2019-2020学年高中物理第1章电磁感应第5节电磁感应规律的应用学案粤教版选修3

1、第五节电磁感应规律的应用学习目标1.知道法拉第电机的结构和工作原理.(重点)2.理解电磁感应现象中能量转化与守恒，并能解答相关问题.(难点)3.了解电磁感应规律在生产和生活中的应用，会运用电磁感应规律解决生活和生产中的有关问题.自主预习灯描新如-一1111”匕修Im一二Ml口知识梳理.二一、法拉第电机1 .原理放在两极之间的铜盘可以看作是由无数根铜棒组成的，铜棒一端连在铜盘圆心，另一端连在圆盘边缘.当转动圆盘时，铜棒在两磁极间切割磁感线，铜棒就相当于电源,其中圆心为电源的一个极，铜盘的边缘为电源的另一个极.它可以通过导线对用电器供电，使之获得持续的电流.2 .转动切割电动势的大小如图所示，电机

2、工作时电动势的大小2ABttLE=EAtT或E=BLv中=BL,2L3=2BcoL2.3 .电势高低的判断产生电动势的导体相当于电源，在电源内部电动势的方向从低电势指向高电势.4 .电磁感应中的电路问题(1)内电路和外电路切割磁感线运动的导体或磁通量发生变化的线圈都相当于电源.该部分导体的电阻或线圈的电阻相当于电源的内电阻，其余部分是外电阻.(2)电源电动势和路端电压，一LA，一电动势：E=n&t或E=BLvsin8.路端电压：U=E卜.(3)电流方向在电源内部：电流由负极流向正极一在电源外部：电流由正极经用电器流向负极：、电磁感应中的能量转化1 .电磁感应现象中产生的电能是通过克服安

3、培力做功转化而来的.2 .克服安培力做了多少功，就有多少电能产生,而这些电能又通过电流做功而转化为其他形式的能.3.反电动势(1)定义：直流电动机模型通电后，线圈因受安培力而转动,切割磁感线产生的感应电动势.(2)方向：与外加电压的方向相反.(3)决定因素：电动机线圈转动越快，反电动势越大.一基础自测口1.思考判断(正确的打“，”，错误的打“x”)(1)导体杆在磁场中切割磁感线产生感应电动势相当于电源，其余部分相当于外电路.(正)(2)长为l的直导线在磁感应强度为B的匀强磁场中以速度v匀速运动产生的最大感应电动势为Blv.(正)(3)在闭合线圈上方有一条形磁铁自由下落直至穿过线圈过程中，磁铁下

4、落过程中机械能守值.(X)(4)在电源内部电流从正极流向负极.(X)(5)反电动势的方向与外加电压的方向相反.(正)2 .如图甲所示，匝数n=50的圆形线圈M它的两端点a、b与内阻很大的电压表相连，线圈中磁通量的变化规律如图乙所示，则a、b两点的电势高低与电压表的读数为()B.旌人,10 VD.旌人,10 VA.旌人,20VC.旌人,20VB圆形线圈产生电动势，相当于电源内电路.磁通量均匀增大，由楞次定律知，线圈中感应电流为逆时针方向，又线圈相当于内电路，故g泞b；&n号=50X801V=10t40.1V,因而电压表的读数为10V.电压表测量的是电源的电动势，即感应电动势.故B正确.3

5、 .如图，一个半径为L的半圆形硬导体AB以速度v在水平U形框架上匀速滑动，匀强磁场的磁感应强度为B,回路电阻为R,半圆形硬导体AB的电阻为r,其余电阻不计，则半圆形导体AB切割磁感线产生的感应电动势的大小及AB两端的电压分别为（）BLvRA.BLvB.2BLvBLvR+r2BLvRC.2BLvD.BLv2BLvR）+rC半圆形导体AB切割磁感线产生的感应电动势的大小为E=B-2Lv=2BLv,AB相当于R2BLvR,电源，其两端的电压是外电压，由欧姆定律得U=E=石.故选C.R）十rR）十r导体棒在匀强磁场中的转动问题例1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

6、行于ab边向上.当金属框绕ab边以角速度3逆时针转动时，a、字一/工b、c三点的电势分别为U、J、U.已知bc边的长度为l.下列判断正确的是（）A. U>U,金属框中无电流.B. Ub>UC,金属框中电流方向沿abca12C. Ubc=2B123,金属框中无电流D. Ubc=2Bl2co,金属框中电流方向沿acbaC金属框abc平面与磁场平行，转动过程中磁通量始终为零，所以无感应电流产生，选项B、D错误；转动过程中bc边和ac边均切割磁感线，产生感应电动势，由右手定则判断U<U,Ub<Uc,选项A错误；由转动切割产生感应电动势的公式得Ubc=gBl2,选项C正确.坟律、

7、曳如导体转动切割磁感线产生的电动势当导体棒在垂直于磁场的平面内，其一端固定，以角速度3匀速转动时，产生的感应电12动势为E=Blv=2Bl2co,如图所示.到时训嘘1 .(多选)法拉第圆盘发电机的示意图如图所示.铜圆盘安装在竖直的铜轴上，两铜片P、Q分别与圆盘的边缘和铜轴接触。圆盘处于方向竖直向上的匀强磁场B中.圆盘旋转时，关于流过电阻R的电流，下列说法正确的是()A.若圆盘转动的角速度恒定，则电流大小恒定B.若从上向下看，圆盘顺时针转动，则电流沿a到b的方向流动C.若圆盘转动方向不变，角速度大小发生变化，则电流方向可能发生变化D.若圆盘转动的角速度变为原来的2倍，则电流在R上的热功率也变为原

8、来的2倍AB将圆盘看成无数辐条组成，它们都在切割磁感线从而产生感应电动势和感应电流，根据右手定则可知圆盘上感应电流从边缘流向中心，则当圆盘顺时针(俯视)转动时，流过电12阻的电流方向从a到b,选项B正确；由法拉第电磁感应定律得感应电动势E=BLv=bL,I=REr-,3恒定时，I大小恒定，3大小变化时，I大小变化，方向不变，故选项A正确,242r2倍时，P变为原来的4倍，选项D错误.c错误；由P=I2R=汴，知，当3变为原来的电磁感应中的电路问题号点2，I-上11 .解决与电路相联系的电磁感应问题的基本方法(1)用法拉第电磁感应定律和楞次定律(或右手定则)确定感应电动势的大小和方向.(2)画等

9、效电路图.(3)运用闭合电路欧姆定律、串并联电路的性质、电功率等公式求解.2 .与上述问题相关的几个知识点，一A，、(1)电源电动势：E=njp或E=Blv.(2)闭合电路欧姆定律：I=REp部分电路欧姆定律：I=U.R电源的内电压：U内=Ir.电源的路端电压：U外=IR=EIr.(3)消耗功率：P外=IU,P总=IE.、一A(4)通过导体的电何重：q=IAt=n.【例2】固定在匀强磁场中的正方形导线框abcd边长为L,其中ab是一段电阻为R的均匀电阻丝，其余三边均为电阻可以忽略的铜线.磁感应强度为B,方向垂直纸面向里.现有一段与ab段的材料、粗细、长度均相同的电阻丝PQ架在导线框上（如图所示

10、）.若PQ以恒定白速度v从ad滑向bc,当其滑过L的距离时，通过aP段的电流是多大？方向如3何？思路点拨：PQ相当于电源，由E=Blv求出PQ的电动势.电路结构为Rp与Rp并联再与Rq串联，由闭合电路欧姆定律求IaP.解析PQ在磁场中做切割磁感线运动产生感应电动势，由于是闭合回路，故电路中有感应电流，可将电阻丝PQ视为有内阻的电源，电阻丝与bP并联，且1Rp = 3R、2.,一Rp=/，于是可回出如图所本的等效电路图.3外电阻为RpRp2JRTRP = 9R电源电动势为E=BvL、2r一11息电阻为R总=R外+r=R+R,即R总=R99电路中的电流为E9BvL,，一I=:=.通过aP段的电流为

11、R11RRp6BvLIaP=RI=方向由P到a.-6BvL、,答案彳彳R万向由P到a也W狂911 1）“电源”的确定方法：“切割”磁感线的导体（或磁通量发生变化的线圈）相当于“电源”，该部分导体（或线圈）的电阻相当于“内电阻”.（2）电流的流向：在“电源”内部电流从负极流向正极，在“电源”外部电流从正极流向负极.。针对训城2 .粗细均匀的电阻丝围成的正方形线框置于有界匀强磁场中，磁场方向垂直于线框平面，其边界与正方形线框的边平行.现使线框以同样大小的速度沿四个不同方向平移出磁场，则在移出过程中线框的一边a、b两点间电势差绝对值最大的是（）A BCDB 将线框等效成直流电路，设线框每条边的电阻为

12、r, A B C、D对应的等效电路图分别如图甲、乙、丙、丁所示.电磁感应中的能量问题2叱I1 .电磁感应中能量的转化电磁感应过程实质是不同形式的能量相互转化的过程，其能量转化方式为：其他您丁一里街典趣H热或其前:膊式的M.2 .求解电磁感应现象中能量问题的一般思路(1)确定回路，分清电源和外电路.(2)分析清楚有哪些力做功，明确有哪些形式的能量发生了转化.如：有滑动摩擦力做功，必有内能产生；有重力做功，重力势能必然发生变化；克服安培力做功，必然有其他形式的能转化为电能，并且克服安培力做多少功，就产生多少电能；如果安培力做正功，就是电能转化为其他形式的能.(3)列有关能量的关系式.【例3】如图所

13、示，足够长的平行光滑U形导轨倾斜放置，所在平面的倾角0=37。，导轨间的距离L=1.0m,下端连接R=1.6Q的电阻，导轨电阻不计，所在空间存在垂直于导轨平面向上的匀强磁场，磁感应强度B=1.0T,质量m0.5kg、电阻r=0.4Q的金属棒ab垂直置于导轨上，现用沿导轨平面且垂直于金属棒、大小为F=5.0N的恒力使金属棒ab从静止开始沿导轨向上滑行，当金属棒滑行s=2.8m后速度保持不变.求：(sin37=0.6,cos37°=0.8,g取10m/s2)(1)金属棒匀速运动日的速度大小V；(2)金属棒从静止到刚开始匀速运动的过程中，电阻R上产生的热量QR.思路点拨：金属棒向上匀速运动

14、时，沿导轨方向合力为零.流过电阻R的电流是变化的，求Q时应考虑应用能量守恒定律.解析(1)金属棒沿斜面向上匀速运动日产生的感应电流方向a-b,产生的感应电动势E=BLv,产生的感应电流为I=RLv安培力F安=81,金属棒ab受力如图所示.由平衡条件有F=mgsin0+BIL代入数据解得v=4m/s.(2)设整个电路中产生的热量为Q,由能量守恒定律有12Q=Fs-mgjs-sin9-2mvR而QQ代入数据解得Q=1.28J.rvrr答案(1)4m/s(2)1.28JII律产感/电能的三种求解思路(1)利用克服安培力做功求解：电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功.(2)利用能量守恒求解：相应

15、的其他能量的减少量等于产生的电能.(3)利用电路特征求解：通过电路中所消耗的电能来计算.针对训魏3 .水平放置的光滑平行导轨上放置一根长为L、质量为m的导体棒ab,ab处在磁感应强度大小为B、方向如图所示的匀强磁场中，导轨的一端接一阻值为R的电阻，导轨及导体棒电阻不计.现使ab在水平恒力F作用下由静止沿垂直于磁场的方向运动，当通过的位移为s时，ab达到最大速度vm.此时撤去外力，最后ab静止在导轨上.在ab运动的整个过程中，下列说法正确的是()A.撤去外力后，ab做匀减速运动B.合力对ab做的功为Fs12C. R上释放的热量为Fs+2mmD. R上释放的热量为FsD 撤去外力后，导体棒水平方向

16、只受安培力作用，而B2L2vF安随v的变化而变化，故导体棒做加速度变化的变速运动， 选项A错误；对整个过程由动能定理得 W4=A Ek=0, 选项B错误；由能量守恒定律知，恒力 F做的功等于整个回路产生的电能，电能又转化为 R 上释放的热量，即 Q= Fs,选项C错误，D正确.知识脉络1 .导体棒绕一端匀速转动切割磁感线所产生的电动势 E= 1BL"2 .电磁感应现象中产生感应电动势的部分相当于电 源，其电阻为电源内阻，电流由低电势流向高电势.3 .在电磁感应现象中，克服安培力做功的过程就是 产生电能的过程.原琏电磁感应当堂达标外1 .如图所示，一个绕圆心轴 MN9速转动的金属圆盘，

17、匀强磁场垂直于圆盘平面，磁感 应强度为B,圆盘中心和圆盘边缘通过电刷与螺线管相连，圆盘转动方向如图所示，则下述结论中正确的是（）A.圆盘上的电流由圆心流向边缘B,圆盘上的电流由边缘流向圆心C.金属圆盘上各处电势相等D.螺线管产生的磁场，F端为N极A当圆盘转动方向如题图所示时，根据右手定则可判断出圆盘上的感应电流是从圆心流向边缘的，故A正确，B错误；由于圆盘上存在感应电流，故其上各处的电势并不相等，C错误；由螺线管中的电流方向和安培定则可判断出E端为N极，故D是错误的.2.（多选）如图所示，金属杆ab以恒定的速率v在光滑平行导轨上向右滑行，设整个电路中总电阻为R（恒定不变），整个装置置于垂直纸面

18、向里的匀强磁场中，下列叙述正确的是A.ab杆中的电流与速率v成正比B.磁场作用于ab杆的安培力与速率v成正比C.电阻R上产生的热功率与速率v成正比D.外力对ab杆做功的功率与速率v成正比AB由已Blv和1=言彳导I=Bv,所以安培力F=BIl=电，电阻上产生的热功率PRRR2 B2l2v2=IR=5，外力对ab做功的功率就等于回路产生的热功率.R3 .如图所示，竖直放置的金属框架处于水平匀强磁场中，有一直金属棒ab可以沿金属框无摩擦地上下滑动，当ab由静止开始自由下滑一段时间后，合上开关S,则ab将做()A.匀速运动B.加速运动D.无法确定C.减速运动D开关闭合前棒ab切割磁感线产生感应电动势但无感应电流，ab做自由落体运动,开关闭合后有感应电流且BLvI=brt,安培力F=B2L2v-R-(向上).若F>mg ab做减速运动；若=mgab做匀速运动；若Fvmgab做加速运动，由于闭合开关时ab的速度v大小不确定,因此ab的运动也不确定，故D正确.4 .一个边长为a=1m的正方形线圈，总电阻为R=2Q,当线圈以v=2m/s的速度通过磁感应强度B=0.5T的匀强磁场区域时，线圈平面总保持与磁