（浙江专版）2017-2018学年高中物理 第四章 电磁感应 第5讲 电磁感应现象的两类情况教学案 新人教版选修3-2.doc

5电磁感应现象的两类情况知识内容电磁感应现象的两类情况考试要求必考加试b课时要求1.初步了解感生电场和感生电动势2初步了解动生电动势和电磁感应中洛伦兹力的作用3知道感生电动势与动生电动势是感应电动势的两种不同的类型4会求解与电路分析、电路计算结合的简单电磁感应问题.一、电磁感应现象中的感生电场导学探究如图1所示，b增强，那么就会在空间激发一个感生电场e.如果e处空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在电场力的作用下定向移动，而产生感应电流图1(1)感生电场的方向与感应电流的方向有什么关系？如何判断感生电场的方向？(2)上述情况下，哪种作用扮演了非静电力的角色？答案(1)感应电流的方向与正电荷移动的方向相同感生电场的方向与正电荷受力的方向相同，因此，感生电场的方向与感应电流的方向相同，感生电场的方向可以用楞次定律判定(2)感生电场对自由电荷的作用知识梳理1感生电动势：由感生电场产生的电动势叫感生电动势2感生电动势大小：en.3方向：感应电流的方向与感生电场的方向相同，由楞次定律和右手螺旋定则判定即学即用判断下列说法的正误(1)感生电场线是闭合的()(2)只要磁场变化，即使没有电路，在空间也将产生感生电场()(3)处于变化磁场中的导体，其内部自由电荷定向移动，是由于受到感生电场的作用()答案(1) (2) (3)二、电磁感应现象中的洛伦兹力导学探究如图2所示，导体棒cd在匀强磁场中运动图2(1)自由电荷会随着导体棒运动，并因此受到洛伦兹力导体棒中的自由电荷受到的洛伦兹力方向如何？(为了方便，可以认为导体中的自由电荷是正电荷)(2)若导体棒一直运动下去，自由电荷是否总会沿着导体棒一直运动下去？为什么？(3)导体棒哪端电势比较高？如果用导线把c、d两端连到磁场外的一个用电器上，导体棒中电流是沿什么方向的？答案(1)导体中自由电荷(正电荷)具有水平方向的速度，由左手定则可判断自由电荷受到沿棒向上的洛伦兹力作用(2)自由电荷不会一直运动下去因为c、d两端聚集的电荷越来越多，在cd棒间产生的电场越来越强，当电场力等于洛伦兹力时，自由电荷不再定向运动(3)c端电势较高，导体棒中电流是由d指向c的知识梳理1动生电动势：由于导体运动产生的电动势叫动生电动势2动生电动势大小：eblv(b的方向与v的方向垂直)3方向判断：右手定则即学即用判断下列说法的正误(1)导体内自由电荷受洛伦兹力作用是产生动生电动势的原因()(2)导体切割磁感线运动时，导体内的自由电荷受到的洛伦兹力方向沿导体棒的方向()(3)只要导体在磁场中运动，导体两端就会产生动生电动势()答案(1) (2) (3)一、对感生电场的理解1变化的磁场周围产生感生电场，与闭合电路是否存在无关如果在变化磁场中放一个闭合电路，自由电荷在感生电场的作用下发生定向移动2感生电场可用电场线形象描述感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的；而静电场的电场线不闭合例1(多选)某空间出现了如图3所示的一组闭合的电场线，这可能是()图3a沿ab方向磁场在迅速减弱b沿ab方向磁场在迅速增强c沿ba方向磁场在迅速增强d沿ba方向磁场在迅速减弱答案ac闭合回路(可假定其存在)的感应电流方向就表示感生电场的方向判断思路如下：二、动生电动势的理解与应用例2(多选)如图4所示，一导线弯成半径为a的半圆形闭合回路虚线mn右侧有磁感应强度为b的匀强磁场方向垂直于回路所在的平面回路以速度v向右匀速进入磁场，直径cd始终与mn垂直从d点到达边界开始到c点进入磁场为止，下列结论正确的是()图4a感应电流方向不变bcd段直导线始终不受安培力c感应电动势最大值embavd感应电动势平均值bav答案acd解析在闭合回路进入磁场的过程中，通过闭合回路的磁通量逐渐增大，根据楞次定律可知感应电流的方向为逆时针方向不变，a正确根据左手定则可判断，cd段受安培力向下，b不正确当半圆形闭合回路进入磁场一半时，这时有效切割长度最大为a，所以感应电动势最大值embav，c正确感应电动势平均值bav.d正确三、en和eblv的比较应用eneblv区别研究对象整个闭合回路回路中做切割磁感线运动的那部分导体适用范围各种电磁感应现象只适用于导体切割磁感线运动的情况计算结果t内的平均感应电动势某一时刻的瞬时感应电动势联系eblv是由en在一定条件下推导出来的，该公式可看作法拉第电磁感应定律的一个推论例3如图5所示，导轨om和on都在纸面内，导体ab可在导轨上无摩擦滑动，若ab以5 m/s的速度从o点开始沿导轨匀速右滑，导体与导轨都足够长，磁场的磁感应强度为 0.2 t问：图5(1)3 s末夹在导轨间的导体长度是多少？此时导体切割磁感线产生的感应电动势多大？(2)3 s内回路中的磁通量变化了多少？此过程中的平均感应电动势为多少？答案(1)5 m5 v (2) wb v解析(1)夹在导轨间的部分导体切割磁感线产生的电动势才是电路中的感应电动势3 s末，夹在导轨间导体的长度为：lvt tan 3053tan 30 m5 m此时：eblv0.255 v5 v(2)3 s内回路中磁通量的变化量bs00.2155 wb wb3 s内电路产生的平均感应电动势为： v v.四、导体棒转动切割磁感线产生感应电动势的计算例4长为l的金属棒ab以a点为轴在垂直于匀强磁场的平面内以角速度做匀速转动，如图6所示，磁感应强度为b.求：图6(1)ab棒的平均速率；(2)ab两端的电势差；(3)经时间t金属棒ab所扫过面积中磁通量为多少？此过程中平均感应电动势多大？答案(1)l (2)bl2 (3)bl2tbl2解析(1)ab棒的平均速率l.(2)ab两端的电势差：eblbl2.(3)经时间t金属棒ab所扫过的扇形面积为s，则：sl2l2t，bsbl2t.由法拉第电磁感应定律得：bl2.导体转动切割磁感线：当导体棒在垂直于磁场的平面内，其一端固定，以角速度匀速转动时，产生的感应电动势为eblbl2，如图7所示图7若圆盘在磁场中以绕圆心匀速转动时，(如图8所示)相当于无数根“辐条”转动切割，它们之间相当于电源的并联结构，圆盘上的感应电动势仍为ebrbr2.图81(2016海宁二中)如图9所示，两个端面半径同为r的圆柱形铁芯同轴水平放置，相对的端面之间有一缝隙，铁芯上绕导线并与直流电源连接，在缝隙中形成一匀强磁场一铜质细直棒ab水平置于缝隙中，且与圆柱轴线等高、垂直让铜质细直棒从静止开始自由下落，铜质细直棒下落距离为0.2r时铜质细直棒中电动势大小为e1，下落距离为0.8r时电动势大小为e2，忽略涡流损耗和边缘效应关于e1、e2的大小和铜质细直棒离开磁场前两端的极性，下列判断正确的是()图9ae1e2，a端为正be1e2，b端为正ce1e2，a端为正de1e2，b端为正答案d解析通电导线在缝隙中产生的磁场方向向左，所以铜质细直棒下落时由右手定则可判断得b端为正，选项a、c错误；根据eblv可知，下落0.8r时电动势较大，即e1e2，选项b错误，选项d正确2. 如图10，均匀磁场中有一由半圆弧及其直径构成的导线框，半圆直径与磁场边缘重合；磁场方向垂直于半圆面(纸面)向里，磁感应强度大小为b0.使该线框从静止开始绕过圆心o、垂直于半圆面的轴以角速度匀速转动半周，在线框中产生感应电流现使线框保持图中所示位置，磁感应强度大小随时间线性变化为了产生与线框转动半周过程中同样大小的电流，磁感应强度随时间的变化率的大小应为()图10a. b.c. d.答案c解析当线框绕过圆心o的转动轴以角速度匀速转动时，由于面积的变化产生感应电动势，从而产生感应电流设半圆的半径为r，导线框的电阻为r，即i1.当线框不动，磁感应强度变化时，i2，因i1i2，可得，c选项正确3(多选)如图11所示，三角形金属导轨eof上放有一金属杆ab，在外力作用下，使ab保持与of垂直，从o点开始以速度v匀速右移，该导轨与金属杆均为粗细相同的同种金属制成，则下列判断正确的是 ()图11a电路中的感应电流大小不变b电路中的感应电动势大小不变c电路中的感应电动势逐渐增大d电路中的感应电流逐渐减小答案ac解析设金属杆从o开始运动到如题图所示位置所经历的时间为t，eof，则金属杆切割磁感线的有效长度ltan ，故eblvbv vttan bv2tan t，即电路中电动势与时间成正比，c选项正确；电路中电流i.而l等于闭合三角形的周长，即 lvtvt tan vt(1tan )，所以i是恒量，所以a正确4如图12所示，导轨是水平的，间距l10.5 m，ab杆与导轨左端的距离l20.8 m，由导轨与ab杆所构成的回路的总电阻r0.2 ，垂直导轨的方向有竖直向下的匀强磁场，磁感应强度b01 t，重物的质量m0.04 kg，用细绳通过定滑轮与ab杆的中点相连，各处的摩擦均可忽略不计现使磁场以0.2 t/s的变化率均匀地增大，试求当t为多少时，m刚好离开地面？(取g10 m/s2)图12答案5 s解析根据法拉第电磁感应定律，感生电动势el1l2，回路中的感应电流为iab杆所受的安培力f安bl1i(b0t)l1i，重物刚好离开地面时f安mg联立上述四个方程解得：t5 s.一、选择题1. 如图1所示，导体ab在做切割磁感线运动时，将产生一个感应电动势，因而在电路中有电流通过，下列说法中正确的是()图1a因导体运动而产生的感应电动势称为动生电动势b动生电动势的产生与洛伦兹力无关c动生电动势的产生与电场力有关d动生电动势和感生电动势产生的原因是一样的答案a2(2015绍兴上虞高二检测)在如图所示的四种磁场情况中能产生恒定的感生电场的是()答案c解析均匀变化的磁场产生恒定的电场，故c正确3(多选)在空间某处存在一变化的磁场，则 ()a在磁场中放一闭合线圈，线圈中一定会产生感应电流b在磁场中放一闭合线圈，线圈中不一定会产生感应电流c在磁场中不放闭合线圈，在变化的磁场周围一定不会产生电场d在磁场中不放闭合线圈，在变化的磁场周围一定会产生电场答案bd解析由感应电流产生的条件可知，只有闭合回路中磁通量发生改变，才能产生感应电流，如果闭合线圈平面与磁场方向平行，则线圈中无感应电流产生，故a错，b对；感应电场的产生与变化的磁场周围有无闭合回路无关，故c错，d对4(2015余姚高二检测)(多选)著名物理学家费曼曾设计过这样一个实验装置：一块绝缘圆板可绕其中心的光滑轴自由转动，在圆板的中部有一个线圈，圆板四周固定着一圈带电的金属小球，如图2所示当线圈接通电源后，将产生图示逆时针方向的电流则下列说法正确的是()图2a接通电源瞬间，圆板不会发生转动b线圈中电流强度的增大或减小会引起圆板向不同方向转动c若金属小球带负电，接通电源瞬间圆板转动方向与线圈中电流方向相反d若金属小球带正电，接通电源瞬间圆板转动方向与线圈中电流方向相反答案bd解析线圈接通电源瞬间，变化的磁场产生变化的电场，从而导致带电小球受到电场力，使其转动，a错误；不论线圈中电流是增大还是减小，都会引起磁场的变化，从而产生不同方向的电场，使小球受到电场力的方向不同，所以会向不同方向转动，b正确；接通电源瞬间，产生顺时针方向的电场，由于小球带负电，所以圆板转动方向与线圈中电流方向相同，c错误，同理可知d正确5(2015杭州二中)现代科学研究中常用到高速电子，电子感应加速器就是利用感生电场加速电子的设备电子感应加速器主要有上、下电磁铁磁极和环形真空室组成当电磁铁绕组通以变化的电流时，产生变化的磁场，穿过真空盒所包围的区域内的磁通量也随时间变化，这时真空盒空间内就产生感应涡旋电场，电子将在涡旋电场作用下加速如图3所示(上图为侧视图、下图为真空室的俯视图)，若电子被“约束”在半径为r的圆周上运动，当电磁铁绕组通有图中所示的电流时()图3a若电子沿逆时针运动，保持电流的方向不变，当电流增大时，电子将加速b若电子沿顺时针运动，保持电流的方向不变，当电流增大时，电子将加速c若电子沿逆时针运动，保持电流的方向不变，当电流减小时，电子将加速d被加速时电子做圆周运动的周期不变答案a解析当电磁铁绕组通有题图中所示的电流时，由安培定则可知将产生向上的磁场，当电磁铁绕组中电流增大时，根据楞次定律和安培定则可知，这时真空盒空间内产生顺时针方向的感生电场，电子沿逆时针运动，电子将加速，选项a正确，选项b、c错误；由于电子被“约束”在半径为r的圆周上运动，被加速时电子做圆周运动的周期减小，选项d错误6. 如图4所示，两块水平放置的金属板间距离为d，用导线与一个n匝线圈连接，线圈置于方向竖直向上的磁场b中两板间有一个质量为m，电荷量为q的油滴恰好处于平衡状态，则线圈中的磁场b的变化情况和磁通量的变化率分别是()图4a正在增强；b正在减弱；c正在减弱；d正在增强；答案b解析电荷量为q的带正电的油滴恰好处于静止状态，电场力竖直向上，则电容器的下极板带正电，所以线圈下端相当于电源的正极，由题意可知，根据安培定则和楞次定律，可得穿过线圈的磁通量在均匀减弱；线圈产生的感应电动势：en；油滴所受电场力：fq，对油滴，根据平衡条件得：qmg；所以解得线圈中磁通量的变化率的大小为.故b正确，a、c、d错误7.英国物理学家麦克斯韦认为，磁场变化时会在空间激发感生电场如图5所示，一个半径为r的绝缘细圆环水平放置，环内存在竖直向上的匀强磁场b，环上套一带电荷量为q的小球，已知磁感应强度b随时间均匀增加，其变化率为k，若小球在环上运动一周，则感生电场对小球的作用力所做功的大小是()图5a0 b.r2qkc2r2qk dr2qk答案d解析根据法拉第电磁感应定律可知，磁场变化产生的感生电动势为er2kr2，小球在环上运动一周，则感生电场对小球的作用力所做功的大小wqer2qk，故选项d正确8.如图6所示，导体棒ab的长为2r，绕o点以角速度匀速转动，ob长为r，且o、b、a三点在一条直线上，有一磁感应强度为b的匀强磁场充满转动平面且与转动平面垂直，那么ab两端的电势差大小为()图6a.br2 b2br2c4br2 d6br2答案c解析a点线速度va3r，b点线速度vbr，ab棒切割磁感线的平均速度2r，由eblv得，ab两端的电势差大小为eb2r4br2，c正确9(多选)如图7甲所示，在虚线所示的区域有垂直纸面向里的匀强磁场，磁场变化规律如图乙所示，面积为s的单匝金属线框处在磁场中，线框与电阻r相连，若金属框的电阻为，下列说法正确的是()图7a流过电阻r的感应电流方向由a到bb线框cd边受到的安培力方向向上c感应电动势大小为da、b间电压大小为答案ad解析穿过线圈的磁通量在增大，根据楞次定律可得感应电流为逆时针方向，故流过电阻r的感应电流方向由a到b，a正确；电流从c到d，根据左手定则，可得线框cd边受到的安培力方向向下，b错误；根据法拉第电磁感应定律可得e，根据欧姆定律可得a、b间电压大小为ue，故c错误，d正确二、非选择题10(2016韶兴高二检测)如图8甲所示，平行导轨mn、pq水平放置，电阻不计，两导轨间距d10 cm，导体棒ab、cd放在导轨上，并与导轨垂直每根导