电磁感应第二节法拉第电磁感应定律自感涡流.ppt
第二节法拉第电磁感应定律自感涡流,第九章 电磁感应,一、感应电动势1概念：在_中产生的电动势2条件：无论电路是否闭合，只要穿过电路的_发生变化，电路中就一定有感应电动势,电磁感应现象,磁通量,3方向：产生感应电动势的那部分导体就相当于_导体的电阻相当于_，其中电流方向由低电势指向高电势4与感应电流的关系：遵守_定律，即I,电源,电源内阻,闭合电路欧姆,二、法拉第电磁感应定律1法拉第电磁感应定律：电路中感应电动势的大小与穿过这一电路的磁通量的变化率成_比，表达式为E_.2应用法拉第电磁感应定律时应注意(1)E_，适用于一般回路若磁通量不随时间均匀变化，则/t为t,正,n/t,n/t,时间内通过该回路的磁通量的_(2)E_，适用于导体各部分以相同的速度切割磁感线的情况，式中L为导线的有效切割长度，为运动方向和磁感线方向的夹角若v为瞬时速度，则E为_若v为平均速度，则E为_,平均变化率,BLvsin,瞬时感应电动势,平均感应电动势,三、自感和涡流1自感现象由于线圈本身的_而产生的电磁感应现象2自感电动势(1)定义：在_中产生的感应电动势,电流发生变化,自感现象,(2)大小：和电流的_及线圈的_有关(3)自感系数：与线圈的_、形状、_及是否有铁芯有关(4)单位：亨利(H)，1 mH_H,1H_H.3涡流,变化率,自感系数,大小,匝数,103,106,(1)当线圈中的电流发生变化时，在它附近的任何导体中都会产生像_状的感应电流(2)大小：导体的外周长_，交变磁场的频率_，涡流越大(3)应用：_、感应加热、_、涡流探测等,水的旋涡,越长,越高,电磁灶,涡流制动,一、法拉第电磁感应定律的理解和应用1决定感应电动势的因素,(单选)(2010高考江苏卷)一矩形线框置于匀强磁场中，线框平面与磁场方向垂直先保持线框的面积不变，将磁感应强度在1 s时间内均匀地增大到原来的两倍接着保持增大后的磁感应强度不变，在1 s时间内，再将线框的面积均匀地减小到原来的一半先后两个过程中，线框中感应电动势的比值为(),【答案】B,1(单选)一闭合线圈放在匀强磁场里，若通过线圈平面的磁感强度随时间的变化如图921所示，则线圈的感应电动势为下图922中哪个图象所示？(线圈面积不变)(),图921图922,解析：选A.根据法拉第电磁感应定律，磁场均匀变化时，产生的电动势是恒定的，且B增大和减小时，电动势方向相反，故选项A正确,二、切割类电动势的计算1导体平动切割磁感线产生的感应电动势对于导体平动切割磁感线产生感应电动势的计算式EBLv，应从以下几个方面理解和掌握：,(1)正交性本公式是在一定条件下得出的，除了磁场是匀强磁场外，还需B、L、v三者相互垂直实际问题中当它们不相互垂直时，应取垂直的分量进行计算,图923,如一个与水平面成角的宽为L的U型框架中(如图923所示)，一金属棒MN自导轨上滑下，当速度为v时，由于B与v不垂直，可把v分解为垂直B的v1和平行于B的v2，则EBLv1BLvcos.(2)平均性,有导体平动切割磁感线时，若v为平均速度，则E为平均感应电动势，即BL.(3)瞬时性若v为瞬时速度，则E为相应的瞬时感应电动势(4)有效性公式中的L为有效切割长度，即导体与v垂直的方向上的投影长度图924中有效长度分别为：,图924,沿v2方向运动时，L0沿v3方向运动时，LR.(5)相对性EBLv中的速度v是相对于磁场的速度，若磁场也运动时，应注意速度间的相对关系,(单选)如图925所示，一个边长为l的正方形虚线框内有垂直于纸面向里的匀强磁场，一个边长也为l的正方形导线框所在平面与磁场方向垂直；虚线框对角线ab与导线框的一条边垂直，ba的延长线平分导线框在t0时，使导线框从图示位置开始以恒定速度沿ab方向移动，直到整,图925,个导线框离开磁场区域以i表示导线框中感应电流的强度，取逆时针方向为正，下列表示it关系的图象中，可能正确的是(),图926,【解析】如图927所示，图927,“过程一”：线框的ef边从刚进入磁场到恰好完全进入磁场(线框的位移为s0.5l)的过程中，切割磁感线有效长度均匀增大，感应电流均匀增大，感应电流方向为逆时针方向，所以A错；“过程二”：从ef边的两个端点刚好进入磁场，到刚好出磁场(线框的位移为,s0.92l)的过程中，切割磁感线有效长度不变，感应电流大小恒定，感应电流方向为逆时针方向，所以B错；“过程三”：从ef边的两个端点刚好出磁场，到gh边恰好到达磁场(线框的位移为sl)的过程中，只有ef边切割磁感线且有效长度均匀减小，感应电流均匀减小，感应电流方向为逆时针方向；,“过程四”：从gh边刚好到达磁场到gh边和ef边在磁场中的长度相等(感应电流为零)的过程中，由于有两边切割磁感线，电动势抵消一部分，有效长度比“过程三”减小得快，所以电流减小得比“过程三”更快，所以比较“过程三”与“过程四”的it图中斜率即知C,对、D错(后面可以不需分析)从“过程四”末端开始到gh边恰好完全出磁场的过程中，感应电流的大小和方向的变化情况与前面的过程正好互逆，符合上述规律的只有选项C.【答案】C,【规律总结】解此题的关键是找出过程三与过程四切割磁感线有效长度的变化不同可见解答物理题时对客观过程的细致分析是何等重要！,2(单选)(2012北京市西城区高三测试)一个足够长的竖直放置的磁铁结构如图928所示在图中磁铁的两个磁极分别为同心的圆形和圆环形在两极之间的缝隙中，存在辐射状的磁场，磁场方向水平向外，某点的磁感应强度大小,与该点到磁极中心轴的距离成反比用横截面积一定的细金属丝制成的圆形单匝线圈，从某高度被无初速释放，在磁极缝隙间下落的过程中，线圈平面始终水平且保持与磁极共轴线圈被释放后(),图928,A线圈中没有感应电流，线圈做自由落体运动B在俯视图中，线圈中感应电流沿逆时针方向C线圈有最大速度，线圈半径越大，最大速度越小D线圈有最大速度，线圈半径越大，最大速度越大,解析：选D.线圈释放后向下运动切割磁感线，故有感应电流产生，线圈也必然受到磁场力的作用，A错误；由右手定则可判断出产生的感应电动势沿顺时针(俯视)，故感应电流沿顺时针方向(俯视)，B错误；由左手定则可判,断出线圈所受的磁场力竖直向上，假设线圈的半径为r，单位长度的电阻为R，线圈运动的最大速度为vm，线圈的速度达到最大时受力平衡，则EB2rvm，FBIL,2导体转动切割磁感线产生的感应电动势图929,(单选)如图9210所示，一导体圆环位于纸面内，O为圆心，环内两个圆心角为90的扇形区域内分别有匀强磁场，两磁场磁感应强度的大小相等，方向相反且均与纸面垂直，导体杆OM可绕O转动，M端通过滑动触点与圆环良好接触，在圆心和圆环间,连有电阻R，杆OM以匀角速度逆时针转动，t0时恰好在图示位置，规定从a到b流经电阻R的电流方向为正，圆环和导体杆的电阻忽略不计，则杆从t0开始转动一周的过程中，电流随t变化的图象是(),图9210,图9211,【答案】C,3(双选)如图9212所示，均匀金属圆环总电阻为2R，磁感应强度为B的匀强磁场垂直穿过圆环金属杆OM长为l，电阻为,图9212,三、感应电荷量的计算,有一面积为S100 cm2金属环，电阻为R0.1，环中磁场变化规律如图9213所示，且磁场方向垂直环面向里，在t1到t2时间内，通过金属环的电量为多少？,图9213,【答案】0.01 C,4如图9214所示，边长为a，总电阻为R的闭合正方形单匝线框，放在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁感线与线框平面垂直当线框由图示位置转过180角过程中，流过线框导线横截面的电荷量是多少？,图9214,四、通电自感与断电自感的比较,特别提醒：(1)通电时线圈产生的自感电动势阻碍电流的增加且与电流方向相反，此时含线圈L的支路相当于断开.(2)断电时线圈产生的自感电动势与原电流方向相同.在与线圈串联的回路中，线圈相当于电源，它提供的电流从原来的IL逐渐变小，但流过灯A的电流方向与原来相反.(3)自感时灯泡能否闪亮关键是分析其消耗的实际功率是变大还是变小.,(双选)(2012汕尾测试)如图9215所示，电路中A、B是规格相同的灯泡，L是自感系数足够大的线圈，其直流电阻可以忽略不计，那么(),图9215,A合上S，A、B一起亮，然后A变暗后熄灭B合上S，B先亮，A逐渐变亮，最后A、B一样亮C断开S，A立即熄灭，B由亮变暗后熄灭D断开S，B立即熄灭，A亮一下后熄灭,【思路点拨】解决此题关键是以下三点：(1)线圈L的自感系数及电阻情况(2)闭合或断开电键瞬间L的作用(3)电路稳定后L的作用,【解析】开关闭合瞬间，自感线圈的电阻很大，电流几乎都从A通过，故合上S，A、B一起亮；随着电路中的电流趋于稳定，自感线圈对电流的阻碍作用越来越小，通过A灯的电流随之越来越小，其亮度逐渐变暗，由于自感线圈L的电阻可忽略不计，故电路稳定后A被短路，即A变暗后熄灭,开关断开后，B中无电流通过，立即熄灭；A灯泡和自感线圈构成一个闭合回路，自感线圈这时所起的作用是阻碍本身电流的减小，使得这个新的闭合电路中的电流只能从原来线圈L中的电流逐渐变小，不会立即消失，故A亮一下后再熄灭,【答案】AD【方法总结】本题考查了通电自感和断电自感两种情况同学们要理解自感现象产生的条件和自感规律，理解自感电动势的作用选择合适电路进行综合分析，是解决通电自感和断电自感两个基本问题的关键,5(单选)(2012海口市调研)如图9216所示的电路中，线圈L自感系数较大，电阻不计，A，B是两只完全相同的灯泡，当开关S闭合时，下面可能发生的情况是(),图9216,AB比A先亮，然后B熄灭BA比B先亮，然后A熄灭CA，B一起亮，然后A熄灭DA，B一起亮，然后B熄灭,解析：选D.当开关S闭合的瞬间，L所在支路发生自感，由于线圈自感系数较大故产生的自感电动势也较大，L支路电流几乎为零，此时电路可处理为A灯与定值电阻R并联后再与B灯串联，两灯同时亮；当自感现象结束后，L电阻不计B灯被短路，B灯熄灭，A灯亮度增加D选项正确,6.(单选)(2010高考江苏卷)如图9217所示的电路中，电源的电动势为E，内阻为r，电感L的电阻不计，电阻R的阻值大于灯泡D的阻值在t0时刻闭合开关S，经过一段时间后，在tt1时刻断开S.下列表示A、B两点间电压UAB随时间t变化的图象中，正确的是(),图9217,图9218,解析：选B.由于自感现象，t0时刻UAB最大，随时间推移UAB减小；断开S，L中的电流方向不变，大小减小，经过L、R、D形成回路，UAB方向改变，逐渐减小至0.故B正确,五、法拉第电磁感应定律与电容器,如图9219所示，在磁感应强度B2 T的匀强磁场中，有一个半径r0.5 m的金属圆环，圆环所在平面与磁感线垂直OA是一个金属棒，它沿着顺时针方向以20 rad/s的角速度绕圆心O匀速,转动，且A端始终与圆环相接触OA棒的电阻R0.1，图中定值电阻R1100，R24.9，电容器的电容C100 pF，圆环和连接导线的电阻忽略不计，则：(1)电容器的带电荷量是多少？哪个极板带正电？(2)电路中消耗的电功率是多少？,图9219,【解析】(1)画出等效电路图，如图9220所示图9220,根据右手定则，感应电流的方向由OA，但导体棒切割磁感线相当于电源，在电源内部电流从电势低处流向电势高处，故A点电势高于O点电势又由于电容器上极板与A点相接即为正极，电容器上极板带正电(2)电路中消耗的电功率P消I2(RR2)5 W.,【答案】(1)4.9 1010 C上极板(2)5 W【方法总结】画出等效电路图，用法拉第电磁感应定律算出感应电动势是关键,7(单选)如图9221所示，长为L的金属导轨弯成一圆环，导线的两端接在电容为C的平行板电容器上，P、Q为电容器的两个极板，磁场垂直于环面向里，磁感应强度以BB0kt(k0)随时间变化t0时，P、Q两板电势相等，两板间的距离远小于环的半径，经时间,t后，电容器的P板()图9221,法拉第电磁感应定律的应用,(满分样板18分)如图9222所示，一个圆形线圈的匝数n1000，线圈面积S200 cm2，线圈的电阻为r1，在线圈外接一个阻值R4 的电阻，电阻的一端b接地，把线圈放入一,个方向垂直线圈平面向里的匀强磁场中，磁感应强度随时间变化规律如图Bt图线所示求：图9222,(1)从计时起在t3 s、t5 s时穿过线圈的磁通量是多少？(2)a点的最高电势和最低电势各是多少？,【思路点拨】解决此题需搞清以下问题：(1)t3 s、t5 s时对应的磁感应强度(2)计算磁通量时是否考虑匝数，计算电动势时是否考虑匝数(3)由图判断何时a点电势最高，何时最低解题样板规范步骤，该得的分一分不丢！,【答案】(1)7103 Wb4103 Wb(2)3.2 V0.8 V,【规律总结】法拉第电磁感应定律是定量描述电磁感应的普适规律，不管是什么原因、用什么方法所发生的电磁感应现象，其感应电动势的大小均可由它来计算一般来说，在中学阶段用它来计算的是t内的电路中产生的平均感应电动势的大小，只有当磁通量的变化率稳定时，用它计算的结果才等于电路中产生的瞬时感应电动势,如图9223所示，用带有绝缘外皮的导线围成一个圆环，环内有同样导线折成的一个内接正方形，把它放在一个均匀变化的匀强磁场中，使磁场方向与它们所在平面垂直若已知圆环中产生的感应电流为0.707 mA，且圆环和正方形线框内电流磁场不影响外磁场的变化，那么，圆内接,正方形框中产生的感应电流为_mA.图9223,答案：0.5,
