高中物理必修3 第十三章电磁感应与电磁波初步 选修2 第二章 电磁感应（2024人教版）

必修三第十三章第三节电磁感应现象及应用回忆磁通量（磁通）——穿过闭合电路磁感线的多少定义：Φ=BS⊥单位：韦伯Wb第一节划时代的发现引入视频（二中教师版）

奥斯特梦圆“电生磁”

法拉第心系“磁生电”电磁感应：磁场中的导体产生感应电动势或感应电流法拉第敏锐地觉察到，磁与电之间也应该有这种“感应”。他在1822年的日记中写下了“由磁产生电”的设想，并为此进行了长达10年的探索。最初，法拉第认为，很强的磁体或很强的电流可能会在邻近的闭合导线中感应出电流。他进行了很多次尝试，经历了一次次失败，都没有得到预想的结果。1831年，法拉第把两个线圈绕在一个铁环上（图13.3-1），一个线圈接电源，另一个线圈接“电流表”。当给一个线圈通电或断电的瞬间，在另一个线圈上出现了电流。他在1831年8月29日的日记中写下了首次成功的记录

实验一：条件：闭合电路中部分导体切割磁感线运动实验一：探究感应电流的产生条件条件：穿过闭合回路的磁通量发生变化实验二：实验三：实验四：切割地磁场某中学的几位同学做摇绳发电的探究实验，把一条长约25m的长电线两端连在一个灵敏电流表的两个接线柱上形成闭合电路，两个同学迅速摇动这条电线，如图所示．（1）你认为这样做通过电流表的电流是______（选填“直流电”或“交流电”）．（2）如果摇绳的两个同学分别采取“南北”和“东西”两种站立的方向做实验，你认为采取站立______（选填“南北”或“东西”）方向时，电流表偏转幅度较大些（1）交流电；（2）东西．总结：1、产生感应电动势的条件（动生）部分导体切割磁感线运动——这部分导体的两端产生感应电动势，视为电源（感生）线圈内磁通量发生变化——线圈中产生感应电动势，视为电源动生和感生整合Lv2、产生感应电流的条件：穿过闭合导体回路的磁通量发生变化v垂直纸面向外运动以ab为轴转30o以bc为轴转30o沿纸面向左运动选择性必修2第二章第一节楞次定律探究影响感应电流方向的因素

一、楞次定律（用于判断I感方向）：感应电流的磁场总要阻碍源磁通量的变化（引起感应电流的磁通量变化）源磁通量变化感应电流附加磁场右手螺旋定则阻碍当磁场在减弱源磁通量变化感应电流附加磁场阻碍向里减弱向里顺时针右手螺旋定则当s闭合时画出AB中感应电流方向磁铁向？能产生图示感应电流ab向右运动切割磁感线I感F安感应电流在原磁场中受力？I感F安一个有用的规律：感应电流在原磁场中受力，总是阻碍原磁通量的变化当磁场在减弱I感F安实验楞次定律演示仪感应电流沿着楞次定律所述的方向，是能量守恒定律的必然结果。我们知道，由于电阻的存在，感应电流在闭合回路中流动时将产生热量。根据能量守恒定律，能量不可能无中生有，这部分热量只可能从其他形式的能量转化而来。在上述实验中，把磁极插入线圈或从线圈内抽出时，推力或拉力都必须做机械功，做功过程中消耗的机械能转化成感应电流的电能。

ab向右运动切割磁感线二、右手定则——判断切割磁感线产生感应电流的方向磁感线穿掌心拇指——切割方向四指——切割这部分导体中感应电流方向思考：a、b哪端电势高？注意：引起感应电动势那部分导体视为电源，电源电流由-流向+第二节法拉第电磁感应定律一、法拉第电磁感应定律纽曼和韦伯先后指出：闭合电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比公式：在用导线切割磁感线产生感应电流的实验中，导线切割磁感线的速度越快、磁体的磁场越强，产生的感应电流就越大。在向线圈中插入条形磁体的实验中，磁体的磁场越强、插入的速度越快，产生的感应电流就越大。这些现象向我们提示，当回路中的电阻一定时，感应电流的大小可能与磁通量变化的快慢有关，而磁通量变化的快慢可以用磁通量的变化率表示。也就是说，感应电流的大小与磁通量的变化率有关。

B变化s变化匝数n=100匝，面积S=0.10m2，磁场向里为正方向，变化如图，线圈内阻r=1Ω，R=3Ω，求：（1）MN那端电势高（2）电压UMN=？推导1：根据法拉第电磁感应定律E=ΔΦ/Δt=BΔS/ΔtΔS=vΔtLLvtE电动势=BLV二、导线切割磁感线时的感应电动势：推导2：根据平衡条件Bqv=Eqf洛F电Bv=EE电动势=EL=BLv推导3：根据电动势定义f洛F电W非=BqvLE电动势=W非/q=BLvE电动势=W非/q导线切割磁感线时的感应电动势：E电动势=BLV┴★等效切割：VVV都可以等效为端口连线垂直于速度分量直接切割磁感线★转动切割：ωE=？证明（1）用法拉第电磁感应定律；（2）用电动势定义E=BLV=BLωL/2总结：（动生）部分导体切割磁感线运动（感生）线圈内磁通量发生变化E=BLV方向：右手定则方向：楞次定律感应电流在原磁场中受力，总是阻碍引起感应电流的原因用于计算电量q例：斜面切割一U形导体，宽L=1m，框架平面与水平面的夹角α=30°。其电阻忽略不计。匀强磁场与U形框架的平面垂直，磁感强度B＝0.2T。有一条形导体ab，其质量为m＝0.2kg，有效电阻R=0.1Ω，跨接在U形框架上，并且能无摩擦地滑动，求（g=10m／s2）（1）由静止释放导体，导体ab下滑的最大速度vm

（2）在最大速度vm时，在ab上释放的电功率Vm=2.5m/sP=2.5W专题：电磁感应中的能量转化机械能电能安培力做负功安培力做功发电机原理

电动机原理D光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图2所示，抛物线的方程为y＝x2，其下半部处在一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是y＝a的直线(图中的虚线所示)，一个质量为m的小金属块从抛物线y＝b(b>a)处以速度v沿抛物线下滑，假设抛物线足够长，则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量是(

)A．mgb B.mv2/2C．mg(b－a) D．mg(b－a)＋mv2/2例：电磁感应中的能量转化已知磁感应强度B=0.5T，导轨宽L=2m，电阻不计；外力拉着ab做匀速切割，切割速度v=10m/s，ab有效电阻为r=1Ω；外电阻R=9Ω，求：（1）外力的大小（2）外力的功率（4）电路里消耗的电功率（3）安培力的功率如图所示，水平放置的平行轨道M、N间接一阻值为R＝0.128Ω的电阻，轨道宽为L＝0.8m．轨道上搭一金属棒ab，其质量m＝0.4kg，ab与轨道间动摩擦因数为0.5，除R外其余电阻不计．垂直于轨道面的匀强磁场磁感应强度为B＝2T，ab在一电动机牵引下由静止开始运动，经过2s，ab运动了1.2m并达到最大速度．此过程中电动机平均输出功率为8W，最大输出功率为14.4W．求该过程中电阻R上消耗的电能．(取g＝10m/s2)【例2】如图6所示，两根足够长的平行导轨处在与水平方向成θ＝37°角的斜面上，导轨电阻不计，间距L＝0.3m，导轨两端各接一个阻值R0＝2Ω的电阻；在斜面上加有磁感应强度B＝1T、方向垂直于导轨平面的匀强磁场．一质量为m＝1kg、电阻r＝2Ω的金属棒横跨在平行导轨间，棒与导轨间的动摩擦因数μ＝0.5.金属棒以平行于导轨向上、v0＝10m/s的初速度上滑，直至上升到最高点的过程中，通过上端电阻的电荷量Δq＝0.1C，求上端电阻R0产生的焦耳热Q.(g取10m/s2)如图，光滑斜面的倾角α＝30°，在斜面上放置一矩形线框abcd，ab长l1＝1m，bc长l2＝0.6m，线框m＝1kg，电阻R＝0.1Ω，线框通过细线与重物相连，重物M＝2kg，斜面上ef线（ef∥gh）的右方有垂直斜面向上的匀强磁场，B＝0.5T，若线框从静止开始运动，刚刚进入磁场时匀速运动，ef线和gh线的距离s＝11.4m，（取g＝10.4m/s2），求：（1）线框进入磁场前重物M的加速度；（2）线框进入磁场时匀速运动的速度v；（3）ab边由静止开始到运动到gh线处所用的时间t（4）ab边运动到gh线处的速度大小和在线框由静止开始到运动到gh线的整个过程中产生的焦耳热．答案:（1）5m/s2

（2）6m/s

（3）2.5s

（4）9J电磁感应中的图像问题常见的图象有：B-tΦ-tE-tU-tI-t

F-t

E-xU-xI-x

F-x等图象需注意的问题：

感应电动势(感应电流)的方向、

电磁感应现象产生的过程以及时间段.练习：如图，边长为L正方形导线圈，其电阻为R，现使线圈以恒定速度v沿x轴正方向运动，并穿过匀强磁场区域B，如果以x轴的正方向作为力的正方向，线圈从图示位置开始运动，则（1）磁通量随x变化（2）感应电流随x变化（取逆时针方向为正）（3）磁场对线圈的作用力F随x变化）（4）Uab随x变化×××××××××××××××LL3LXBab0123456x/Lɸ0123456x/LI0123456x/LF0123456x/LUab例：一闭合线圈放在匀强磁场里，若通过线圈平面的磁感应强度随时间的变化如图甲所示，则线圈的感应电动势为图乙中哪个图象所示？（线圈面积不变，以顺时针为正方向）（A）(1)要抓住磁通量的变化是否均匀,从而推知感应电动势(电流)是否大小恒定.用愣次定律判断出感应电动势(电流)的方向。（定性）

(2)利用法拉第电磁感应定律和动生感应电动势的计算公式来分析回路中的感应电动势或感应电流的大小及其变化规律。（定量）

方法总结：一个线圈固定在匀强磁场B(磁场方向向里时为正方向)中,设顺时针方向的电流为正值,线圈中感应电流的变化如图乙所示,则磁感应强度B随时间t的变化是丙图中的哪一幅.I/At/s0Im-Im0.51.52.5乙t/s0B/Tt/s0B/T1212t/s0B/T12t/s0B/T12丙ABCD甲BI课堂练习：（D）练习：如图所示竖直放置的螺线管和导线abcd构成回路，螺线管下方水平桌面上有一导体环。当导线abcd所围区域内的磁场按下列哪一图示方式变化时，导体环将受到向上的磁场力作用？adcb××××××××××B0tB0tB0tB0tBABCD[A]1.矩形闭合线框abcd在空中自由落下,经过如图方框范围内的匀强磁场,磁场的方向垂直纸面向里，磁场宽度大于ab.则下列有可能的情况是A.

bc边穿越磁场上边界时，做匀速运动B.线框完全进入磁场以后,做匀加速运动C.bc边穿越磁场上边界时，做匀减速运动D.bc边穿越磁场下边界时,做加速度变小的加速运动磁场中速度变化和加速度变化在水平的匀强磁场B中，竖直放置的水平导轨相距为d，上端接一电阻R，一质量为M的导体棒水平放在导轨上，与导轨接触良好，现将导体由静止开始释放，让其自由下滑，求导体棒在下滑的过程中的最大速度和最大加速度第三节涡流、电磁阻尼和电磁驱动一、电磁感应现象中的感生电场麦克斯韦认为，磁场变化时会在空间激发一种电场。

这种电场与静电场不同，它不是由电荷产生的，我们把它

叫作感生电场（inducedelectricfield）

如果此刻空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在感生电场的作用下做定向运动，产生感应电流，也就是说导体中产生了感应电动势

v请大家判断：要使电子加速，真空室中的磁场该如何变化？（增强或者减弱）上、下为电磁体的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室，电子在真空室中做圆周运动。电磁体线圈中电流的大小、方向可以变化，产生的感生电场使电子加速

也就是说，为使电子加速，电磁体线圈中的电流应该由小变大

二、涡流当某线圈中的电流随时间变化时，这个线圈附近的任何导体，如果穿过它的磁通量发生变化，导体

内都会产生感应电流，如图中的虚线所示。如果

图表示这样的感应电流，看起来就像水中的旋涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流（eddycurrent）

涡流会产生热量

1、应用

(1)真空冶炼炉

真空冶炼炉，炉外有线圈，线圈中通入反复变化的电流，炉内的金属中产生涡流．涡流产生的热量使金属熔化并达到很高的温度．(2)电磁炉

炉盘下的线圈中通入交流电，使炉盘上的金属中产生涡流，从而生热。(3)金属探测器探雷器、安检门等2、防治电动机、变压器的线圈都绕在铁芯上。线圈中流过变化的电流，在铁芯中产生的涡流使铁芯发热，浪费了能量，还可能损坏电器。因此，我们要想办法减小涡流。途径之一是增大铁芯材料的电阻率，常用的铁芯材料是硅钢。另一个途径就是用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。三、电磁阻尼当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力的方向总是阻碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼应用:磁电式仪表、电气机车的电磁制动、阻尼摆等.3、电磁驱动如果磁场相对于导体转动，在导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力使导体运动起来，这种作用常常称为电磁驱动。线圈转动与磁铁同向，但转速小于磁铁，即同向异步。应用：感应电动机、电能表、汽车上用的电磁式速度表等。交流感应电动机就是利用电磁驱动的原理工作的。配置的三个线圈连接到三相电源上，就能产生类似上面演示实验中的旋转磁场，磁场中的导线框也就随着转动。就这样，电动机把电能转化成机械能

电磁阻尼是导体相对于磁场运动;电磁驱动是磁场相对于导体运动.安培力的作用都是阻碍它们间的相对运动。电磁阻尼与电磁驱动的区别和联系演示：跳环实验可做成磁悬浮一、互感现象当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势。

这种现象叫作互感（mutualinduction）

第四节、互感和自感利用互感现象可以把能量由一个线圈传递到另一个线圈，因此互感在电工技术和电子技术中有广泛的应用。变压器就是利用互感现象制成的。

互感现象是一种常见的电磁感应现象，它不仅可以发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间，而且可以发生于任何两个相互靠近的电路之间。在电力工程中和电子电路中，互感现象有时会影响电路的正常工作，这时要设法减小电

路间的互感

二、自感现象当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场在线圈本身激发出感应电动势。这种现象称为自感（selfinduction），由于自感而产生的感应电动势叫作自感电动势三、自感系数L：自感系数，简称自感电感L单位：亨利HL大L小四、常见自感现象通电自感A1和A2的规格相同

电路持续闭合稳定时，A1和A2

都正常发光重新接通电路。注意观察，在开关闭合的时候两个灯泡的发光情况

闭合开关的瞬间，电流从无到有，线圈L中产生感应电动势。根据楞次定律，感应电动势会阻碍电流的增加，所以灯泡A1较慢地亮起来

断电自感断开电键后，电流变化为L内阻比较小电感：（阻止电流的瞬变）通电瞬间：很大的阻碍（甚至可视为断路）通电稳定后：小电阻，阻值即为绕线电阻断电瞬间：电源（保持流过自身电流强度大小方向）回头看前两个实验，分别通断电的时候发生什么？例：两个相同的小灯泡L1和L2，闭合开关S后，调整R，使L1和L2发光的亮度一样，此时流过两个灯泡的电流均为I，然后，断开S。若t′时刻再闭合S，正确反映流过L1、L2的电流i1、i2随时间变化的图像是

例；A、B、C为三只相同的灯泡，电源内阻不计，L是一个直流电阻不计、自感系数较大的线圈，先将K1、K2合上，稳定后突然断开K2，以下说法中正确的是A．C灯亮度保持不变

B．C灯闪亮一下后逐渐恢复到原来的亮度C．B灯亮度保持不变D.B灯后来的功率是原来的一半五、磁场的能量在上述某一个实验中。开关断开后，灯泡的发光还能维持一小段时间，有时甚至会比开关断开之前更亮。这时灯泡的能量是从哪里来的？

开关断开以后，线圈中的电流并未立即消失，线圈中有电流，有电流就有磁场，能量储存在磁场中。当开关闭合时，线圈中的电流从无到有，其中的磁场也是从无到有，这可以看作电源把能量输送给磁场，储存在磁场中。

李辉刘伟1、电动势电源中的非静电力做正功将其他形式能量转化为电能的本领，其定义式为

֍反电动势与电动机2、反电动势非静电力做负功，将电路中的电能转化为其它形式能量。电解槽、电池充电，化学力做负功，将电能转化为化学能；电动机中，非静电力—安培力（洛伦兹力的一个分力）做负功，将电能转化为机械能3、欧姆定律与电动势、反电动势外电路中有电解槽、电池充电、电动机等元件，有闭合电路欧姆定律表达式

根据能量守恒西城：P508（2）闭合开关，分析该过程中导体棒电流随时间变化的i-t图；v-t图it无负载电动机模型在竖直向下的磁感应强度为B的匀强磁场中，两根光滑平行金属轨道MN、PQ固定在水平面内，相距为L，电阻不计。电阻为R的金属导体棒ab垂直于MN、PQ放在轨道上，与轨道接触良好，以速度v（v平行于MN）向右做匀速运动。

图1轨道端点MP间接有阻值为r的电阻，导体棒ab受到水平向右的外力作用。图2轨道端点MP间接有直流电源，导体棒ab通过滑轮匀速提升重物，电路中的电流为I。西城：P51（9）（1）求在

t时间内，图1“发电机”产生的电能和图2“电动机”输出的机械能。（2）从微观角度看，导体棒ab中的自由电荷所受洛伦兹力在上述能量转化中起着重要作用。为了方便，可认为导体棒中的自由电荷为正电荷。a．请在图3、图4中，分别画出自由电荷所受洛伦兹力的示意图。b．我们知道，洛伦兹力对运动电荷不做功。那么，导体棒ab中的自由电荷所受洛伦兹力是如何在能量转化过程中起到作用的呢？请以图2“电动机”为例，通过计算分析说明。

思考：安培力是洛伦兹力的宏观体现，为什么安培力做功？而洛伦兹力始终不做功？v1v2Ff1f2vfEBMNQPba图2S例（难）在竖直向下的磁感应强度为B的匀强磁场中，两根足够长的平行光滑金属轨道MN、PQ固定在水平面内，相距为L。一质量为m的导体棒ab垂直于MN、PQ放在轨道上，与轨道接触良好。轨道和导体棒的电阻均不计。若轨道左端接一电动势为E、内阻为r的电源和一阻值未知的电阻。闭合开关S，导体棒从静止开始运动，经过一段时间后，导体棒达到最大速度vm，求此时电源的输出功率。双杆问题：导学P161（13）P162（16）（20）两根相距为L=0.2m的足够长的金属直角导轨如图放置，它们各有一边在