2.2 法拉第电磁感应定律（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（教科版2019）

电磁感应及其应用 第2节　法拉第电磁感应定律 第二章 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 物理观念 科学探究 科学态度与责任 1.知道电磁感应现象中的电路结构。 2．知道法拉第电磁感应定律的内容。 3．知道导体切割磁感线时产生的感应电动势的公式。 1.通过实验，能够定性的分析感应电动势的大小与哪些因素有关。 2．能够利用法拉第电磁感应定律解决实际问题。 3．探究两种情况下感应电动势的区别与联系。 1.体会物理实验在探究基本原理时的作用以及研究方法。 2．理解法拉第电磁感应定律在实际生产生活中的应用。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 ⁠ 一、感应电动势 1．在电磁感应现象中，磁通量发生____的部分或者切割______的导体棒上，产生的电动势叫作__________，产生感应电动势的部分相当于____。 2．在电磁感应现象中，无论电路是否闭合，只要穿过回路的______________或者导体棒切割______，一定会产生__________。若回路闭合，回路中有感应电流，若回路断开，没有感应电流，但__________依然存在。 必备知识 自主学习 变化 磁感线 感应电动势 电源 磁通量发生变化 磁感线 感应电动势 感应电动势 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 二、电磁感应定律 1．内容：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。 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 必备知识 自主学习 韦伯(Wb) 伏(V) 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 三、导线切割磁感线的感应电动势 1．导线垂直于磁场运动，B、l、v两两垂直时，如图甲所示，E＝____。 2．导线的运动方向与导线本身垂直，但与磁感线方向的夹角为α时，如图乙所示，E＝________________。 必备知识 自主学习 Blv Blv sin α 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 1．判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (1)在电磁感应现象中，产生感应电动势，不一定产生感应电流。 (　 　) (2)线圈中磁通量越大，线圈中产生的感应电动势一定越大。(　 　) (3)线圈中磁通量的变化量ΔΦ越小，线圈中产生的感应电动势一定越小。(　 　) (4)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。(　 　) (5)感应电动势和磁通量的大小均与线圈的匝数有关。(　 　) 必备知识 自主学习 √ × × √ × 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 2．导体棒CD在匀强磁场中运动。自由电荷会随着导体棒运动，并因此受到洛伦兹力。导体棒中自由电荷相对于纸面的运动大致沿什么方向？导体棒一直运动下去，自由电荷是否总会沿着导体棒运动？为什么？导体棒哪端的电势比较高？ 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 提示：导体棒的自由电子随棒向右做定向移动，受到与速度方向垂直的向下的洛伦兹力，导体棒的下端聚集电子，上端感应正电荷，同时棒中产生电场，当电子受到的洛伦兹力与电场力等大时，自由电子停止沿导体棒移动。C端电势高。 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 某同学在实验室探究感应电动势的大小与哪些因素有关，他将线圈与灵敏电流计组成一闭合回路。然后将条形磁铁插入线圈或者从线圈中拔出，他发现插入和拔出的速度不同，电流计指针偏转的角度不同；接着他又更换匝数不同的线圈重复以上的实验，发现在相同的拔出或插入速度的前提下，匝数多的线圈电流计偏转的角度大。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [问题设计] 根据以上实验结论，你能说出感应电动势的大小与哪些因素有关吗？ 提示：根据实验结论，感应电动势的大小与磁通量的变化率和线圈的匝数有关。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究   物理意义 与感应电动势大小的关系 Φ 穿过电路的磁通量(磁感线的条数) 无联系 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究   物理意义 与感应电动势大小的关系 ΔΦ 穿过电路磁通量的变化量 ΔΦ≠0，有感应电动势，ΔΦ的大小与感应电动势的大小无确定关系 磁通量的变化率，指磁通量的变化快慢，即单位时间内的变化量 等于单匝线圈产生的感应电动势的大小 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 【例1】 某眼动仪可以根据其微型线圈在磁场中随眼球运动时所产生的电流来追踪眼球的运动。若该眼动仪线圈面积为S，匝数为N，处于磁感应强度为B的匀强磁场中，线圈平面最初平行于磁场，经过时间t后线圈平面逆时针转动至与磁场夹角为θ处，则在这段时间内，线圈中产生的平均感应电动势的大小和感应电流的方向(从左往右看)为(　　) 关键能力 互动探究 A 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [练1] (2023·湖北卷)近场通信(NFC)器件应用电磁感应原理进行通讯，其天线类似一个压平的线圈，线圈尺寸从内到外逐渐变大。如图所示，一个正方形NFC线圈共3匝，其边长分别为1.0 cm、1.2 cm和1.4 cm，图中线圈外线接入内部芯片时与内部线圈绝缘。若匀强磁场垂直通过此线圈，磁感应强度变化率为103 T/s，则线圈产生的感应电动势最接近(　　) A．0.30 V B．0.44 V C．0.59 V D．4.3 V 关键能力 互动探究 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 1992年和1996年，在美国航天飞机“阿特兰蒂斯”号上进行过一项卫星悬绳发电实验：航天飞机在赤道上空圆形轨道上，用一根很长的金属丝跟电离层构成闭合回路由西向东飞行，从航天飞机上发射出的一颗卫星，携带一根金属悬绳与航天飞机相连，航天飞机和卫星间的这条悬绳方向沿地球径向并指向地心。结果在绳上产生了感应电流。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [问题设计] 如果航天飞机和卫星的速度为7.5 km/s，地磁场在航天飞机飞行轨道处的磁感应强度B≈0.50×10－4 T。金属悬绳的长度为L＝20 km。悬绳电阻约r＝800 Ω，由绝缘层包裹，根据以上数据能否求出绳上产生的感应电动势？ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 导线垂直切割匀强磁场磁感线的感应电动势：E＝Blv。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 (1)导线平行于磁场运动，不切割磁感线，不产生感应电动势。 (2)导线运动的速度与磁场方向成θ角切割磁感线：分解速度v，或者分解磁感应强度B。 E＝Blv sin θ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 (3)导线的有效长度指导线在垂直于速度方向上投影长度。在导线的一个端点(a)作垂直速度方向的直线，作出另一个端点在该直线上投影点(b)，那么直线上ab之间的距离就是导线的有效长度。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 【例2】 如图所示，电阻为0.1 Ω的导体棒ab沿水平面内的光滑导线框向右做匀速运动，速度v＝5.0 m/s。线框左端的电阻R＝0.4 Ω，线框本身的电阻不计。线框宽L＝0.4 m，处于竖直向下的磁感应强度为B＝0.1 T的匀强磁场中。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 (1)电路中相当于电源的部分是____________________，____________________(填“a”或“b”)端相当于电源正极。 (2)感应电动势E＝____________________V，电路中的电流I＝________________A，ab间电压Uab＝________________V。 (3)导体棒ab所受安培力的大小为____________________N，方向向____________________；为使导体棒向右匀速运动所需水平拉力为____________________N。 (4)水平拉力做功的功率为____________________W。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 (5)电源产生电能的功率为____________________W。 (6)电阻R上消耗的功率为____________________W，导体棒ab消耗的功率为____________________W。 (7)从能量转化与守恒的角度，说明(4)、(5)、(6)中几个功率之间的关系：____________________________。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [练2] 如图所示，在磁感应强度为B、方向垂直于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。若磁感应强度增为2B，其他条件不变，MN中产生的感应电动势变为E2，则通过电阻R的电流方向及E1与E2之比E1∶E2分别为(　　) A．c→a，2∶1 B．a→c，2∶1 C．a→c，1∶2 D．c→a，1∶2 关键能力 互动探究 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 【例3】 某国产直升机在我国某地上空悬停，长度为L的螺旋桨叶片在水平面内顺时针匀速转动(俯视)，转动角速度为ω。该处地磁场的水平分量为Bx，竖直分量为By。叶片的近轴端为a，远轴端为b。忽略转轴的尺寸，则叶片中感应电动势为(　　) 关键能力 互动探究 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [练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(　　) 关键能力 互动探究 AB 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 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 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 1．(多选)在电磁感应现象中，下列说法正确的是(　　) A．感应电流的磁场总是阻碍原来磁场的变化 B．感应电流的磁场方向总是与引起它的磁场方向相反 C．穿过闭合电路的磁通量越大，电路中的感应电流也越大 D．穿过电路的磁通量变化越快，电路中的感应电动势也越大 素养训练 学业评价 AD 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 2．三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．I1<I3<I2 B．I1>I3>I2 C．I1＝I2>I3 D．I1＝I2＝I3 素养训练 学业评价 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 3．如图甲所示线圈的匝数n＝100匝，横截面积S＝50 cm2，线圈总电阻r＝10 Ω，沿轴线方向有匀强磁场，设图甲中磁场方向为正，磁场的磁感应强度随时间变化的规律如图乙所示，则在开始的0.1 s内(　　) 素养训练 学业评价 D A．磁通量的变化量为0.25 Wb B．磁通量的变化率为2.5×102 Wb/s C．a、b间电压为0 D．在a、b间接一个理想电流表时，电流表的示数为0.25 A 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 4. 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金属杆的电阻值是OP金属杆电阻值的一半。空间存在如图所示的匀强磁场，磁感应强度的大小为B。现使OM从OS位置以恒定的角速度ω顺时针转到OQ位置，则该过程中(　　) 素养训练 学业评价 A 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 谢谢观看 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 　↓ 2．公式：E＝。 若闭合电路是一个n匝线圈，且穿过每匝线圈的磁通量总是相同的，则E＝n。 3．在国际单位制中，磁通量的单位是____________，感应电动势的单位是________。 探究点一感应电动势与电磁感应定律 1．Φ、ΔΦ、三者与感应电动势的关系 2.应用法拉第电磁感应定律求感应电动势的三种情况 (1)B不变，面积S发生变化： E＝n＝n (2)面积S不变，B变化： E＝n＝n (3)面积S和B均发生变化： E＝n＝n A．，逆时针 B．，逆时针 C．，顺时针 D．，顺时针 经过时间t，面积为S的线圈平面逆时针转动至与磁场夹角为θ处，磁通量变化为ΔΦ＝BS sin θ，由法拉第电磁感应定律，线圈中产生的平均感应电动势的大小为E＝N＝，由楞次定律可判断出感应电流方向为逆时针方向，A正确。 根据法拉第电磁感应定律可知E＝＝＝103×(1.02＋1.22＋1.42)×10－4 V＝0.44 V，B正确。 探究点二导线切割磁感线的感应电动势 提示：能求出。E＝＝＝＝BvL代入数据解得E＝7 500 V。 (4)切割磁感线的导线相当于电源，导线上的电流由低电势指向高电势，即四指指向高电势点。 答案：见解析 (1)导体棒ab切割磁感线产生感应电动势，故电路中相当于电源的部分是ab，根据右手定则，电流的方向从b到a，故a端相当于电源正极。 (2)感应电动势E＝BLv＝0.2 V，电路中的电流I＝＝0.4 A，ab间电压Uab＝IR＝0.16 V。 (3)导体棒ab所受安培力的大小为F＝BIL＝0.016 N，根据左手定则，方向向左；为使导体棒向右匀速运动所需水平拉力为F拉＝0.016 N。 (4)水平拉力做功的功率为P＝F拉v＝0.08 W。 (5)电源产生电能的功率为P总＝EI＝0.08 W。 (6)电阻R上消耗的功率为PR＝I2R＝0.064 W，导体棒ab消耗的功率为Pab＝I2rab＝0.016 W。 (7)从能量转化与守恒的角度，拉力做功的功率＝电源产生电能的功率＝电阻R上消耗的功率＋导体棒ab消耗的功率。 由楞次定律判断可知，MN中产生的感应电流方向为N→M，则通过电阻R的电流方向为a→c；MN产生的感应电动势公式为E＝BLv，其他条件不变，E与B成正比，则得E1∶E2＝1∶2，C正确。 探究点三导体棒转动切割磁感线 导体棒绕一端转动切割磁感线运动时产生的感应电动势：E＝Bωl2。公式中B为磁感应强度的大小，ω为导体棒转动的角速度，l为导体棒的长度。 A.BxLω，a端电势高于b端电势 B．BxL2ω，a端电势低于b端电势 C．ByL2ω，a端电势高于b端电势 D．ByL2ω，a端电势低于b端电势 我国某地上空地磁场方向有向下的分量，大小为By，当螺旋桨叶片在水平面内顺时针匀速转动(俯视)时，根据右手定则可知，a端电势低于b端电势；大小为E＝ByL＝ByL2ω，D正确。 由电磁感应定律得E＝Bl＝，I＝，故ω一定时，电流大小恒定，A正确；由右手定则知圆盘中心为等效电源正极，圆盘边缘为负极，电流经外电路从a经过R流到b，B正确；圆盘转动方向不变时，等效电源正负极不变，电流方向不变，C错误；电流在R上的热功率P＝＝，角速度加倍时功率变成原来的4倍，D错误。 根据楞次定律可知：感应电流的磁场总是阻碍原来磁场的变化，A正确；由楞次定律可知：原磁通量减小时，感应电流的磁场方向与引起它的磁场方向相同，B错误；穿过闭合电路的磁通量越大，但磁通量变化率不一定越大，所以根据法拉第电磁感应定律知感应电动势不一定越大，感应电流也就不一定越大，C错误；穿过电路的磁通量变化越快，磁通量变化率越大，根据法拉第电磁感应定律知感应电动势也越大，D正确。 设圆线框的半径为r，则由题意可知正方形线框的边长为2r，正六边形线框的边长为r；所以圆线框的周长为C2＝2πr，面积为S2＝πr2，同理可知正方形线框的周长和面积分别为C1＝8r，S1＝4r2，正六边形线框的周长和面积分别为C3＝6r，S3＝×6×r×r＝。三线框材料粗细相同，根据电阻定律R＝ρ可知三个线框电阻之比为R1∶ R2∶R3＝C1∶C2∶C3＝8∶2π∶6，根据法拉第电磁感应定律有I＝＝·，可得电流之比为：I1∶I2∶I3＝2∶2∶，即I1＝I2>I3，C正确。 通过线圈的磁通量与线圈的匝数无关，若设Φ2＝B2S为正，则线圈中磁通量的变化量ΔΦ＝B2S－(－B1S)，代入数据即ΔΦ＝(0.1＋0.4)×50×10－4 Wb＝2.5×10－3 Wb，A错误；磁通量的变化率＝ Wb/s＝2.5×10－2 Wb/s，B错误；根据法拉第电磁感应定律可知，当a、b间断开时，其间电压等于线圈产生的感应电动势，感应电 动势大小E＝n＝2.5 V，C错误；在a、b间接一个理想电流表时相当于a、b间接通而形成回路，回路总电阻即为线圈的总电阻，故感应电流大小I＝＝0.25 A，D正确。 A．回路中M点电势高于O点电势 B．回路中电流方向沿M→O→P→Q C．M、O两点间的电压UMO＝BL2ω D．M、O两点间的电压UMO＝BL2ω 由右手定则可知，回路中电流方向沿M→Q→P→O，回路中M点电势高于O点电势，A正确，B错误；感应电动势E＝BL·＝BL2ω，设OM的电阻为R，则OP的电阻为2R，M、O两点间的电压UMO＝·2R＝BL2ω，C、D错误。 $$