越强的地方,线圈中产生的感应电动势就越大B解析:根据法拉第电磁感应定律E=nt得感应电动势的大小跟磁通量的变化率成正比.磁通量变化越大,因不知磁通量的变化时间,则t不一定越大,故A错误;磁通量变化的快慢用t表示,磁通量变化得快,则t比值就大,根据法拉第电磁感应定律知产生的感应电动势就越大,故B正确;磁通量越大,是Φ大,但ΔΦ及t不一定大,故C错误;在磁感应强度越强的磁场中可能没有磁通量的变化,则感应电动势可能为零,故D错误.要点二法拉第电磁感应定律的应用[探究导学]如图是某同学设计的用来测定风速的简易装置.当风吹动叶轮转动时,叶轮会带动磁铁转动;磁铁转动会使线圈产生感应电流,感应电流越大交流电表的读数越大.(1)根据你所学的知识判断这个装置能用来测量风速吗?(2)交流电表的读数越大说明风速越大.这是为什么?答案:(1)能用来测量风速.(2)风速越大,磁铁转动越快,则线圈中产生的感应电动势就越大,从而感应电流越大,那么交流电表的读数就越大.[要点归纳]1.在电磁感应现象中,切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路将产生感应电动势.若回路闭合,则产生感应电流,感应电流引起热效应等,所以电磁感应问题常与电路知识综合考查.2.一个常用的结论:q=nR电磁感应现象中通过闭合回路某截面的电荷量q=IΔt,而I=ER,且E=nt,所以q=IΔt=ERΔt=ntRΔt,得q=nR.[例2](多选)如图所示,垂直纸面的正方形匀强磁场区域内,有一位于纸面内、电阻均匀的正方形导体框abcd,现将导体框分别朝两个方向以v,3v速度匀速拉出磁场,则导体框从两个方向移出磁场的两过程中()A.导体框中产生的感应电流方向相同B.导体框中产生的感应电流大小相同C.通过导体框截面的电荷量不相同D.通过导体框截面的电荷量相同AD审题指导题干关键获取信息正方形导体框abcd两个方向移出磁场时,切割磁感线的有效长度相同匀速拉出磁场正方形导体框的磁通量减小,应用楞次定律确定感应电流的方向求导体框中产生的感应电流大小先求感应电动势,再求感应电流的大小求通过导体框截面的电荷量应用q=nR求解解析:由楞次定律,从两个方向移出磁场过程中感应电流方向都是a→d→c→b→a,故A正确;从两个方向移出磁场时,切割磁感线的有效长度相同,由E=Blv可知以v拉出磁场时的感应电动势小,因总电阻相同,所以以v拉出磁场时的感应电流小,故B错误;通过导体框截面的电荷量q=n·R=2BLR,所以拉出磁场的两过程中,通过导体框截面的电荷量相同,故C错误,D正确.学霸笔记电荷量公式q=nR的注意点电磁感应现象中通过闭合回路某截面的电荷量q,只与线圈匝数n、磁通量变化量ΔΦ及总电阻R有关,与完成该过程所需要的时间Δt无关.(教师备用)例2-1:如图(甲)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(乙)所示.已知R1=4Ω,R2=6Ω,C=30μF,线圈内阻不计.求(1)电容器充电时的电压;(2)2s后电容器放电的电荷量.解析:(1)由题意可知圆形线圈A上产生的感应电动势E=nBtS=100×0.02×0.2V=0.4V电路中的电流I=12ERR=0.446A=0.04A,电容器充电时的电压UC=IR2=0.04×6V=0.24V.(2)2s后电容器放电的电荷量Q=CUC=30×10-6×0.24C=7.2×10-6C.答案:(1)0.24V(2)7.2×10-6C[针对训练2-1](多选)如图(甲)所示,线圈的匝数n=100匝,横截面积S=50cm2,线圈总电阻r=10Ω,沿轴向有匀强磁场,设图示磁场方向为正,磁场的磁感应强度随时间做如图(乙)所示规律变化,则在开始的0.1s内()A.磁通量的变化量为0.25WbB.磁通量的变化率为2.5×10-2Wb/sC.a,b间电压为0D.在a,b间接一个理想电流表时,电流表的示数为0.25ABD解析:通过线圈的磁通量与线圈的匝数无关,由于0时刻和0.1s时刻的磁场方向相反,则磁通量穿入的方向不同,则ΔΦ=(0.1+0.4)×50×10-4Wb=2.5×10-3Wb,A项错误;磁通量的变化率t=32.5100.1Wb/s=2.5×10-2Wb/s,B项正确;根据法拉第电磁感应定律可知,当a,b间断开时,其间电压等于线圈产生的感应电动势,感应电动势大小为E=nt=2.5V且恒定,C项错误;在a,b间接一个理想电流表时相当于a,b间接通而形成回路,回路总电阻即为线圈的总电阻,故感应电流大小I=Er=2.510A=0.25A,D项正确.要点三导体切割磁感线时的电动势[探究导学]如图所示,一个半径为r的半圆形导体,处在磁感应强度为B的匀强磁场中.(1)当导体沿OP方向以速度v做匀速运动时,其感应电动势的大小是多少?(2)当导体沿MN方向以速度v做匀速运动时,