第2章 第2节 法拉第电磁感应定律（Word教参）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（鲁科版 福建专用）

第2节　法拉第电磁感应定律(赋能课——精细培优科学思维) 课标要求 学习目标 通过实验，理解法拉第电磁感应定律。 1.形成感应电动势的概念，能理解法拉第电磁感应定律的内涵。 2.能用磁感线与匀强磁场等模型综合分析电磁感应问题。 3.能通过实验探究“感应电动势与磁通量变化的关系”，分析总结归纳出电磁感应现象的本质。 4.通过法拉第电磁感应定律的应用，体会科学家的不断创造推动了社会的进步。 一、感应电动势 1.定义：在电磁感应现象中产生的电动势。 2.产生条件 不管电路是否闭合，只要穿过电路的磁通量发生变化，电路中就会产生感应电动势。 3.决定因素 研究表明，感应电动势的大小与电路中磁通量变化的快慢有关。 [质疑辨析]　如图，产生感应电动势的线圈相当于直流电路中的电池。判断下列说法的正误。 (1)电路中有感应电动势，一定产生感应电流。 (×) (2)穿过某回路的磁通量越大，产生的感应电动势就越大。 (×) (3)闭合电路垂直放在强磁场中，感应电动势可能为0。 (√) 二、电磁感应定律 1.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的变化率成正比。 (2)表达式：对单匝线圈E=k，k为比例常数。在国际单位制中k=1，上式可简化为E=。对n匝线圈E=n。 (3)单位：在国际单位制中，感应电动势E的单位是伏特，磁通量Φ的单位是韦伯，磁通量的变化量ΔΦ的单位是韦伯，时间Δt的单位是秒。 2.导体切割磁感线时的感应电动势 (1)导体在匀强磁场中运动，如图甲所示，B、l、v两两垂直时，E=Blv。 (2)导体的运动方向与导体本身垂直，但与磁感线方向夹角为θ时(如图乙)，E=Blvsin θ。  3.拓展一步 (1)感生电动势：由磁场变化引起磁通量变化而产生的感应电动势。 (2)动生电动势：导体切割磁感线产生的电动势。 [微点拨] (1)正确区别Φ、ΔΦ、，其中为磁通量变化率。 (2)当l不垂直于B或导体弯曲时，应确定导体切割磁感线的有效长度。 [情境思考] 导体棒长度为l，从中间弯成90°后，以速度v运动时，如图所示，产生的感应电动势多大? 提示：E=Blv。 　　　　　强化点(一)　法拉第电磁感应定律的理解及应用 任务驱动 当磁铁穿过n匝线圈时(如图所示)，每匝线圈作为电源是如何连接的? 提示：当有n匝线圈时，可将其视为n个电源串联。 [要点释解明] 1.E=n的三种基本形式 (1)ΔΦ仅由B变化引起，则E=nS。 (2)ΔΦ仅由S变化引起，则E=nB。 (3)磁感应强度B和线圈面积S均变化，则E=n。 2.感应电动势E的大小与方向 (1)感应电动势E的大小取决于穿过电路的磁通量的变化率，与Φ的大小及ΔΦ的大小没有必然联系。 (2)感应电动势的方向 ①方向规定：感应电动势是标量，但有方向，其方向规定为从电源的负极经过电源内部指向电源的正极，与电源内部电流方向一致。 ②判断方法：用楞次定律或右手定则判断感应电动势的方向。 [典例]　(2024·福建高考)拓扑结构在现代物理学中具有广泛的应用。现有一条绝缘纸带，两条平行长边镶有铜丝，将纸带一端扭转180°，与另一端连接，形成拓扑结构的莫比乌斯环，如图所示。连接后，纸环边缘的铜丝形成闭合回路，纸环围合部分可近似为半径为R的扁平圆柱。现有一匀强磁场从圆柱中心区域垂直其底面穿过，磁场区域的边界是半径为r的圆(r<R)。若磁感应强度大小B随时间t的变化关系为B=kt(k为常量)，则回路中产生的感应电动势大小为 (　　) A.0　　　　　　　 B.kπR2 C.2kπr2 D.2kπR2 [解析]　由题意可知，铜丝构成的“莫比乌斯环”形成了两匝(n=2)线圈串联的闭合回路，穿过回路的磁场有效面积为S=πr2，根据法拉第电磁感应定律可知，回路中产生的感应电动势大小为E=n=n=2kπr2，故选C。 [答案]　C [思维建模] 　　 公式E=n的应用技巧 (1)首先确定磁通量变化的原因，根据Φ=BS，看是B发生变化还是S发生变化;其次求出ΔΦ的大小，并确定相应时间Δt;最后代入公式求出E的大小，且不能忘记线圈总匝数n。 (2)注意S是线圈和磁场共同确定的有效面积，不一定等于线圈的面积。　 [题点全练清] 1.(2023·湖北高考)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：选B　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，故选B。 2.将P、Q两单匝闭合圆形导线环按如图所示放置，导线环Q恰好与正方形的匀强磁场区域边界内切，磁场方向垂直于两导线环的平面，P、Q导线环的半径之比rP∶rQ=2∶1。若磁感应强度随时间均匀增大，则P、Q导线环中感应电动势之比为 (　　) A.1∶1　　　　　　　 B.4∶1 C.4∶π D.2∶π 解析：选C　匀强磁场的磁感应强度随时间均匀增大，设=k，k为常量;由题图可知，穿过P的磁场的面积SP=(2rQ)2=4，穿过Q的磁场的面积SQ=π，根据法拉第电磁感应定律有E=n=·S，所以P、Q导线环中感应电动势之比为==，A、B、D错误，C正确。 3.(双选)如图甲所示，n=10匝(图中只画了1匝)、电阻r=10 Ω的线圈，其两端a、b与一个R=20 Ω的电阻相连，线圈内有垂直纸面向里的磁场，线圈中的磁通量按图乙所示的规律变化，下列判断正确的是 (　　) A.线圈中的感应电动势大小为0.3 V B.线圈中的感应电流大小为0.03 A C.线圈中感应电流的方向由a到b D.a端电势比b端高 解析：选AD　由法拉第电磁感应定律可知，线圈中的感应电动势大小为E=n=10× V=0.3 V，故A正确;由闭合电路欧姆定律可知，线圈中的感应电流大小为I== A=0.01 A，故B错误;由楞次定律与安培定则可知，线圈中感应电流的方向由b到a，且在电源内部电流方向由负极流向正极，所以a端电势比b端高，故C错误，D正确。 　　　　　　强化点(二)　导体切割磁感线时的感应电动势 [要点释解明] 1.应用E=Blv注意的问题 (1)当B、l、v三个量方向相互垂直时，E=Blv;当有任意两个量的方向平行时，E=0。 (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。如图甲、乙、丙中线段ab的长即为导线切割磁感线的有效长度。 (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，也有感应电动势产生。 2.导体棒转动切割磁感线时的感应电动势 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。 (1)棒上各点速度不同，其平均速度=ωl，由E=Blv得棒上感应电动势大小为E=Bl·ωl=Bl2ω。 (2)若经时间Δt，棒扫过的面积为ΔS=πl2=l2ω·Δt，磁通量的变化量ΔΦ=B·ΔS=Bl2ω·Δt，由E=得棒上感应电动势大小为E=Bl2ω。 [例1·平动切割]　 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 [解析]　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b→a，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，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=，故a、b两点间的电压为U=IR=BLv，B错误。 [答案]　C [例2·转动切割]　(2024·湖南高考)如图，有一硬质导线Oabc，其中是半径为R的半圆弧，b为圆弧的中点，直线段Oa长为R且垂直于直径ac。该导线在纸面内绕O点逆时针转动，导线始终在垂直纸面向里的匀强磁场中。则O、a、b、c各点电势关系为 (　　) A.φO>φa>φb>φc B.φO<φa<φb<φc C.φO>φa>φb=φc D.φO<φa<φb=φc [解析]　如图，相当于Oa、Ob、Oc导体棒转动切割磁感线，根据右手定则可知O点电势最高;根据E=Blv=Bωl2，同时有lOb=lOc=R，可得0<UOa<UOb=UOc，得φO>φa>φb=φc，故选C。 [答案]　C [题点全练清] 1.一根弯成直角的导线放在B=0.4 T 的匀强磁场中，如图所示，ab=30 cm，bc=40 cm，当导线以5 m/s的速度做切割磁感线运动时，可产生的最大感应电动势的值为 (　　) A.1.4 V B.1.0 V C.0.8 V D.0.6 V 解析：选B　由题意得ac=50 cm，当切割磁感线的有效长度L=ac=50 cm时，产生的感应电动势最大，最大值Em=BLv=1.0 V，B正确。 2.如图所示，半径为r的金属圆盘在垂直于盘面的匀强磁场(磁感应强度为B)中，绕O轴以角速度ω沿逆时针方向匀速转动，则通过电阻R的电流的方向和大小是(金属圆盘的电阻不计) (　　) A.由c到d，I= B.由d到c，I= C.由c到d，I= D.由d到c，I= 解析：选D　根据法拉第电磁感应定律，可知感应电动势E=Br·rω=Br2ω，由闭合电路欧姆定律得通过电阻R的电流I===;圆盘相当于电源，由右手定则可知电流方向为由边缘指向圆心，所以电阻R中的电流方向为由d到c，选项D正确。 强化点(三)　平均电动势与瞬时电动势 [要点释解明] 平均电动势与瞬时电动势的比较 平均电动势 瞬时电动势 区 别 求解公式 E=n E=Blvsin θ 物理意义 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相对应 求的是瞬时感应电动势，E与某个时刻或某个位置相对应 适用范围 求的是整个电路的感应电动势。整个电路的感应电动势为0时，其电路中某段导线的感应电动势不一定为0 求的是电路中一部分导线切割磁感线时产生的感应电动势 研究对象 由于是整个电路的感应电动势，因此研究对象即电源部分不容易确定 由于是一部分导线切割磁感线产生的感应电动势，该部分就相当于电源 联系 公式E=n和E=Blvsin θ是统一的，当Δt→0时，E为瞬时感应电动势，而公式E=Blvsin θ中的v若为平均速度，则求出的E为平均感应电动势 　　[典例]　如图所示，边长为0.1 m的正方形单匝线圈ABCD在磁感应强度大小为0.5 T的匀强磁场中以AD边为轴匀速转动。初始时刻线圈平面与磁感线平行，经过1 s线圈转过了90°，求： (1)线圈在1 s时间内产生的感应电动势的平均值; (2)线圈在1 s末时的感应电动势大小。 [解析]　(1)根据法拉第电磁感应定律可得，线圈在转过90°的过程中产生的平均感应电动势E== V=0.005 V。 (2)当线圈转了1 s时，恰好转过了90°，此时线圈各边的速度方向均与磁感线的方向平行，线圈各边均不切割磁感线(或认为切割磁感线的有效速度为0)，所以线圈不产生感应电动势，E'=0。 [答案]　(1)0.005 V　(2)0 [变式拓展]　对应[典例]中的情境，若整个线圈的电阻R=0.1 Ω，则1 s时间内通过线圈导线某横截面的电荷量是多少? 解析：q=·t=·Δt== C=0.05 C。 答案：0.05 C [思维建模] (1)某一位置或某一时刻的瞬时感应电动势一般用E=Blv求解，而E=n一般用于求某一段时间或某一过程的平均感应电动势，其中Δt为对应的时间。 (2)平均感应电动势不一定是最大值与最小值的平均值，需根据法拉第电磁感应定律求解。 (3)闭合回路中磁通量发生变化时，由于感应电场的作用使电荷发生定向移动而形成感应电流，在Δt时间内迁移的电荷量(感应电荷量)q=·t=n。 [题点全练清] 1.如图所示，PQRS为一正方形导线框，它以恒定速度向右运动，进入以MN为边界的匀强磁场，磁场方向垂直线框平面向里，MN与QR所在直线成45°角，E、F分别是PS和PQ的中点。关于线框中的感应电流，下列说法正确的是 (　　) A.当E点经过边界MN时，线框中感应电流最大 B.当P点经过边界MN时，线框中感应电流最大 C.当F点经过边界MN时，线框中感应电流最大 D.当Q点经过边界MN时，线框中感应电流最大 解析：选B　因为线框向右运动，所以线框进入磁场时，PS、QR不切割磁感线，当P点经过边界MN时，线框切割磁感线的有效长度最大，为导线框边长SR，此时感应电动势最大，设r为线框的总电阻，由I=知，此时线框中的感应电流最大，故B正确。 2.(双选)如图所示，在边长为a的等边三角形区域内有匀强磁场B，其方向垂直纸面向外。一个边长也为a的等边三角形导线框架EFG正好与上述磁场区域的边界重合，当它以周期T绕其中心O点在纸面内匀速转动时，框架EFG中产生感应电动势，若经框架转到图中的虚线位置，则在时间内 (　　) A.框架产生的平均感应电动势大小等于 B.框架产生的平均感应电动势大小等于 C.框架沿顺时针方向转动时感应电流方向为E→F→G→E D.框架沿逆时针方向转动时感应电流方向为E→G→F→E 解析：选AC　根据对称性可知题图中实线和虚线构成的两等边三角形所围的小三角形为等边三角形，小三角形的边长为，小三角形的高为h=·sin 60°=a，则小三角形的面积为S=··a=a2，根据法拉第电磁感应定律可得，==，联立解得=，A正确，B错误;当框架沿顺时针或逆时针方向转动时，穿过框架的磁通量都减少，根据楞次定律与安培定则可知，感应电流的方向均为E→F→G→E，C正确，D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $