【备考2022】高考物理一轮复习学案第2讲 法拉第电磁感应定律 自感现象 教案.doc
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1、金版教程高考总复习·物理(新教材)第2讲法拉第电磁感应定律自感现象知识点法拉第电磁感应定律1感应电动势(1)概念:在电磁感应现象中产生的电动势。(2)产生条件:穿过回路的磁通量发生改变,与电路是否闭合无关。(3)方向判断:感应电动势的方向用楞次定律或右手定则来判断。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:En,其中n为线圈匝数。(3)感应电流与感应电动势的关系:遵守闭合电路欧姆定律,即I。3导体切割磁感线时的感应电动势切割方式电动势表达式说明垂直切割EBlv导体棒与磁场方向垂直,磁场为匀强磁场式中l为导体切割磁感线
2、的有效长度旋转切割中导体棒的平均速度等于中点位置的线速度l倾斜切割EBlvsin(为v与B的夹角)旋转切割(以一端为轴)EBl Bl2知识点自感、涡流1互感现象两个互相靠近的线圈,当一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势。这种现象叫作互感,这种感应电动势叫作互感电动势。2自感现象(1)定义:当一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场在线圈本身激发出感应电动势,这种现象称为自感。(2)自感电动势定义:由于自感而产生的感应电动势。表达式:EL。自感系数L相关因素:与线圈的大小、形状、匝数以及是否有铁芯等因素有关。单位:亨利(H),1 mH103 H,1 H1
3、06 H。3涡流、电磁阻尼和电磁驱动(1)涡流:如果穿过导体的磁通量发生变化,由于电磁感应,导体内会产生感应电流,这种电流像水中的漩涡,所以叫作涡电流,简称涡流。(2)电磁阻尼:当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力,安培力的方向总是阻碍导体的运动,这种现象称为电磁阻尼。(3)电磁驱动:如果磁场相对于导体转动,在导体中会产生感应电流,它使导体受到安培力的作用,安培力使导体运动起来,这种作用常常称为电磁驱动。交流感应电动机就是利用电磁驱动的原理工作的。(4)电磁阻尼和电磁驱动的原理体现了楞次定律的推广应用。 一 堵点疏通1导体棒在磁场中运动一定能产生感应电动势。()2公式EBlv中的l
4、就是导体的长度。()3断电自感中,感应电流方向与原电流方向一致。()4回路中磁通量变化量越大,回路产生的感应电流越大。()5在自感现象中,感应电流一定和原电流方向相反。()答案1.×2.×3.4.×5.×二 对点激活1将闭合多匝线圈置于随时间变化的磁场中,关于线圈中产生的感应电动势和感应电流,下列表述正确的是()A感应电动势的大小与线圈的匝数无关B穿过线圈的磁通量越大,感应电动势越大C穿过线圈的磁通量变化越快,感应电动势越大D感应电流产生的磁场方向与原磁场方向始终相同答案C解析由法拉第电磁感应定律可知En,感应电动势的大小与匝数成正比,A错误。感应电动势
5、大小与磁通量的变化率成正比,磁通量变化越快,感应电动势越大,C正确。感应电动势的大小与磁通量的大小以及磁通量的变化量的大小无关,所以B错误。感应电流产生的磁场阻碍原磁场的变化,可能与原磁场方向相同,也可能与原磁场方向相反,D错误。2(人教版选择性必修第二册·P43·T5改编)A、B两个闭合线圈用同样的导线制成,匝数均为10匝,半径rA2rB,分别按图甲、乙两种方式放入匀强磁场中,且磁感应强度随时间均匀减小,则下列说法正确的是()A甲图中,A、B两线圈中电动势之比为41B甲图中,A、B两线圈中电流之比为21C乙图中,A、B两线圈中电动势之比为41D乙图中,A、B两线圈中电流之
6、比为41答案C解析由法拉第电磁感应定律可知,EnnS,其中S为有效面积。甲图中,A、B两线圈的有效面积相等,所以感应电动势之比就是匝数比,为11,由电阻定律R可知,电阻之比为两线圈周长之比,也就是21,所以甲图中,A、B两线圈中电流之比为12,故A、B错误。同理,乙图中,A、B两线圈中电动势之比为41,电流之比为21,故C正确,D错误。3(2015·海南高考)如图,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;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垂直的平面内,当它沿两段折线夹角平分线
7、的方向以速度v运动时,棒两端的感应电动势大小为。则等于()A. B. C.1 D.答案B解析设金属棒的长度为l,磁感应强度为B,根据法拉第电磁感应定律,感应电动势大小Blv;当将此棒弯成两段长度相等且相互垂直的折线时,有效长度变为ll,所以此时的感应电动势大小BlvBlv。所以,故B正确。4(人教版选择性必修第二册·P39·演示实验改编)(多选)如图所示,两个灯泡A1和A2的规格相同,A1与线圈L串联后接到电路中,A2与可变电阻R串联后接到电路中。先闭合开关S,调节R,使两个灯泡的亮度相同,再调节R1,使它们正常发光,然后断开开关S,下列说法正确的是()A重新接通电路,A1
8、、A2同时亮B重新接通电路,A1逐渐变亮C接通电路,一段时间电路稳定后再次断开S,A1、A2逐渐熄灭D接通电路,一段时间电路稳定后再次断开S,A2闪亮一下再熄灭答案BC解析重新接通电路,由于L有自感电动势产生,阻碍电流增大,所以A1逐渐变亮,而A2立即变亮,故A错误,B正确。再次断开S,A1、A2与L、R构成回路,L相当于电源,因原来两支路电流相等,所以不会出现A2闪亮一下再熄灭的现象,A1、A2都会逐渐熄灭,故C正确,D错误。5(人教版选择性必修第二册·P37·T3改编)如图所示,上下开口、内壁光滑的铜管P和塑料管Q竖直放置。小磁块先后在两管中从相同高度处由静止释放,并落
9、至底部。则小磁块()A在P和Q中都做自由落体运动B在两个下落过程中的机械能都守恒C在P中的下落时间比在Q中的长D落至底部时在P中的速度比在Q中的大答案C解析小磁块在铜管中下落的过程,根据电磁感应知铜管中产生涡流,小磁块受到阻力,P中小磁块的部分机械能转化为铜管中涡流产生的焦耳热,机械能不守恒,故A、B错误。Q管为塑料管,小磁块下落过程为自由落体运动,所以比在P中下落时间短,落至底部时比在P中的速度大,故C正确,D错误。考点1法拉第电磁感应定律的应用1.磁通量、磁通量的变化量、磁通量的变化率的比较 物理量项目磁通量磁通量的变化量磁通量的变化率意义某时刻穿过某个面的磁感线的条数某段时间内穿过某个面
10、的磁通量变化的多少穿过某个面的磁通量变化的快慢大小BS21(B·S)两种特例:B·SS·B两种特例: BS注意若有相反方向的磁场,磁通量可抵消;S为有效面积转过180°前后穿过平面的磁通量是一正一负,2BS,而不是零等于单匝线圈上产生的感应电动势,即E提示:、的大小之间没有必然的联系,0,不一定等于0;感应电动势E与线圈匝数n有关,但、的大小均与线圈匝数无关。2法拉第电磁感应定律公式的物理意义:En求的是t时间内的平均感应电动势,当t0时,E为瞬时感应电动势。3法拉第电磁感应定律应用的三种情况(1)磁通量的变化是由有效面积变化引起时,B·S,则
11、En。(2)磁通量的变化是由磁场变化引起时,B·S,则En,S是磁场范围内的有效面积。(3)磁通量的变化是由有效面积和磁场变化共同引起的,则根据定义求,末初,En。4在图像问题中磁通量的变化率是t图像上某点切线的斜率,利用斜率和线圈匝数可以确定感应电动势的大小。例1(2020·贵州省铜仁市高三适应性考试)如图甲所示,一金属线圈的横截面积为S,匝数为n匝。t0时刻,磁场平行于线圈轴线向左穿过线圈,其磁感应强度B随时间t变化的关系如图乙所示。则线圈两端a和b之间的电势差Uab()A在t0时刻,UabB在tt1时刻,Uab0C从0t2这段时间,UabD从0t2这段时间
12、,Uab(1)如何求线圈两端a和b之间的电势差?提示:利用图乙斜率得到磁感应强度的变化率,再乘以线圈面积就是磁通量的变化率,再乘以线圈匝数即可得到Uab的大小,根据楞次定律即可得到Uab的正负。(2)t1时刻磁通量变化率为0吗?提示:不是,0t2这段时间内磁通量变化率不变。尝试解答选C。由图乙可知,磁感应强度在0t1时间内均匀减小,由法拉第电磁感应定律可知Ennn,由楞次定律可知线圈中感应电流方向从a到b,则UabEn,t1t2时间内磁感应强度变化率与0t1时间内的相同,则a、b两端电势差相等,故A、B、D错误,C正确。法拉第电磁感应定律的规范应用(1)一般解题步骤分析穿过闭合电路的磁场方向及
13、磁通量的变化情况;利用楞次定律确定感应电流的方向;灵活选择法拉第电磁感应定律的不同表达形式列方程求解。(2)应注意的问题用公式EnS求感应电动势时,S为线圈在磁场范围内的有效面积,且不变,在Bt图像中为图线切线的斜率;用公式En求解的是一个回路中某段时间内的平均感应电动势,只有在磁通量均匀变化时,瞬时值才等于平均值;通过回路的电荷量q仅与n、和回路总电阻R有关,与变化过程所用的时间长短无关,推导过程:qtt。变式1(2020·云南省昆明市 “三诊一模”)如图甲所示,单匝矩形金属线框abcd处在垂直于线框平面的匀强磁场中,线框面积S0.3 m2,线框连接一个阻值R3 的电阻
14、,其余电阻不计,线框cd边位于磁场边界上。取垂直于线框平面向外为磁感应强度B的正方向,磁感应强度B随时间t变化的图像如图乙所示。下列判断正确的是()A00.4 s内线框中感应电流沿逆时针方向B0.40.8 s内线框有扩张的趋势C00.8 s内线框中的电流为0.1 AD00.4 s内ab边所受安培力保持不变答案C解析由图乙所示图线可知,00.4 s内磁感应强度垂直于纸面向里且减小,穿过线框的磁通量减小,由楞次定律可知,线框中感应电流沿顺时针方向,故A错误;0.40.8 s内磁感应强度垂直于纸面向外且增大,穿过线框的磁通量增加,由楞次定律可知,线框有收缩的趋势,故B错误;00.8 s内线框的感应电
15、动势为ES×0.3 V0.3 V,线框中的电流为I A0.1 A,故C正确;在00.4 s内线框中的感应电流I保持不变,磁感应强度B大小不断减小,由FIlB可知,ab边所受安培力不断减小,故D错误。考点2导体切割磁感线产生感应电动势的计算切割磁感线的那部分导体相当于电路中的电源,常见的情景有以下两种:1导体平动切割磁感线对于导体平动切割磁感线产生感应电动势的计算式EBlv,应从以下几个方面理解和掌握。(1)正交性本公式是在一定条件下得出的,除了磁场是匀强磁场,还需B、l、v三者相互垂直。当它们不相互垂直时,应取垂直的分量进行计算。(2)平均性导体平动切割磁感线时,若v为平均速度,则E
16、为平均感应电动势,即Bl。(3)瞬时性导体平动切割磁感线时,若v为瞬时速度,则E为相应的瞬时感应电动势。(4)有效性公式中的l为导体有效切割长度,即导体在与v共同所在平面上垂直于v的方向上的投影长度。下图中有效长度分别为:甲图:lcdsin(容易错算成labsin)。乙图:沿v1方向运动时,lMN;沿v2方向运动时,l0。丙图:沿v1方向运动时,lR;沿v2方向运动时,l0;沿v3方向运动时,lR。(5)相对性EBlv中的速度v是相对于磁场的速度,若磁场也运动时,应注意速度间的相对关系。2导体转动切割磁感线当导体棒在垂直于磁场的平面内,绕导体棒上某一点以角速度匀速转动时,则:(1)以导体棒中点
17、为轴时,E0(相同两段的代数和)。(2)以导体棒端点为轴时,EBl2。(3)以导体棒上任意一点为轴时,EB(ll)(不同两段的代数和,其中l1>l2)。例2(2020·山东省滨州市一模)如图所示,光滑水平面上存在有界匀强磁场,磁场方向垂直纸面向里,磁感应强度为B,质量为m、边长为a的正方形导体框MNPQ斜向上垂直进入磁场,当MP刚进入磁场时速度为v,方向与磁场边界成45°,若导体框的总电阻为R,则()A导体框进入磁场过程中,导体框中电流的方向为MNPQBMP刚进入磁场时导体框中感应电流大小为CMP刚进入磁场时导体框所受安培力为DMP刚进入磁场时M、P两端的电压为(1)
18、导体框进入磁场过程中,导体框中电流的方向如何判断?提示:由右手定则判断。(2)MP刚进入磁场时,导体框切割磁感应线的有效长度是多少?提示:a。尝试解答选C。根据右手定则可得,导体框进入磁场过程中,导体框中电流的方向为MQPN,故A错误;根据导体切割磁感线产生的感应电动势的计算公式可得,MP刚进入磁场时,导体框的感应电动势EBav,导体框中感应电流大小为I,故B错误;根据安培力的计算公式可得,MP刚进入磁场时,导体框所受安培力为FBI·a,故C正确;MP刚进入磁场时,根据闭合电路的欧姆定律可得,M、P两端的电压U,故D错误。(1)注意理解和掌握EBlv,特别是B、l、v三者方向的关系。
19、(2)求瞬时电动势(电流)时,EBlv为首选式,并同时注意有效长度l。(3)对于转动切割,如果记不住公式或情况复杂(如转动中心不在导体棒上)时,可用EBl计算,也可以用假想的导线将导体棒连接,组成回路,用EB计算。(4)如果在导体切割磁感线时,磁感应强度B也在变化,则只能用E计算。变式21 (多选)如图所示,用粗细均匀的铜导线制成半径为r、电阻为4R的圆环,PQ为圆环的直径,在PQ的左右两侧均存在垂直圆环所在平面的匀强磁场,磁感应强度大小均为B,但方向相反。一根长为2r、电阻不计的金属棒MN绕着圆心O以角速度顺时针匀速转动,金属棒与圆环紧密接触。下列说法正确的是()A金属棒MN两端的电压大小为
20、Br2B金属棒MN中的电流大小为C图示位置金属棒中电流方向为从M到ND金属棒MN在转动一周的过程中电流方向不变答案AC解析金属棒MO和NO都切割磁感线,产生感应电动势,由右手定则可知两端产生的感应电动势方向相同,所以MN产生的感应电动势为E2××Br2Br2,又因为MN的电阻不计,所以MN两端的电压就等于MN棒产生的电动势Br2,故A正确;MN棒把圆环分为相等的两部分,每部分的电阻为2R,且两部分是并联的,所以电路中的总电阻为R,由闭合电路欧姆定律可知MN中的电流为,故B错误;由右手定则可知图示位置金属棒中电流方向为从M到N,故C正确;由右手定则可知MO转到右侧磁场时,金属
21、棒中电流方向为从N到M,故D错误。变式22(2015·全国卷)如图,直角三角形金属框abc放置在匀强磁场中,磁感应强度大小为B,方向平行于ab边向上。当金属框绕ab边以角速度逆时针转动时,a、b、c三点的电势分别为Ua、Ub、Uc。已知bc边的长度为l。下列判断正确的是()AUa>Uc,金属框中无电流BUb>Uc,金属框中电流方向沿abcaCUbcBl2,金属框中无电流DUacBl2,金属框中电流方向沿acba答案C解析在三角形金属框内,有两边切割磁感线,其一为bc边,根据EBlv可得:电动势大小为Bl2;其二为ac边,ac边有效的切割长度为l,根据EBlv,可得:电动势
22、大小也为Bl2;由右手定则可知:金属框内无电流,且Uc>UbUa,A、B、D错误;UbcUacBl2,C正确。考点3自感现象1.自感现象的四大特点(1)自感电动势总是阻碍导体中原电流的变化。(2)通过线圈中的电流不能发生突变,只能缓慢变化。(3)电流稳定时,自感线圈就相当于普通导体。(4)线圈的自感系数越大,自感现象越明显,自感电动势只是延缓了过程的进行,但它不能使过程停止,更不能使过程反向。2自感中“闪亮”与“不闪亮”问题与线圈串联的灯泡与线圈并联的灯泡电路图通电时电流逐渐增大,灯泡逐渐变亮电流突然增大,灯泡立刻变亮,然后电流逐渐减小达到稳定,灯泡比刚通电时暗些断电时电流逐渐减小,灯泡
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