物理粵教版學(xué)案第章第五節(jié)電磁感應(yīng)規(guī)律的應(yīng)用

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精第五節(jié)電磁感應(yīng)規(guī)律的應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)重點難點1．理解法拉第電機的原理;2．掌握法拉第電機感應(yīng)電動勢的計算；3．理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象電路中的電源及外電路;4．掌握電磁感應(yīng)過程中的能量轉(zhuǎn)化．重點：（1）熟悉各種情況下感應(yīng)電動勢的表達．（2)能畫出等效電路圖，并能聯(lián)系閉合電路解題．難點：電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量問題．一、法拉第電機1．法拉第電機是應(yīng)用了導(dǎo)體棒在磁場中切割磁感線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的原理．2．產(chǎn)生電動勢的導(dǎo)體相當(dāng)于電源，此電源與其他部分的導(dǎo)體或線框構(gòu)成了閉合電路，遵從閉合電路歐姆定律．3．在電源內(nèi)部，感應(yīng)電流方向是從電源的負極流向正極；在外電路中,電流從電源的正極經(jīng)用電器流向負極．預(yù)習(xí)交流1如圖是一個水平放置的導(dǎo)體框架,寬度L=0。50m,接有電阻R=0.20Ω，磁感應(yīng)強度B=0。40T，方向如圖所示．今有一導(dǎo)體棒ab橫放在框架上，并能無摩擦地沿框滑動，框架及導(dǎo)體棒ab的電阻均不計，當(dāng)ab以v=4.0m/s的速度向右勻速滑動時,試求：電路上的感應(yīng)電流的大?。鸢福簩?dǎo)體棒ab切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小為E＝BLv＝0.40×0。50×4。0V＝0.80V，導(dǎo)體棒ab相當(dāng)于電源,由它對外電路供電，則由閉合電路歐姆定律得：I＝eq\f(E,R＋r)＝eq\f(0。80,0.20）A＝4.0A．二、電磁感應(yīng)中的能量1．電磁感應(yīng)中的能量:在由導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，導(dǎo)體克服安培力做多少功，就有多少其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，即電能是通過克服安培力做功轉(zhuǎn)化來的．2．電磁感應(yīng)現(xiàn)象符合能量守恒定律．3．反電動勢（1)定義：直流電動機模型通電后,線圈因受安培力而轉(zhuǎn)動，切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢．（2）方向：與外加電壓的方向相反．（3）決定因素：電動機線圈轉(zhuǎn)動越快，反電動勢越大．預(yù)習(xí)交流2在有安培力做功的電路中，歐姆定律是否依然適用？答案:有安培力做功的電路為非純電阻電路，電路中發(fā)生了電能與機械能的轉(zhuǎn)化，歐姆定律不再適用．預(yù)習(xí)交流3同學(xué)們,你閱讀了教材中與反電動勢有關(guān)的內(nèi)容后,你認為反電動勢與歐姆定律不適用于非純電阻電路有關(guān)嗎？答案:有關(guān)．設(shè)電路中的電池電動勢為E，反電動勢為E′，則電路中的總電動勢為E－E′，若電路中的總電阻為R,由閉合電路歐姆定律可得電路中的電流I＝eq\f(E－E′，R）．所以，由于反電動勢的存在，回路中的電流I＜eq\f(E,R）．一、法拉第電機學(xué)生思考:法拉第電機的原理是怎樣的？答案：法拉第電機原理圖如下圖所示．放在磁場中的銅盤可以看成是由無數(shù)根銅棒組成的，這些銅棒就像自行車的“輻條”一樣．銅棒一端連在銅盤圓心，另一端連在圓盤邊緣．當(dāng)轉(zhuǎn)動圓盤時,銅棒在兩磁極間切割磁感線,銅棒就相當(dāng)于電源,其中圓心為電源的一個極，銅盤的邊緣為電源的另一個極．它可以通過導(dǎo)線對用電器供電．如圖所示，是法拉第做成的世界上第一臺發(fā)電機模型的原理圖．將銅盤放在磁場中，讓磁感線垂直穿過銅盤;圖中a，b導(dǎo)線與銅盤的中軸線處在同一平面內(nèi)；轉(zhuǎn)動銅盤，就可以使閉合電路獲得電流．若圖中銅盤半徑為L，勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B，回路總電阻為R,從上往下看逆時針勻速轉(zhuǎn)動銅盤的角速度為ω．則下列說法正確的是（）．A．回路中有大小和方向做周期性變化的電流B．回路中電流大小恒定，且等于C．回路中電流方向不變，且從b導(dǎo)線流進燈泡，再從a導(dǎo)線流向旋轉(zhuǎn)的銅盤D．若將勻強磁場改為仍然垂直穿過銅盤的按正弦規(guī)律變化的磁場，不轉(zhuǎn)動銅盤，燈泡中也會有電流流過答案:C解析:銅盤在轉(zhuǎn)動的過程中產(chǎn)生的恒定電流為I＝eq\f(BL2ω，2R）,選項A、B錯誤．由右手定則可知銅盤在轉(zhuǎn)動的過程中產(chǎn)生的電流從b導(dǎo)線流進燈泡，再從a導(dǎo)線流向旋轉(zhuǎn)的銅盤,選項C正確．若將勻強磁場改為仍然垂直穿過銅盤的按正弦規(guī)律變化的磁場，不轉(zhuǎn)動銅盤時閉合回路的磁通量不發(fā)生變化,燈泡中沒有電流流過，選項D錯誤．1．當(dāng)導(dǎo)體棒各點的切割速度相同時，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢用E＝BLv來求．2．當(dāng)導(dǎo)體各部分切割磁感線線速度不同時，取其平均速度．如圖所示，導(dǎo)體棒繞A點以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的大小為E＝BLeq\x\to（v）＝BL×eq\f(0＋ωL,2）＝eq\f（1,2）BL2ω．二、電磁感應(yīng)中的電路1．如圖所示,導(dǎo)體棒ab在切割磁感線的過程中電路中會產(chǎn)生感應(yīng)電流．請分析：（1）電路中有電源嗎？答案：電路中有電源．(2)如果有，哪部分導(dǎo)體相當(dāng)于電源?答案：導(dǎo)體棒ab相當(dāng)于電源．（3）又如何確定電源的正負極呢？答案：在電源內(nèi)部電流由負極流向正極，在電源外部由正極流向負極．由右手定則可知導(dǎo)體棒在向右運動過程中電流由a端流出，故a端相當(dāng)于電源的正極，b端相當(dāng)于電源負極．2．產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的部分是電源，其余部分則為外電路．試說明圖甲、乙所示電路中哪部分導(dǎo)體相當(dāng)于電源，并畫出等效電路．判斷a，b兩點電勢的高低．答案：圖甲中線圈相當(dāng)于電源，圖乙中導(dǎo)體棒相當(dāng)于電源；根據(jù)楞次定律可判斷甲圖中線圈外電流方向由b→a．根據(jù)右手定則可判定乙圖中棒上電流方向由b→a．因為在電源內(nèi)部電流由電源負極流向正極，所以甲圖b點相當(dāng)于電源正極，a點相當(dāng)于電源負極，b點電勢高于a點電勢．乙圖a點相當(dāng)于電源正極，b點相當(dāng)于電源負極．a(chǎn)點電勢高于b點．等效電路如圖．固定在勻強磁場中的正方形導(dǎo)線框abcd邊長為L，其中ab為一段電阻為R的均勻電阻絲，其余三邊均為電阻可以忽略的銅線,磁感應(yīng)強度為B,方向垂直紙面向里,現(xiàn)有一段與ab完全相同的電阻絲PQ架在導(dǎo)線框上，如圖所示，以恒定的速度v從ad邊滑向bc邊，當(dāng)PQ滑過eq\f(L，3）的距離時,通過aP段電阻絲的電流是多大?方向如何？答案:eq\f(6BvL,11R）方向由P到a解析：PQ在磁場中切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,閉合電路中有感應(yīng)電流,可將電阻絲PQ視為有內(nèi)阻的電源，電阻絲aP與bP并聯(lián)，且RaP＝eq\f(1，3）R，RbP＝eq\f(2,3）R,畫出等效電路圖如圖所示，這樣就將問題轉(zhuǎn)化為純電路問題．根據(jù)題意，電源電動勢E＝BvL外電阻R外＝eq\f(RaPRbP,RaP＋RbP）＝eq\f（2，9）R總電阻R總＝R外＋r＝eq\f（2,9)R＋R＝eq\f(11,9)R所以電路中的總電流為I＝eq\f(E，R總)＝eq\f（9BLv，11R）根據(jù)并聯(lián)電路的分流原理IaP＝eq\f(2，3)I＝eq\f（6BLv，11R)，方向由P到a．1．求解電磁感應(yīng)中的電路問題的關(guān)鍵是分析清楚哪是內(nèi)電路,哪是外電路，切割磁感線的導(dǎo)體和磁通量發(fā)生變化的線圈都相當(dāng)于“電源”，該部分導(dǎo)體的電阻相當(dāng)于內(nèi)阻，而其余部分的電路則是外電路．2．解決此類問題的基本步驟是:(1)由法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律或右手定則確定感應(yīng)電動勢的大小和方向．(2）畫等效電路，感應(yīng)電流的方向就是電源內(nèi)部的電流方向．（3）運用閉合電路歐姆定律，結(jié)合串、并聯(lián)電路的規(guī)律等公式聯(lián)立求解．三、動生電動勢與感生電動勢1．什么是動生電動勢，你能舉例說明嗎？答案：由于導(dǎo)體棒做切割磁感線的運動，而在導(dǎo)體棒兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，叫做動生電動勢．如圖所示，當(dāng)導(dǎo)體棒CD,在磁場中做切割磁感線運動時，CD間就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢．2．動生電動勢的產(chǎn)生與電路閉合還是斷開，有關(guān)嗎?答案：無關(guān)．無論電路閉合還是斷開，只要有導(dǎo)體做切割磁感線的運動，電路中就有動生電動勢產(chǎn)生．當(dāng)電路閉合，其一部分導(dǎo)體做切割磁感線的運動時，電路中有感應(yīng)電流產(chǎn)生；當(dāng)電路閉合，整個電路以相同速度做切割磁感線運動時，只產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，不產(chǎn)生感應(yīng)電流．3．什么是感生電動勢，你能舉例說明嗎？答案：閉合電路本身靜止,由于穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢．例如，在如圖甲所示的閉合電路中，存在如圖所示的垂直紙面向里的磁場．當(dāng)此磁場從T＝0時刻起，按如圖乙所示的規(guī)律變化時，A、B兩點間就會產(chǎn)生感生電動勢．4．什么是感生電場?感生電場與感生電流的關(guān)系是什么?怎樣確定感生電場的方向？答案：如圖所示，當(dāng)存在于某空間的磁場發(fā)生變化時,就會在此變化磁場的垂直方向上產(chǎn)生感生電場．當(dāng)在變化磁場的垂直方向上存在閉合導(dǎo)體時，導(dǎo)體中的自由電子會在感生電場的作用下,定向移動,形成感應(yīng)電流．當(dāng)磁場變化時，一定能產(chǎn)生感應(yīng)電場,但不一定能產(chǎn)生感應(yīng)電流，因此感應(yīng)電場的方向為此處存在感應(yīng)電流時，感應(yīng)電流的方向．如圖所示，固定于水平桌面上的金屬框架cdef，處在豎直向下的勻強磁場中，金屬棒ab擱在框架上，可無摩擦滑動．此時abed構(gòu)成一個邊長為L的正方形，棒的電阻為r，其余部分電阻不計，開始時磁感應(yīng)強度為B0．（1）若從t＝0時刻起,磁感應(yīng)強度均勻增加，每秒增量為k，同時保持棒靜止，求棒中的感應(yīng)電流,并在圖上標(biāo)出感應(yīng)電流的方向；（2)在上述（1）的情況中，始終保持棒靜止,當(dāng)t＝t1時需加的垂直于棒的水平拉力為多大？（3）若從t＝0時刻起，磁感應(yīng)強度逐漸減小，當(dāng)棒以恒定速度v向右做勻速運動時，可使棒中不產(chǎn)生感應(yīng)電流,則磁感應(yīng)強度應(yīng)怎樣隨時間變化（寫出B與t的關(guān)系式)?答案：（1)eq\f(RL2，r）電流方向如圖所示(2）（B0＋kt1)eq\f（kL3,r）(3)B＝eq\f(B0L,L＋vt)解析：(1）感應(yīng)電動勢E＝eq\f（ΔB，Δt)S＝kL2，感應(yīng)電流I＝eq\f(E,r）＝eq\f(kL2,r)，由楞次定律可判定感應(yīng)電流方向為逆時針．(2）t＝t1時，B＝B0＋kt1，此時棒所受安培力F＝BIL，棒靜止時所加水平拉力與棒所受安培力大小相等、方向相反，所以所加外力的大小F′＝F＝BIL＝（B0＋kt1）eq\f（kL3，r)．（3）要使棒中不產(chǎn)生感應(yīng)電流，應(yīng)使回路中總磁通量始終保持不變，所以應(yīng)有BL(L＋vt)＝B0L2,解得磁感應(yīng)強度隨時間的變化規(guī)律為B＝eq\f（B0L，L＋vt）．動生電動勢與感生電動勢的區(qū)別1．產(chǎn)生原因不同2．移動電荷的非靜電力不同．感生電動勢中移動電荷的非靜電力是感生電場對自由電荷的電場力；動生電動勢中移動電荷的非靜電力是導(dǎo)體中自由電荷所受洛倫茲力沿導(dǎo)體方向的分力．3．回路中相當(dāng)于電源的部分不同4．判斷電流方向的方法不同．感生電流由楞次定律判斷;動生電流由右手定則判斷，也可由楞次定律判斷．5．計算電動勢的方法不同．感生電動勢由E＝neq\f(ΔΦ，Δt）計算；動生電動勢通常由E＝BLvsinθ計算,也可由E＝neq\f(ΔΦ，Δt)計算．四、電磁感應(yīng)過程中的能量轉(zhuǎn)化1．試分析導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生電能過程中洛倫茲力、安培力、外力的做功情況．答案：外力推動導(dǎo)體棒運動，做正功；安培力阻礙導(dǎo)體棒運動，做負功；導(dǎo)體棒中電子所受洛倫茲力整體上不做功,不能通過洛倫茲力將磁場能轉(zhuǎn)化為電能，導(dǎo)體棒克服安培力做功將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能．2．安培力做功與電能轉(zhuǎn)化是相對應(yīng)的，你知道安培力做功與電能的關(guān)系嗎？答案:安培力做負功，將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能．安培力做正功，會將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，如機械能等．3．學(xué)生思考：電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，能量是怎樣轉(zhuǎn)化的呢？答案：導(dǎo)體棒中的電流受到安培力的作用，安培力的方向與相對運動的方向相反，阻礙導(dǎo)體的相對運動,導(dǎo)體棒要克服安培力做功，將機械能轉(zhuǎn)化為電能．當(dāng)產(chǎn)生的電流通過用電器后，同時將轉(zhuǎn)化來的電能進一步轉(zhuǎn)化成其他形式的能．在豎直向下的磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，有兩根水平放置相距L且足夠長的平行金屬導(dǎo)軌AB、CD，在導(dǎo)軌的AC端連接一阻值為R的電阻．一根垂直于導(dǎo)軌放置的金屬棒ab，其質(zhì)量為m．現(xiàn)用水平細繩跨過定滑輪連接一質(zhì)量為M的重物拉動金屬桿ab，如圖所示．若重物從靜止開始下落，且導(dǎo)軌和金屬棒的電阻、定滑輪的質(zhì)量及一切摩擦均不計，求：(1）金屬棒的最大速度；(2）若重物從靜止開始至勻速運動的某一時刻，下落的高度為h，求這一過程中電阻R上產(chǎn)生的熱量．點撥：物體具有最大速度時,加速度為零，所受合力為零．物體下落時,重力勢能減少了，那么，減少的重力勢能轉(zhuǎn)化為了哪些能？答案：（1）eq\f（MgR，B2L2）（2）Mg[h－eq\f（(M＋m）MgR2，2B4L4）]解析:（1)重物M拉動金屬桿運動，切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流，ab桿將受到水平向左的安培力的作用，桿的速度將逐漸增大,在物體的重力和安培力相等時,金屬棒達到最大速度．設(shè)最大速度為vmax,最大速度時有BIL＝Mg，I＝eq\f(E,R)＝eq\f（BLvmax，R），解得vmax＝eq\f（MgR,B2L2）．（2）從靜止至勻速之后的某時刻,下降的高度為h，由能量轉(zhuǎn)化和守恒可得Mgh＝eq\f(1,2）（M＋m)veq\o\al（2,max)＋Q,解得Q＝Mg[h－eq\f(（M＋m)MgR2，2B4L4)］．求解電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能量守恒問題的一般思路1．分析回路，分清電源和外電路．在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，切割磁感線的導(dǎo)體或磁通量發(fā)生變化的回路將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,該導(dǎo)體或回路就相當(dāng)于電源，其余部分相當(dāng)于外電路．2．分析清楚有哪些力做功,明確有哪些形式的能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化．如：做功情況能量變化特點滑動摩擦力做功有內(nèi)能產(chǎn)生重力做功重力勢能必然發(fā)生變化克服安培力做功必然有其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能,并且克服安培力做多少功，就產(chǎn)生多少電能安培力做正功電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能3．根據(jù)能量守恒列方程求解．1．一閉合線圈，放在隨時間均勻變化的磁場中，線圈平面和磁場方向垂直，若想使線圈中的感應(yīng)電流增強一倍，下述方法可行的是（）．A．使線圈匝數(shù)增加一倍B．使線圈面積增加一倍C．使線圈匝數(shù)減少一半D．使磁感應(yīng)強度的變化率增大一倍答案：D解析：根據(jù)公式E＝neq\f（ΔΦ，Δt）＝neq\f(ΔB,Δt)S和I＝eq\f(E,R）可以判斷，當(dāng)線圈匝數(shù)增加一倍時，n變?yōu)樵瓉淼?倍，E變?yōu)樵瓉淼?倍,但R也變?yōu)樵瓉淼?倍，即感應(yīng)電流不變，A項錯誤；同理C項錯誤；線圈面積增加一倍，半徑變?yōu)樵瓉淼膃q\r(2)倍,電阻R也變?yōu)樵瓉淼膃q\r(2)倍，但E變?yōu)樵瓉淼?倍,所以感應(yīng)電流變?yōu)樵瓉淼膃q\r(2）倍，B項錯誤;使eq\f（ΔB，Δt)增大1倍，E變?yōu)樵瓉淼?倍，但R不變,所以感應(yīng)電流變?yōu)樵瓉淼?倍,D項正確．2．如圖所示，水平導(dǎo)軌的電阻忽略不計，金屬棒ab和cd的電阻分別為Rab和Rcd，且Rab＞Rcd,處于勻強磁場中．金屬棒cd在力F的作用下向右勻速運動．a(chǎn)b在外力作用下處于靜止?fàn)顟B(tài)，下面說法正確的是（）．A．Uab＞UcdB．Uab＝UcdC．Uab＜UcdD．無法判斷答案:B解析：電源是將非電能轉(zhuǎn)換成電能的裝置．本題中是通過電磁感應(yīng)將機械能轉(zhuǎn)化成為電能．cd的作用是電源．a(chǎn)b則是外電路中的電阻．畫出等效電路圖,如圖所示．然后再運用恒定電流的知識進行計算．電磁感應(yīng)的問題中經(jīng)常用到化簡為直流電路的等效方法．金屬棒在力F的作用下向右做切割磁感線的運動應(yīng)視為電源，而c、d分別等效為這個電源的正、負極,Ucd是電源兩極的路端電壓，不是內(nèi)電壓．又因為導(dǎo)軌的電阻忽略不計,因此金屬棒ab兩端的電壓Uab也等于路端電壓，即Ucd＝Uab,所以應(yīng)選B項．3．如下圖所示，閉合開關(guān)S，將條形磁鐵插入閉合線圈，第一次用0。2s，第二次用0。4s，并且兩次的起始和終止位置相同，則（)．A．第一次磁通量變化較大B．第一次G的最大偏角較大C．第一次經(jīng)過G的總電量較多D．若斷開S,G均不偏轉(zhuǎn),故均無感應(yīng)電動勢產(chǎn)生答案：B解析：將磁鐵插到閉合線圈的同一位置,磁通量的變化量相同，而用的時間不同,所以磁通量的變化率不同；感應(yīng)電流I＝eq\f(E，R）＝eq\f（ΔΦ，Δt·R），感應(yīng)電流的大小不同；流過線圈橫截面的電荷量q＝IΔt＝eq\f（ΔΦ，ΔtR)·Δt＝eq\f(ΔΦ,R）,兩次磁通量的變化量相同，電阻不變，所以q與磁鐵插入線圈的快慢無關(guān)．4．如圖所示，金屬桿ab以恒定的速率v在光滑平行導(dǎo)軌上向右滑行,設(shè)整個電路中總電阻為R（恒定不變），整個裝置放在垂直紙面向里的勻強磁場中，下列敘述正確的是()．A．a(chǎn)b桿中的電流與速率v成正比B．磁場作用于ab桿的安培力與速率v的平方成正比C．電阻R上產(chǎn)生的電熱功率與速率v的平方成正比D．外力對ab桿做功的功率與速率v成正比答案:AC解析：由E＝BLv和I＝eq\f（E,R)得：I＝