人教版 (2019)选择性必修 第二册2 法拉第电磁感应定律教案配套课件ppt
展开目 标 素 养1.通过电动势的概念分析,知道感应电动势的概念,理解和掌握法拉第电磁感应定律,能够运用法拉第电磁感应定律定量计算感应电动势的大小。2.会计算导体切割磁感线时的感应电动势。3.会用楞次定律或右手定则判断感应电动势的方向。
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,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.磁通量的变化率。磁通量的变化率表示磁通量变化的快慢,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。
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变化率成正比。
(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。
微判断(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。( )
二、导线切割磁感线时的感应电动势1.如图甲所示,导线垂直于磁场运动,B、l、v两两垂直时,E= Blv 。2.如图乙所示,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,E= Blvsin θ 。
微训练 如图所示,一金属弯杆处在磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中,已知lab=lbc=l,当它以速度v向右平动时,a、c两点间的电势差为多少?
答案:Blvsin θ解析:公式E=Blv中的l为导体切割磁感线的有效长度,也就是与磁感应强度B和速度v垂直的长度,因此该金属弯杆的有效长度为lsin θ,故感应电动势大小为Blvsin θ,a、c两点间的电势差为Blvsin θ。
一 法拉第电磁感应定律的理解与应用
2.磁通量、磁通量的变化量和磁通量的变化率。(1)Φ、ΔΦ和 的比较。
(2)关于Φ、ΔΦ和 的几点说明。①穿过电路的磁通量与匝数多少没有关系。②磁感线从同一个面的正反两面穿过时,磁通量为正反两个面穿过的磁通量抵消后剩余的磁通量。③匀强磁场中和磁场方向垂直的面翻转180°时,磁通量的变化量为ΔΦ=2BS。④在Φ-t图像上用图像的斜率表示磁通量的变化率。
图甲为电动汽车无线充电原理图,M为受电线圈,N为送电线圈。图乙为受电线圈M的示意图,线圈匝数为n、电阻为r、横截面积为S,a、b两端连接车载变流装置,磁场平行于线圆轴线向上穿过线圈。当线圈N接入恒定电流时,能给汽车充电吗?
提示:当线圈N接入恒定电流时,穿过线圈M的磁通量不变,不产生感应电动势,不能为电动汽车充电。
典例剖析【例1】 如图甲所示,一个圆形线圈匝数n=1 000、面积S=2×10-2 m2、电阻r=1 Ω,在线圈外接一阻值为R=4 Ω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随时间变化的规律如图乙所示。(1)0~4 s内,求回路中的感应电动势。(2)t=5 s时,a、b两点哪点电势高?(3)t=5 s时,求电阻R两端的电压U。答案:(1)1 V (2)a点 (3)3.2 V
解析:(1)根据法拉第电磁感应定律得,0~4 s内,回路中的感应电动势
(2)t=5 s时,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垂直纸面向里,由安培定则得感应电流的方向为a→b,故a点的电势高。
学以致用1.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答案:B
2.(多选)如图甲所示,线圈A(图中实线,共100匝)的横截面积为0.3 m2,总电阻r=2 Ω,A右侧所接电路中,电阻R1=2 Ω,R2=6 Ω,电容C=3 μF,开关S1闭合。A中横截面积为0.2 m2的区域(图中虚线)内有图乙所示的变化磁场,t=0时刻,磁场方向垂直于线圈平面向里。下列判断正确的是( )
A.闭合S2、电路稳定后,通过R2的电流由b流向aB.闭合S2、电路稳定后,通过R2的电流大小为0.4 AC.闭合S2、电路稳定后再断开S1,通过R2的电流由b流向aD.闭合S2、电路稳定后再断开S1,通过R2的电荷量为7.2×10-6 C答案:BD
二 导体切割磁感线时的感应电动势
重难归纳1.当B、l、v三个量的方向相互垂直时,E=Blv;当有任意两个量的方向平行时,E=0。
3.公式中的v应理解为导线和磁场的相对速度,当导线不动而磁场运动时,也有电磁感应现象产生。
2.式中的l应理解为导线切割磁感线时的有效长度。若切割磁感线的导线是弯曲的,则应取其与B和v方向都垂直的等效线段长度来计算。如图中线段ab的长即为导线切割磁感线的有效长度。
如图所示,在竖直向下的匀强磁场中,将一个水平放置的金属棒ab以水平初速度v0抛出,设运动的整个过程中棒始终垂直于初速度与磁感应强度,且不计空气阻力,则金属棒在运动过程中产生的感应电动势大小将怎样变化?
提示:ab做平抛运动,水平速度保持不变,感应电动势E=Blv0保持不变。
典例剖析【例2】 如图所示,水平放置的两平行金属导轨相距l=0.50 m,左端接一电阻R=0.20 Ω,磁感应强度B=0.40 T 的匀强磁场方向垂直于导轨平面向下,导体棒ac(长为l)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。当棒ac以v=4.0 m/s的速度水平向右匀速滑动时,求:(1)棒ac中感应电动势的大小;(2)回路中感应电流的大小;(3)维持棒ac做匀速运动的水平外力的大小。答案:(1)0.80 V (2)4.0 A (3)0.80 N
解析:(1)棒ac垂直切割磁感线,产生的感应电动势的大小为E=Blv=0.40×0.50×4.0 V=0.80 V。(2)回路中感应电流的大小为
(3)棒ac受到的安培力大小为F安=BIl=0.40×4.0×0.50 N=0.80 N由于导体棒匀速运动,水平方向受力平衡则F外=F安=0.80 N。
学以致用3.如图所示,MN、PQ是间距为l的平行光滑金属导轨,置于磁感应强度为B、方向垂直于导轨所在平面向里的匀强磁场中,M、P间接有一阻值为R的电阻。一根与导轨接触良好、有效阻值为 的金属棒ab垂直导轨放置,并在水平外力F作用下以速度v向右匀速运动,不计导轨电阻,则( )A.通过电阻R的电流方向为P→R→MB.ab两点间的电压为BlvC.a端电势比b端高D.外力F做的功等于电阻R产生的焦耳热
解析:根据右手定则可以知道回路中的电流方向为b→a→M →R→P,选项A错误。金属棒ab相当于电源,电流方向是由b到a,可以认为a是电源正极,b是电源负极,所以a端电势比b端高,选项C正确。金属棒ab运动过程中产生的感应电动势为E=Blv,金属棒ab相当于电源,a、b两点间的电压即为路端电压,有 ,选项B错误。根据功能关系可知,外力F做的功转化为电能,即电阻R和金属棒ab共同产生的焦耳热,选项D错误。
4.如图所示,MN、PQ为水平放置的两条平行金属导轨,左端接有定值电阻R,金属棒ab斜放在两导轨之间,与导轨接触良好,ab=l。磁感应强度为B的匀强磁场垂直于导轨平面,设金属棒与两导轨间夹角为60°,以速度v水平向右匀速运动,不计导轨和棒的电阻,则流过金属棒的电流为( )
三 导体棒转动切割磁感线时的感应电动势
重难归纳如图所示,长为l的导体棒ab以a为圆心,以角速度ω在磁感应强度为B的匀强磁场中匀速转动,其感应电动势可从两个角度推导。
如图所示,半径为r的金属环绕过其直径的轴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多少?
典例剖析【例3】 (多选)法拉第圆盘发电机的示意图如图所示,铜圆盘安装在竖直的铜轴上,两铜片P、Q分别与圆盘的边缘和铜轴接触,圆盘处于方向竖直向上的匀强磁场B中。圆盘旋转时,关于流过电阻R的电流,下列说法正确的是( )
A.若圆盘转动的角速度恒定,则电流大小恒定B.若从上向下看,圆盘顺时针转动,则电流沿a到b的方向流动C.若圆盘转动方向不变,角速度大小发生变化,则电流方向可能发生变化D.若圆盘转动的角速度变为原来的2倍,则电流在R上的热功率也变为原来的2倍答案:AB
解析:由右手定则知,圆盘按题图所示的方向转动时,感应电流沿a到b的方向流动,选项B正确;由感应电动势 知,角速度恒定,则感应电动势恒定,电流大小恒定,选项A正确;角速度大小变化,感应电动势大小变化,但感应电流方向不变,选项C错误;若ω变为原来的2倍,则感应电动势变为原来的2倍,电流变为原来的2倍,由P=I2R知,电流在R上的热功率变为原来的4倍,选项D错误。
学以致用5.(多选)如图所示,半径为l的半圆弧轨道PQS固定,电阻忽略不计,O为圆心,OM是可绕O转动的金属杆,M端位于PQS上,OM与轨道接触良好,OM金属杆的电阻与OP金属杆的电阻阻值相同。匀强磁场的方向垂直纸面向里,磁感应强度的大小为B。现使OM从OQ位置以恒定的角速度ω逆时针转到OS位置,则该过程( )
C.回路中电流方向为M→Q→P→OD.回路中电流方向为M→O→P→Q答案:BD
1.闭合回路的磁通量Φ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,下列论述正确的是( )
A.图甲回路中感应电动势恒定不变B.图乙回路中感应电动势恒定不变C.图丙回路中0~t1时间内的感应电动势小于t1~t2时间内的感应电动势D.图丁回路中感应电动势先增大后减小答案:B
2.(多选)一根直导线长0.1 m,在磁感应强度为0.1 T的匀强磁场中以10 m/s的速度匀速运动,则关于导线中产生的感应电动势的说法正确的是( )A.一定为0.1 VB.可能为零C.可能为0.01 VD.最大值为0.1 V答案:BCD解析:当公式E=Blv中B、l、v互相垂直时,导体切割磁感线运动产生的感应电动势最大,Em=Blv=0.1×0.1×10 V=0.1 V,考虑到它们三者的空间位置关系,选项B、C、D正确,A错误。
3.如图所示,在磁感应强度为B的匀强磁场中,有半径为r的光滑半圆形导体框架,OC为一能绕O在框架上滑动的导体棒,OC之间连一个电阻R,导体框架与导体棒的电阻均不计。若使OC以角速度ω匀速转动(未离开框架),则电路中的电流大小是( )
4.如图所示,光滑平行的水平金属导轨MN、PQ相距l,在M点和P点间接一个阻值为R的电阻,在两导轨间OO1O1'O'矩形区域内有垂直导轨平面竖直向下、宽为d的匀强磁场,磁感应强度大小为B。一质量为m、电阻为r的导体棒ab,垂直置于导轨上,与磁场左边界相距d0。现用一大小为F、水平向右的恒力拉ab棒,使它由静止开始运动,棒ab在离开磁场前已经做匀速直线运动,棒ab与导轨始终保持良好的接触,导轨电阻不计。求:
(1)棒ab在离开磁场右边界时的速度;(2)棒ab通过磁场区的过程中整个回路所消耗的电能。
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