内容正文:
第二章 电磁感应及其应用
2 法拉第电磁感应定律
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第二章 电磁感应及其应用
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预习案 必备知识·问题导学
01
探究案 关键能力·互动探究
02
知能达标训练
04
提升案 随堂演练·基础落实
03
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Blv
v cosθ
v sinθ
Blv1
Blv sinθ
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提升案 随堂演练·基础落实
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第二章 电磁感应及其应用
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第二章 电磁感应及其应用
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[学业要求]
1.知道什么是感应电动势,知道产生电动势的导体相当于电源。
2.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。
3.能够运用E=Blv或E=Blvsin θ计算导体切割磁感线时的感应电动势。
一、感应电动势
阅读教材,并回答:
(1)闭合电路中有感应电流,一定有电动势。若电路没有闭合,回路中有没有感应电流?有没有感应电动势?比较产生感应电动势的条件和产生感应电流的条件你有什么发现?
(2)图中闭合电路中哪一部分是电源?
答:(1)没有 有 不管电路是否闭合,只要磁通量发生变化就产生感应电动势,只有闭合电路才能产生感应电流。
(2)导体棒
[概念·规律]
1.定义:在____________现象中产生的电动势。
2.产生感应电动势的那部分导体相当于________。
3.在电磁感应现象中,只要闭合回路中有感应电流,这个回路就一定有______________;回路断开时,虽然没有感应电流,但______________依然存在。
4.磁通量的变化率:磁通量的变化率表示__________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。
eq \f(ΔΦ,Δt)
二、电磁感应定律
阅读教材,并回答:
在教材图221实验中:切割磁感线的速度越快,磁场越强,产生的感应电流越大,说明了什么问题?
答:见教材
[概念·规律]
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__________成正比。
2.公式:___________。
若闭合电路是一个匝数为n的线圈,则E=________。
3.在国际单位制中,磁通量的单位是________,感应电动势的单位是________。
E= eq \f(ΔΦ,Δt)
n eq \f(ΔΦ,Δt)
三、导线切割磁感线的感应电动势
阅读教材,并回答:
1.根据教材图222求在这个过程中ab中感应电动势大小。
答:见教材
2.导线不垂直切割磁感线时,即v与B有一夹角α,感应电动势大小如何求?
答:见教材
[概念·规律]
1.导线垂直切割磁感线时,E=_______,此式常用来计算瞬时感应电动势的大小。
2.导线不垂直切割磁感线时,即v与B有一夹角θ,如图所示。此时可将导线的速度v向垂直于磁感线和平行于磁感线两个方向分解,则分速度v2=_______不使导线切割磁感线,使导线切割磁感线的分速度v1=_______,从而使导线产生的感应电动势为E=________=____________。
探究点一 对法拉第电磁感应定律的理解
[交流讨论]
1.如图所示,将螺线管用导线与电表连接,依次用1根条形磁铁分别快速插入或拔出螺线管、用2根条形磁铁分别快速和慢速插入或拔出螺线管,并以定性描述的方式(如很大、较大、较小等),将实验结果填入表中。
所用条形磁铁的数目
条形磁铁插入或拔出的方式
螺线管中磁通量变化的大小ΔΦ
电流表指针的偏转角度
感应电动势
E的大小
1根
快速
2根
快速
2根
慢速
分析表中的实验结果,可以得到什么实验结论?
答:表略 在控制条形磁铁插入或拔出螺线管的速度相同,以保证磁通量变化所用时间近似相等的情况下,磁通量的变化量ΔΦ越大,感应电动势E越大;在保持磁铁的数量相同,以保证磁通量变化量相等的情况下,磁通量变化的时间Δt越小,感应电动势E越大。从上面的实验结果可以初步看出,感应电动势的大小与磁通量变化快慢eq \f(ΔΦ,Δt)有关。
2.磁通量大,磁通量变化一定大吗?磁通量变化大,磁通量的变化率一定大吗?
答:不一定 不一定
[归纳总结]
1.Φ、ΔΦ、eq \f(ΔΦ,Δt)的比较
物理量
单位
物理意义
计算公式
磁通量Φ
Wb
表示某时刻或某位置时穿过某一面积的磁感线条数的多少
Φ=B·S⊥
磁通量的
变化量ΔΦ
Wb
表示在某一过程中穿过某一面积的磁通量变化的多少
ΔΦ=Φ2-Φ1
磁通量的
变化率eq \f(ΔΦ,Δt)
Wb/s
表示穿过某一面积的磁通量变化的快慢
eq \f(ΔΦ,Δt)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(B·\f(ΔS,Δt),\f(ΔB,Δt)·S))
2.感应电动势E=neq \f(ΔΦ,Δt)的两种基本形式
(1)当垂直于磁场方向的线圈面积S不变,磁感应强度B发生变化时,ΔΦ=ΔB·S,则E=neq \f(ΔB,Δt)S,其中eq \f(ΔB,Δt)叫磁感应强度B的变化率。
(2)当磁感应强度B不变,垂直于磁场方向的线圈面积S发生变化时,ΔΦ=B·ΔS,则E=nBeq \f(ΔS,Δt)。
3.磁通量的变化率eq \f(ΔΦ,Δt):是Φ t图像上某点切线的斜率大小。磁感应强度的变化率eq \f(ΔB,Δt)是Bt图像上某点切线斜率的大小。
4.E=neq \f(ΔΦ,Δt)的意义:E=neq \f(ΔΦ,Δt)求出的是Δt时间内的平均感应电动势。
如图所示,固定在水平桌面上的光滑金属框架cdef处于竖直向下、磁感应强度为B0的匀强磁场中,金属杆ab与金属框架接触良好,此时abed构成一个边长为l的正方形,金属杆的电阻为r,其余部分电阻不计。
(1)若从t=0时刻起,磁场的磁感应强度从B0开始均匀增加,每秒钟的增加量为k,施加一水平拉力保持金属杆静止不动,求金属杆中的感应电流大小;
(2)在情况(1)中金属杆始终保持不动,当t=t1秒末时,求水平拉力F的大小;
(3)若从t=0时刻起,磁感应强度逐渐减小,当金属杆在框架上以恒定速度v向右做匀速运动时,可使回路中不产生感应电流,写出磁感应强度B与时间t的函数关系式。
[解析] (1)回路中产生感生电动势E=neq \f(ΔΦ,Δt)=neq \f(ΔB,Δt)S=kl2
感应电流I1=eq \f(E,r),可解得I1=eq \f(kl2,r)。
(2)静止时金属棒受力平衡F=F安=I1lB,其中B=B0+kt1
解得F=eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(B0+kt1))kl3,r)。
(3)不产生感应电流必有Φ′=Φ
也即Bl(l+vt)=B0l2,解得B=eq \f(B0l,l+vt)。
[答案] (1)eq \f(kl2,r) (2)eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(B0+kt1))kl3,r) (3)B=eq \f(B0l,l+vt)
[变式] 在例题中,若磁感应强度大小随时间变化满足关系式B=eq \f(B0,c+kt2)。其中B0、c、k均为已知数(不为零)。t=0时,金属杆ab距导轨左端的距离为x0,为使金属杆ab由静止向右运动过程中所受安培力为零,试判断金属棒ab在外力作用下做什么运动?若做匀加速直线运动,求出其加速度a。
解析 由于金属棒ab由静止向右运动过程中所受安培力为零,则回路中感应电流为0,为了不产生感应电流,在任意时刻的磁通量应与刚开始时的相同,设t时间内金属棒ab的位移为x,有eq \f(B0,c)dx0=eq \f(B0,c+kt2)d(x0+x)
解得x=eq \f(x0k,c)t2
故金属棒ab应在外力作用下由静止开始向左做匀加速直线运动,
其加速度a=eq \f(2x0k,c)。
答案 初速度为0的匀加速直线运动,a=eq \f(2x0k,c)
1.(2022·江苏卷)如图所示,半径为r的圆形区域内有垂直于纸面的匀强磁场,磁感应强度B随时间t的变化关系为B=B0+kt,B0、k为常量,则图中半径为R的单匝圆形线圈中产生的感应电动势大小为( )
A.πkr2
B.πkR2
C.πB0r2
D.πB0R2
解析 由题意可知磁场的变化率为eq \f(ΔB,Δt)=eq \f(kt,t)=k,根据法拉第电磁感应定律可知E=eq \f(ΔΦ,Δt)=eq \f(ΔBπr2,Δt)=πkr2,故选A。
答案 A
●核心素养·思维升华
(1)计算电动势大小时,ΔΦ取绝对值不涉及正、负。
(2)eq \f(ΔΦ,Δt)=eq \f(ΔB,Δt)·S,eq \f(ΔΦ,Δt)为Φ t图像的斜率,eq \f(ΔB,Δt)为Bt图像的斜率。
探究点二 导体切割磁感线产生的感应电动势
[交流讨论]
1.比较E=neq \f(ΔΦ,Δt)(常用的两种表达形式),E= BLv两式的应用范围?
答:略
2.如图所示,在匀强磁场B中,有一长为L的导体棒,以其一端为轴,在垂直于磁场的平面内以角速度ω匀速转动,则导体棒两端所产生的感应电动势E=eq \f(1,2)BL2ω。
答:法一:设导体棒在Δt时间内扫过面积ΔS,
则ΔS=eq \f(1,2)L·L·ω·Δt=eq \f(1,2)L2ω·Δt
E=eq \f(ΔΦ,Δt)=eq \f(B·ΔS,Δt)=eq \f(1,2)BL2ω
法二:整根导体棒的平均切割速度为
eq \x\to(v)=eq \f(0+ωL,2)=eq \f(ωL,2),由公式E=BLeq \x\to(v)得,导体棒转动切割磁感线产生的感应电动势为E=BLeq \x\to(v)=eq \f(1,2)BL2ω。
3.由于导体棒运动产生感应电动势,电路中有电流通过,导体棒在运动过程中会受到安培力的作用。请问安培力做功实现怎样的能量转化?
答:外力克服安培力做功,其他形式能转化为电能
[归纳总结]
1.平动切割
(1)计算公式:E=Blv(B⊥v)。
(2)理解E=Blv的“四性”。
①正交性:
B⊥l⊥v时,E=Blv
B∧v=θ时,E=Blvsin θ
B∥v时,E=0
②瞬时对应性:通常用来求导体运动速度为v时的瞬时电动势,若v为平均速度,则E为平均电动势。
③有效性:公式E=Blv中l的有效长度如图所示,导体切割磁感线的情况应取与B和v垂直的等效直线长度,即等于a、b连线的长度。
④相对性:E=Blv中的速度v是相对于磁场的速度,若磁场也运动,应注意速度间的相对关系。
2.转动切割:E=eq \f(ΔΦ,Δt)=eq \f(B·ΔS,Δt)=eq \f(1,2)BL2ω
3.公式E=neq \f(ΔΦ,Δt)与E=Blvsin θ的区别与联系
E=neq \f(ΔΦ,Δt)
E=Blvsin θ
区别
研究
对象
某个回路
回路中做切割磁感线运动的那部分导体
区别
研究
内容
(1)求的是Δt时间内的平均感应电动势,E与某段时间或某个过程对应;
(2)当Δt→0时,E为瞬时感应电动势
(1)若v为瞬时速度,公式求的是瞬时感应电动势;
(2)若v为平均速度,公式求的是平均感应电动势;
(3)当B、l、v三者均不变时,平均感应电动势与瞬时感应电动势相等
适用
范围
对任何电路普遍适用
只适用于导体切割磁感线运动的情况
联系
(1)E=Blvsin θ可由E=neq \f(ΔΦ,Δt)在一定条件下推导出来;
(2)整个回路的感应电动势为零时,回路中某段导体的感应电动势不一定为零
在范围足够大、方向竖直向下的匀强磁场中,B=0.2 T,有一水平放置的光滑框架,宽度为L=0.4 m,如图所示,框架上放置一质量为0.05 kg、电阻为1 Ω的金属杆cd,框架电阻不计。若cd杆以恒定加速度a=2 m/s2由静止开始做匀变速运动,求:
(1)在5 s内平均感应电动势是多少?
(2)第5 s末,回路中的电流多大?
(3)第5 s 末,作用在cd杆上的水平外力多大?
[解析] (1)5 s内的位移:x=eq \f(1,2)at2=25 m,
5 s内的平均速度eq \x\to(v)=eq \f(x,t)=5 m/s
所以平均感应电动势:eq \x\to(E)=BLeq \o(v,\s\up6(-))=0.4 V。
(2)5 s末:v=at=10 m/s,
此时感应电动势:E=BLv=0.8 V
由欧姆定律得I=eq \f(E,R)=0.8 A。
(3)杆做匀加速运动,由牛顿第二定律得
F-F安=ma
即F=ma+F安=ma+BIL=0.164 N。
[答案] (1)0.4 V (2)0.8 A (3)0.164 N
[变式] 在例题中,若金属棒cd沿导轨水平向右匀速运动时,2秒内磁通量增加了5 Wb,其他条件不变,求:
(1)cd棒中感应电动势的大小;
(2)回路中感应电流的大小;
(3)cd棒做匀速运动时受到的安培力的大小。
答案 (1)2.5 V (2)2.5 A (3)0.2 N
2.如图所示,平行金属导轨MN和PQ相距l=0.5 m,NQ间连接有电阻R,放置在平行导轨上的导体棒ab向右以大小为v=0.4 m/s的速度匀速运动,垂直于导轨平面的匀强磁场的磁感应强度B=0.5 T。
(1)求ab产生的感应电动势的大小;
(2)电阻R=1.5 Ω,导体棒电阻r=0.5 Ω,导轨电阻不计,求作用于导体棒ab上的外力大小。
解析 (1)由法拉第电磁感应定律可知,感应电动势为E=Blv=0.5×0.5×0.4 V=0.1 V。
(2)由安培力公式FA=BIL
由闭合电路欧姆定律E=I(R+r)
由受力平衡可得F=FA
联立解得F=1.25×10-2 N。
答案 (1)0.1 V (2)1.25×10-2 N
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
解析 根据法拉第电磁感应定律可知
E=eq \f(ΔΦ,Δt)=eq \f(ΔBS,Δt)=103×(1.02+1.22+1.42)×10-4V=0.44 V
故选B。
答案 B
2.(多选)(2023·全国甲卷)一有机玻璃管竖直放在水平地面上,管上有漆包线绕成的线圈,线圈的两端与电流传感器相连,线圈在玻璃管上部的5匝均匀分布,下部的3匝也均匀分布,下部相邻两匝间的距离大于上部相邻两匝间的距离。如图(a)所示。现让一个很小的强磁体在玻璃管内沿轴线从上端口由静止下落,电流传感器测得线圈中电流I随时间t的变化如图(b)所示。则( )
A.小磁体在玻璃管内下降速度越来越快
B.下落过程中,小磁体的N极、S极上下顺倒了8次
C.下落过程中,小磁体受到的电磁阻力始终保持不变
D.与上部相比,小磁体通过线圈下部的过程中,磁通量变化率的最大值更大
解析 AD.电流的峰值越来越大,即小磁铁在依次穿过每个线圈的过程中磁通量的变化率越来越快,因此小磁体的速度越来越大,A、D正确;
B.假设小磁体是N极向下穿过线圈,则在穿入靠近每匝线圈的过程中磁通量向下增加产生逆时针的电流,而在穿出远离每匝线圈的过程中磁通量向下减少产生逆时针的电流,即电流方向相反与题干描述的穿过线圈的过程电流方向变化相符,S极向下同理,B错误;
C.线圈可等效为条形磁铁,线圈的电流越大则磁性越强,因此电流的大小是变化的,小磁体受到的电磁阻力是变化的,不是一直不变的,D错误。故选AD。
3.如图所示,两个阻值分别为R1和R2的定值电阻与导线连接成面积为S的矩形闭合回路MNPQ,导线电阻不计。矩形闭合回路左半区域MabP内有垂直于纸面向里、磁感应强度随时间均匀增大的匀强磁场,其变化率为eq \f(ΔB,Δt)=k。下列说法正确的是( )
A.矩形闭合回路中的感应电流方向为顺时针方向
B.矩形闭合回路中的感应电动势大小为E=eq \f(kS,2)
C.矩形闭合回路中的感应电流大小为I=eq \f(kS,R1+R2)
D.a、b两点的电势差为U=eq \f(kSR1,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(R1+R2)))
解析 由楞次定律可知矩形闭合回路中的感应电流方向为逆时针方向,A错误;矩形闭合回路中的感应电动势大小为E=eq \f(ΔΦ,Δt)=eq \f(ΔB·\f(1,2)S,Δt)=eq \f(kS,2),B正确;矩形闭合回路中的感应电流大小为I=eq \f(E,R1+R2)=eq \f(kS,2R1+R2),C错误;a、b两点的电势差为U=-eq \f(R2,R1+R2)E=-eq \f(kSR2,2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(R1+R2))),D错误。
答案 B
4.(公式E=Blv的应用)如图所示,空间有一匀强磁场,一直金属棒与磁感应强度方向垂直,当它以速度v沿与棒和磁感应强度都垂直的方向运动时,棒两端的感应电动势大小为E,将此棒弯成两段长度相等且相互垂直的折线,置于与磁感应强度相互垂直的平面内,当它沿两段折线夹角平分线的方向以速度v运动时,棒两端的感应电动势大小为E′,则eq \f(E′,E)等于( )
A.eq \f(1,2)
B.eq \f(\r(2),2)
C.1
D.eq \r(2)
解析 设折弯前金属棒切割磁感线的长度为L,E=BLv;折弯后,金属棒切割磁感线的有效长度为l=eq \r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(L,2)))2+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(L,2)))2)=eq \f(\r(2),2)L,故产生的感应电动势为E′=Blv=B·eq \f(\r(2),2)Lv=eq \f(\r(2),2)E,所以eq \f(E′,E)=eq \f(\r(2),2),B正确。
答案 B
5.轻质细线吊着一质量为m=0.42 kg、边长为L=1 m、匝数n=10的正方形线圈,其总电阻为r=1 Ω,在线圈的中间位置以下区域分布着磁场,如图甲所示,磁场方向垂直纸面向里,磁感应强度大小随时间变化关系如图乙所示,已知轻质细线的拉力足够大,使得线圈始终处于静止状态,取g=10 m/s2。
(1)判断线圈中产生的感应电流的方向是顺时针还是逆时针;
(2)求线圈的电功率;
(3)求在t=4 s时轻质细线的拉力大小。
解析 (1)穿过线圈的磁通量向里增加,则由楞次定律可知电流的方向为逆时针方向。
(2)0~6 s内磁通量变化量的大小为ΔΦ=SΔB=0.5×1×(0.8-0.2)Wb=0.3 Wb
由法拉第电磁感应定律得E=eq \f(nΔΦ,Δt),代入数据得E=0.5 V
根据P=eq \f(E2,r),线圈的电功率为P=0.25 W。
(3)根据I=eq \f(E,r),可得电流为I=0.5 A
安培力为F安=nBIL=10×0.6×0.5×1 N=3 N
根据平衡条件可得轻质细线的拉力大小F=mg-F安=1.2 N。
答案 (1)逆时针 (2)0.25 W (3)1.2 N
$