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（粤教版2019）

第二节　法拉第电磁感应定律 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 栏目索引 教材知识 梳理 随堂达标 训练 知识方法 探究 教材知识 梳理 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 磁通量 无关 导体 变化率 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 × √ √ 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 BLv BLv1 BLv sinθ 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 知识方法 探究 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 随堂达标 训练 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第二章　电磁感应 谢谢观看！ 课程内容要求 核心素养提炼 通过实验，理解法拉第电磁感应定律 1．物理观念：了解感应电动势的概念，会判断等效电源，判断感应电动势的方向，解决实际问题． 2．科学思维：能在问题情境中区分磁通量、磁通量的变化、磁通量的变化率，分析问题，获得结论． 3．科学探究：会应用法拉第电磁感应定律推导公式E＝BLv.利用公式进行有关计算 [对应学生用书P36] eq \a\vs4\al(一、影响感应电动势大小的因素) 1．问题的提出 (1)现象：在向线圈中插入条形磁体的实验中，磁体的磁场越强、插入的速度越快，电流表指针偏角越大，即产生的感应电流越大． (2)分析：在回路电阻一定时，感应电流的大小可能与磁通量变化的快慢有关． 2．实验探究 (1)实验方法 实验装置如图所示，线圈的两端与电压表相连．将强磁体从长玻璃管上端由静止下落，穿过线圈．分别使线圈距离上管口20 cm、30 cm、40 cm和50 cm，记录电压表的示数以及发生的现象．分别改变线圈的匝数、磁体的强度，重复上面的实验，得出定性的结论． (2)实验结论 线圈距上管口距离越大，强磁体穿过线圈的速度越大，引起的磁通量变化越快，电压表指针偏角越大，即线圈两端的电压越大；线圈匝数越多、磁体越强，线圈两端的电压越大． eq \a\vs4\al(二、法拉第电磁感应定律) 1．感应电动势 (1)产生条件：穿过电路的______发生变化，与电路是否闭合____． (2)产生感应电动势的那部分____相当于电源． 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______成正比． (2)大小：E＝ eq \f(ΔΦ,Δt) (单匝线圈)；E＝n eq \f(ΔΦ,Δt) (n匝线圈). [判断] (1)闭合电路中的磁通量变化量越大，感应电动势越大．( ) (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)闭合电路置于磁场中，当磁感应强度很大时，感应电动势可能为零；当磁感应强度为零时，感应电动势可能很大．( ) eq \a\vs4\al(三、导体切割磁感线时的感应电动势) 1．垂直切割 B、L、v两两垂直时，如图甲所示，E＝___________． 2．不垂直切割 导线的运动方向与导线本身垂直，与磁感线方向夹角为θ时，如图乙所示，则E＝_________＝__________________． [思考] 导体棒运动速度越大，产生的感应电动势越大吗？ 提示　导体棒切割磁感线时，产生的感应电动势的大小与垂直磁感线的速度有关，而速度大，垂直磁感线方向的速度不一定大，所以导体棒运动速度越大，产生的感应电动势不一定越大． [对应学生用书P38] 探究点一　法拉第电磁感应定律的理解和应用 如图甲中导线运动得越快，产生的感应电流越大，图乙中磁铁插入的速度越快，感应电流越大，说明了什么？ 提示　感应电动势与磁通量的变化率有关． 1．磁通量Φ、磁通量的变化量ΔΦ及磁通量的变化率 eq \f(ΔΦ,Δt) 的比较 磁通量Φ 磁通量的 变化量ΔΦ 磁通量的 变化率 eq \f(ΔΦ,Δt) 物理 意义 某时刻穿过磁场中某个面的磁感线条数 在某一过程中穿过某个面的磁通量的变化量 穿过某个面的磁通量变化的快慢 磁通量Φ 磁通量的 变化量ΔΦ 磁通量的 变化率 eq \f(ΔΦ,Δt) 当B、S互相垂 直时，大小计算 Φ＝BS⊥ 磁通量Φ 磁通量的 变化量ΔΦ 磁通量的 变化率 eq \f(ΔΦ,Δt) 注意 若穿过某个面有方向相反的磁场，则不能直接用Φ＝BS.应考虑相反方向的磁通量或抵消以后所剩余的磁通量 开始和转过180°时平面都与磁场垂直，但穿过平面的磁通量是不同的，一正一负，ΔΦ＝2BS，而不是零 既不表示磁通量的大小，也不表示变化的多少．在Φ­t图像中，可用图线的斜率表示 2．公式E＝n eq \f(ΔΦ,Δt) 的理解 感应电动势的大小由磁通量变化的快慢，即磁通量变化率 eq \f(ΔΦ,Δt) 决定，与磁通量Φ、磁通量变化量ΔΦ无关． 在竖直方向的匀强磁场中，水平放置一圆形导体环．规定导体环中电流的正方向如图甲所示，磁场方向竖直向上为正．当磁感应强度B随时间t按图乙变化时，下列能正确表示导体环中感应电流随时间变化情况的是(　　) B　[根据法拉第电磁感应定律有：E＝n eq \f(ΔΦ,Δt) ＝nS eq \f(ΔB,Δt) ，因此在面积、匝数不变的情况下，感应电动势与磁场的变化率成正比，即与B­t图像中的斜率成正比，由图像可知：0～2 s，斜率不变，故形成的感应电流不变，根据楞次定律可知感应电流方向顺时针即为正值，而2～4 s斜率不变，电流方向为逆时针，即为负值，整个过程中的斜率大小不变，所以感应电流大小不变，故A、C、D错误，B正确．] [规律方法]　应用E＝n eq \f(ΔΦ,Δt) 求解的三种思路 (1)磁感应强度B不变，垂直于磁场的回路面积S发生变化，则E＝nB eq \f(|ΔS|,Δt) . (2)垂直于磁场的回路面积S不变，磁感应强度B发生变化，则E＝nS eq \f(|ΔB|,Δt) . (3)磁感应强度B、垂直于磁场的回路面积S均发生变化，则E＝n eq \f(|Φ2－Φ1|,Δt) . [训练1]　如图所示，面积为S、匝数为N的矩形线圈固定在绝缘的水平面上，线圈的一半面积处于竖直向下的匀强磁场中．磁场的磁感应强度随时间均匀变化，其变化率为K.已知某时刻磁感应强度为B0，穿过线圈的磁通量为Φ，产生的感应电动势为E，则(　　) A．Φ＝B0S　　　　　　　 B．Φ＝ eq \f(1,2) NB0S C．E＝KS D．E＝ eq \f(1,2) NKS D　[匀强磁场与线圈平面垂直，有一半的面积处于磁场中，故磁通量为：Φ＝B0· eq \f(S,2) ＝ eq \f(1,2) B0S，故A、B错误；根据法拉第电磁感应定律，感应电动势为：E＝N eq \f(ΔΦ,Δt) ＝N eq \f(ΔB·\f(S,2),Δt) ＝ eq \f(1,2) NS eq \f(ΔB,Δt) ＝ eq \f(1,2) NKS，故C错误，D正确．] [训练2]　如图所示，长为L的金属导线弯成一圆环，导线的两端接在电容为C的平行板电容器上，P、Q为电容器的两个极板，磁场垂直于环面向里，磁感应强度以B＝B0＋kt(k>0)随时间变化，t＝0时，P、Q两板电势相等，两板间的距离远小于环的半径，经时间t，电容器Q板(　　) A．不带电 B．所带电荷量与t成正比 C．带正电，电荷量是 eq \f(kL2C,4π) D．带负电，电荷量是 eq \f(kL2C,2π) C　[由楞次定律可判断如果圆环闭合，感应电流方向为逆时针方向，所以圆环作为一个电源，P是负极，所以P板带负电，Q极带正电．根据法拉第电磁感应定律有：E＝ eq \f(ΔB·S,Δt) ＝ eq \f(kL2,4π) ，所以有：Q＝UC＝ eq \f(kL2C,4π) ，故C正确，A、B、D错误．] [训练3]　如图甲所示的螺线管，匝数n＝1 500 匝，横截面积S＝20 cm2，方向向右穿过螺线管的匀强磁场的磁感应强度按图乙所示规律变化．则 (1)2 s内穿过线圈的磁通量的变化量是多少？ (2)磁通量的变化率多大？ (3)线圈中感应电动势大小为多少？ 解析　(1)磁通量的变化量是由磁感应强度的变化引起的，则Φ1＝B1S，Φ2＝B2S，ΔΦ＝Φ2－Φ1， 所以ΔΦ＝ΔBS＝(6－2)×20×10－4Wb＝8×10－3Wb. (2)磁通量的变化率为 eq \f(ΔΦ,Δt) ＝ eq \f(8×10－3,2) Wb/s＝4×10－3Wb/s (3)根据法拉第电磁感应定律得感应电动势的大小 E＝n eq \f(ΔΦ,Δt) ＝1 500×4×10－3V＝6.0 V 答案　(1)8×10－3WB　　(2)4×10－3Wb/s (3)6.0 V 探究点二　导线切割磁感线时的感应电动势 导体棒长度l，从中间弯成90°后，以速度v运动时，产生的感应电动势多大？ 提示　E＝ eq \f(\r(2),2) Blv. 导体平动切割磁感线产生的感应电动势 (1)对公式E＝Blv sin θ的理解： ①该公式可看成法拉第电磁感应定律的一个推论，通常用来求导线运动速度为v时的瞬时感应电动势，随着v的变化，E也相应变化；若v为平均速度，则E也为平均感应电动势． ②当B、l、v三个量方向互相垂直时，θ＝90°，感应电动势最大，E＝Blv；当有任意两个量的方向互相平行时，θ＝0°，感应电动势为零，E＝0. (2)有效长度：E＝Blv中的l应理解为导体切割磁感线时的有效长度，导体切割磁感线的情况应取与B和v垂直的等效导体长度． 如图所示，MN、PQ是间距为L的平行金属导轨，置于磁感应强度为B、方向垂直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R的导体棒ab垂直导轨放置，并在水平外力F的作用下以速度v向右匀速运动，则(不计导轨电阻)(　　) A．通过电阻R的电流方向为P→R→M B．a、b两点间的电压为BLv C．a端电势比b端高 D．a端电势比b端低 C　[导体棒做切割磁感线运动，等效为电源，根据右手定则，感应电流的方向为baMP方向，a点的电势高于b 点的电势，通过电阻R的电流方向为M→R→P，故A、D错误，C正确；感应电动势大小为：E＝BLv，感应电流大小为：I＝ eq \f(E,R＋R) ，故电阻R两端的电压为：U＝IR＝ eq \f(1,2) BLv，故B错误．] [训练4]　如图所示，粗细均匀、电阻为2r的金属圆环，放在图示的匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B，圆环直径为l；长为l、电阻为 eq \f(r,2) 的金属棒ab放在圆环上，以速度v0向左运动，当ab棒运动到图示虚线位置(圆环直径处)时，金属棒两端的电势差为(　　) A．Blv0　　　　　　　　 B． eq \f(1,2) Blv0 C． eq \f(1,3) Blv0 D． eq \f(2,3) Blv0 B　[切割磁感线的金属棒ab相当于电源，其电阻相当于电源内阻，当运动到图中虚线位置时，两个半圆金属环相当于并联，等效电路图如图所示．则R外＝R并＝ eq \f(r,2) ，I＝ eq \f(E,R外＋\f(r,2)) ＝ eq \f(Blv0,r) .金属棒两端的电势差相当于路端电压，则Uab＝IR外＝ eq \f(Blv0,r) × eq \f(r,2) ＝ eq \f(1,2) Blv0. 导体转动切割磁感线产生的感应电动势 当导体绕一端转动时如图所示，由于导体上各点的速度不同，自圆心向外随半径增大，速度是均匀增加的，所以导体运动的平均速度为 eq \x\to(v) ＝ eq \f(0＋ωl,2) ＝ eq \f(ωl,2) ，由公式E＝Bl eq \x\to(v) 得，E＝B·l· eq \f(ωl,2) ＝ eq \f(1,2) Bl2ω. 长为l的金属棒ab以a点为轴在垂直于匀强磁场的平面内以角速度ω做匀速转动，如图所示，磁感应强度为B，求： (1)ab 棒各点的平均速率． (2)ab 两端的电势差． (3)经时间 Δt 金属棒 ab 所扫过面积中磁通量为多少？此过程中平均感应电动势多大？ 解析　(1)ab棒各点的平均速率v＝ eq \f(va＋vb,2) ＝ eq \f(0＋ωl,2) ＝ eq \f(1,2) ωl. (2)ab两端的电势差：E＝Bl eq \x\to(v) ＝ eq \f(1,2) Bl2ω. (3)经时间Δt金属棒ab所扫过的扇形面积为ΔS，则： ΔS＝ eq \f(1,2) l2θ＝ eq \f(1,2) l2ωΔt ΔΦ＝BΔS＝ eq \f(1,2) Bl2ωΔt. 由法拉第电磁感应定律得： E＝ eq \f(ΔΦ,Δt) ＝ eq \f(\f(1,2)Bl2ωΔt,Δt) ＝ eq \f(1,2) Bl2ω. 答案　(1) eq \f(1,2) ωl　　(2) eq \f(1,2) Bl2ω　　(3) eq \f(1,2) Bl2ωΔt　 eq \f(1,2) Bl2ω [训练5]　如图所示，导线OA长为l，在方向竖直向上且磁感应强度为B的匀强磁场中以角速度ω沿图中所示方向绕通过悬点O的竖直轴旋转，导线OA与竖直方向的夹角为θ.则OA导线中的感应电动势大小和O、A两点电势高低情况分别是(　　) A．Bl2ω　O点电势高 B．Bl2ω　A点电势高 C． eq \f(1,2) Bl2ωsin2θ　O点电势高 D． eq \f(1,2) Bl2ωsin2θ　A点电势高 D　[导线OA切割磁感线的有效长度等于OA在垂直磁场方向上的投影长度，即l′＝l·sinθ，产生的感应电动势E＝ eq \f(1,2) Bl′2ω＝ eq \f(1,2) Bl2ωsin2θ，由右手定则可知A点电势高，所以D正确．] [对应学生用书P41] 1．(物理学史)(2020·全国卷Ⅱ)管道高频焊机可以对由钢板卷成的圆管的接缝实施焊接．焊机的原理如图所示，圆管通过一个接有高频交流电源的线圈，线圈所产生的交变磁场使圆管中产生交变电流，电流产生的热量使接缝处的材料熔化将其焊接．焊接过程中所利用的电磁学规律的发现者为(　　) A．库仑　　　　　　　　 B．霍尔 C．洛伦兹 D．法拉第 D　[线圈中接高频交流电源，交变电流产生的交变磁场通过圆管，在圆管中产生交变电流，这是电磁感应现象，是法拉第发现的，D正确，A、B、C错误．] 2．(导线切割磁感线时的感应电动势)中国空军八一飞行表演队应邀参加于2019年3月举行的巴基斯坦国庆日飞行表演．中国歼­10战斗机在广场上方沿水平方向自西向东飞行．该飞机翼展10m，表演地点位于北半球，该处磁场的竖直分量为5.0×10－5T，该机飞行时速度约为300 m/s，下列说法正确的是(　　) A．该机两翼尖端电势差大小约为0.15 V B．该机两翼尖端无电势差 C．右端机翼电势较高 D．若飞机转向为自东向西飞行，机翼右端电势较高 A　[该机两翼尖端电势差大小约为U＝BLv＝0.15 V，故A正确；北半球的地磁场方向斜向下，在竖直方向的分量向下，根据右手定则可得，无论飞机沿水平方向自西向东飞行或是自东向西飞行，相对于飞行员来说机翼的左端电势高，故B、C、D错误．] 3．(法拉第电磁感应定律)半径为r的圆环电阻为R，ab为圆环的一条直径．如图所示，在ab的一侧存在一个均匀变化的匀强磁场，磁场垂直圆环所在平面，方向如图，磁感应强度大小随时间的变化关系为B＝B0＋kt(k>0)，则(　　) A．圆环中产生顺时针方向的感应电流 B．圆环具有扩张的趋势 C．圆环中感应电流的大小为 eq \f(kπr2,2R) D．图中a、b两点间的电势差U＝ eq \f(1,2) kπr2 C　[由于磁场均匀增大，圆环中的磁通量变大，根据楞次定律可知圆环中电流为逆时针，同时为了阻碍磁通量的变化，圆环将有收缩的趋势，故A、B错误；根据法拉第电磁感应定律得电动势为：E＝ eq \f(S,2) · eq \f(ΔB,Δt) ＝ eq \f(kπr2,2) ，回路中的电阻为R，所以电流大小为I＝ eq \f(E,R) ＝ eq \f(kπr2,2R) ，故选项C正确；ab两端电压为：Uab＝ eq \f(R,2) ·I＝ eq \f(kπr2,4) ，故D错误．] 4．(导线切割磁感线时的感应电动势)如图所示，电阻不计的光滑U形导轨水平放置，导轨间距L＝0.5 m，导轨一端接有R＝4.0 Ω的电阻．有一质量m＝0.1 kg、电阻r＝1.0 Ω的金属棒ab与导轨垂直放置．整个装置处在竖直向下的匀强磁场中，磁场的磁感应强度B＝0.2 T．现用F＝5 N的水平恒力垂直拉动金属棒ab，使它由静止开始向右加速运动，当金属棒向右运动的距离为x＝2 m时速度达到v＝10 m/s.设导轨足够长．求 (1)此时金属棒ab中电流I的大小和方向． (2)此时金属棒ab两端的电压U. 解析　(1)感应电动势大小为：E＝BLv 根据全电路欧姆定律有：I＝ eq \f(E,R＋r) 代入数据解得电流为：I＝0.2 A 电流方向由b指向a . (2)金属棒ab两端的电压即为电阻R两端电压，根据部分电路欧姆定律得：U＝IR 代入数据解得：U＝0.8 V． 答案　(1)0.2 A　b 指向a　　(2)0.8 V $$