高考物理一輪復(fù)習(xí)講義專題13.2　法拉第電磁感應(yīng)定律 自感和渦流（原卷版）

專題13.2法拉第電磁感應(yīng)定律自感和渦流【講】【講核心素養(yǎng)】1.物理觀念：自感現(xiàn)象和渦流現(xiàn)象。通過實(shí)驗(yàn)，了解自感現(xiàn)象和渦流現(xiàn)象。能舉例說明自感現(xiàn)象和渦流現(xiàn)象在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。2.科學(xué)思維：電磁感應(yīng)規(guī)律的理解和應(yīng)用。通過實(shí)驗(yàn)，理解法拉第電磁感應(yīng)定律?！局v考點(diǎn)題型】【知識(shí)點(diǎn)一】法拉第電磁感應(yīng)定律的理解及應(yīng)用1．感應(yīng)電動(dòng)勢（1）概念：在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動(dòng)勢。（2）產(chǎn)生：只要穿過回路的磁通量發(fā)生變化，就能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，與電路是否閉合無關(guān)。（3）方向：產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的電路（導(dǎo)體或線圈）相當(dāng)于電源，電源的正、負(fù)極可由右手定則或楞次定律判斷。2．法拉第電磁感應(yīng)定律（1）內(nèi)容：閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比。（2）公式：E＝neq\f(ΔΦ,Δt)，其中eq\f(ΔΦ,Δt)為磁通量的變化率，n為線圈匝數(shù)。3.應(yīng)用注意點(diǎn)公式E＝neq\f(ΔΦ,Δt)的應(yīng)用，ΔΦ與B、S相關(guān)，可能是eq\f(ΔΦ,Δt)＝Beq\f(ΔS,Δt)，也可能是eq\f(ΔΦ,Δt)＝Seq\f(ΔB,Δt)，當(dāng)B＝kt時(shí)，eq\f(ΔΦ,Δt)＝kS.【特別提醒】感應(yīng)電動(dòng)勢求解的“四種”模型情景圖研究對(duì)象回路（不一定閉合）一段直導(dǎo)線（或等效成直導(dǎo)線）繞一端垂直勻強(qiáng)磁場勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的一段導(dǎo)體棒繞與B垂直的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)線框表達(dá)式E＝neq\f(ΔΦ,Δt)E＝BlvsinθE＝eq\f(1,2)Bl2ωE＝NBSωsinωt（從中性面位置開始計(jì)時(shí)）【例1】（2022·江蘇·高考真題）如圖所示，半徑為r的圓形區(qū)域內(nèi)有垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t的變化關(guān)系為SKIPIF1<0，SKIPIF1<0、k為常量，則圖中半徑為R的單匝圓形線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢大小為（）A．SKIPIF1<0 B．SKIPIF1<0 C．SKIPIF1<0 D．SKIPIF1<0【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維?！咀兪接?xùn)練1】（2022·河北·高考真題）將一根絕緣硬質(zhì)細(xì)導(dǎo)線順次繞成如圖所示的線圈，其中大圓面積為SKIPIF1<0，小圓面積均為SKIPIF1<0，垂直線圈平面方向有一隨時(shí)間t變化的磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小SKIPIF1<0，SKIPIF1<0和SKIPIF1<0均為常量，則線圈中總的感應(yīng)電動(dòng)勢大小為（）A．SKIPIF1<0 B．SKIPIF1<0 C．SKIPIF1<0 D．SKIPIF1<0【規(guī)律總結(jié)】應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律應(yīng)注意的三個(gè)問題（1）公式E＝neq\f(ΔΦ,Δt)求解的是一個(gè)回路中某段時(shí)間內(nèi)的平均電動(dòng)勢，在磁通量均勻變化時(shí)，瞬時(shí)值才等于平均值．（2）利用公式E＝nSeq\f(ΔB,Δt)求感應(yīng)電動(dòng)勢時(shí)，S為線圈在磁場范圍內(nèi)的有效面積．（3）通過回路截面的電荷量q僅與n、ΔΦ和回路電阻R有關(guān)，與時(shí)間長短無關(guān)．推導(dǎo)如下：q＝eq\x\to(I)Δt＝eq\f(nΔΦ,ΔtR)Δt＝eq\f(nΔΦ,R).【知識(shí)點(diǎn)二】導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的常見類型1.大小計(jì)算切割方式表達(dá)式垂直切割E＝Blv傾斜切割E＝Blvsinθ，其中θ為v與B的夾角旋轉(zhuǎn)切割（以一端為軸）E＝eq\f(1,2)Bl2ω說明（1）導(dǎo)體與磁場方向垂直。（2）磁場為勻強(qiáng)磁場。2.方向判斷（1）把產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的那部分電路或?qū)w當(dāng)作電源的內(nèi)電路，那部分導(dǎo)體相當(dāng)于電源。（2）若電路是不閉合的，則先假設(shè)有電流通過，然后應(yīng)用楞次定律或右手定則判斷出電流的方向。（3）電源內(nèi)部電流的方向是由負(fù)極（低電勢）流向正極（高電勢），外電路順著電流方向每經(jīng)過一個(gè)電阻電勢都要降低。【方法總結(jié)】感生電動(dòng)勢與動(dòng)生電動(dòng)勢的區(qū)別【例2】（多選）（2022·廣東·深圳市光明區(qū)高級(jí)中學(xué)模擬預(yù)測）如圖甲所示，發(fā)光竹蜻蜓是一種常見的兒童玩具。某同學(xué)對(duì)竹蜻蜓的電路作如下簡化：如圖乙所示，導(dǎo)電圓環(huán)繞垂直于圓環(huán)平面、通過圓心SKIPIF1<0的金屬軸SKIPIF1<0以角速度SKIPIF1<0逆時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)（俯視）。圓環(huán)上接有三根金屬輻條SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0，輻條互成SKIPIF1<0角。在圓環(huán)左半部分張角也為SKIPIF1<0角的范圍內(nèi)（兩條虛線之間）分布著垂直圓環(huán)平面向下磁感應(yīng)強(qiáng)度為SKIPIF1<0的勻強(qiáng)磁場，在轉(zhuǎn)軸SKIPIF1<0與圓環(huán)的邊緣之間通過電刷SKIPIF1<0、SKIPIF1<0與一個(gè)SKIPIF1<0燈（二極管）相連。除SKIPIF1<0燈電阻外，其他電阻不計(jì)。下列說法中正確的是（）A．若SKIPIF1<0棒進(jìn)入磁場中，SKIPIF1<0點(diǎn)電勢小于SKIPIF1<0點(diǎn)電勢B．金屬輻條在磁場中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的是正弦式交變電流C．若導(dǎo)電圓環(huán)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（俯視），也能看到SKIPIF1<0燈發(fā)光D．角速度比較大時(shí)，能看到SKIPIF1<0燈更亮【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維?！咀兪接?xùn)練2】（2022·全國·高三專題練習(xí)）相距為SKIPIF1<0的豎直平行金屬軌道，上端接有一個(gè)非線性元件D，其伏安特性曲線如圖所示，導(dǎo)軌間存在水平方向且垂直于紙面向里的磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小SKIPIF1<0，一根質(zhì)量為SKIPIF1<0、長度也為SKIPIF1<0、電阻SKIPIF1<0的金屬桿，從軌道的上端由靜止開始下落，下落過程中始終與導(dǎo)軌接觸良好并保持水平，經(jīng)過一段時(shí)間后金屬桿勻速運(yùn)動(dòng)。（不計(jì)空氣阻力，重力加速度SKIPIF1<0取SKIPIF1<0）（1）求金屬桿勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)通過的電流大?。唬?）求最終勻速運(yùn)動(dòng)的速度；（3）測得開始下落至剛好勻速運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷的時(shí)間為SKIPIF1<0，求這段時(shí)間內(nèi)經(jīng)過金屬桿的電量SKIPIF1<0?！咎貏e提醒】1．平動(dòng)切割（1）垂直切割：E＝Blv，式中l(wèi)為導(dǎo)體切割磁感線的有效長度。（2）不垂直切割：E＝Blvsin_θ，式中θ為v與B的夾角。2．導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線如圖所示，當(dāng)長為l的導(dǎo)體在垂直于勻強(qiáng)磁場（磁感應(yīng)強(qiáng)度為B）的平面內(nèi)，繞一端以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)Δt時(shí)間后，轉(zhuǎn)過的弧度θ＝ωΔt，轉(zhuǎn)過的面積ΔS＝eq\f(1,2)l2ωΔt，則E＝eq\f(ΔΦ,Δt)＝eq\f(BΔS,Δt)＝eq\f(1,2)Bl2ω.【知識(shí)點(diǎn)三】自感現(xiàn)象1．自感現(xiàn)象的四大特點(diǎn)（1）自感電動(dòng)勢總是阻礙導(dǎo)體中原電流的變化．（2）通過線圈中的電流不能發(fā)生突變，只能逐漸變化．（3）電流穩(wěn)定時(shí)，自感線圈就相當(dāng)于普通導(dǎo)體．（4）線圈的自感系數(shù)越大，自感現(xiàn)象越明顯，自感電動(dòng)勢只是延緩了過程的進(jìn)行，但它不能使過程停止，更不能使過程反向．2．自感中“閃亮”與“不閃亮”問題與線圈串聯(lián)的燈泡與線圈并聯(lián)的燈泡電路圖通電時(shí)電流逐漸增大，燈泡逐漸變亮電流突然增大，然后逐漸減小達(dá)到穩(wěn)定斷電時(shí)電流逐漸減小，燈泡逐漸變暗，電流方向不變電路中穩(wěn)態(tài)電流為I1、I2：①若I2≤I1，燈泡逐漸變暗；②若I2＞I1，燈泡“閃亮”后逐漸變暗．兩種情況下燈泡中電流方向均改變【例3】（2022·北京·北師大二附中模擬預(yù)測）如圖所示的電路中a、b是兩個(gè)完全相同的燈泡，L為自感線圈（自感系數(shù)足夠大，直流電阻不計(jì)），E為電源，S為開關(guān)。下列說法正確的是（）A．閉合開關(guān)，a、b同時(shí)亮B．?dāng)嚅_開關(guān)，a先熄滅，b閃亮后熄滅C．閉合開關(guān)和斷開開關(guān)瞬間，a中電流方向相同D．閉合開關(guān)和斷開開關(guān)瞬間，b中電流方向相同【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維?！咀兪接?xùn)練3】（多選）（2022·海南?？凇つM預(yù)測）如圖所示，電路中有兩個(gè)相同的燈泡L1、L2，電感線圈L的自感系數(shù)很大，直流電阻可忽略不計(jì)，電源內(nèi)阻不計(jì)。第一次：S2合向1，再閉合S1，電路穩(wěn)定后再斷開S1；第二次：S2合向2，再閉合S1，電路穩(wěn)定后再斷開S1，則下列說法正確的是（）A．第一次：閉合S1后，會(huì)看到L1、L2立即變亮，此后L2逐漸熄滅B．第一次：斷開S1后，會(huì)看到L1逐漸熄滅，L2亮一下后熄滅C．第二次：閉合S1后，會(huì)看到L2立即變亮，L1逐漸變亮D．第二次：斷開S1后，會(huì)看到L1逐漸熄滅，L2亮一下后熄滅【技巧總結(jié)】處理自感現(xiàn)象問題的技巧（1）通電自感：線圈相當(dāng)于一個(gè)變化的電阻——阻值由無窮大逐漸減小，通電瞬間自感線圈處相當(dāng)于斷路．（2）斷電自感：斷電時(shí)自感線圈處相當(dāng)于電源，自感電動(dòng)勢由某值逐漸減小到零．（3）電流穩(wěn)定時(shí)，理想的自感線圈相當(dāng)于導(dǎo)線，非理想的自感線圈相當(dāng)于定值電阻．【知識(shí)點(diǎn)四】渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)電磁阻尼電磁驅(qū)動(dòng)不同點(diǎn)成因由于導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使導(dǎo)體受到安培力由于磁場運(yùn)動(dòng)引起磁通量的變化而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使導(dǎo)體受到安培力效果安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相反，阻礙導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體受安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相同，推動(dòng)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)化導(dǎo)體克服安培力做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能由于電磁感應(yīng)，磁場能轉(zhuǎn)化為電能，通過安培力做功，電能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的機(jī)械能，從而對(duì)外做功相同點(diǎn)兩者都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，都遵循楞次定律，都是安培力阻礙引起感應(yīng)電流的導(dǎo)體與磁場間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)【例4】（2022·江蘇·公道中學(xué)模擬預(yù)測）有一個(gè)銅盤，輕輕撥動(dòng)它，能長時(shí)間地繞軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。如果在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)把蹄形磁鐵的兩極放在銅盤的邊緣，但并不與銅盤接觸，如圖所示，銅盤就能在較短的時(shí)間內(nèi)停止。關(guān)于該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，下列說法正確的是（）A．銅盤被磁化后，與磁鐵相互作用導(dǎo)致明顯減速B．銅盤的磁通量不變，因此不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流C．對(duì)調(diào)蹄形磁鐵磁極的位置，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也相同D．將銅盤全部放在足夠大的勻強(qiáng)磁場中，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維?！咀兪接?xùn)練4】（2022·全國·模擬預(yù)測）2021年7月25日，臺(tái)風(fēng)“煙花”給上海帶來明顯風(fēng)雨影響，高達(dá)632米的上海中心大廈在臺(tái)風(fēng)里卻能夠保持穩(wěn)定，位于第126層的“電渦流擺設(shè)式調(diào)諧質(zhì)量阻尼器”起到了關(guān)鍵作用。這款阻尼器由我國自主研發(fā)，重達(dá)1000噸，在大廈受到風(fēng)力作用搖晃時(shí)，阻尼器質(zhì)量塊的慣性會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反作用力，產(chǎn)生反向擺動(dòng)，在質(zhì)量塊下方圓盤狀的永磁體與樓體地板相對(duì)，由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生渦流，從而使大廈減振減擺，其簡化示意圖如圖所示。下列關(guān)于該阻尼器的說法正確的是（）A．質(zhì)量塊下方相對(duì)的地板可以是導(dǎo)體也可以是絕緣體，對(duì)減振效果沒有影