高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第2节 法拉第电磁感应定律图文课件ppt

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第2节　法拉第电磁感应定律[核心素养·明目标]核心素养学习目标物理观念理解和掌握法拉第电磁感应定律的内容和表达式。科学思维能够运用法拉第电磁感应定律与E＝Blv或E＝Blvsin θ计算感应电动势的大小。科学探究能通过实验探究“感应电动势与磁通量变化的关系”，分析总结归纳出电磁感应现象的本质。科学态度与责任通过法拉第电磁感应定律的应用，体会科学家的不断创造，推动了社会的进步。知识点一　感应电动势1．在电磁感应现象中产生的电动势叫作感应电动势，产生感应电动势的那部分导体就相当于电源。2．在电磁感应现象中，回路断开时，虽然没有感应电流，但感应电动势依然存在。　电磁感应现象中，产生感应电动势的那部分导体相当于电源，电流由负极流向正极。1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(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)穿过闭合电路的磁通量变化越快，闭合电路中产生的感应电动势就越大。 (√)(3)感应电动势的方向可用右手定则或楞次定律判断。 (√)知识点二　电磁感应定律1．磁通量的变化率(1)定义：单位时间内磁通量的变化量。(2)意义：磁通量的变化率表示磁通量变化的快慢。2．法拉第电磁感应定律(1)内容：电路中感应电动势的大小与穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。(2)公式：E＝k。①在国际单位制中，E的单位是伏特(V)，Φ的单位是韦伯(Wb)，t的单位是秒(s)，k＝1，公式简化为E＝。②若闭合电路是一个匝数为n的线圈，则E＝n。(3)标量性：感应电动势是标量，但有方向。其方向规定为从电源负极经过电源内部指向电源的正极，与电源内部电流方向一致。3．导线切割磁感线时的感应电动势(1)导线垂直于磁场运动，B、l、v两两垂直时，如图甲所示，E＝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θ时，如图乙所示，E＝Blvsin θ。甲　　　　　　　　　乙　E＝Blvsin θ中的l应理解为导线切割磁感线的有效长度。2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)穿过闭合回路的磁通量最大时，其感应电动势一定最大。 (×)(2)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。 (×)(3)在匀强磁场中，只要导体棒的运动方向与磁场方向垂直，其电动势即可用E＝BLv求解。              (×)3．填空如图所示，在磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中，金属杆MN在平行金属导轨上以速度v向右匀速滑动，MN中产生的感应电动势为E1；若磁感应强度增大为2B，其他条件不变，MN中产生的感应电动势变为E2。通过电阻R的电流方向为a→c；E1与E2之比为1∶2。 考点1　对法拉第电磁感应定律的理解和应用(1)如图所示，将条形磁铁从同一高度插入线圈的实验中。快速插入和缓慢插入磁通量的变化量ΔΦ相同吗？指针偏转角度相同吗？提示：磁通量变化相同，但磁通量变化快慢不同，快速插入比缓慢插入时指针偏转角度大。(2)分别用一根磁铁和两根磁铁以同样速度快速插入，磁通量的变化量ΔΦ相同吗？指针偏转角度相同吗？提示：用两根磁铁快速插入时磁通量变化量较大，磁通量变化率也较大，指针偏转角度较大。1．理解公式E＝n(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，而与Φ的大小、ΔΦ的大小没有必然的关系，与电路的电阻R无关；感应电流的大小与感应电动势E和回路总电阻R有关。(2)磁通量的变化率，是Φ­t图像上某点切线的斜率，可反映单匝线圈感应电动势的大小和方向。(3)E＝n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。(4)磁通量发生变化有三种方式①B不变，S变化，则＝B·；②B变化，S不变，则＝·S；③B、S变化，则＝。2．由E＝n可求得平均感应电动势，通过闭合电路欧姆定律可求得电路中的平均电流I＝＝，通过电路中导体横截面的电荷量Q＝IΔt＝n。【典例1】　如图所示，导线全部为裸导线，半径为r的圆内有垂直于平面的匀强磁场，磁感应强度为B，一根长度大于2r的导线MN以速度v在圆环上无摩擦地自左向右匀速滑动，电路的固定电阻为R。其余电阻忽略不计。试求MN从圆环的左端滑动到右端的过程中电阻R上的电流的平均值及通过的电荷量。[解析]　由于ΔΦ＝B·ΔS＝B·πr2，完成这一变化所用的时间Δt＝故＝＝所以电阻R上的电流平均值为＝＝通过R的电荷量为q＝·Δt＝。[答案]　 　应用E＝n时应注意的三个问题(1)此公式适用于求平均电动势。(2)计算电动势大小时，ΔΦ取绝对值，不涉及正负。(3)用E＝n所求的感应电动势为整个闭合电路的感应电动势，而不是回路中某部分导体两端的电动势。[跟进训练]1．一矩形线框置于匀强磁场中，线框平面与磁场方向垂直。先保持线框的面积不变，将磁感应强度在1 s时间内均匀地增大到原来的两倍。接着保持增大后的磁感应强度不变，在1 s时间内，再将线框的面积均匀地减小到原来的一半。先后两个过程中，线框中感应电动势的比值为(　　)A．  B．1  C．2  D．4B　[根据法拉第电磁感应定律E＝n，设线框匝数为n，面积为S0，初始时刻磁感应强度为B0，则第一种情况下的感应电动势为E1＝n＝nB0S0；第二种情况下的感应电动势为E2＝n＝nB0S0，所以两种情况下线框中的感应电动势相等，比值为1，故选项B正确。] 考点2　导线切割磁感线时的感应电动势如图所示的装置，由一块安装在列车车头底部的强磁铁和埋设在轨道下面的一组线圈及电学测量仪器组成(记录测量仪器未画出)。当列车经过线圈上方时，由于穿过线圈的磁通量发生变化，线圈中就会产生感应电动势。请思考：如果已知强磁铁的磁感应强度B、线圈垂直列车运行方向的长度l、感应电动势E，能否测出列车的运行速度呢？提示：由E＝Blv可以测出列车的运行速度。1．对公式E＝Blvsin θ中各量的理解(1)对 θ的理解：当B、l、v三个量方向互相垂直时， θ＝90°，感应电动势最大；当有任意两个量的方向互相平行时，θ＝0°，感应电动势为零。(2)对l的理解：式中的l应理解为导线切割磁感线时的有效长度，如果导线不和磁场垂直，l应是导线在与磁场垂直方向投影的长度；如果切割磁感线的导线是弯曲的，如图所示，则应取与B和v垂直的等效直线长度，即ab的弦长。(3)对v的理解：①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，也有电磁感应现象产生。②公式E＝Blv一般用于导线各部分切割磁感线速度相同的情况，若导线各部分切割磁感线的速度不同，可取其平均速度求电动势。如图所示，导体棒在磁场中绕A点在纸面内以角速度ω匀速转动，磁感应强度为B，平均切割速度＝vC＝，则E＝Bl＝Bωl2。2．公式E＝Blvsin θ与E＝n的对比 E＝nE＝Blvsin θ区别研究对象整个闭合回路回路中做切割磁感线运动的那部分导体适用范围各种电磁感应现象只适用于导体切割磁感线运动的情况计算结果Δt内的平均感应电动势某一时刻的瞬时感应电动势联系E＝Blvsin θ是由E＝n在一定条件下推导出来的，该公式可看作法拉第电磁感应定律的一个推论【典例2】　如图所示，有一半径为R的圆形匀强磁场区域，磁感应强度为B，一条足够长的直导线以速度v进入磁场。从直导线进入磁场至匀速离开磁场区域的过程中，求：(1)感应电动势的最大值为多少？(2)在这一过程中感应电动势随时间变化的规律如何？(3)从开始运动至经过圆心的过程中直导线中的平均感应电动势为多少？思路点拨：(1)求瞬时感应电动势选择E＝Blv。(2)求平均感应电动势选择E＝n。(3)应用E＝Blv时找准导线的有效长度。[解析]　(1)由E＝Blv可知，当直导线切割磁感线的有效长度l最大时，E最大，l最大为2R，所以感应电动势的最大值E＝2BRv。(2)对于E随t变化的规律应求的是瞬时感应电动势，由几何关系可求出直导线切割磁感线的有效长度l随时间t变化的情况为l＝2所以E＝2Bv。(3)从开始运动至经过圆心的过程中直导线的平均感应电动势＝＝＝πBRv。[答案]　(1)2BRv　(2)2Bv　(3)πBRv关于感应电动势计算的三点说明(1)一般求某一位置或某一时刻的感应电动势应用瞬时电动势公式求解。如切割磁感线情形用E＝Blv，而用E＝n时，应为该时刻的磁通量的变化率。(2)求某一段时间或某一过程的电动势要用E＝n，其中Δt为对应的这段时间。(3)感应电动势的平均值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。[跟进训练]2．如图是法拉第研制成的世界上第一台发电机模型的原理图。将铜盘放在磁场中，让磁感线垂直穿过铜盘，图中a、b导线与铜盘的中轴线处在同一平面内，转动铜盘，就可以使闭合电路获得电流。若图中铜盘半径为r，匀强磁场的磁感应强度为B，回路总电阻为R，匀速转动铜盘的角速度为ω。则电路的功率是(　　)A．  B．  C．  D．C　[根据导体棒旋转切割产生电动势E＝Bωr2，由P＝，得电路的功率是，故选C。]1．下列几种说法中正确的是(　　)A．线圈中磁通量变化越大，线圈中产生的感应电动势一定越大B．线圈中磁通量越大，线圈中产生的感应电动势一定越大C．线圈放在磁场越强的位置，线圈中产生的感应电动势一定越大D．线圈中磁通量变化越快，线圈中产生的感应电动势一定越大D　[感应电动势的大小和磁通量的大小、磁通量变化量的大小以及磁场的强弱均无关系，它由磁通量的变化率决定，故选D。]2．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2∶1，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∶Eb＝4∶1，感应电流均沿逆时针方向B．Ea∶Eb＝4∶1，感应电流均沿顺时针方向C．Ea∶Eb＝2∶1，感应电流均沿逆时针方向D．Ea∶Eb＝2∶1，感应电流均沿顺时针方向B　[由法拉第电磁感应定律得圆环中产生的电动势为E＝＝πr2·，则＝＝，由楞次定律可知感应电流的方向均沿顺时针方向，B项正确。]3．如图半径为r的金属圆盘在垂直于盘面的匀强磁场B中，绕O轴以角速度ω沿逆时针方向匀速转动，则通过电阻R的电流的方向和大小是(金属圆盘的电阻不计)(　　)A．由c到d，I＝B．由d到c，I＝C．由c到d，I＝D．由d到c，I＝D　[金属圆盘在匀强磁场中匀速转动，可以等效为无数根并排的长为r的导体棒绕O点做匀速圆周运动，其产生的感应电动势大小为E＝，由右手定则可知感应电流方向由外指向圆心，故通过电阻R的电流I＝，方向由d到c，故D正确。]4．(新情境题：以“电磁阻拦”为背景，考查动生电动势)随着电磁技术的发展，新一代航母已准备采用电磁阻拦技术，其模型如图所示。平行金属轨道MN、PQ固定在水平面内，相距为L，电阻不计，磁感应强度为B。端点MP间接有阻值为R的电阻。一个长为L、质量为m、阻值为r的金属导体棒ab垂直放在轨道上。飞机着舰时质量为M的飞机迅速钩住导体棒ab，之后关闭动力系统并立即获得共同的速度v，忽略摩擦等因素，飞机和金属棒系统仅在安培力作用下很快停下来。问题：(1)飞机在阻拦减速过程中获得的加速度a的最大值是多少？(2)从飞机与金属棒共速到它们停下来的整个过程中R上产生的焦耳热QR是多大？[解析]　(1)飞机钩住金属棒后它们以速度v开始在安培力的作用下做减速运动，所以当它们速度为v时安培力最大，此时由安培力产生的加速度也最大，根据牛顿第二定律有：F安＝BIL＝＝(M＋m)a则最大加速度为a＝。(2)根据能量守恒可知，电路的总焦耳热为：Q＝(M＋m)v2所以整个过程中R上产生的焦耳热QR＝Q＝。[答案]　(1)　(2)回顾本节知识，自我完成以下问题：1．什么是感应电动势？产生的条件是什么？提示：电磁感应现象中产生的电动势叫感应电动势。产生条件：磁通量发生变化。2．试写出法拉第电磁感应定律的内容。提示：电路中感应电动势的大小与穿过这一电路的磁通量的变化率成正比，这就是法拉第电磁感应定律。3．请写出计算感应电动势的表达式。提示：E＝n或E＝Blv