2019-2020学年物理高中人教版选修3-2学案：4.4法拉第电磁感应定律 .docx

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1、第四章电磁感应4法拉第电磁感应定律学习目标1.知道什么是感应电动势,产生感应电动势的那部分导体相当于电源.2.知道感应电动势的大小与磁通量的变化快慢有关.3.了解法拉第电磁感应定律的内容及数学表达式,学会用该定律分析与解决一些简单问题.4.知道导体垂直切割磁感线运动时产生的感应电动势的表达式,并能进行简单的计算.5.会用法拉第电磁感应定律解决简单的实际问题.自主探究1.法拉第电磁感应定律:闭合电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的成正比.2.导线切割磁感线时,导线两端的感应电动势为E=.3.电动机转动时产生的感应电动势总要电源电动势的作用,这个电动势称为反电动势.合作探究一、感应电动势自主学

2、习:阅读课本P15的内容,回答问题.如图所示,在螺线管中插入一个条形磁铁.(1)在条形磁铁向下插入螺线管的过程中,电路中有电流,是谁充当电源?(2)上图中若电路是断开的,有无感应电流?有无感应电动势?(3)产生感应电动势的条件是什么?归纳总结:在电磁感应现象中产生的电流叫感应电流,在电磁感应现象中产生的电动势就叫做感应电动势.产生电动势的导体相当于.二、电磁感应定律探究实验:影响感应电动势大小的因素是什么?(1)猜想假设:“猜一猜”感应电动势的大小跟什么因素有关,并说出猜想的理由.(2)设计实验:实验次数条形磁铁数插入线圈的速度指针偏转数1一根慢2一根快3二根快(3)进行实验:利用提供的实验器

3、材进行实验,观察实验现象并记录.(4)分析论证:分析实验现象,得出结论.(5)实验结论:感应电动势的大小跟磁通量变化量和所用时间t都有关.磁通量变化越快,感应电动势越大 .(6)类比分析:类比速度和加速度,了解磁通量变化的快慢可以用磁通量的变化率t表示,且磁通量的变化率越大,产生的感应电动势越大.自主学习:阅读课本P15学习电磁感应定律的内容.1.内容:.2.表达式:E=.在国际单位制中,电动势单位是,磁通量单位是,时间单位是.3.设闭合电路是一个n匝线圈,且穿过每匝线圈的都相同,这时相当于n个单匝线圈而成,因此感应电动势变为E=.三、 导线切割磁感线时的感应电动势公式推导:如图所示,把矩形线

4、框abcd放在磁感应强度为B的匀强磁场里,线框平面跟磁感线垂直.设线框可动部分导体棒ab的长度是l,以速度v向右运动,则产生的感应电动势怎么表示?提出问题:(1)线框中的哪一部分是电源? (2)若不存在线框的固定部分,只有导体棒的上述运动,则电源还存在吗? 归纳总结:1.B、l、v三者相互,导体棒中所产生的感应电动势E=.此公式是法拉第电磁感应定律的一种特殊情况,计算导体做切割磁感线运动产生的感应电动势时,用此公式比较方便.2.若导体棒的速度方向与磁场方向平行,则导体棒中的感应电动势为.3.若B、l、v中只有两者相互垂直,v与B有一夹角,导体棒中感应电动势E= .若v为平均速度,则求得的是;若

5、v为瞬时速度,则求得的是.四、反电动势提出问题:电动机转动时,线圈中也会产生感应电动势,这个电动机是加强了电源产生的电流,还是削弱了电源的电流,是有利于线圈转动还是阻碍线圈的转动?归纳总结:电动机转动时产生的感应电动势总要电源电动势的作用,这个电动势称为反电动势.反电动势的作用是线圈的转动.这样,线圈要维持原来的转动就必须向电动机提供电能,电能转化为其他形式的能.课堂检测1.下列说法正确的是()A.线圈中磁通量变化越大,线圈中产生的感应电动势一定越大B.线圈中磁通量越大,线圈中产生的感应电动势一定越大C.线圈处在磁场越强的位置,线圈中产生的感应电动势一定越大D.线圈中磁通量变化得越快,线圈中产

6、生的感应电动势越大2.穿过一个单匝线圈的磁通量,始终为每秒钟均匀地增加2 Wb,则()A.线圈中的感应电动势每秒钟增大2 VB.线圈中的感应电动势每秒钟减小2 VC.线圈中的感应电动势始终为2 VD.线圈中不产生感应电动势3.在南极(可看成是地磁北极)上空离地面较近处,有一根与地面平行的直导线,现让直导线由静止自由下落,在下落过程中,产生的感应电动势()A.增大B.减小C.不变D.无法判断4.粗细均匀的电阻丝围成的正方形线框置于有界匀强磁场中,磁场方向垂直于线框平面,其边界与正方形线框的边平行.现使线框以同样大小的速度沿四个不同方向平移出磁场,如图所示,则在移出过程中线框的一边a、b两点间电势

7、差绝对值最大的是()5.如图所示,均匀的金属(电阻率较大)长方形线框从匀强磁场中以匀速v拉出,它的两边固定有带金属滑轮的导电装置,金属框向右运动时总能与两边良好接触,一理想电压表跨接在PQ两导电机构上.金属框的长为a,宽为b,磁感应强度为B.在金属框向右匀速拉出的过程中,电压表的示数情况为 ()A.恒定不变,示数为Bbv B.恒定不变,示数为BavC.示数变大 D.示数变小6.电吉他是利用电磁感应原理工作的一种乐器.如图甲为电吉他的原理图,在金属弦的下方放置有一个连接到放大器的螺线管.一条形磁铁固定在管内,当拨动金属弦后,螺线管内就会产生感应电流,经一系列转化后可将电信号转为声音信号.若由于金

8、属弦的振动,螺线管内的磁通量随时间的变化如图乙所示,则对应感应电流的变化为()7.如图所示,每米电阻为1 的一段导线被弯成半径r=1 m的三段圆弧组成闭合回路.每段圆弧都是14圆周,位于空间直角坐标系的不同平面内:ab段位于xOy平面内,bc段位于yOz平面内,ca段位于zOx平面内.空间内存在着一个沿x轴正方向的磁场,其磁感应强度随时间变化的关系式为B=0.7+0.6t(T).则()A.导线中的感应电流大小是0.1 A,方向是acbaB.导线中的感应电流大小是0.1 A,方向是abcaC.导线中的感应电流大小是20 A,方向是acbaD.导线中的感应电流大小是20 A,方向是abca8.一航

9、天飞机下有一细金属杆,杆指向地心.若仅考虑地磁场的影响,则当航天飞机位于赤道上空()A.由东向西水平飞行时,金属杆中感应电动势的方向一定由上向下B.由西向东水平飞行时,金属杆中感应电动势的方向一定由上向下C.沿经过地磁极的那条经线由南向北水平飞行时,金属杆中感应电动势的方向一定由下向上D.沿经过地磁极的那条经线由北向南水平飞行时,金属杆中没有感应电动势9.一根直导线长0.1 m,在磁感应强度为0.1 T的匀强磁场中以10 m/s的速度匀速运动,则导线中产生的感应电动势()A.一定为0.1 VB.可能为零C.可能为0.1 VD.最大值为0.1 V10.一个200匝、面积为20 cm2的线圈放在磁

10、场中,磁场的方向与线圈平面成30角,若磁感应强度在0.05 s内由0.1 T增加到0.5 T.在此过程中穿过线圈的磁通量的变化量是Wb;磁通量的平均变化率是Wb/s;线圈中的感应电动势的大小是V. 11.试写出如图所示的各种情况下,导线中所产生的感应电动势的表达式(导线长均为l,速度为v,磁感应强度为B,图(3)中导体垂直纸面).12.横截面积S=0.2 m2、n=100匝的圆形线圈A处在如图所示的磁场内,磁感应强度变化率为0.02 T/s.开始时S未闭合,R1=4 ,R2=6 ,C=30 F,线圈内阻不计,求:(1)闭合S后,通过R2的电流的大小;(2)闭合S一段时间后又断开,问S断开后通过

11、R2的电荷量.13.如图所示,匀强磁场的磁感应强度B=0.5 T.一个匝数n=50的矩形线圈边长ab=0.2 m,bc=0.1 m,以角速度=314 rad/s绕ab边匀速转动.求:(1)图示位置时的瞬时感应电动势;(2)由图示位置转过90这段时间内的平均感应电动势.14.如图甲所示,一个电阻值为R、匝数为n的圆形金属线与阻值为2R的电阻R1连接成闭合回路.线圈的半径为r1.在线圈中半径为r2的圆形区域存在垂直于线圈平面向里的匀强磁场,磁感应强度B随时间t变化的关系图线如图乙所示.图线与横、纵轴的截距分别为t0和B0.导线的电阻不计.求0t1时间内通过电阻R1上的电流大小和方向.参考答案自主探

12、究1.磁通量的变化率2.Blv3.削弱合作探究一、感应电动势归纳总结:电源二、电磁感应定律自主学习:1.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.t伏(V)韦伯(Wb)秒(s)3.磁通量变化率串联t三、导线切割磁感线时的感应电动势公式推导:设在t时间内导体棒由ab运动至ab由法拉第电磁感应定律得,E=t其中,=BS,S=lvt由上述方程可以推出,E=Blv.提出问题:(1)导体棒ab;(2)存在.归纳总结:1.垂直Blv2.03.Blvsin 平均感应电动势瞬时感应电动势四、反电动势归纳总结:削弱阻碍课堂检测1.D解析:线圈中产生的感应电动势为E=nt,即E与t成正比

13、,与或的大小无直接关系.磁通量变化越快,即t越大,产生的感应电动势越大.2.C解析:根据题意,穿过线圈的磁通量始终每秒钟均匀增加2 Wb,即穿过线圈的磁通量的变化率t=2 Wb/s,由法拉第电磁感应定律得,E=nt=2 V,C项正确.3.C解析:南极上空磁感线竖直向上,当直导线自由下落时v与B平行,不切割磁感线,所以感应电动势始终为零,C项正确.4.B解析:由E=Blv知,这四种情况线框切割磁感线产生的感应电动势是相同的,而B项表示的是电源的路端电压,电势差的绝对值为3E4,而其他三种情况电势差的绝对值都为E4,所以选B项.5.C解析:由E=Bbv知,在金属框向右匀速拉出的过程中,线框中感应电

14、动势的大小是不变的,而与电压表并联的外电阻的阻值不断增大,由串联分压知,电压表的读数变大.6.B解析:由感应电流公式I=ER=nRt,感应电流大小与磁通量的变化率有关,在-t图线上各点切线的斜率的绝对值表示感应电流的大小,斜率的正、负号表示电流的方向;根据题图乙,在0t0时间内,感应电流I的大小先减小到零,然后再逐渐增大,电流的方向改变一次,B项正确.7.A解析:由于空间存在一个沿x轴正方向的磁场,因此产生磁通量的有效面积为14圆,即面bOc,根据楞次定律可判定导线中的感应电流方向是acba,B、D两项错误;由法拉第电磁感应定律E=nt和闭合电路的欧姆定律I=ER可得,导线中的感应电流大小是0

15、.1 A,A项正确,C项错误.8.AD解析:如图,设观察方向为面向北方,左西右东,则地磁场方向平行赤道表面向北,若飞机由东向西飞行时,由右手定则可判断出电动势方向为由上向下,若飞机由西向东飞行时,由右手定则可判断出电动势方向为由下向上,A项正确,B项错误;沿着经过地磁极的那条经线运动时,速度方向平行于磁场,金属杆中没有感应电动势,C项错误,D项正确.9.BCD解析:当公式E=Blv中B、l、v两两垂直时,导线产生的感应电动势最大Emax=Blv=0.10.110 V=0.1 V,而当B、l、v中有任意两个量平行时,E=0,除此之外的其他情况,E的取值介于00.1 V之间,所以B、C、D三项正确

16、.10.解析:磁通量的变化量是由磁场的变化引起的,所以=BSsin =(0.5-0.1)2010-40.5 Wb=410-4 Wb,磁通量的变化率t=410-40.05Wb/s=810-3 Wb/s,感应电动势E=nt=200810-3 V=1.6 V.答案:410-4810-31.611.解析:题图(1)(3)中此时导体不切割磁感线,所以感应电动势E=0;因为(2)中B、l、v两两垂直,所以感应电动势E=Blv.答案:(1)E=0(2)E=Blv(3)E=012.解析:(1)磁感应强度变化率的大小为Bt=0.02 T/s,所以E=nSBt=1000.020.2 V=0.4 VI=ER1+R2

17、=0.44+6 A=0.04 A.(2)R2两端的电压为U2=R2R1+R2E=64+60.4 V=0.24 V所以Q=CU2=3010-60.24 C=7.210-6 C.答案:(1)0.04 A(2)7.210-6 C13.解析:(1)在图示位置的瞬时感应电动势由公式E=nBlv得:E=500.50.20.1314 V=157 V.(2)这段时间内的平均感应电动势由公式E=nt得,E=500.50.20.12314 V=100 V.答案:(1)157 V(2)100 V14.解析:由图象分析可知,0t1时间内Bt=B0t0由法拉第电磁感应定律有E=nt=nBtS而S=r22由闭合电路欧姆定律有I1=ER1+R联立以上各式解得,通过电阻R1上的电流大小为I1=B0r223Rt0由楞次定律可判断通过电阻R1上的电流方向为从b到a.答案:nB0r223Rt0,从b到a