《电磁感应》期末复习专题.doc

.1/6电磁感应期末复习专题电磁感应期末复习专题高高 20152015 届班届班一、知识结构：一、知识结构：二、难点提示：二、难点提示：1产生感应电流的条件感应电流产生的条件是：穿过闭合电路的磁通量发生变化感应电流产生的条件是：穿过闭合电路的磁通量发生变化。以上表述是充分必要条件。不论什么情况，只要满足电路闭合电路闭合和磁通量发生变化磁通量发生变化这两个条件，就必然产生感应电流；反之，只要产生了感应电流，那么电路一定是闭合的，穿过该电路的磁通量也一定发生了变化。当闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，电路中有感应电流产生。这个表述是充分条件，不是必要的。在导体做切割磁感线运动时用它判定比较方便。2感应电动势产生的条件感应电动势产生的条件是：穿过电路的磁通量发生变化感应电动势产生的条件是：穿过电路的磁通量发生变化。这里不要求闭合不要求闭合。无论电路闭合与否，只要磁通量变化了，就一定有感应电动势产生。这好比一个电源：不论外电路是否闭合，电动势总是存在的。但只有当外电路闭合时，电路中才会有电流。3关于磁通量变化在匀强磁场中，磁通量=B=B S S sinsin（是B与S的夹角），磁通量的变化=2-1有多种形式，主要有：S、不变，B改变，这时=BSsinB、不变，S改变，这时=SBsinB、S不变，改变，这时=BS(sin2-sin1)当B、S、中有两个或三个一起变化时，就要分别计算1、2，再求2-1了。在非匀强磁场中，磁通量变化比较复杂。有几种情况需要特别注意：如下图，矩形线圈沿abc在条形磁铁附近移动，试判断穿过线圈的磁通量如何变化？如果线圈M沿条形磁铁轴线向右移动，穿过该线圈的磁通量如何变化？（穿过上边线圈的磁通量由方向向上减小到零，再变为方向向下增大；右边线圈的磁通量由方向向下减小到零，再变为方向向上增大）如下图，环形导线a中有顺时针方向的电流，a环外有两个同心导线圈b、c，与环形导线a在同一平面。当a中的电流增大时，穿过线圈b、c的磁通量各如何变化？在相同时间哪一个变化更大？（b、c线圈所围面积的磁通量有向里的也有向外的，但向里的更多，所以总磁通量向里，a中的电流增大时，总磁通量也向里增大。由于穿过b线圈向外的磁通量比穿过c线圈的少，所以穿过b线圈的磁通量更大，变化也更大。）如下图，虚线圆a有垂直于纸面向里的匀强磁场，虚线圆a外是无磁场空间。环外有两个同心导线圈b、c，与虚线圆a在同一平面。当虚线圆a中的磁通量增大时，穿过线圈b、c的磁通量各如何变化？在相同时间哪一个变化更大？（与的情况不同，b、c线圈所围面积都只有向里的磁通量，且大小相同。因此穿过它们的磁通量和磁通量变化都始终是相同的。）4楞次定律abcbcabcacbMNS.2/6感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍阻碍引起感应电流的磁通量的引起感应电流的磁通量的变化变化。楞次定律解决的是感应电流的方向问题。它关系到两个磁场：感应电流的磁场（新产生的磁场）和引起感应电流的磁场（原来就有的磁场）。前者和后者的关系不是“同向”或“反向”的简单关系，而是前者“阻碍”后者“变化”的关系。在应用楞次定律时一定要注意：“阻碍阻碍”不等于“反向反向”；“阻碍阻碍”不是“阻止阻止”。从“阻碍磁通量变化”的角度来看，无论什么原因，只要使穿过电路的磁通量发生了变化，就一定有感应电动势产生。从“阻碍相对运动”的角度来看，楞次定律的这个结论可以用能量守恒来解释：既然有感应电流产生，就有其它能转化为电能。又由于感应电流是由相对运动引起的，所以只能是机械能转化为电能，因此机械能减少。磁场力对物体做负功，是阻力，表现出的现象就是“阻碍”相对运动。从“阻碍自身电流变化”的角度来看，就是自感现象。自感现象的应用和防止。应用：日光灯电路图与原理：灯管、镇流器和启动器的作用。防止：定值电阻的双线绕法。5右手定则对一部分导线在磁场中切割磁感线产生感应电流的情况，右手定则和楞次定律的结论是完全一致的。这时，用右手定则更方便一些。6楞次定律的应用楞次定律的应用应该严格按以下四步进行：确定原磁场方向；判定原磁场如何变化（增大还是减小）；确定感应电流的磁场方向（增反减同）；根据安培定则判定感应电流的方向。7法拉第电磁感应定律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，即tkE，在国际单位制中可以证明其中的k=1，所以有tE。对于n匝线圈有tnE。（平均值）将均匀电阻丝做成的边长为l的正方形线圈abcd从匀强磁场中向右匀速拉出过程，仅ab边上有感应电动势E=Blv，ab边相当于电源，另 3 边相当于外电路。ab边两端的电压为 3Blv/4，另 3 边每边两端的电压均为Blv/4。将均匀电阻丝做成的边长为l的正方形线圈abcd放在匀强磁场中，当磁感应强度均匀减小时，回路中有感应电动势产生，大小为E=l2(B/t)。感应电流的电场线是封闭曲线，静电场的电场线是不封闭的，这一点和静电场不同。在导线切割磁感线产生感应电动势的情况下，由法拉第电磁感应定律可推导出感应电动势大小的表达式是：E=BLvE=BLvsinsin（是B与v之间的夹角）。（瞬时值）8转动产生的感应电动势转动轴与磁感线平行平行。如图，磁感应强度为B的匀强磁场方向垂直于纸面向外，长L的金属棒oa以o为轴在该平面以角速度逆时针匀速转动。求金属棒中的感应电动势。在应用感应电动势的公式时，必须注意其中的速度v应该指导线上各点的平均速度，在此题中应该是金属棒中点的速度，因此有2212LBLBLE。线圈的转动轴与磁感线垂直垂直。如图，矩形线圈的长、宽分别为L1、L2，所围面积为S，向右的匀强磁场的磁感应强度为B，线圈绕图示的轴以角速度匀速转动。线圈的ab、cd两边切割磁感线，产生的感应电动势相加可得E=BS。如果线圈由n匝导线绕制而成，则E=nBS。从图示位置开始计时，则感应电动势的瞬时值为e=nBScost。该结论与线圈的形状和转动轴的具体位置无关（但是轴必须与B垂直）。实际上，这就是交流发电机发出的交流电的瞬时电动势公式三、典型三、典型例题分析：例题分析：电磁感应现象，楞次定律电磁感应现象，楞次定律 例 1如下图，有两个同心导体圆环。环有顺时针方向的电流，外环中原来无电流。当环中电流逐渐增大时，外环中有无感应电流？方向如何？答案：外环中感应电流方向为逆时针220VBlvabcdoavabcL1L2B.3/6例 2.如下图，闭合导体环固定。条形磁铁S极向下以初速度v0沿过导体环圆心的竖直线下落过程，导体环中的感应电流方向如何？感应电流先顺时针后逆时针例 3 如下图装置中，cd杆原来静止。当ab杆做如下那些运动时，cd杆将向右移动？A.向右匀速运动B.向右加速运动C.向左加速运动D.向左减速运动B、D例 4如下图，水平面上有两根平行导轨，上面放两根金属棒a、b。当条形磁铁如图向下移动时（不到达导轨平面），a、b将如何移动？a、b将互相靠近例 5 如下图，用丝线将一个闭合金属环悬于O点，虚线左边有垂直于纸面向外的匀强磁场，而右边没有磁场。金属环的摆动会很快停下来。试解释这一现象。若整个空间都有垂直于纸面向外的匀强磁场，会有这种现象吗？法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 例 1如下图，长L1宽L2的矩形线圈电阻为R，处于磁感应强度为B的匀强磁场边缘，线圈与磁感线垂直。求：将线圈以向右的速度v匀速拉出磁场的过程中，拉力F大小；拉力的功率P；拉力做的功W；线圈中产生的电热Q；通过线圈某一截面的电荷量q。分析与解答分析与解答 这是一道基本练习题，要注意要注意所用的边长究竟是L1还是L2，还应该思考一下所求的各物理量与速度v之间有什么关系。vRvLBFBILFREIvBLE22222,22222vRvLBFvPvRvLLBFLW12221vWQRtREtIq与v无关特别要注意电热Q和电荷q的区别，其中Rq与速度无关！（这个结论以后经常会遇到）。例 2如图各情况中，电阻 R=0.l，运动导线的长度都为 l=0.05m，作匀速运动的速度都为 v=10ms 除电阻 R 外，其余各部分电阻均不计匀强磁场的磁感强度 B=0.3T 试计算各情况过每个电阻 R 的电流大小和方向（a）0；（b）3A，从左向右；（C）1.5A，从上向下；（d）1A，从下向上。例 3如下图，U形导线框固定在水平面上，右端放有质量为m的金属棒ab，ab与导轨间的动摩擦因数为，它们围成的矩形边长分别为L1、L2，回路的总电阻为R。从t=0 时刻起，在竖直向上方向加一个随时间均匀变化的匀强磁场B=kt，（k0）那么在t为多大时，金属棒开始移动？电磁感应中的力学问题电磁感应中的力学问题这类问题覆盖面广，题型也多种多样；但解决这类问题的关键在于通过运动状态的分析来寻找过程中的临界状态，如速度、加速度取最大值或最小值的条件等，基本思路是：例 1如下图，AB、CD是两根足够长的固定平行金属导轨，两导轨间的距离为L，导轨平面与水平面的夹角为，在整个导轨平面都有垂直于导轨平面斜向上方的匀强磁场，磁感应强度为B，在导轨的AC端连接一个阻值为R的电阻，一根质量为m、垂直于导轨放置的金属棒ab，从静止开始沿导轨下滑，求此过程中ab棒的最大速度。已知ab与导轨间的动摩擦因数为，导轨和金属棒的电阻都不计。分析与解答分析与解答 ab沿导轨下滑过程中受四个力作用，即重力mg，支持力FN、摩擦力Ff和安培力F安，如 下 图，ab由 静 止 开 始 下 滑 后，将 是aFIEv安（为增大符号），所以这是个变L1L2BvbaBL1L2F=BIL界状态v与a方向关系运动状态的分析a 变化情况F=ma合外力运动导体所受的安培力感应电流确定电源（E，r）rREINv0McadbL2L1abB.4/6加速过程，当加速度减到a=0 时，其速度即增到最大v=vm，此时必将处于平衡状态，以后将以vm匀速下滑ab下滑时因切割磁感线，要产生感应电动势，根据电磁感应定律：E=BLv，闭合电路ACba中将产生感应电流，根据闭合电路欧姆定律：I=E/R，据右手定则可判定感应电流方向为aAC ba，再据左手定则判断它受的安培力F安方向如图示，其大小为：F安=BIL。取平行和垂直导轨的两个方向对ab所受的力进行正交分解，应有：FN=mgcos，Ff=mgcos，可得RvLBF22安。以ab为研究对象，根据牛顿第二定律应有：mgsinmgcos-RvLB22=ma，ab做加速度减小的变加速运动，当a=0 时速度达最大，因此，ab达到vm时应有：mgsinmgcos-RvLB22=0，由式可解得22cossinLBRmgvm。注意注意：（1）电磁感应中的动态分析，是处理电磁感应问题的关键，要学会从动态分析的过程中来选择是从动力学方面，还是从能量、动量方面来解决问题。（2）在分析运动导体的受力时，常画出平面示意图和物体受力图。例 2如下图，水平面上有两根平行的光滑导轨 MN、PQ，相距 L=1m，在 M 和 P 之间接有 R=2的定值电阻，金属棒ab 的质量 m=0.5kg，垂直放在导轨上，整个装置处于竖直向上的匀强磁场中，磁感强度为 B=0.5T，其它电阻不计。（1）若金属棒ab 在 F 力作用下，以a=4m/s2的加速度向右从静止开始作匀加速直线运动，求第 10s 末拉力 F 的大小。（2）在图中，画出力 F 的大小随时间变化的图线。分析与解答分析与解答（1）设导体棒所受的安培力为AF由牛二得EmaFA，由安培力公式得AF=BIL，RBLatRBLvREI，由以上式子可得tRatLBmaF5.0222。当st10时代入上式可得NF7。（2）由tF5.02得图线为一直线，过（0，2）（10，7）两点.例 3在竖直平面有两条平行的光滑金属导轨 ab、cd 被竖直地固定，导轨处在与导轨平面垂直的匀强磁场中，如下图。已知：与导轨相连的电源电动势为 3.0V，阻 0.5，匀强磁场磁感应强度为 0.80T，水平放置的导体棒 MN的电阻为 1.5，两端与导轨接触良好，且能沿导轨无摩擦滑动（其它电阻不计）。当单刀双掷电键 S 与 1 接通时，导体棒刚好保持静止状态。试确定：（1）磁场方向，并在图中画出。（2）S 与 1 接通时，导体棒的电热功率。（3）当电键 S 与 2 接通后，导体棒 MN 在运动过程中，单位时间（1s）导体棒扫过的最大面积。（导轨足够长，结果保留两位有效数字。）分析与解答分析与解答（1）磁场方向垂直纸面向里（图略）（2）S 与 1 接通时，导体棒处于静止，导体棒的发热功率：WRrREPMN4.3)(2。（3）设导轨宽度为 L，当电键 S 与 1 接通时：导体棒受重力和安培力作用处于平衡有：rRBELmgBILmg，当电键 S 与 2 接通时：导体棒切割磁感线，产生感应电流，导体棒做加速度逐渐减小的加速运动，当：安培力mgF 时，导体棒的切割速度最大。即：22LBmgRvmgLRBLvBmm最大速度。故导体棒 MN 在单位时间（1s）扫过的最大面积为：LBmgRLtvsmm2，有：)(8.2)(2mrRBRESm。电磁感应中的电路问题电磁感应中的电路问题解决电磁感应电路问题的关键解决电磁感应电路问题的关键就是把电磁感应的问题等效转换成稳恒直流电路，把产生感应电动势的那部分导体等效为电路.感应电动势的大小相当于电源电动势.其余部分相当于外电路，并画出等效电路图.此时，处理问题的方法与闭合电路求解基本一致，惟一要注意的是电磁感应现象中，有时导体两端有电压，但没有电流流过，这类似电源两端有电势差但没有接入电路时，电流为零.例 1据报道，1992 年 7 月，美国“阿特兰蒂斯”号航天飞机进行了一项卫星悬绳发电实验，实验取得了部分成功.航天飞机在地球赤道上空离地面约 3000 km 处由东向西飞行，相对地面速度大约 6.5103m/s，从航天飞机上向地心方向发射一颗卫星，携带一根长 20 km，电阻为 800 的金属悬绳，使这根悬绳与地磁场垂直，做切割磁感线运动.假定这一围的地磁场是均匀的.磁感应强度为 410-5T，且认为悬绳上各点的切割速度和航天飞机的速度相同.根据理论设计，通过电离层（由等离子体组成）的作用，悬绳可以产生约 3 A 的感应电流，试求：（1）金属悬绳中产生的感应电动势；（2）悬绳两端的电压；（3）航天飞机绕地球运行一圈悬绳输出的电能（已知地球半径为 6400 km）。错解分析 考生缺乏知识迁移运用能力和抽象概括能力，不能于现实情景中构建模型（切割磁感线的导体棒模型）并进行模型转换（转换为电源模型与直流电路模型），无法顺利运用直流电路相关知识突破.分析与解答分析与解答 将飞机下金属悬绳切割磁感线产生感应电动势看作电源模型，当它通过电离层放电可看作直流电路模型.如下图.（1）金属绳产生的电动势：E=Blv=410-5201036.5103V=5.2103V（2）悬绳两端电压，即路端电压可由闭合电路欧姆定律得：U=E-Ir=5.2103-3800 V=2.8103V（3）飞机绕地运行一周所需时间（电离层）.5/6t=vR2=333105.6)103000106400(14.32s=9.1103s。则飞机绕地运行一圈输出电能：E=UIt=280039.1103J=.6107J例 2如下图，竖直向上的匀强磁场，磁感应强度B=0.5 T，并且以tB=0.1 T/s 在变化，水平轨道电阻不计，且不计摩擦阻力，宽 0.5m 的导轨上放一电阻R0=0.1 的导体棒，并用水平线通过定滑轮吊着质量M=0.2 kg 的重物，轨道左端连接的电阻R=0.4，图中的l=0.8m，求至少经过多长时间才能吊起重物.分析与解答分析与解答 由法拉第电磁感应定律可求出回路感应电动势：E=tBSt，由闭合电路欧姆定律可求出回路中电流I=RRE0，由于安培力方向向左，应用左手定则可判断出电流方向为顺时针方向（由上往下看）。再根据楞次定律可知磁场增加，在t时磁感应强度为：B/=（BtBt），此时安培力为F安=BIlab，由受力分析可知F安=mg，解得t=495 s电磁感应中的能量问题电磁感应中的能量问题 无论是使闭合回路的磁通量发生变化，还是使闭合回路的部分导体切割磁感线，都要消耗其它形式的能量，转化为回路中的电能。这个过程不仅表达了能量的转化，而且保持守恒，使我们进一步认识包含电和磁在的能量的转化和守恒定律的普遍性。分析问题时，应当牢牢抓住能量守恒这一基本规律，分析清楚有哪些力做功，就可知道有哪些形式的能量参与了相互转化，如有摩擦力做功，必然有能出现；重力做功，就可能有机械能参与转化；安培力做负功就将其它形式能转化为电能，做正功将电能转化为其它形式的能；然后利用能量守恒列出方程求解。例 1 如下图，矩形线圈abcd质量为m，宽为d，在竖直平面由静止自由下落。其下方有如图方向的匀强磁场，磁场上、下边界水平，宽度也为d，线圈ab边刚进入磁场就开始做匀速运动，那么在线圈穿越磁场的全过程，产生了多少电热？分析与解答分析与解答 ab刚进入磁场就做匀速运动，说明安培力与重力刚好平衡，在下落 2d的过程中，重力势能全部转化为电能，电能又全部转化为电热，所以产生电热Q=2mgd。例 2 如下图，AB和CD是足够长的平行光滑导轨，其间距为l，导轨平面与水平面的夹角为.整个装置处在磁感应强度为B的，方向垂直于导轨平面向上的匀强磁场中.AC端连有电阻值为R的电阻.若将一质量M，垂直于导轨的金属棒EF在距BD端s处由静止释放，在EF棒滑至底端前会有加速和匀速两个运动阶段.今用大小为F，方向沿斜面向上的恒力把EF棒从BD位置由静止推至距BD端s处，突然撤去恒力F，棒EF最后又回到BD端.求：（1）EF棒下滑过程中的最大速度.（2）EF棒自BD端出发又回到BD端的整个过程中，有多少电能转化成了能（金属棒、导轨的电阻均不计）?分析与解答分析与解答（1）如下图，当EF从距BD端s处由静止开始滑至BD的过程中，受力情况如下图.安培力：F安=BIl=BlRBlv，根据牛顿第二定律：a=MLRBlvBMg-sin，所以，EF由静止开始做加速度减小的变加速运动。当a=0 时速度达到最大值vm，即Mgsin-B2l2vm/R=0得：vm=22sinlBMgR（2）由恒力F推至距BD端s处，棒先减速至零，然后从静止下滑，在滑回BD之前已达最大速度vm开始匀速。设EF棒由BD从静止出发到再返回BD过程中，转化成的能为E.根据能的转化与守恒定律：Fs-E=21Mvm2，E=Fs-21M（22sinlBMgR）2。自感现象自感现象 例 1如下图的电路中，A1和A2是完全相同的灯泡，线圈L的电阻可以忽略不计，以下说法中正确的是（AD）A合上开关 S 接通电路时，A2先亮A1后亮，最后一样亮B合上开关 S 接通电路时，A1和A2始终一样亮C断开开关 S 切断电路时，A2立即熄灭，A1过一会熄灭D断开开关 S 切断电路时，A1和A2都要过一会才熄灭例 2如下图，L为一个自感系数很大的自感线圈，开关闭合后，小灯能正常发光，那么闭合开关和断开开关的瞬间，能观察到的现象分别是（A）。A小灯逐渐变亮，小灯立即熄灭B小灯立即亮，小灯立即熄灭C小灯逐渐变亮，小灯比原来更亮一下再慢慢熄灭D小灯立即亮，小灯比原来更亮一下再慢慢熄灭例 3如下图，电阻R和电感线圈L的值都较大，电感线圈的电阻不计，A、B是两只完全相同的灯泡，当开关 S 闭合时，下面能发生的情况是（D）AB比A先亮，然后B熄灭BA比B先亮，然后A熄灭CA、B一起亮，然后A熄灭DA、B一起亮，然后B熄灭例 4如下图是一演示实验的电路图。图中L是一带铁芯的线圈，A是一灯泡。起初，开关处于闭合状态，电路是接通的。现将开关断开，则Badbcabdc.6/6在开关断开的瞬间，通过灯泡A的电流方向是从 b 端经灯泡到 a 端。这个实验是用来演示自感（或断电自感）现象的。例 5如下图的电路中，电源电动势E6V，电阻不计，L1、L2两灯均标有“6V，0.3A”，电阻R 与电感线圈的直流电阻RL阻值相等，均为 20试分析：S 闭合和断开的瞬间，求L1、L2两灯的亮度变化。答案：当电键闭合的瞬间，电感支路相当于断路。计算可知：I1=0.1A，I2=0.2A.即电键闭合的瞬间，两灯同时亮，L2灯较L1灯更亮。稳定后，两灯亮度相同。电键断开时，显然L1立即熄灭，L2逐渐熄灭。例 6如下图，日光灯正常工作时，流过灯管的电流为I，那么对于灯丝ab上的电流，以下说确的(CD)A灯丝ab上的电流为IB灯丝a端的电流为IC灯丝b处的电流为I，其它地方的电流都比I小D灯丝b处最容易烧断温馨提示温馨提示：本章是高中的重点本章是高中的重点，更是高考的必考重要容更是高考的必考重要容。请请同学们本着对自己负责的态度同学们本着对自己负责的态度，挤出时间认真研究挤出时间认真研究，切实掌握相切实掌握相关知识，力争较深层次进行理解。关知识，力争较深层次进行理解。