高考物理大一轮复习专题法拉第电磁感应定律自感和涡流课件.ppt

第2讲 法拉第电磁感应定律 自感和涡流,一、法拉第电磁感应定律, t,1.磁通量变化率：表示磁通量变化的快慢，大小为 21 . t,2.法拉第电磁感应定律 (1)内容：在电磁感应现象中，电路中感应电动势的大小跟,_成正比.,磁通量的变化率,据定义求有末初，En,(2)表达式：_，其中 n 为线圈的匝数.,(3)公式的变形,En, t,当线圈面积不变，垂直于线圈平面的磁场发生变化时，E,nS,B . t,当磁场不变，垂直于磁场的线圈面积发生变化时，E,nB,S t,.,磁通量的变化是由于面积和磁场变化共同引起的，则根,B2S2B1S1 t,n,BS t,.,3.导体切割磁感线时产生的感应电动势 (1)导体平行移动：E_.其中 B、L、v 三者两,两垂直，且 L 为导体的有效切割长度.,BLv,【基础检测】 1.将闭合多匝线圈置于仅随时间变化的磁场中，线圈平面 与磁场方向垂直，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,二、自感和涡流,1.自感现象,电磁感应,(1)定义：由导体本身的电流发生变化时而产生的_ 现象.自感现象遵循电磁感应的所有规律.,(2)自感电动势,自感,定义：在_现象中产生的感应电动势叫做自感电 动势.,表达式：E_.,L,I t,方向：总是阻碍导体中原来_的变化(“增反减,同”).,电流,(3)自感系数 L,长短,形状,匝数,大,有关因素：与线圈的_、_、_以及是否 有铁芯有关.线圈越长，单位长度上线圈的匝数越多，横截面积 越大，它的自感系数越_.线圈中插入铁芯，自感系数会增 大很多. 单位：亨利(H)， 1 mH103 H,1 H106 H. (4)自感现象的应用和防止 应用：如日光灯电路中的镇流器、振荡电路等.日光灯电 路是由启动器、镇流器和灯管组成的._在日光灯启动时 起到开关作用，正常工作时断开；镇流器的作用是在灯开始点 亮时起_的作用，在日光灯正常发光时起,_作用.,启动器,产生瞬时高压,降压限流,防止：制作精密电阻时，采用_绕法，防止自感,现象的发生，减小因自感而造成的误差.,双线,2.涡流：块状金属在磁场中运动，或者处在变化的磁场中， 金属块内部会产生感应电流，这种电流在整块金属内部自成闭,合回路，叫做_.,涡流,【基础检测】 2.如图 9-2-1 所示，A、B 两灯相同，L 是带铁芯的电阻可,不计的线圈，下列说法中正确的是(,),图 9-2-1 A.开关 S 合上瞬间，A 灯先亮 B 灯后亮 B.S 合上稳定后，A、B 同时亮着 C.S 断开瞬间，A、B 同时熄灭 D.S 断开瞬间，B 立即熄灭，A 闪亮一下再熄灭,解析：开关 S 闭合的瞬间，两灯同时获得电压，所以 A、 B 同时发光.由于线圈的电阻可以忽略，灯A 逐渐被短路，流过 A 灯的电流逐渐减小最后熄灭，B 灯电流逐渐增大，故 A、B 错误；断开开关 S 的瞬间，B 灯的电流突然消失，立即熄灭， 流过线圈的电流将要减小，产生自感电动势，相当电源，自感 电流流过 A 灯，所以 A 灯突然闪亮一下再熄灭，故 C 错误， D正确.,答案：D,考点 1 对法拉第电磁感应定律的理解 重点归纳,1.磁通量、磁通量的变化量、磁通量的变化率,(续表),可能很大，,注意：三者的大小无必然关系，当0 时，, t,可能很小，也可能为零.磁通量的变化率, t,是-t 图象上某点切,线的斜率.,(续表),3.感应电荷量 (1)计算：由电流的定义可知，在很短时间内的qIt，根,(2)有关因素：感应电荷量由磁通量变化大小、线圈匝数 及电路的电阻 R 决定，与变化时间无关. (3)qIt 也适用一段时间内流过该电路的平均电荷量(若 一直变大或变小，则q 等于总电荷量).,典例剖析 例 1：(2016 年北京卷)如图 9-2-2 所示，匀强磁场中有两个 导体圆环 a、b，磁场方向与圆环所在平面垂直.磁感应强度 B 随时间均匀增大.两圆环半径之比为 21，圆环中产生的感应电 动势分别为 Ea 和 Eb，不考虑两圆环间的相互影响.下列说法正,确的是(,),图 9-2-2,A. EaEb41，感应电流均沿逆时针方向 B. EaEb 41，感应电流均沿顺时针方向 C. EaEb 21，感应电流均沿逆时针方向 D. EaEb 21，感应电流均沿顺时针方向 思维点拨：由题意可知，磁感应强度是均匀变化的，故产 生恒定的感应电动势和恒定电流. 解析：由法拉第电磁感应定律得圆环中产生的电动势为 E,均沿顺时针方向，B 项正确. 答案：B,【考点练透】 1.(2015 年新课标全国卷)如图 9-2-3 所示，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(,),图 9-2-3,答案：C,2.(2015 年安徽卷)如图 9-2-4 所示，abcd 为水平放置的平行 “匚”形光滑金属导轨，间距为 l，导轨间有垂直于导轨平面的 匀强磁场，磁感应强度大小为 B，导轨电阻不计，已知金属杆 MN 倾斜放置，与导轨成角，单位长度的电阻为 r，保持金属 杆以速度 v 沿平行于 cd 的方向滑动(金属杆滑动过程中与导轨,接触良好).则(,),图 9-2-4,解析：金属杆的运动方向与金属杆不垂直，电路中感应电 动势的大小为 EBlv(l 为切割磁感线的有效长度)，选项 A 错,答案：B,考点 2 对自感现象的分析 重点归纳,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,【考点练透】 3.(2016 年江苏如东四校期末)在如图 9-2-5 所示的电路中， a、b 为两个完全相同的灯泡，L 为自感系数较大而电阻不能忽 略的线圈，E 为电源，S 为开关.关于两灯泡点亮和熄灭的情况,下列说法正确的是(,),图 9-2-5,A.合上开关，a 先亮，b 后亮；稳定后 a、b 一样亮 B.合上开关，b 先亮，a 后亮；稳定后 b 比 a 更亮一些 C.断开开关，a 逐渐熄灭，b 先变得更亮后再与 a 同时熄灭 D.断开开关，b 逐渐熄灭，a 先变得更亮后再与 b 同时熄灭 解析：由于线圈的自感作用，合上开关，b 先亮，a 后亮， 稳定后，b 比 a 亮，选项 A 错误，B 正确；断开开关，a、b 都 是逐渐变暗，同时熄灭，选项 C、D 错误.,答案：B,方法 导体切割磁感线产生的感应电动势的计算方法,1.平动类型感应电动势的计算：EBlv. (1)该类型中导体平动切割磁感线.,(2)正交性：B、l、v 相互垂直时公式成立.,(3)有效性：式中的 l 为有效切割长度，即导体在垂直于 v,方向上的投影长度，如图 9-2-6 所示.,图 9-2-6,2.转动类型感应电动势的计算：用 EB,S t,，主要是找到,面积变化率. (1)该类型主要是导体或杆在与磁场平面成一定角度的平 面上转动时产生的电动势. (2)当导体在垂直于磁场的平面内，绕一端以角速度匀速 图 9-2-7 所示. 图 9-2-7,3.产生感应电动势的导体电势高低的判断. (1)导体切割磁感线：任意一小段导体切割磁感线时，让磁 感线穿过右手掌心，大拇指指向导线的运动方向，则其余四指 指向这一侧的导体端电势高. 注意：切割磁感线的导体相当于电源，感应电流流向高电 势那端；外导体中的电流流向低电势处. (2) 磁场变化产生的电动势的判断 . 其电动势大小为 E ,nS,B t,.判断时先由楞次定律和安培定则确定感应电流方向(若电,路断路，则假设构建它通路)，然后根据变化磁场之内的电路电 流流向高电势、变化磁场之外的电路电流流向低电势来判断电 势的高低.,例 2：(2014 年天津卷)如图 9-2-8 所示，两根足够长的平行 金属导轨固定在倾角30的斜面上，导轨电阻不计，间距 L 0.4 m.导轨所在空间被分成区域和，两区域的边界与斜面 的交线为 MN，中的匀强磁场方向垂直斜面向下，中的匀 强磁场方向垂直斜面向上，两磁场的磁感应强度大小均为 B 0.5 T.在区域中，将质量 m10.1 kg，电阻 R10.1 的金属条 ab 放在导轨上，ab 刚好不下滑.然后，在区域中将质量 m2 0.4 kg，电阻 R20.1 的光滑导体棒 cd 置于导轨上，由静止开 始下滑.cd 在滑动过程中始终处于区域的磁场中，ab、cd 始终 与导轨垂直且两端与导轨保持良好接触，取 g10 m/s2，问：,图 9-2-8,(1)cd 下滑的过程中，ab 中的电流方向. (2)ab 刚要向上滑动时，cd 的速度 v 多大.,(3)从 cd 开始下滑到 ab 刚要向上滑动的过程中，cd 滑动的 距离 x3.8 m，此过程中 ab 上产生的热量 Q 是多少.,审题突破：ab 放在导轨上刚好不下滑，可知 ab 与导轨间 的最大静摩擦力大小等于其重力沿斜面向下的分力.ab 刚要上 滑时，所受摩擦力沿斜面向下，依此可求出回路中的电流和 cd 的下滑速度，从而可由能量守恒定律求出热量. 解：(1)根据右手定则判断知 cd 中电流方向由 d 流向 c，故 ab 中电流方向由 a 流向 b. (2)开始放置 ab 刚好不下滑时，ab 所受摩擦力为最大静摩,擦力，设其为 Fmax，有Fmaxm1gsin ,设 ab 刚好要上滑时，cd 棒的感应电动势为 E，由法拉第 电磁感应定律有,I,EBLv,设电路中的感应电流为 I，由闭合电路欧姆定律有,E R1R2,设 ab 所受安培力为 F安，有,F安BIL,此时 ab 受到的最大静摩擦力方向沿斜面向下，由平衡条件 有F安m1gsin Fmax 联立式，代入数据解得 v5 m/s.,R1R2,(3)设 cd 棒的运动过程中电路中产生的总热量为 Q总，由能 量守恒定律有 由串联电路规律有,Q,R1,Q总,联立式解得 Q1.3 J.,题外拓展：本类题的最大特点是电磁学与力学知识相结合，,应注意：,(1)受力分析，如重力、支持力、摩擦力、安培力等；找出 关键信息，如“静止”“匀速”“匀加速”等，建立方程.,(2)运动过程分析，找出每个过程的物理关系式.,(3)功能关系的熟练运用，如重力、安培力、摩擦力等做功,情况，以及与之对应的能量变化关系.,本题中，若改变磁场的大小，导体棒最终静止时，电阻 R,产生的焦耳热会如何变化？,【触类旁通】,(2016 年师大附中模拟)如图 9-2-9 所示，间距 l0.3 m 的平 行金属导轨 a1b1c1 和 a2b2c2分别固定在两个竖直面内.在水平面 a1b1b2a2区域内和倾角37的斜面c1b1b2c2区域内分别有磁感 应强度 B10.4 T、方向竖直向上和 B21 T、方向垂直于斜面 向上的匀强磁场.电阻 R0.3 、质量 m10.1 kg、长为 l 的相 同导体杆 K、S、Q 分别放置在导轨上，S 杆的两端固定在 b1、 b2 点，K、Q 杆可沿导轨无摩擦滑动且始终接触良好.一端系于 K 杆中点的轻绳平行于导轨绕过轻质定滑轮自然下垂，绳上穿 有质量 m20.05 kg 的小环.已知小环以 a6 m/s2 的加速度沿绳,下滑，K 杆保持静止，Q 杆在垂直于杆且沿斜面向下的拉力 F 作用下匀速运动.不计导轨电阻和滑轮摩擦，绳不可