1.5 电磁感应规律的应用（备课堂）-【上好课】2020-2021学年高二物理同步备课系列（粤教版选修3-2）

粤教版 高中物理选修3-2 第一章 1831年,法拉第发现了电磁感应现象之后不久,他又利用电磁感应发明了世界上第一台发电机法拉第圆盘发电机.这台发电机的构造跟现代的发电机不同,在磁场中转动的不是线圈,而是一个紫铜做的圆盘,圆心处固定一个摇柄,如图所示,圆盘的边缘和圆心处各与黄铜电刷紧贴.用导线把电刷与电流表连接起来,将紫铜圆盘放置在蹄形磁铁的磁场中.当法拉第转动摇柄,使紫铜圆盘旋转起来时,电流表的指针偏向边,这说明电路中产生了持续的电流 法拉第电机 我们可以把圆盘看作是由无数根长度等于半径的紫铜辐条组成的,在转动圆盘时,每根辐条都做切割磁感线的运动如图所示,当辐条转到OA位置时,辐条和外电路中的电流表恰好构成闭合电路,电路中便有电流产生了.随着圆盘的不断旋转,总有某根辐条到达OA位置,因此外电路中便有了持续不断的电流在法拉第电机中,产生感应电动势的那部分导体相当于电源, 如果它与用电器连接就组成了闭合电路.在电源内部,感应电流方向是从电源的负极流向正极;在外电路中,电流从电源的正极经用电器流向电源的负极 法拉第圆盘发电机是怎样产生电流的呢? 如右图所示，在磁场中设想铜棒与以点O为圆心，L为半径的一个圆环组成闭合回路。随着铜棒的转动，这个回路的面积将逐渐减小根据Φ=BS可知，穿过回路的磁通量将发生变化 例1:如图所示，铜棒OA长为L,在垂直于匀强磁场的平面上绕点O以角速度ω匀速转动，磁场的磁感应强度为B.求铜棒中感应电动势的大小，并分析O、A两点电势的高低 分析：本题可直接利用法拉第电磁感应定律 求解 由楞次定律和安培定则，回路中电流方向由点A指向点O, 由于铜棒相当于电源，而在电源内部，电流方向是从电源的负极流向正极，故点O的电势高，点A的电势低 解：设在△t时间内，铜棒转过的角度为α,此时，磁通量的变化量 1.在例1中，铜棒在磁场中做切割磁感线运动，能否根据 E=BLv来分析和讨论问题?比较两种解法的不同之处，交流从中得到的收获 讨论与交流 讨论与交流 2.如图所示，导体棒ef沿着导轨面向右匀速运动哪一部分是等效电源? 哪一部分是外电路? 分析闭合电路中电流的方向 ef是等效电源 R与Rg是外电路 电流方向：e流向f 例2:把电阻为18Ω的均匀导线弯成如图所示的金属圆环，圆环直径D=0.80m,将圆环垂直于匀强磁场方向固定，磁场的磁感应强度为B=0.50T,磁场方向垂直于纸面向里。一根每米电阻为1.25的直导线PQ,沿圆环平面向左以3.0m/s的 速度匀速滑行，速度方向与PQ垂直，滑行中直导线与圆环紧密 接触(忽略接触处的电阻),当它通过环上直径位置时，求： (1)直导线产生的感应电动势， 并指明该段直导线中电流方向 （2）此时电路的路端电压 解：(1)直导线切割磁感线的有效长度L=D=0.80m 直导线切割磁感线产生的感应电动势 E=BLv=0.50×0.80×3.0V=1.20V 由右手定则可知，P中感应电流的方向由P指向Q 分析：导体棒PQ做切割磁感线运动，等效于电源，滑过直径位置时，金属圆环左右两部分可等效于两电阻联 (2)直导线PQ切割磁感线产生的感应电动势，相当于电 源圆环被分成两部分，且这两部分并联；其等效电路图如图所示 R1=R2=9Ω. 设电路左边的电阻为R1,右边的电阻为R2,直导线切割磁感线的有效长度的电阻为r 路端电压 外电阻 r=DR0=0.8×1.25=1.0Ω 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，如果电路闭合，电路中会产生感应电流，而导体又处于磁场中，因此导体将受到安培力的作用。如图1-5-8所示，导体ab向右运动，会产生由b流向a的感应电流，在磁场中，通电导体ab要受到向左的安培力作用电磁感应现象中产生的电能是通过克服安培力做功转化而来的，克服安培力做了多少功就有多少电能产生，而这些电能又通过电流做功而转化为其他形式的能。因此，电磁感应现象符合能量守恒定律 电磁感应中的能量转化 (3)在匀速向外拉金属线框的过程中，求拉力做功的功率P (4)如何计算感应电流的电功率 ? (5)比较拉力F的功率P和感应电流的电功率 ,并分析 两者的关系所体现的能量联系 如图1-5-9所示，矩形闭合金属线框abcd电阻为R,置于有界的如图示方向的匀强磁场B中，设ad、bc边的长度为L， bc边在水平外力F的作用下，将整个线框速度v匀速拉出磁场，这个过程中线框的感应电流为i,a边受到的安培力为F 讨论与交流 （2）F=BIL （1）E=BLv (1)如何计算线框的感应电动势? (2)如何计算F的大小? (3)在匀速向外拉金属线框的过程中，求拉力做功的功率P 讨论与交流 (4)如何计算感应电流的电功率 ?