2017-2018學(xué)年高中物理 第一章 電磁感應(yīng) 第4節(jié) 法拉第電磁感應(yīng)定律學(xué)案 粵教版選修3-2

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1、 第四節(jié)　法拉第電磁感應(yīng)定律 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.理解感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，知道感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與感應(yīng)電流的區(qū)別與聯(lián)系． 2．理解電磁感應(yīng)定律的內(nèi)容和數(shù)學(xué)表達(dá)式．(重點(diǎn)) 3．理解導(dǎo)體垂直切割磁感線(xiàn)時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的數(shù)學(xué)表達(dá)式及其與一般表達(dá)式的區(qū)別． 4．會(huì)用電磁感應(yīng)定律解決有關(guān)問(wèn)題．(重點(diǎn)、難點(diǎn)) 　影 響 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 大 小 的 因 素 1．感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫做感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的那部分導(dǎo)體相當(dāng)于電源．在產(chǎn)生感應(yīng)電流的電路中，即使電路不閉合，沒(méi)有感應(yīng)電流，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)依然存在． 2．探究影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的因素

2、(1)猜想依據(jù) 感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件：穿過(guò)閉合電路的磁通量發(fā)生變化． (2)猜想與假設(shè) ①可能與磁通量的變化有關(guān)； ②可能與完成一定的磁通量變化所用的時(shí)間有關(guān)． (3)制訂計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) ①方法：控制變量法． ②程序：先控制時(shí)間不變，探究穿過(guò)回路的磁通量變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小如何變化；再控制…，探究… ③器材：靈敏電流計(jì)、螺線(xiàn)管、條形磁鐵(2根)、導(dǎo)線(xiàn)若干． (4)信息收集與歸納 ①實(shí)驗(yàn)條件控制 通過(guò)改變所用條形磁鐵的個(gè)數(shù)，改變螺線(xiàn)管中磁通量的變化量ΔΦ. 通過(guò)改變條形磁鐵插入或拔出螺線(xiàn)管的快慢，改變螺線(xiàn)管中磁通量變化所用的時(shí)間Δt. ②影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的因素 實(shí)驗(yàn)表

3、明：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小跟磁通量變化的快慢有關(guān)，即磁通量的變化率，用表示． 1．決定閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的因素是磁通量的變化量．(×) 2．閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小由磁通量的變化率決定．(√) 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的條件和產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件有什么不同？ 【提示】　產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是閉合電路磁通量發(fā)生變化．產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不管電路是否閉合． 如圖1-4-1所示，一有缺口的圓形線(xiàn)圈在有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)． 圖1-4-1 探討1：回路中有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)嗎？ 【提示】　有． 探討2：回路中有感應(yīng)電流嗎？ 【提示】　沒(méi)有． 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與感應(yīng)電流的比較 比較項(xiàng)目

4、 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E 感應(yīng)電流I 定義 在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì) 在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電流 產(chǎn)生條件 磁通量發(fā)生變化，與電路是否閉合無(wú)關(guān) 電路閉合，磁通量發(fā)生變化 大小決定因素 閉合電路內(nèi)磁通量變化的快慢，與外電路無(wú)關(guān) 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電路的具體組成 因果關(guān)系 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是原因和本質(zhì)，感應(yīng)電流是結(jié)果和現(xiàn)象 數(shù)學(xué)關(guān)系 遵循閉合電路歐姆定律，即I＝E/R 1．(多選)下列關(guān)于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的說(shuō)法中，正確的是(　　) A．只要回路內(nèi)磁通量發(fā)生變化，就會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生 B．只要回路內(nèi)磁通量發(fā)生變化，就會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生 C．導(dǎo)體棒無(wú)論沿哪個(gè)方向切割磁感線(xiàn)都會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

5、產(chǎn)生 D．導(dǎo)體棒必須垂直于磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)才會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生 【解析】　只要回路內(nèi)磁通量變化，就可以產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；而只有在閉合回路中，磁通量發(fā)生變化，才產(chǎn)生感應(yīng)電流，故A正確，B錯(cuò)誤；無(wú)論導(dǎo)體棒沿什么方向切割磁感線(xiàn)，磁場(chǎng)在垂直于導(dǎo)體棒方向都有分量，所以都會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，故C正確，D錯(cuò)誤． 【答案】　AC 2．(多選)關(guān)于感應(yīng)電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系，下列敘述中正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：97192014】 A．電路中有感應(yīng)電流，一定有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) B．電路中有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，不一定有感應(yīng)電流 C．兩個(gè)不同電路中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大的其感應(yīng)電流也大 D．兩個(gè)不同電路中，感應(yīng)電流大的其感

6、應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也大 【解析】　有感應(yīng)電流則磁通量一定變化，因此一定有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，選項(xiàng)A正確；電路中有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，若電路不閉合，則無(wú)感應(yīng)電流，故B項(xiàng)正確；兩個(gè)不同電路，總阻值不一定相等，由I＝，當(dāng)E大時(shí)，若總阻值R＋r很大，則電流可能較小，故C、D兩項(xiàng)均錯(cuò)． 【答案】　AB 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的比較 (1)導(dǎo)體棒只要切割磁感線(xiàn)，就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，與電路是否閉合無(wú)關(guān)． (2)感應(yīng)電流產(chǎn)生必須具備兩個(gè)條件： ①閉合回路；②磁通量發(fā)生變化． 法 拉 第 電 磁 感 應(yīng) 定 律 1．內(nèi)容 電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，跟穿過(guò)這一電路的磁通量的變化率成正比． 2．公

7、式 E＝n，n為線(xiàn)圈匝數(shù)，ΔΦ是磁通量的變化量． 3．單位 ΔΦ的單位是韋伯，Δt的單位是秒，E的單位是伏特． 4．電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì) 在電磁感應(yīng)現(xiàn)象里，一定產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，不一定產(chǎn)生感應(yīng)電流，是否產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)才是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)． 1．穿過(guò)閉合回路的磁通量越大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大．(×) 2．線(xiàn)圈中磁通量變化越快，線(xiàn)圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一定越大．(√) 3．穿過(guò)閉合回路的磁通量為零時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一定為零．(×) ΔΦ與線(xiàn)圈匝數(shù)有關(guān)嗎？E感與線(xiàn)圈匝數(shù)有關(guān)嗎？ 【提示】　無(wú)關(guān)，有關(guān) 如圖1-4-2所示，將一條形磁鐵插入線(xiàn)圈中時(shí)，電流表的指針要發(fā)生偏轉(zhuǎn)．

8、 圖1-4-2 探討1：若將磁鐵分別快速和緩慢插入線(xiàn)圈中時(shí)，磁通量的變化量及變化率是否相同． 【提示】　兩種情況下磁通量的變化量ΔΦ相同，磁通量的變化率不同，所用時(shí)間Δt越少，變化率越大，反之變化率越小． 探討2：將磁鐵快速和緩慢插入線(xiàn)圈中時(shí)，電流表的指針偏轉(zhuǎn)角度是否相同？為什么？ 【提示】　兩種情況下電流表的指針偏轉(zhuǎn)角度不同，快速插入時(shí)電流表指針偏轉(zhuǎn)角度大，緩慢插入時(shí)電流表指針偏轉(zhuǎn)角度?。娐分须娏鞯拇笮＝，又E＝n，即I∝，所以快速插入時(shí)電路中的電流大． 1．感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相關(guān)因素 (1)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的大小取決于穿過(guò)電路的磁通量變化率和匝數(shù)n，而與Φ的大小、ΔΦ的大小沒(méi)有

9、必然的關(guān)系． (2)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的大小與電路的電阻R也無(wú)關(guān)，但感應(yīng)電流的大小與E及回路總電阻R都有關(guān)． 2．磁通量的變化率在Φ-t圖象上是某點(diǎn)切線(xiàn)的斜率． 3．感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E＝n的兩種基本形式 (1)當(dāng)垂直于磁場(chǎng)方向的線(xiàn)圈面積S不變，磁感應(yīng)強(qiáng)度B發(fā)生變化時(shí)，ΔΦ＝ΔBS，則E＝nS，其中叫磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化率． (2)當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，垂直于磁場(chǎng)方向的線(xiàn)圈面積S發(fā)生變化時(shí)，ΔΦ＝BΔS，則E＝nB. 4．E＝n求出的是Δt時(shí)間內(nèi)的平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)． 3．穿過(guò)一個(gè)內(nèi)阻為1 Ω的10匝閉合線(xiàn)圈的磁通量每秒均勻減少2 Wb，則線(xiàn)圈中 (　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：97192015】 A．感應(yīng)

10、電動(dòng)勢(shì)每秒增加2 V B．感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)每秒減少2 V C．磁通量的變化率為2 Wb/s D．感應(yīng)電流為2 A 【解析】　磁通量的變化率＝2 Wb/s，C正確；由E＝n得E＝10×2 V＝20 V，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不變，A、B錯(cuò)誤；由I＝得I＝ A＝20 A，D錯(cuò)誤． 【答案】　C 4．(多選)單匝線(xiàn)圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量Φ隨時(shí)間t的變化圖象如圖1-4-3所示，則(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：97192202】 圖1-4-3 A．在t＝0時(shí)，線(xiàn)圈中磁通量最大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也最大 B．在t＝1×10－2 s時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大 C．在t＝2×10－2 s時(shí)，感應(yīng)

11、電動(dòng)勢(shì)為零 D．在0～2×10－2s時(shí)間內(nèi)，線(xiàn)圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值為零 【解析】　由法拉第電磁感應(yīng)定律知E∝，故t＝0及t＝2×10－2s時(shí)刻，E＝0，A錯(cuò)，C對(duì)．t＝1×10－2s，E最大，B對(duì).0～2×10－2s，ΔΦ≠0，E≠0，D錯(cuò)． 【答案】　BC 5．一個(gè)200匝、面積為20 cm2的線(xiàn)圈，放在磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的方向與線(xiàn)圈平面成30°角，若磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.05 s內(nèi)由0.1 T增加到0.5 T，在此過(guò)程中穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量的變化量是____________Wb；磁通量的平均變化率是________Wb/s；線(xiàn)圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小是__________ V. 【解析】　磁通量

12、的變化量為ΔΦ＝ΔB·Ssin θ ＝(0.5－0.1)×20×10－4×0.5 Wb ＝4×10－4Wb 磁通量的平均變化率為 ＝Wb/s＝8×10－3Wb/s 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為： E＝n＝200×8×10－3V＝1.6 V. 【答案】　4×10－4　8×10－3　1.6 Φ、ΔΦ與的比較 物理量 單位 物理意義 計(jì)算公式 磁通量Φ Wb 表示某時(shí)刻或某位置時(shí)穿過(guò)某一面積的磁感線(xiàn)條數(shù)的多少 Φ＝BS⊥ 磁通量的 變化量ΔΦ Wb 表示在某一過(guò)程中穿過(guò)某一面積的磁通量變化的多少 ΔΦ＝|Φ2－Φ1| 磁通量的 變化率

13、 Wb/s 表示穿過(guò)某一面積的磁通量變化的快慢 ＝ 導(dǎo) 體 棒 切 割 磁 感 線(xiàn) 時(shí) 的 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 1．磁場(chǎng)方向、導(dǎo)體棒與導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)方向三者兩兩相互垂直時(shí)，E＝BLv. 2．如圖1-4-4所示，導(dǎo)體棒與磁場(chǎng)方向垂直，導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)方向與導(dǎo)體棒本身垂直，但與磁場(chǎng)方向夾角為θ時(shí)，E＝BLvsin_θ. 圖1-4-4 3．單位關(guān)系 1 V＝1 T·1m·1m/s. 1．對(duì)于E＝BLv中的B、L、v三者必須相互垂直．(√) 2．導(dǎo)體棒在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)速度越大，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一定越大．(×) 3．當(dāng)B、L、v三者大小、方向均不變時(shí)，在Δt時(shí)間內(nèi)

14、的平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和它在任意時(shí)刻產(chǎn)生的瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同．(√) 如圖1-4-5所示，一邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形導(dǎo)線(xiàn)框abcd垂直于磁感線(xiàn)，以速度v在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中向右運(yùn)動(dòng)，甲同學(xué)說(shuō)：由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，這時(shí)穿過(guò)線(xiàn)框的磁通量的變化率為零，所以線(xiàn)框中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)應(yīng)該為零．乙同學(xué)說(shuō)線(xiàn)框中ad和bc邊均以速度v做切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，由E＝BLv可知，這兩條邊都應(yīng)該產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)且Ead＝Ebc＝BLv.他們各執(zhí)一詞，到底誰(shuí)說(shuō)的對(duì)呢？ 圖1-4-5 【提示】　這兩個(gè)同學(xué)說(shuō)的并不矛盾，雖然ad邊與bc邊都產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，但由于方向相反，相當(dāng)于兩個(gè)電源并聯(lián)沒(méi)有對(duì)外供電，所以整個(gè)回路的電動(dòng)勢(shì)為零．可見(jiàn)，用法

15、拉第電磁感應(yīng)定律求出的是整個(gè)回路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而用E＝BLv求的是回路中做切割磁感線(xiàn)的那部分導(dǎo)體產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)． 如圖1-4-6所示，一個(gè)半徑為r的半圓形導(dǎo)體，處在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中． 圖1-4-6 探討1：當(dāng)導(dǎo)體沿OP方向以速度v做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小是多少？ 【提示】　導(dǎo)線(xiàn)的有效長(zhǎng)度l＝2r，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E＝BLv＝2Brv. 探討2：當(dāng)導(dǎo)體沿MN方向以速度v做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小是多少？ 【提示】　此時(shí)導(dǎo)線(xiàn)的有效長(zhǎng)度L＝r，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E＝BLv＝Brv. 1．對(duì)公式E＝BLvsin θ的理解 (1)該公式可看成法拉第電磁感應(yīng)定律

16、的一個(gè)特例，通常用來(lái)求導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)速度為v時(shí)的瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)，若v為平均速度，則E為平均電動(dòng)勢(shì)． (2)當(dāng)B、L、v三個(gè)量方向相互垂直時(shí)，E＝BLv；當(dāng)有任意兩個(gè)量的方向平行時(shí)，E＝0. (3)式中的L應(yīng)理解為導(dǎo)體切割磁感線(xiàn)時(shí)的有效長(zhǎng)度． 如圖1-4-7所示，導(dǎo)體切割磁感線(xiàn)的情況應(yīng)取與B和v垂直的等效直線(xiàn)長(zhǎng)度，即ab兩點(diǎn)間的距離． 圖1-4-7 (4)公式中的v應(yīng)理解為導(dǎo)體和磁場(chǎng)的相對(duì)速度，當(dāng)導(dǎo)體不動(dòng)而磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，也有電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生． 2．E＝n與E＝BLvsin θ的區(qū)別和聯(lián)系 E＝n E＝BLvsin θ 區(qū) 別 (1)求的是Δt時(shí)間內(nèi)的平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，E與某段時(shí)間

17、或某個(gè)過(guò)程相對(duì)應(yīng) (1)求的是瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，E與某個(gè)時(shí)刻或某個(gè)位置相對(duì)應(yīng) (2)求的是整個(gè)回路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，整個(gè)回路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零時(shí)，其回路中某段導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不一定為零 (2)求的是回路中一部分導(dǎo)體切割磁感線(xiàn)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) (3)由于是整個(gè)回路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因此電源部分不容易確定 (3)由于是一部分導(dǎo)體切割磁感線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，該部分就相當(dāng)于電源 聯(lián) 系 公式E＝n和E＝BLvsin θ是統(tǒng)一的，當(dāng)Δt→0時(shí)，E為瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，只是由于高中數(shù)學(xué)知識(shí)所限，現(xiàn)在還不能這樣求瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而公式E＝BLvsin θ中的v若代入，則求出的E為平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 6．如圖

18、1-4-8所示的幾種情況中，金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為BLv的是(　　) 圖1-4-8 A．只有乙和丁 B．甲、乙、丁 C．甲、乙、丙、丁 D．只有乙 【解析】　 題圖甲中v、L、B兩兩垂直，則金屬導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E甲＝BLv.題圖乙中金屬導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E乙＝BLv.題圖丙中金屬導(dǎo)體有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)sin θ，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E丙＝BLvsin θ.題圖丁中金屬導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E?。紹Lv. 【答案】　B 7．如圖1-4-9所示，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.2 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有一長(zhǎng)為0.5 m、電阻為1.0 Ω的導(dǎo)體AB在金屬框架上以10

19、 m/s的速度向右滑動(dòng)，R1＝R2＝2.0 Ω，其他電阻不計(jì)，求流過(guò)R1的電流I1. 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：97192017】 圖1-4-9 【解析】　AB切割磁感線(xiàn)相當(dāng)于電源，其等效電路如圖所示， E＝Blv＝0.2×0.5×10 V＝1 V 由閉合電路歐姆定律得I＝ R1、R2并聯(lián)，由并聯(lián)電路電阻關(guān)系得＝＋ 解得R＝＝1.0 Ω，IAB＝I＝0.5 A 因?yàn)镽1＝R2，所以流過(guò)R1的電流為I1＝＝0.25 A. 【答案】　0.25 A 處理電磁感應(yīng)中電路問(wèn)題的基本思路 1．確定產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的“導(dǎo)體”——電源． 2．明確電路結(jié)構(gòu)，分清內(nèi)、外電路． 3．畫(huà)出等效電路圖，結(jié)合閉合電路歐姆定律列出相應(yīng)的方程式． 10