含解析)新人教版选修3_2.doc
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1、- 1 -第 4 节法拉第电磁感应定律1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变化率成正比,与磁通量大小无关。2导线切割磁感线时,感应电动势的大小为E Blvsin ,其中 表示 v 与 B 之间的夹角。3电动机线圈中产生的反电动势的作用是阻碍线圈的转动。当电动机停止转动时,反电动势消失,电流会很大,容易烧毁电动机。一、电磁感应定律1感应电动势(1)在电磁感应现象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源。(2)在电磁感应现象中,若闭合导体回路中有感应电流,电路就一定有感应电动势;如果电路断开,这时虽然没有感应电流,但感应电动势依然存在。2法拉第电磁感应定
2、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变化率成正比。(2)公式: E 。 t若闭合电路是一个匝数为 n 的线圈,则 E n 。 t(3)在国际单位制中,磁通量的单位是韦伯,感应电动势的单位是伏特。二、导线切割磁感线时的感应电动势 反电动势1导线垂直于磁场运动, B、 l、 v 两两垂直时,如图甲所示, E Blv。2导线的运动方向与导线本身垂直,但与磁感线方向夹角为 时,如图乙所示,E Blvsin_ 。- 2 -甲 乙3反电动势(1)定义:电动机转动时,由于切割磁感线,线圈中产生的削弱电源电动势作用的感应电动势。(2)作用:反电动势的作用是阻碍线圈的转动。如果要使
3、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。1自主思考判一判(1)产生感应电动势,不一定产生感应电流。()(2)感应电动势的大小与磁通量大小有关。()(3)感应电动势 E 和磁通量 均与线圈匝数有关。()(4)如图甲所示,线圈以恒定速度 v 从图示位置向上离开磁场过程中感应电流逐渐变大。()(5)如图乙所示,导体棒平动切割磁感线产生的电动势为 Blv。()(6)当线圈减速转动时,也存在反电动势。()2合作探究议一议(1)产生感应电动势的电路一定是闭合的吗?提示:当闭合电路中磁通量发生变化时,会产生感应电动势和感应电流;如果电路不闭合,仍会产生感应电动势,但不会产
4、生感应电流。(2)感应电动势和磁通量都和线圈的匝数成正比吗?提示:感应电动势的大小和线圈匝数成正比,但磁通量和线圈的匝数无关。法拉第电磁感应定律的应用- 3 -1磁通量 、磁通量的变化量 及磁通量的变化率 的比较 t磁通量 磁通量的变化量 磁通量的变化率 t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大小计算 BS Error! Error! t注意若穿过某个面有方向相反的磁场,则不能直接用 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, 2 BS,
5、而不是零既不表示磁通量的大小,也不表示变化的多少。在 t 图像中,可用图线的斜率表示2对公式 E n 的理解 t(1)感应电动势的大小取决于穿过电路的磁通量的变化率 ,而与 、 的大小没 t有必然关系,与电路的电阻 R 无关;感应电流的大小与 E 和回路总电阻 R 有关。(2)用公式 E n 所求的感应电动势为整个闭合电路的感应电动势,而不是回路中某 t部分导体两端的电动势。(3)公式 E n 只表示感应电动势的大小,不涉及其正负,计算时 应取绝对值, t至于感应电流的方向,可以用楞次定律去判定。典例 如图甲所示,一个圆形线圈匝数 n1 000 匝、面积 S210 2 m2、电阻 r1 。在线
6、圈外接一阻值为 R4 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:(1)04 s 内,回路中的感应电动势;- 4 -(2)t5 s 时, a、 b 两点哪点电势高?(3)t5 s 时,电阻 R 两端的电压 U。思路点拨 (1)磁感应强度在 04 s 内均匀增大,可由 E n S 求感应电动势。 B t(2)t5 s 时,磁感应强度正在均匀减小,线圈产生感应电动势,相当于电源。解析 (1)根据法拉第电磁感应定律得,04 s 内,回路中的感应电动势 E n t1 000 V 0.4 0.2 210 241 V。(2)t5 s 时,
7、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。(3)在 t5 s 时,线圈的感应电动势为E n 1 000 V4 V t |0 0.4|210 22根据闭合电路欧姆定律得电路中的电流为I A0.8 AER r 44 1故电阻 R 两端的电压U IR0.84 V3.2 V。答案 (1)1 V (2) a 点的电势高 (3)3.2 V运用 E n 求解的三种思路 t(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 。| S| t(2)垂直于磁场的回路面积 S 不变,磁感应强度 B 发生变
8、化,则 E nS 。| 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 n 。 | 2 1| t1闭合回路的磁通量 随时间 t 的变化图像分别如图所示,关于回路中产生的感应电动势的下列论述,正确的是( )A图甲回路中感应电动势恒定不变- 5 -B图乙回路中感应电动势恒定不变C图丙回路中 0 t1时间内感应电动势小于 t1 t2时间内感应电动势D图丁回路中感应电动势先变大后变小解析:选 B 因 E ,则可据图像斜率判断,知图甲中 0,即电动势 E 为 0; t t图乙中 恒量,即电动势 E 为一恒定值;图丙中 E 前 E 后 ;图丁中图像斜率 先减小 t t后增大,即
9、回路中感应电动势先减小后增大,故只有 B 选项正确。2.(2016北京高考)如图所示,匀强磁场中有两个导体圆环a、 b,磁场方向与圆环所在平面垂直。磁感应强度 B 随时间均匀增大。两圆环半径之比为 21,圆环中产生的感应电动势分别为 Ea和 Eb。不考虑两圆环间的相互影响。下列说法正确的是( )A Ea Eb41,感应电流均沿逆时针方向B Ea Eb41,感应电流均沿顺时针方向C Ea Eb21,感应电流均沿逆时针方向D Ea Eb21,感应电流均沿顺时针方向解析:选 B 由楞次定律知,题中圆环感应电流产生的磁场与原磁场方向相反,故感应电流沿顺时针方向。由法拉第电磁感应定律知 E ,由于两圆环
10、半径 t BS t B R2 t之比 Ra Rb21,所以 Ea Eb41,选项 B 正确。平均电动势与瞬时电动势的求解平均电动势与瞬时电动势的比较E n t E Blvsin 物理意义不同求的是 t 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求的是瞬时感应电动势, E 与某个时刻或某个位置相对应范围不同求的是整个电路的感应电动势。整个电路的感应电动势为零时,其电路中某段导体的感应电动势不一定为零求的是电路中一部分导体切割磁感线时产生的感应电动势区别研究对象不同由于是整个电路的感应电动势,因此研究对象即电源部分不容易确定由于是一部分导体切割磁感线产生的感应电动势,该部分就相当于电
11、源- 6 -联系公式 E n 和 E Blvsin 是统一的,当 t0 时, E 为瞬时 t感应电动势,而公式 E Blvsin 中的 v 若代入平均速度,则求出的 E 为平均感应电动势典例 如图所示,边长为 0.1 m 的正方形线圈 ABCD 在大小为 0.5T 的匀强磁场中以 AD 边为轴匀速转动。初始时刻线圈平面与磁感线平 行,经过 1 s 线圈转了 90,求:(1)线圈在 1 s 时间内产生的感应电动势的平均值;(2)线圈在 1 s 末时的感应电动势大小。解析 初始时刻线圈平面与磁感线平行,所以穿过线圈的磁通量为零,而 1 s 末线圈平面与磁感线垂直,磁通量最大,故磁通量有变化,有感应
12、电动势产生。(1)根据 E 可得在转过 90的过程中产生的平均感应电动势 tE 0.50.10.1 V0.005 V。 t(2)当线圈转了 1 s 时,恰好转了 90,此时线圈的速度方向与磁感线的方向平行,线圈的 BC 段不切割磁感线(或认为切割磁感线的有效速度为零),所以线圈不产生感应电动势,E0。答案 (1)0.005 V (2)0(1)某一位置或某一时刻的瞬时感应电动势一般用 E Blv 求解,而 E n 一般用于 t求某一段时间或某一过程的平均感应电动势,其中 t 为对应的这段时间。(2)平均感应电动势不一定是最大值与最小值的平均值,需根据法拉第电磁感应定律求解。 1.如图所示,一导线
13、弯成半径为 a 的半圆形闭合回路。虚线 MN 右侧有磁感应强度为 B 的匀强磁场,方向垂直于回路所在的平面。回路以速度 v 向右匀速进入磁场,直径 CD 始终与 MN 垂直。从 D 点到达边界开始到 C 点进入磁场为止,下列结论错误的是( )A感应电流方向不变B CD 段直线始终不受安培力C感应电动势最大值 E Bav- 7 -D感应电动势平均值 BavE14解析:选 B 感应电动势公式 E 只能用来计算平均值,利用感应电动势公式 tE Blv 计算时, l 应是等效长度,即垂直切割磁感线的长度。在闭合电路进入磁场的过程中,通过闭合电路的磁通量逐渐增大,根据楞次定律可知感应电流的方向为逆时针方
14、向不变,A正确。根据左手定则可以判断, CD 段受安培力向下,B 不正确。当半圆闭合回路进入磁场一半时,等效长度最大为 a,这时感应电动势最大为 E Bav,C 正确。感应电动势平均值 E Bav,D 正确。 tB12 a22av 142.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)设初始时刻磁感线从线框反面穿入,此时磁通量 1 Ba2, t 时刻后 2 Ba2,磁感线从
15、正面穿入,磁通量的变化量为 ,12 3Ba22则 。E t 3Ba22t(2)计算感应电动势的瞬时值要用公式 E Blvsin 。v , 120,所以 E 。2 a3t 3 Ba23t答案:(1) (2)3Ba22t 3 Ba23t导体切割磁感线产生的感应电动势1对公式 E Blv 的理解(1)在公式 E Blv 中, l 是指导体棒的有效切割长度,即导体棒在垂直于速度 v 方向上的投影长度,如图所示的几种情况中,感应电动势都是 E Blv。(2)公式中的 v 应理解为导线和磁场间的相对速度,当导线不动而磁场运动时,也有感- 8 -应电动势产生。(3)当 v 与 l 或 v 与 B 的夹角为
16、时,公式 E Blv 仍可用来求解导体切割磁感线时产生的感应电动势,但应注意的是其 l 或 v 应为有效切割长度或有效切割速度。当 B、 l、 v 三个量的方向相互垂直时, 90,感应电动势最大;当有任意两个量的方向平行时, 0,感应电动势为 0。(4)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 就为平均感应电动势。2转动切割磁感线的两个特例相对位置 导体棒垂直于磁场,转动平面也垂直于磁场端点E Bl Blv 中 Bl2v12中点E0导体棒旋转切割转轴位置任意位置E Bl12 Bl2
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