内容正文:
2.法拉第电磁感应定律
1.理解法拉第电磁感应定律的内容、表达式,能运用法拉第电磁感应定律计算感应电动势的大小。(物理观念)
2.理解导线切割磁感线时感应电动势的公式E=Blv或E=Blvsin θ,会计算导体切割磁感线时产生的感应电动势大小。(科学思维)
3.会推导、计算导体转动切割磁感线时的感应电动势。(科学思维)
知识点一 电磁感应定律
如图所示,用一个多匝线圈与发光二极管组成闭合回路。将强磁铁插入线圈中,观察发光二极管的亮度与什么因素有关?
提示:强磁铁插入得越快,发光二极管越亮。
〔阅读教材P30~P31,完成下列填空〕
1.感应电动势
(1)在电磁感应现象中产生的电动势叫作 感应电动势 ,产生感应电动势的那部分导体相当于 电源 。
(2)在电磁感应现象中,若闭合回路中有感应电流,电路中一定有感应电动势;如果电路断开,这时虽然没有感应电流,但 感应电动势 依然存在。
2.法拉第电磁感应定律
(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 变化率 成正比。
(2)公式:E=。
若闭合电路是一个匝数为n的线圈,则E=n。
(3)在国际单位制中,磁通量的单位是 韦伯 ,感应电动势的单位是 伏特 。
(1)有感应电流,就一定有感应电动势;反之,有感应电动势,就一定有感应电流。( × )
(2)穿过线圈的磁通量越大,线圈中产生的感应电动势一定越大。( × )
(3)穿过线圈的磁通量的变化量ΔΦ越大,线圈中产生的感应电动势一定越大。( × )
(4)穿过线圈的磁通量变化得越快,线圈中产生的感应电动势一定越大。( √ )
磁通量Φ、磁通量的变化量ΔΦ与磁通量的变化率的大小有直接关系吗?
提示:没有。
1.对公式E=n的理解
(1)感应电动势的大小由穿过回路的磁通量的变化率和线圈匝数n共同决定,与Φ、ΔΦ的大小没有必然关系,与电路的总电阻R无关。
(2)公式E=n求解的是Δt内的平均感应电动势,当磁通量均匀变化时,平均值等于瞬时值。
(3)公式E=n只表示感应电动势的大小,不涉及其正负,计算时ΔΦ应取绝对值。
(4)感应电动势的方向,用楞次定律去判定:对于产生感应电动势的那部分导体(相对于电源),感应电流的流出端就是感应电动势(电源)的正极。
2.应用公式E=n求解感应电动势的三种情境
(1)当ΔΦ仅由B的变化引起时:E=n·S,其中为磁感应强度的变化率,在B-t图像中等于直线(或曲线的切线)的斜率;S为线圈在磁场中的有效面积。
(2)当ΔΦ仅由S的变化引起时:E=nB。
(3)当ΔΦ由B、S同时变化引起时:=n≠n。
注意:磁通量的变化量、变化率与线圈匝数n无关,但感应电动势E与匝数n成正比,相当于n个电源串联。
角度1 法拉第电磁感应定律的理解
〔多选〕图甲、乙、丙、丁分别为穿过同一闭合回路的磁通量的Φ-t图像,下列关于回路中感应电动势的说法正确的是( CD )
A.图甲回路产生恒定不变的感应电动势
B.图乙回路产生的感应电动势一直在变大
C.图丙回路0~t1时间内产生的感应电动势大于t1~t2时间内产生的感应电动势
D.图丁回路产生的感应电动势先变小后变大
解析:根据法拉第电磁感应定律E=n,由于在Φ-t图像中直线(或曲线的切线)的斜率k=,故题图甲中磁通量Φ不变,感应电动势为零,故A错误;题图乙中磁通量Φ随时间t均匀增大,图像的斜率k不变,产生的感应电动势不变,故B错误;题图丙中回路在0~t1时间内磁通量Φ随时间t变化的图像的斜率为k1,在t1~t2时间内磁通量Φ随时间t变化的图像的斜率为k2,从图像中发现:k1大于|k2|,所以在0~t1时间内回路产生的感应电动势大于在t1~t2时间内回路产生的感应电动势,故C正确;题图丁中磁通量Φ随时间t变化的图像的斜率的绝对值先变小后变大,所以感应电动势先变小后变大,故D正确。
角度2 法拉第电磁感应定律的应用
如图甲所示,有一个圆形线圈,匝数n=1 000匝,面积S=200 cm2,线圈的电阻r=1 Ω,线圈外接一个阻值R=4 Ω的电阻,其余电阻不计,把线圈放入一方向垂直于线圈平面向里的匀强磁场中,磁感应强度B随时间t变化的B-t图像如图乙所示(规定垂直于线圈平面向里为磁感应强度的正方向),求:
(1)0~4 s内线圈的感应电动势的大小;
(2)0~4 s内通过电阻R的电流的大小和方向。
答案:(1)1 V
(2)0.2 A 向上
解析:(1)0~4 s内线圈的感应电动势E=n·S=1 000×0.05×200×10-4 V=1 V。
(2)由闭合电路欧姆定律可得0~4 s内通过电阻R的电流
I==0.2 A
由楞次定律可知线圈中产生逆时针方向的感应电流,通过电阻R的电流方向向上。
【变式1】 0~5 s内线圈的平均感应电动势。
答案:0
解析:前5 s内磁通量的变化量。
ΔΦ'=Φ2'-Φ1=S(B2'-B1)=200×10-4×(0.2-0.2)Wb=0
由法拉第电磁感应定律得=n=0。
【变式2】 6 s时线圈的感应电动势大小及通过电阻R的电流的大小和方向。
答案:4 V 0.8 A 向下
解析:6 s时线圈的感应电动势大小等于4~8 s内线圈的感应电动势大小。
E=n·S=1 000×0.2×200×10-4 V=4 V
由闭合电路的欧姆定律可6 s时通过电阻R的电流
I==0.8 A
由楞次定律可知线圈中产生顺时针方向的感应电流,通过电阻R的电流方向向下。
知识点二 导线切割磁感线时的感应电动势
〔阅读教材P31~P33,完成下列填空〕
1.导线垂直于磁场运动,B、l、v两两垂直时:E= Blv 。(如图甲所示)
2.导线的运动方向与导线本身垂直,但与磁感线方向夹角为θ时:E= Blvsin θ 。(如图乙所示)
3.动生电动势:由于导体 运动 而产生的感应电动势。
4.动生电动势中的功能关系
切割磁感线运动的导线相当于电源,导线做切割磁感线运动时,克服 安培力 做功,其他形式的能转化为 电能 。
(1)导线在磁场中的速度越大,产生的感应电动势一定越大。 ( × )
(2)磁场的磁感应强度越大,导线在磁场中运动时产生的感应电动势一定越大。 ( × )
(3)导线垂直于磁场运动而且B、l、v两两垂直时产生的感应电动势最大。 ( √ )
1.如图所示,一个半径为r的半圆导线,半径OP⊥MN,处在磁感应强度为B的匀强磁场中。
(1)当导线沿OP方向以速度v匀速运动时,导线MPN产生的感应电动势大小是多少?
(2)当导线沿MN方向以速度v匀速运动时,导线MPN产生的感应电动势大小是多少?
提示:(1)导线的有效切割长度l=2r,感应电动势E=Blv=2Brv。
(2)导线的有效切割长度l'=0,感应电动势E'=0。
2.如图所示,长为l的金属棒ab,绕b端在垂直于匀强磁场的平面内以角速度ω匀速转动,磁感应强度为B。
(1)试利用导线切割磁感线时的感应电动势公式求出ab棒产生的感应电动势大小。
(2)试利用法拉第电磁感应定律求出ab棒产生的感应电动势大小。
提示:(1)由于棒上各处速率不等,故不能直接用公式E=Blv求解。由v=ωr可知,棒上各点的线速度大小跟半径成正比,故棒上各点的平均速度等于棒的中点的速度,速度=,代入公式可得E=Bl=Bl2ω。
(2)设经过Δt时间,ab棒扫过的扇形面积为ΔS,则ΔS=lωΔt·l=l2ωΔt
故E==B·=Bl2ω。
1.公式E=Blv中l指有效切割长度
(1)图甲中的有效切割长度为:l=sin θ。
(2)图乙中的有效切割长度为:l=。
(3)图丙中的有效切割长度为:沿v1的方向运动时,l=R;沿v2的方向运动时,l=R。
2.导线转动切割磁感线的感应电动势
(1)公式:E=Bl2ω
(2)电动势的方向:利用右手定则判断。如图中的a端为正极,b端为负极,即φa>φb。
角度1 平动切割问题
〔多选〕第十五届中国航展于2024年11月12日至17日在珠海国际航展中心成功举行。如图为某战机在沿水平方向自西向东飞行表演的情景。若该战机的翼展为13 m,该处地磁场的竖直分量方向向下且大小为5.0×13-5 T,该战机飞行时速度约为 300 m/s,下列说法正确的是( AC )
A.该战机两翼尖端电势差大小约为0.195 V
B.该战机两翼尖端无电势差
C.相对于飞行员来说左端机翼电势较高
D.若战机转向为自东向西飞行,相对于飞行员来说机翼右端电势较高
解析:该战机两翼尖端电势差大小约为U=Blv=0.195 V,故A正确;珠海市位于北半球,此处地磁场的竖直分量方向向下,根据右手定则可知,无论战机沿水平方向自西向东飞行或自东向西飞行,相对于飞行员来说机翼的左端电势高,故B、D错误,C正确。
(2026·江苏扬州月考)“L”型的细铜棒在磁感应强度为B的匀强磁场中运动,已知“L”型细铜棒两边相互垂直,长度均为l,运动速度大小为v,则铜棒两端电势差的最大值为( )
A.Blv B.Blv
C.Blv D.2Blv
解析:B 当细铜棒切割磁感线的有效长度最大时,铜棒两端的感应电动势最大。如图所示,当“L”型细铜棒速度方向垂直细铜棒两端连线时,切割磁感线的有效长度为L=l,此时细铜棒两端电势差最大,最大值为Emax=BLv=Blv,故选B。
角度2 转动切割问题
如图所示的是圆盘发电机的示意图,铜盘安装在水平的铜轴上,它的盘面恰好与匀强磁场垂直,两块铜片C、D分别与转动轴和铜盘的边缘接触。若铜盘半径为L,匀强磁场的磁感应强度为B,回路的总电阻为R,从左往右看,铜盘以角速度ω沿顺时针方向匀速转动。则( B )
A.由于穿过铜盘的磁通量不变,故回路中无感应电流
B.回路中感应电流大小不变,为
C.回路中感应电流方向不变,为D→C→R→D
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
解析:圆盘可近似为由无数条辐向分布的导体棒组成,圆盘在外力作用下使这些导体棒转动切割磁感线,从而产生感应电动势和感应电流,故A错误;根据右手定则可知,在外电路中电流从D点流出,流向C点,因此电流方向为从D向R再到C,即为C→D→R→C,故C错误;根据法拉第电磁感应定律可知,感应电动势E=BL=BL2ω,产生的感应电动势大小不变,感应电流大小不变,由闭合电路欧姆定律可知,感应电流大小为I==,故B正确;电流在R上的热功率P=I2R=,则圆盘转动的角速度变为原来的2倍,则电流在R上的热功率变为原来的4倍,故D错误。
(2026·黑龙江大庆期中)边界MN的右侧区域内,存在着磁感应强度大小为B,方向垂直光滑水平桌面向下的匀强磁场。边长为l的正三角形金属线框abc粗细均匀,三边阻值相等,顶点a刚好位于边界MN上,现使线框围绕过a点且垂直于桌面的转轴以角速度ω逆时针匀速转动,如图所示,则在ab边开始转入磁场的瞬间,a、b两点间的电势差Uab为( )
A.-Bl2ω B.-Bl2ω
C.Bl2ω D.Bl2ω
解析:C 在ab边开始转入磁场的瞬间,ab边产生的电动势E=Bl2ω,根据右手定则可知a点电势比b点高,故a、b两点间的电势差,即路端电压Uab=E=Bl2ω,故选C。
超速“电子眼”
为了保障道路交通安全,很多地方都在马路上安装“电子眼”,对违章超速车辆进行抓拍。目前普遍使用的一款“电子眼”即是一套利用电磁感应规律制成的交通监测设备。如图所示,在路面下方间隔一段距离埋设两个通电线圈。当车辆通过通电线圈上方的道路时,由于车身是由金属材料制成的,所以车身做切割磁感线运动会产生感应电流,引起电路中电流的变化。根据v=,只有汽车先后通过两个线圈上方的时间间隔小于某个值,拍摄装置才会被触发拍下超速车辆的照片。
(2026·高二上黑龙江哈尔滨月考)汽车地感线圈测速利用了电磁感应现象,汽车可简化为一矩形金属线圈abcd,埋在地下的线圈通有逆时针(俯视)方向恒定的电流,当汽车经过地下线圈时( B )
A.电流在地下线圈内部产生的磁场方向竖直向下
B.汽车进入地下线圈过程产生感应电流方向为a→b→c→d→a
C.汽车进入地下线圈过程不会产生感应电流
D.汽车离开地下线圈过程中产生感应电流方向为a→b→c→d→a
解析:根据右手螺旋定则可知,地下线圈中的电流方向为逆时针(俯视),则地下线圈内部产生的磁场方向竖直向上,故A错误;汽车线圈进入地下线圈时,穿过汽车线圈的磁通量增大,且竖直向上,则根据楞次定律可知,感应电流产生的磁场方向应竖直向下,再由右手螺旋定则可判断汽车线圈中的感应电流方向为a→b→c→d→a,故B正确,C错误;汽车线圈离开地下线圈时,穿过汽车线圈的磁通量减小,且竖直向上,则根据楞次定律可知,感应电流产生的磁场方向应竖直向上,再由右手螺旋定则可判断汽车线圈中的感应电流方向为a→d→c→b→a,故D错误。
知识点一 电磁感应定律
1.(2026·高二下山东烟台月考)单匝矩形线圈在匀强磁场中匀速转动,转轴垂直于磁场,若线圈所围面积里磁通量随时间变化的规律如图所示。则( )
A.线圈中C时刻感应电动势最大
B.线圈中C时刻感应电动势为零
C.线圈中0时刻感应电动势最小
D.线圈从0至C时间内平均感应电动势为4 V
解析:B 由题图可知,C时刻磁通量的变化率为零,感应电动势为零,故B正确,A错误;由题图可知,0时刻磁通量的变化率最大,感应电动势最大,故C错误;由法拉第电磁感应定律可知,线圈从0至C时间内平均感应电动势为E== V=0.4 V,故D错误。
2.(2025·河南信阳市期末)某同学用粗细均匀的金属丝弯成如图所示的图形,两个正方形的边长均为L,A、B两点之间的距离远小于L,在右侧正方形区域存在均匀增强的磁场,磁感应强度随时间的变化率=k,则B、A两点之间的电势差UBA为( )
A.kL2 B.
C.-kL2 D.-
解析:D 根据法拉第电磁感应定律可知金属丝中电动势E==kL2,由于金属丝粗细均匀,A、B两点间的电势差为电动势的一半,又根据楞次定律可知金属丝中电流沿逆时针方向,B点电势低于A点,故UBA=-,故D正确,A、B、C错误。
3.(2025·陕西西安期末)将A、B两单匝闭合圆形导线环如图所示放置,导线环B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,A、B导线环的半径之比rA∶rB=2∶1。若磁感应强度均匀增大,则A、B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:C 根据法拉第电磁感应定律E=n=nS,题中n相同,相同,有效面积之比为4∶π,则得到A、B环中感应电动势之比为EA∶EB=4∶π,故选C。
知识点二 切割磁感线时的感应电动势
4.(2025·辽宁鞍山期末)如图所示,空间中存在平行于纸面向右的匀强磁场,磁感应强度大小为B,一根在b点被折成直角的金属棒abc平行于纸面放置,ab = bc = L,ab边垂直于磁场方向。现该金属棒以速度v垂直于纸面向里运动。则a、c两点间的电势差Uac为( )
A.BLv B.BLv
C.-BLv D.-BLv
解析:C 金属棒以速度v垂直于纸面向里运动,ab边垂直切割磁感线,ab边为等效电源,根据右手定则可知,a端为等效电源的负极,bc边没有切割磁感线,则bc边两端点电势相等,则有Uac=Uab=-BLv,故选C。
5.〔多选〕(2026·海南海口期末)如图所示,由互相垂直的两部分组成的导体棒放置在竖直平面内,两端点a、c的竖直高度差为L,ab段与水平方向的夹角为θ,bc段的长度为d,空间存在磁感应强度大小为B、垂直纸面向里的匀强磁场。现让导体棒以与磁场垂直的速度v0运动,下列说法正确的是( )
A.若v0沿水平方向,导体棒产生的电动势为BLv0
B.若v0与ab平行,导体棒产生的电动势为Bdv0
C.若v0与ab垂直,导体棒产生的电动势为B(L-dcos θ)v0
D.若v0竖直向上,则导体棒产生的电动势为0
解析:AB 若v0沿水平方向,导体棒切割磁感线的有效长度为L,导体棒产生的电动势为BLv0,故A正确;若v0与ab平行,则导体棒切割磁感线的有效长度为bc段的长度d,导体棒产生的电动势为Bdv0,故B正确;若v0与ab垂直,则导体棒切割磁感线的有效长度为ab段的长度l,由几何关系可得l=,导体棒产生的电动势为,故C错误;若v0竖直向上,则导体棒切割磁感线的有效长度为a、c两点沿水平方向的距离,此距离不为0,则导体棒产生的电动势不为0,故D错误。
6.abcd是一个用粗细均匀的电阻丝围成的正方形单匝线框,边长为L,每边电阻为R,匀强磁场与线框所在平面垂直,如图所示,磁感应强度大小为B,线框在外力作用下以速度v向右匀速进入磁场,在进入过程中,下列说法正确的是( )
A.d端电势低于c端电势
B.dc边两端的电压的大小为BLv
C.ad边不受安培力
D.线框受到的安培力方向向左,且大小为
解析:D 根据右手定则可知cd中电流方向为由c到d,则d端电势高于c端电势,故A错误;cd边产生的感应电动势的大小为E=BLv,则dc边两端的电压为等效电源的路端电压,大小为U=·3R=BLv,故B错误;ad边在磁场中的部分受安培力,在磁场外的部分不受安培力,故C错误;根据左手定则可知线框受到的安培力方向向左,感应电流大小为I=,安培力大小为F=ILB=,故D正确。
7.如图所示,竖直平面内有一金属环,半径为a,总电阻为R(指拉直时两端的电阻),磁感应强度为B的匀强磁场垂直穿过环平面,在环的最高点用铰链连接长度为2a、电阻为的导体棒AB,AB由水平位置紧贴环面摆下,当摆到竖直位置时,B点的线速度为v,则这时A、B两端间的电压大小为( )
A. B.
C. D.Bav
解析:A 摆到竖直位置时,AB切割磁感线的瞬时感应电动势E=B·2a·=Bav,由闭合电路欧姆定律得,UAB=·=Bav,故A正确。
8.(2026·高二上河北保定期末)如图甲所示,边长为0.5 m、匝数为400、电阻为0.5 Ω的正方形线圈左半边处于垂直线圈平面的磁场中,磁场的磁感应强度B随时间t变化的规律如图乙所示,磁感应强度的正方向为垂直纸面向里,定值电阻R的阻值为4.5 Ω,导线电阻不计。t=7.5 s时a、b两点间的电势差Uab为( )
A.-0.9 V B.0.9 V
C.1 V D.2 V
解析:A 由图乙可得= T/s=0.02 T/s,正方形线圈产生的感应电动势E=n=400××0.02 V=1 V,由楞次定律可得电流方向为逆时针,故Uab<0,由闭合电路欧姆定律可得,t=7.5 s时a、b两点间的电势差为Uab=-E=-×1 V=-0.9 V,故选A。
9.(2026·高三上河北保定月考)用材料相同粗细均匀的导线做成如图所示的单匝线圈,线圈构成一个闭合回路,中间大圆的半径为2d,左右两侧小圆的半径均为d,导线单位长度的电阻为r,将线圈固定在与线圈平面垂直的磁场中,磁感应强度随时间发生变化,磁感应强度大小为B=B0+kt,式中的B0和k为常量,且k>0,则线圈中感应电流的大小为( )
A. B.
C. D.0
解析:B 根据楞次定律可知,左侧小圆和中间大圆产生的感应电流方向相同,而右侧小圆产生的感应电流方向与左侧小圆和中间大圆的相反,根据法拉第电磁感应定律可得线圈中感应电动势的大小为E=E左+E中-E右=S1·+S2·-S3·,即E=kπd2+kπ(2d)2-kπd2=kπ(2d)2,导线单位长度的电阻为r,则电路总电阻为R=r·[(2πd)×2+2π·2d]=8πdr,可得线圈中感应电流的大小I===,故选B。
10.(2026·高二下广东湛江期末)如图甲所示,列车车头底部安装强磁铁,线圈及电流测量仪埋设在轨道地面(测量仪未画出),P、Q为接测量仪器的端口,磁铁的匀强磁场垂直地面向下,宽度与线圈宽度相同,俯视图如图乙所示。当列车经过线圈上方时,测量仪记录线圈的电流为0.12 A。磁铁的磁感应强度为0.005 T,线圈的匝数为5,长为0.2 m,电阻为0.5 Ω,则在列车经过线圈的过程中,下列说法中正确的是( )
A.线圈的安培力大小为1.2×10-4 N
B.线圈的磁通量一直增加
C.列车运行的速率为12 m/s
D.线圈的电流方向先顺时针方向,后逆时针方向
解析:C 线圈的安培力大小为F=nBIl=6×10-4 N,故A错误;在列车经过线圈的上方时,由于列车上的磁场的方向向下,所以线圈内的磁通量方向向下,先增大,后减小,根据楞次定律可知,线圈中的感应电流的方向为先逆时针方向,后顺时针方向,故B、D错误;导线切割磁感线的电动势为E=nBlv,根据闭合电路欧姆定律可得I=,联立解得v=12 m/s,故C正确。
11.〔多选〕(2025·山东潍坊市期末)如图所示,半径为L的金属圆环固定,圆环内存在垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为B,长为L、电阻为r的导体棒OA,一端固定在通过圆环中心的O点,另一端与圆环接触良好。在圆环和O点之间接有阻值为R的电阻,不计金属圆环的电阻。当导体棒以角速度ω绕O点逆时针匀速转动时,下列说法正确的是( )
A.O点的电势高于A点的电势
B.导体棒切割磁感线产生的感应电动势大小为BL2ω
C.O、A两点间电势差大小为
D.增大导体棒转动的角速度,电路中的电流增大
解析:ACD 根据右手定则可知,导体棒OA中的电流从A流向O,导体棒相当于电源,电流从低电势流向高电势,即O点的电势高于A点的电势,故A正确;导体棒切割磁感线产生的感应电动势大小为E=BL2ω,故B错误;O、A两点间电势差大小为U=E=,电路中的电流大小为I==,则增大导体棒转动的角速度,电路中的电流增大,故C、D正确。
12.如图所示,导轨OM和ON都在纸面内,导体AB可在导轨上无摩擦滑动,AB⊥ON,ON水平,若AB以5 m/s的速度从O点开始沿导轨匀速向右滑动,导体与导轨都足够长,匀强磁场的磁感应强度为0.2 T。问:(结果可用根式表示)
(1)第3 s末导体AB夹在导轨间部分产生的感应电动势多大?
(2)0~3 s内回路的平均感应电动势为多大?
答案:(1)5 V
(2) V
解析:(1)第3 s末,夹在导轨间导体的长度为l=v t·tan 30°=5×3× m=5 m
此时E=Blv=0.2×5×5 V=5 V。
(2)0~3 s内回路中磁通量的变化量
ΔΦ=BS-0=0.2××15×5 Wb= Wb
0~3 s内电路中产生的平均感应电动势为
== V= V。
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