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第4章揭开电磁关系的奥秘第2节电磁感应定律及其应用学习目标1．知道电源是一种把其他形式的能转化为电能的装置，电动势是一个描述电源的这种本领强弱的物理量．2．知道法拉第电磁感应定律E＝nΔΦΔt.会用电磁感应定律计算感应电动势的大小．会用公式E＝Blv计算导体在匀强磁场中垂直切割磁感线时感应电动势的大小，知道该公式与法拉第电磁感应定律的区别与联系．(重点、难点)3．会用右手定则判断导体垂直切割磁感线时产生的感应电流的方向，能区分左手定则、右手定则与安培定则．(重点)4．知道直流电与交流电之间的区别．知道发电机的工作原理．5．了解变压器的结构和工作原理，知道理想变压器的原、副线圈两端的电压与它们匝数之间的关系.知识脉络自主预习探新知一、法拉第电磁感应定律1．电动势：电源是一种把_________的能量转化为_____的装置，电源本领的强弱用_______描述．电动势用符号E表示．单位：伏特(V)．一节干电池的电动势是____V，蓄电池的电动势是____V.2．感应电动势：如果导体在磁场中做切割磁感线运动，其两端就会产生电动势，这种由于_____________而产生的电动势叫感应电动势．其他形式电能电动势1.52.0电磁感应现象3．磁通量的变化率：_________内穿过回路的磁通量的_______．4．法拉第电磁感应定律(1)内容：回路中感应电动势的大小，跟穿过该回路的磁通量的_______成正比．(2)公式：E＝ΔΦΔt.E＝______，n为___________，E、ΔΦ、Δt的单位分别为___、____、__.单位时间变化量变化率线圈的匝数VWbsnΔΦΔt5．导体切割磁感线产生的感应电动势(1)大小：E＝____.(2)感应电流方向：用右手定则判断，伸开右手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都和手掌在一个平面内，让磁感线垂直_____手心，拇指指向___________方向，那么其余四指所指的方向就是_________的方向．Blv穿入导体的运动感应电流二、发电机、变压器的工作原理1．发电机的工作原理(1)发电机：把_____能转化成___能的装置，和电动机的原理正好相反．(2)直流电：干电池和蓄电池等电源提供的电流，方向_________，称为直流电．简称DC.(3)交流电：让矩形线圈在磁场中转动，产生的____和____都随时间做___________的电流叫作交流电，简称AC.机械电恒定不变大小方向周期性变化(4)交流发电机的工作原理：如图所示，线圈平面从垂直于磁感线开始转动，当线圈的一个边向上运动，另一个边向下运动，切割________，线圈中产生了_________．电流从线圈的一个边_____，从另一个边_____．当线圈转过半周后，线圈的左右两个边在磁场中发生了变化，原来向上运动的改为向下运动，原来向下运动的改为向上运动，结果使得线圈中的电流_____发生了改变．这就产生了大小和方向都随时间作周期性变化的电流．磁感线感应电流流出流进方向2．变压器的工作原理(1)用途：变压器是把_______的电压升高或者降低的装置．可分为升压变压器和降压变压器．(2)构造：_______、_______和_________．如图所示．交流电原线圈副线圈闭合铁芯(3)原理：利用_________来改变交流电压．如图所示，原线圈n1接交变电流，由于电流的变化在闭合铁芯中产生变化的磁通量，根据法拉第电磁感应定律，从而在副线圈n2中产生感应电动势，输出不同于原线圈的电压，对于理想变压器，原副线圈两端的电压之比等于它们的_____之比，即U1U2＝___.电磁感应匝数n1n21．思考判断(1)对于公式E＝Blv中的B、l、v三者必须相互垂直．()(2)线圈中磁通量的变化越快，产生的感应电动势越大．()(3)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．()√√×(4)交流发电机可以将机械能转化为电能．()(5)恒定电流接入变压器后也可发生电磁感应现象，也可起到变压作用．()(6)不计电能损耗的变压器为理想变压器．()√×√2．合作探究(1)电磁感应现象中产生了电能，是否遵守能量守恒定律？【提示】电磁感应现象中产生了电流，一定有其他能向电能转化，在转化过程中遵守能量守恒定律．(2)在课外，某同学在进行低压交流变压器实验的准备工作时，发现缺少电源，于是就用一种摩托车的蓄电池代替，按图进行实验．则闭合开关后，灯泡是否发光？并解释出现这种现象的原因？【提示】因蓄电池是直流电源，向外输出恒定电压，故连接到副线圈上的小灯泡不会发光．原因是：恒定电压加在原线圈上后，线圈内的磁通量不发生变化，因而副线圈中的磁通量也不发生变化，所以E＝nΔΦΔt＝0.故副线圈中无感应电动势.合作探究攻重难法拉第电磁感应定律1．磁通量、磁通量的变化量、磁通量的变化率的比较物理量单位物理意义磁通量ΦWb表示某时刻或某位置时穿过某一面积的磁感线条数的多少磁通量的变化量ΔΦWb表示在某一过程中穿过某一面积磁通量变化的多少磁通量的变化率ΔΦΔtWb/s表示穿过某一面积的磁通量变化的快慢(1)磁通量大，磁通量的变化量不一定大，磁通量的变化率不一定大．(2)磁通量变化量大，磁通量的变化率也不一定大，磁通量的变化率与磁通量的变化量和磁通量大小没有直接关系．(3)在Φt图象上，切线的斜率表示磁通量的变化率．2．决定电动势大小的因素感应电动势的大小取决于穿过电路的磁通量的变化率ΔΦΔt，与Φ的大小、ΔΦ的大小没有必然联系，与电路的构成也无关，而感应电流的大小由感应电动势大小和电路的总电阻R决定．3．v与E的对应关系E＝Blv适用于导体棒垂直切割磁感线的情况，适用条件是B、l、v两两垂直，若公式中v是平均速度，则E为平均电动势，若公式中v是瞬时速度，则E为瞬时电动势．4．左、右手定则的区别右手定则用于判断导体切割磁感线时感应电流的方向．导体的运动是原因，产生感应电流是结果；左手定则用于判断通电导体在磁场中所受安培力的方向，导体中有电流是原因，导体受到安培力作用而运动是结果，两者应注意区分．【例1】如图甲所示，有一面积为150cm2的金属环，电阻为0.1Ω，在环中100cm2的同心圆面上存在如图乙所示的变化的磁场，线圈中的感应电动势为多大？电流为多大？甲乙思路点拨：由磁感应强度变化产生感应电动势知，E＝nΔΦΔt＝nΔBΔt·S.[解析]磁场区域的面积S＝100cm2＝1×10－2m2E＝nΔBΔt·S＝1×10－2VI＝ER＝1×10－20.1A＝0.1A.[答案]1×10－2V0.1A两个公式的比较公式E＝nΔΦΔt求的是Δt时间内的平均电动势，而E＝Blv计算的是导体切割磁感线时产生的平均电动势或瞬时电动势，但一般多用于计算瞬时电动势．1．一面积为S＝4×10－2m2、匝数n＝100的线圈放在匀强磁场中，磁感线垂直于线圈平面，磁感应强度随时间的变化率为ΔBΔt＝2T/s.穿过线圈的磁通量的变化率是多少？线圈中产生的感应电动势是多少？[解析]穿过线圈的磁通量的变化率ΔΦΔt＝ΔBΔt·S＝2×4×10－2Wb/s＝8×10－2Wb/s由法拉第电磁感应定律得E＝nΔΦΔt＝100×8×10－2V＝8V.[答案]8×10－2Wb/s8V2．如图所示，水平放置的平行金属导轨，相距l＝0.50m，左端接一电阻R＝0.20Ω，磁感应强度B＝0.40T的匀强磁场方向垂直于导轨平面，导体棒ac垂直放在导轨上，并能无摩擦地沿导轨滑动，导轨和导体棒的电阻均可忽略不计，当ac棒以v＝4.0m/s的速度水平向右匀速滑动时，求：(1)ac棒中感应电动势的大小；(2)回路中感应电流的大小和方向．[解析](1)ac棒产生的感应电动势E＝Blv＝0.40×0.50×4.0V＝0.80V.(2)感应电流的大小I＝ER＝0.800.20A＝4.0A由右手定则判定电流方向为c→a.[答案](1)0.80V(2)4.0A方向c→a发电机、变压器的工作原理1．理想变压器：不计变压器线圈的热损失和铁芯发热损失的能量，变压器副线圈提供给用电器的电功率等于发电机提供给原线圈的电功率．2．理想变压器的磁通量全部集中在铁芯内，穿过原、副线圈的磁通量相同，穿过每匝线圈的磁通量的变化率也相同，因此每匝线圈产生的感应电动势相同，原、副线圈产生的电动势和原、副线圈的匝数成正比．在线圈电阻不计时，线圈两端电压等于电动势．所以变压器原、副线圈的两端电压与匝数成正比．3．升压变压器和降压变压器：由变压器公式U1U2＝n1n2知，当变压器原线圈匝数少，副线圈匝数多时，副线圈两端电压高于原线圈两端电压，则变压器为升压变压器；当变压器原线圈匝数多，副线圈匝数少时，副线圈两端电压低于原线圈两端电压，则变压器为降压变压器．4．规律(1)理想变压器中，原、副线圈两端的电压之比等于它们的匝数之比，U1U2＝n1n2.(2)理想变压器的输出功率等于输入功率，P入＝P出，即U1I1＝U2I2，因此，原、副线圈中的电流之比等于匝数的反比，I1I2＝n2n1.【例2】一台理想变压器，原、副线圈的匝数比n1∶n2＝20∶1，原线圈接入220V的交流电压，副线圈向一电阻为110Ω的用电器供电，则副线圈中的电流为()A．2AB．0.1AC．0.5AD．0.005AB[由于U1U2＝n1n2，故U2＝n2n1·U1＝120×220V＝11V，故副线圈电流I2＝U2R＝0.1A，B对．]3．下列关于发电机和电动机的说法正确的是()A．发电机是把电能转化为机械能的装置B．电动机是把电能转化为机械能的装置C．发电机的工作原理是由电流产生运动D．电动机的工作原理是由运动产生电流B[发电机是把机械能转化为电能的装置，工作原理是：线圈转动切割磁感线从而在线圈中产生感应电流．而电动机是把电能转化为机械能，工作原理是：通电线圈在磁场中受力而发生转动．]4．如图所示，可以将电压升高供给电灯的变压器是()C[当原线圈接直流电源时，原线圈通过恒定电流，铁芯中不会产生变化的磁场，因此副线圈中不会产生感应电动势，所以选项A、D错误．B图中，原线圈匝数大于副线圈匝数，所以B中变压器是降压变压器；C图中，原线圈匝数小于副线圈匝数，所以C中变压器是升压变压器，选项B错误，C正确．]当堂达标固双基1．唱卡拉OK用的话筒，内有传感器．其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号．下列说法正确的是()A．该传感器是根据电流的磁效应工作的B．该传感器是根据电磁感应原理工作的C．膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变D．膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势B[当声波使膜片前后振动时，膜片后的金属线圈就跟着振动，从而使处于永磁体的磁场中的线圈切割磁感线．穿过线圈的磁通量发生改变，产生感应电流，从而将声音信号转化为电信号，这是电磁感应的工作原理．故选项B正确，选项A、C、D均错误．]2．如图所示，在磁感应强度为0.2T的匀强磁场中，长为0.5m的导体棒AB在金属框架上以10m/s的速度向右滑动．R1＝R2＝20Ω，其他电阻不计，则流过AB的电流是()A．0.2AB．0.4AC．0.05AD．0.1AD[导体棒AB做切割磁感线运动产生的感应电动势E＝Blv＝0.2×0.5×10V＝1.0V，总电阻R＝R1·R2R1＋R2＝10Ω，I＝ER＝1.010A＝0.1A，故D正确．]3．(多选)如图甲所示，A、B为两个相同的环形线圈，共轴并靠近放置，A线圈中通有如图乙所示的电流，则()甲乙A．在t1～t2时间内，B中有感应电流产生B．在t1～t2和t2～t3两段时间内，B中平均感应电流相等C．t1时刻，B中感应电流最大D．t2时刻，B中感应电流最大ABD[t1～t2时间内，A中电流变化，引起B磁通量变化产生感应电流，A对；t1～t2时间内和t2～t3时间内，A中电流变化引起B磁通量变化大小相等，平均感应电流相等，B对；t1时刻，A中电流变化最慢，B中感应电流最小，t2时刻A中电流变化最快，B中感应电流最