新教材高考物理一轮复习第11章电磁感应第2节法拉第电磁感应定律及其应用课件

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一、法拉第电磁感应定律1.感应电动势(1)概念:在　　　　　　　　　　　　　　中产生的电动势。 (2)产生条件:穿过回路的　　　　　　发生改变,与电路是否闭合　　　　。  在电源内部由负极指向正极(3)方向判断:感应电动势的方向用　　　　　　　　或　　　　　　　　判断。 
2.法拉第电磁感应定律(1)内容:感应电动势的大小跟穿过这一电路的　　 　　　　　成正比。  感应电动势与匝数有关(2)公式:E=n ,其中n为线圈匝数。(3)感应电流与感应电动势的关系:遵守闭合电路的　　　　定律,即I=　　　　　。 
3.导体切割磁感线的情形　　　　　v是导体相对磁场的速度
易错辨析 (1)Φ=0, 不一定等于0。(　　)(2)线圈匝数n越多,磁通量越大,产生的感应电动势也越大。(　　)(3)公式E=Blv中的l是导体棒的总长度。(　　)(4)磁场相对导体棒运动时,导体棒中也可能产生感应电动势。(　　)
应用提升1.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线,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(　　)
二、自感、涡流1.自感现象(1)概念:由于导体本身的　　　变化而产生的电磁感应现象称为自感。 (2)自感电动势①定义:在自感现象中产生的感应电动势叫作　　　　　　　　　。 ②表达式:E=　　　　　。 (3)自感系数L①相关因素:与线圈的　　　　、形状、　　　　以及是否有铁芯有关。 ②单位:亨利(H),1 mH=　　　 H,1 μH=　　　　 H。 
2.涡流当线圈中的电流发生变化时,在它附近的任何导体中都会产生　　　　　　　,这种电流看起来像水的漩涡,所以叫涡流。 3.电磁阻尼导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力,安培力的方向总是　　　　导体的运动。 4.电磁驱动如果磁场相对于导体转动,在导体中会产生　　　　　　　　　使导体受到安培力而运动起来。 
易错辨析 (5)线圈中的电流越大,自感系数也越大。(　　)(6)对于同一线圈,当电流变化越快时,线圈中的自感电动势越大。(　　)
应用提升2.(人教版教材选择性必修第二册P37“思考与讨论”改编)磁电式仪表的线圈常常用铝框做骨架,把线圈绕在铝框上,指针也固定在铝框上(如图)。铝框的作用是什么?
答案 见解析解析 假定仪表工作时指针向右转动,铝框中有感应电流,铝框要受到安培力阻碍指针向右偏转,起到减缓的作用,防止打坏指针。
3.(人教版教材选择性必修第二册P45习题改编)如图所示,匀强磁场中有两个由相同导线绕成的圆形线圈a、b,磁场方向与线圈所在平面垂直,磁感应强度B随时间均匀增大。a、b两线圈的半径之比为2∶1,匝数之比为1∶2。线圈中产生的感应电动势分别为Ea和Eb,不考虑两线圈间的相互影响,则线圈a、b中产生的感应电动势之比Ea∶Eb是多少?
旁栏边角 人教版教材选择性必修第二册P38阅读“做一做”——电磁阻尼的应用,完成下面题目。
当今世界科技大国都在研发一种新技术,以实现火箭回收利用,有效节约太空飞行成本,其中有一技术难题是回收时如何减缓对地的碰撞,为此设计师计划在返回火箭的底盘安装4台电磁缓冲装置,其工作原理是利用电磁阻尼作用减缓火箭对地的冲击力。电磁缓冲装置的主要部件有两部分:①缓冲滑块,由高强绝缘材料制成,其内部边缘绕有闭合单匝矩形线圈abcd,指示灯连接在cd之间;
②火箭主体,包括绝缘光滑缓冲轨道MN、PQ和超导线圈(图中未画出),超导线圈能产生方向垂直于整个缓冲轨道平面的稳定匀强磁场。当缓冲滑块接触地面时,滑块立即停止运动,此后矩形线圈与火箭主体中的磁场相互作用,指示灯发光,火箭主体一直做减速运动直至达到软着陆要求的速度,从而实现缓冲。现已知缓冲滑块竖直向下撞向地面时,火箭主体的速度大小为v0,软着陆要求的速度为0;指示灯、矩形线圈的ab边和cd边电阻均为R,其余电阻忽略不计;ab边长为l,火箭主体质量为m,匀强磁场的磁感应强度大小为B,重力加速度为g,一切摩擦阻力均不计。
(1)求缓冲滑块刚停止运动时,流过线圈的ab边的电流。(2)求缓冲滑块刚停止运动时,火箭主体的加速度大小。(3)若火箭主体的速度大小从v0减到0的过程中,经历的时间为t,求该过程中每台电磁缓冲装置中线圈产生的焦耳热。
1.磁通量Φ、磁通量的变化量ΔΦ、磁通量的变化率 的比较
2.法拉第电磁感应定律应用的三种情况
3.在有关图像问题中,磁通量的变化率 是Φ-t图像上某点切线的斜率,利用斜率和线圈匝数可以确定该点感应电动势的大小。
【典例突破】典例1.(多选)空间存在一方向与纸面垂直、大小随时间变化的匀强磁场,其边界如图甲中虚线MN所示。一硬质细导线的电阻率为ρ、横截面积为S,将该导线做成半径为r的圆环固定在纸面内,圆心O在MN上。t=0时磁感应强度的方向如图甲所示;磁感应强度B随时间t的变化关系如图乙所示。则在t=0到t=t1的时间间隔内(　　)
A.圆环所受安培力的方向始终不变B.圆环中的感应电流始终沿顺时针方向C.圆环中的感应电流大小为D.圆环中的感应电动势大小为
思维点拨 (1)根据楞次定律判定感应电流方向,但要注意若由此盲目认为安培力方向始终不变,易错选。(2)根据感应电动势E=S有效 计算电动势,然后根据闭合电路欧姆定律计算电流,但要注意S有效为圆环回路在磁场中的有效面积,而不是圆环回路的面积。
素养点拨1.应用法拉第电磁感应定律解题的一般步骤(1)分析穿过闭合电路的磁场方向及磁通量的变化情况;(2)利用楞次定律确定感应电流的方向;(3)灵活选择法拉第电磁感应定律的不同表达形式列方程求解。2.几点注意
【对点演练】1.(2023山东日照模拟)如图甲所示,正方形硬质金属框abcd放置在磁场中,金属框平面与磁场方向垂直。磁感应强度B随时间t变化规律如图乙所示。在0~0.2 s与0.2~0.6 s的时间内(　　)
A.通过金属框的电荷量之比为2∶1B.金属框中电流的电功率之比为4∶1C.金属框中产生的焦耳热之比为4∶1D.金属框ab边受到的安培力方向相同
2.(2022全国甲卷)三个用同样的细导线做成的刚性闭合线框,正方形线框的边长与圆线框的直径相等,圆线框的半径与正六边形线框的边长相等,如图所示。把它们放入磁感应强度随时间线性变化的同一匀强磁场中,线框所在平面均与磁场方向垂直,正方形、圆形和正六边形线框中感应电流的大小分别为I1、I2和I3。则(　　)A.I1I3>I2C.I1=I2>I3D.I1=I2=I3
导体棒切割磁感线时,可有以下三种情况
【典例突破】典例2.如图所示,abcd为水平放置的平行“U”形光滑金属导轨,ab与cd的间距为l,导轨间有垂直于导轨平面的匀强磁场,磁感应强度大小为B,导轨电阻不计,金属杆MN倾斜放置,与导轨成θ角,单位长度的电阻为r。保持金属杆以速度v沿平行于cd的方向滑动(金属杆滑动过程中与导轨接触良好),则(　　)
思路突破 根据E=Blv,l是有效的切割长度,求解感应电动势。根据闭合电路欧姆定律求感应电流的大小。由F=BIl求安培力,由功率公式求解金属杆的热功率。
典例3.如图所示,固定在水平面上的半径为r的金属圆环内存在方向竖直向上,磁感应强度大小为B的匀强磁场。长为l的金属棒,一端与圆环接触良好,另一端固定在竖直导电转轴OO'上,随轴以角速度ω匀速转动。在圆环的A点和电刷间接有阻值为R的电阻和电容为C、板间距为d的平行板电容器,有一带电微粒在电容器极板间处于静止状态。已知重力加速度为g,不计其他电阻和摩擦,下列说法正确的是(　　)
思维点拨 1.明确转动切割产生电动势通常有三种情况:(1)以中点为轴时,E=0(不同两段的代数和)。(2)以端点为轴时,E= BωL2(平均速度取中点位置的线速度 ωL)。(3)以任意点为轴时, (L1>L2,不同两段的代数和)。本题选项A的判定属于第2种情况。2.匀速转动产生的电动势可认为是不变的。
素养点拨应用法拉第电磁感应定律的四种情况
【对点演练】3.(多选)(2023广东深圳高三月考)磁悬浮列车是高速低耗交通工具,它的驱动系统简化为如图所示的物理模型。固定在列车底部的正方形金属线框的边长为L,匝数为N,总电阻为R。水平面内平行长直导轨间存在磁感应强度均为B、方向交互相反、边长均为L的正方形组合匀强磁场。当磁场以速度v匀速向右移动时,可驱动停在轨道上的列车,则(　　)A.图示时刻线框中感应电流沿逆时针方向B.列车运动的方向与磁场移动的方向相同C.列车速度为v'时线框中的感应电动势大小为2NBL(v-v')
解析 线框相对磁场向左运动,根据右手定则可知题图所示时刻线框中感应电流沿顺时针方向,选项A错误。根据左手定则,列车受到向右的安培力,因此列车运动的方向与磁场移动的方向相同,选项B正确。根据法拉第电磁感应定律E=2NBLΔv=2NBL(v-v'),选项C正确。列车速度为v'时线框受到的安培力大小为F=2NILB= ,选项D错误。
4.(2023安徽宣城调研)边界MN的一侧区域内,存在着磁感应强度大小为B、方向垂直于光滑水平桌面的匀强磁场。边长为l的正三角形金属线框abc粗细均匀,三边阻值相等,a顶点刚好位于边界MN上,现使线框围绕过a点且垂直于桌面的转轴匀速转动,转动角速度为ω,如图所示,则在ab边开始转入磁场的瞬间,a、b两端的电势差Uab为(　　)
5.(2022安徽合肥期末)如图所示,光滑水平面上存在有界匀强磁场,磁感应强度为B、质量为m、边长为a的正方形线框ABCD斜向穿进磁场,当AC刚进入磁场时,线框的速度为v,方向与磁场边界成45°,若线框的总电阻为R,则(　　)A.线框穿进磁场过程中,框中电流的方向为DCBA
答案 C　解析 线框进入磁场的过程中,穿过线框的磁通量增大,由楞次定律可知,感应电流的磁场方向垂直于纸面向外,则感应电流的方向为CDABC方向,故A错误;AC刚进入磁场时,CD边切割磁感线,有效切割长度为a,所以产生的感
通电自感和断电自感的比较
【典例突破】典例4.图甲和图乙是教材中演示自感现象的两个电路图,L1和L2为电感线圈,A1、A2和A3为规格相同的灯泡。实验时,断开开关S1瞬间,灯A1突然闪亮,随后逐渐变暗;闭合开关S2,灯A2逐渐变亮,而另一个相同的灯A3立即变亮,最终A2与A3的亮度相同。下列说法正确的是(　　)A.图甲中,A1与L1的阻值相同B.图甲中,闭合S1,电路稳定后,A1中电流大于L1中电流C.图乙中,变阻器R与L2的阻值相同D.图乙中,闭合S2瞬间,L2中电流与变阻器R中电流相等
思维点拨 线圈在电路中发生自感现象,根据楞次定律可知,感应电流要“阻碍”使原磁场变化的电流的变化。电流突然增大时,会感应出逐渐减小的反向电流,使原电流逐渐增大;电流突然减小时,会感应出逐渐减小的同向电流,使原电流逐渐减小。
答案 C解析 题图甲中,S1断开的瞬间,灯A1闪亮,故稳定时IL1>IA1,又由于RL1和RA1两端电压相等,故电阻RL1素养点拨1.明确自感现象的四大特点(1)自感电动势总是阻碍导体中原电流的变化。(2)通过线圈中的电流不能发生突变,只能缓慢变化。(3)电流稳定时,自感线圈就相当于普通导体。(4)线圈的自感系数越大,自感现象越明显,自感电动势只是延缓了过程的进行,但它不能使过程停止,更不能使过程反向。
2.弄清自感中“闪亮”与“不闪亮”问题
【对点演练】6.(多选)(2023山东东营模拟)如图所示的电路中,电感线圈L的自感系数足够大,其直流电阻忽略不计,L1、L2是两个相同的灯泡,则(　　)
A.S闭合瞬间,L1不亮,L2很亮B.S闭合瞬间,L1、L2同时亮,然后L1逐渐变暗到熄灭,L2变得更亮C.S断开瞬间,L1闪亮一下才熄灭,L2立即熄灭D.S断开瞬间,L1、L2立即熄灭
答案 BC解析 闭合S时,电源的电压同时加到两灯上,L1、L2同时亮,随着L中电流增大,由于线圈L直流电阻可忽略不计,分流作用增大,L1逐渐被短路直到熄灭,外电路总电阻减小,总电流增大,L2变亮,A错误,B正确;断开S,L2立即熄灭,线圈中电流减小,产生自感电动势,感应电流流过L1,L1闪亮一下后熄灭,C正确,D错误。
7.(2023广东清远期末)电磁阻尼现象演示装置如图所示,钢锯条上端固定在支架上,下端固定有强磁体,将磁体推开一个角度释放,它会在竖直面内摆动较长时间;若在其正下方固定一钢块(不与磁体接触),则摆动快速停止。下列说法正确的是(　　)A.如果将磁体的磁极调换,重复实验将不能观察到电磁阻尼现象B.用铜块替代钢块,重复实验将不能观察到电磁阻尼现象C.在固定钢块的情况下,磁体下摆和上摆过程中磁体和钢锯条组成的系统机械能均减少D.在固定钢块的情况下,磁体在摆动过程中与钢块没有相互作用力
解析 如果将磁体的磁极调换,重复实验时,钢块的磁通量仍会变化,还会产生电磁感应(涡流)现象,进而将观察到电磁阻尼现象,故A错误。用铜块替代钢块,铜块是导体,重复实验时,在铜块中仍会产生涡流,仍能观察到电磁阻尼现象,故B错误。在固定钢块的情况下,磁体下摆和上摆过程中磁体和钢锯条组成的系统机械能均减少,原因是在此过程中,钢块里出现涡流,使一部分机械能转化为内能,故C正确。在固定钢块的情况下,根据楞次定律的“来拒去留”,磁体在摆动过程中与钢块间存在相互作用力,故D错误。
8.(2023湖南长郡中学模拟)某同学想对比自感线圈和小灯泡对电路的影响,他设计了如图甲所示的电路,电路两端电压U恒定,A1、A2为完全相同的电流传感器。先闭合开关S得到如图乙所示的i-t图像,等电路稳定后,断开开关(断开开关的实验数据未画出)。下列关于该实验的说法正确的是(　　)A.闭合开关时,自感线圈中电流为零,其自感电动势也为零B.图乙中的a曲线表示电流传感器A2测得的数据C.断开开关时,小灯泡会明显闪亮后逐渐熄灭D.t1时刻,小灯泡与线圈的电阻相等
解析 闭合开关时,线圈自感电动势等于电源电动势,自感线圈中电流为零,自感电动势不为零,故A错误。A2中电流等于自感线圈中电流,自感线圈中电流从零开始逐渐增大,最后趋于稳定,故A2中数据应为题图乙中b曲线,故B错误。断开开关前,两支路中电流相等,刚断开开关时,回路中的电流不变,故灯泡不会发生明显闪亮,而是逐渐熄灭,故C错误。t1时刻,两支路中电压相等,电流相等,则电阻相等,即小灯泡与线圈的电阻相等,故D正确。
9.(2023广东广州期末)磁力刹车是游乐场中过山车采用的一种新型刹车装置,该刹车装置的原理图(从车后朝前看)如图所示,停车区的轨道两侧装有强力磁体,当过山车进入停车区时铜片从强力磁体间穿过,车很快停下来。关于该装置的刹车原理,下列判断错误的是(　　)A.过山车进入停车区时其动能转化成电能B.把铜片换成有机玻璃片,也能达到相同的刹车效果C.过山车进入停车区的过程中两侧的铜片中会产生感应电流D.过山车进入停车区的过程中铜片受到的安培力使过山车减速