高考物理大一輪復(fù)習(xí) 第九章 第2講 法拉第電磁感應(yīng)定律 自感和渦流課件.ppt

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1、一、法拉第電磁感應(yīng)定律1.內(nèi)容:閉合電路中感應(yīng)電動勢的大小,跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比。知識梳理2.公式:E=n。3.導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生的電動勢若B、l、v相互垂直,則E=Blv。t 二、自感現(xiàn)象1.自感現(xiàn)象由于導(dǎo)體自身電流的變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象叫做自感現(xiàn)象。2.自感電動勢(1)定義:在自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢。(2)方向:當(dāng)導(dǎo)體中的電流增大時,自感電動勢與原電流方向相反。當(dāng)導(dǎo)體中的電流減小時,自感電動勢與原電流方向相同。(3)作用:總是阻礙導(dǎo)體中原電流的變化,只是延緩了過程的進行,但它不能使過程停止,其大小與電流變化率成正比。 3.線圈的自感系數(shù)(1)線圈的自感系數(shù)跟線圈的橫截面

2、積、長度、匝數(shù)等因素有關(guān),線圈的橫截面積越大、線圈越長、匝數(shù)越多,它的自感系數(shù)就越大,另外,有鐵芯時線圈的自感系數(shù)要比沒有鐵芯時大得多。(2)單位:亨,符號:H,1mH=10-3H,1H=10-6H。 三、渦流1.當(dāng)線圈中的電流發(fā)生變化時,在它附近的任何導(dǎo)體中都會產(chǎn)生漩渦狀的感應(yīng)電流。2.電磁阻尼當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運動時,感應(yīng)電流會使導(dǎo)體受到安培力的作用,安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體的運動的現(xiàn)象。3.電磁驅(qū)動如果磁場相對導(dǎo)體運動,在導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力的作用,由于安培力的作用從而使導(dǎo)體運動起來。 注意交流電動機就是利用電磁驅(qū)動的原理制成的。 1.(1)只要閉合電路的部分導(dǎo)體切割磁感線,

3、則閉合電路中一定有感應(yīng)電流產(chǎn)生。()(2)在斷電自感中的燈泡都是先閃亮一下再逐漸熄滅。()(3)回路中磁通量變化量越大,回路產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大。()(4)在自感現(xiàn)象中,感應(yīng)電流一定和原電流方向相反。()答案(1) (2) (3) (4) 2.將閉合多匝線圈置于僅隨時間變化的磁場中,線圈平面與磁場方向垂直,關(guān)于線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流,下列表述正確的是()A.感應(yīng)電動勢的大小與線圈的匝數(shù)無關(guān)B.穿過線圈的磁通量越大,感應(yīng)電動勢越大C.穿過線圈的磁通量變化越快,感應(yīng)電動勢越大D.感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向與原磁場方向始終相同 答案C由法拉第電磁感應(yīng)定律E=n可知感應(yīng)電動勢的大小E與n有關(guān),與即

4、磁通量變化的快慢成正比,所以A、B錯誤,C正確。由楞次定律可知,感應(yīng)電流的磁場總是阻礙引起感應(yīng)電流的原磁通量的變化,即原磁通tt量增加,感應(yīng)電流的磁場與原磁場方向相反;原磁通量減小,感應(yīng)電流的磁場與原磁場方向相同,故D錯誤。 3.在圖所示的電路中,兩個靈敏電流表G1和G2的零點都在刻度盤中央,當(dāng)電流從“+”接線柱流入時,指針向右擺;電流從“-”接線柱流入時,指針向左擺。在電路接通后再斷開的瞬間,下列說法中符合實際情況的是()A.G1表指針向左擺,G2表指針向右擺B.G1表指針向右擺,G2表指針向左擺C.G 1、G2表的指針都向左擺D.G1、G2表的指針都向右擺 答案B電路接通后線圈中電流方向向

5、右,當(dāng)電路斷開時,線圈中電流減小,線圈中產(chǎn)生與原方向相同的自感電動勢,線圈與G1、G2和電阻組成閉合回路,所以G1中電流方向向右,G2中電流方向向左,即G1表指針向右擺,G2表指針向左擺。 4.(多選)如圖所示,在空中有一水平方向的勻強磁場區(qū)域,區(qū)域的上下邊緣間距為h,磁感應(yīng)強度為B。有一寬度為b(bh)、長度為L、電阻為R、質(zhì)量為m的矩形導(dǎo)體線圈緊貼磁場區(qū)域的上邊緣由靜止起豎直下落,當(dāng)線圈的PQ邊到達磁場下邊緣時,線圈恰好開始做勻速運動。設(shè)線圈進入磁場過程中產(chǎn)生的熱量為Q1,通過導(dǎo)體截面的電荷量為q1;線圈離開磁場過程中產(chǎn)生的熱量為Q 2,通過導(dǎo)體截面的電荷量為q2,則()A.Q1=Q2B.

6、Q1Q2C.q1=q2D.q1q2 答案BC線圈進入或離開磁場的過程中,通過導(dǎo)體截面的電荷量為q=t而=,=,則q=,因為進入或離開時,相同,所以q1=q2;已知bh,則線圈在磁場中有一段加速過程,線圈離開磁場時的速度大于進入時的速度,離開時所受安培力較大,克服安培力做功較多,產(chǎn)生的焦耳熱較多,所以Q1Q2。I I ER E t R 1.感應(yīng)電動勢的大小由穿過回路的磁通量的變化率和線圈的匝數(shù)共同決定,而與磁通量、磁通量的變化量的大小沒有必然聯(lián)系。2.對公式的理解t重難一對法拉第電磁感應(yīng)定律的理解重難突破 注意(1)用公式E=nS求感應(yīng)電動勢時,S為線圈在磁場范圍內(nèi)的有效面積。Bt(2)通過回路

7、截面的電荷量q僅與n、和回路電阻R有關(guān),與時間長短無關(guān)。推導(dǎo)如下:q=t=t=。I n tR n R 典例1在豎直向上的勻強磁場中,水平放置一個不變形的單匝金屬圓線圈,線圈所圍的面積為0.1m2,線圈電阻為1。規(guī)定線圈中感應(yīng)電流I的正方向從上往下看是順時針方向,如圖甲所示。磁場的磁感應(yīng)強度B隨時間t的變化規(guī)律如圖乙所示。則以下說法正確的是()A.在時間02s內(nèi),I的最大值為0.01AB.在時間35s內(nèi),I的大小越來越小C.前2s內(nèi),通過線圈某截面的總電荷量為0.01CD.第3s內(nèi),線圈的發(fā)熱功率最大 通量的變化,由法拉第電磁感應(yīng)定律,E=,其大小由圖象的斜率決定,在t=0時,斜率最大,且=0.

8、1T/s,則Im=0.01A,A正確;在時間35s內(nèi),一定,產(chǎn)生恒定電流,B錯誤;第3s內(nèi),=0,沒有感應(yīng)電流,D錯誤;前2s內(nèi),q=t=t=0.01C,C正確。答案AC n t nS BtBtBt BtI ER B SR 解析線圈所圍面積不變,因磁場的磁感應(yīng)強度B隨時間t的變化,引起磁 1-1矩形導(dǎo)線框abcd固定在勻強磁場中,如圖甲所示,磁感線的方向與導(dǎo)線框所在平面垂直,規(guī)定磁場的正方向垂直紙面向里,磁感應(yīng)強度B隨時間t變化的規(guī)律如圖乙所示,則()A.從0到t 1時間內(nèi),導(dǎo)線框中電流的方向為adcbaB.從0到t1時間內(nèi),導(dǎo)線框中電流越來越小C.從t1到t2時間內(nèi),導(dǎo)線框中電流越來越大D.

9、從t1到t2時間內(nèi),導(dǎo)線框bc邊受到的安培力大小保持不變 答案A解析從0到t1時間內(nèi),垂直紙面向里的磁感應(yīng)強度減小,磁通量減小,根據(jù)楞次定律可判斷,產(chǎn)生順時針方向的電流,故A正確;由E=S,I=,且磁感應(yīng)強度均勻減小,為一恒定值,則線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電流大小不變,故B、C錯誤;磁感應(yīng)強度B均勻變化,由F=BILbc知:bc邊受到的安培力是變化的,故D錯誤。t Bt ERBt 1-2如圖所示,用兩根長度、材料、粗細(xì)都相同的導(dǎo)線繞成匝數(shù)分別為n1和n2的圓形閉合線圈A和B,兩線圈平面與勻強磁場垂直。當(dāng)磁感應(yīng)強度隨時間均勻變化時,兩線圈中的感應(yīng)電流之比IA IB為()A.B.C.D.12nn 21nn

10、 2122nn 2221nn 解析設(shè)導(dǎo)線長度為L,電阻為R,則對線圈A有,L=n12rA,IA=,聯(lián)立上面兩式可得IA=rA,同理可得對線圈B有IB=rB,聯(lián)立可得=,由L=n22rB,得=,則=,B正確。1ER 21 An B rt R 2L BR t 2L BR t ABIIABrr ABrr 21nn ABII 21nn答案B 1.導(dǎo)體平動切割磁感線對于導(dǎo)體平動切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的計算式E=Blv。2.導(dǎo)體轉(zhuǎn)動切割磁感線當(dāng)導(dǎo)體在垂直于磁場的平面內(nèi),繞一端以角速度勻速轉(zhuǎn)動時,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為E=Bl=Bl2,如圖所示。v 12重難二導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的計算 注意在利用上述

11、公式計算電動勢時,要特別注意:先判定屬于哪種情況,是否符合公式的使用條件。 典例2半徑為a的圓形區(qū)域內(nèi)有勻強磁場,磁感應(yīng)強度為B=0.2T,磁場方向垂直紙面向里,半徑為b的金屬圓環(huán)與磁場同心放置,磁場與環(huán)面垂直,其中a=0.4m,b=0.6m,金屬圓環(huán)上分別接有燈L1、L2,兩燈的電阻均為R0=2,一金屬棒MN與金屬圓環(huán)接觸良好,棒與環(huán)的電阻均忽略不計。 (2)撤去中間的金屬棒MN,將右面的半圓環(huán)OL2O以O(shè)O為軸向上翻轉(zhuǎn)90,若此時磁場隨時間均勻變化,其變化率為=T/s,求L1的功率。解析(1)棒通過圓環(huán)直徑時切割磁感線的有效長度l=2a,棒中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為E=Blv=B2av0=0.2

12、0.85V=0.8V。當(dāng)不計棒和圓環(huán)的電阻時,直徑OO兩端的電壓U=E=0.8V,通過燈L 1的電流為I1=A=0.4A。(2)右半圓環(huán)上翻90后,穿過回路的磁場有效面積為原來的一半,S=a2,磁場變化時回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為Bt 40UR 0.82 12 (1)若棒以v0=5m/s的速率在環(huán)上向右勻速滑動,求棒滑過圓環(huán)直徑OO的瞬間(如圖所示)MN中的電動勢和流過燈L1的電流。 E=a2V=0.32V。由于L1、L2兩燈相同,圓環(huán)電阻不計,所以每個燈的電壓均為U=E,L1的功率為P1=1.2810-2W。答案(1)0.8V0.4A(2)1.2810-2Wt S Bt 12 4 1220UR

13、 201( )2ER 2-1如圖所示,金屬三角形導(dǎo)軌COD上放有一根金屬棒MN,從O點拉動MN使它以速度v在勻強磁場中向右勻速平動,若導(dǎo)軌和金屬棒都是粗細(xì)相同的均勻?qū)w,它們的電阻率相同,則在MN運動過程中閉合電路的()A.感應(yīng)電動勢保持不變B.感應(yīng)電流逐漸增大C.感應(yīng)電流將保持不變D.感應(yīng)電流逐漸減小 cos+1)vt,產(chǎn)生的感應(yīng)電流I=E/R總=是一恒量,選項C正確,B、D錯誤。tan(tan 1/cos 1)Bv R 答案C解析拉動MN使它以速度v在勻強磁場中向右勻速平動,t時刻,導(dǎo)體棒切割磁感線的有效長度L=vttan,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E=BLv=Bv2ttan,感應(yīng)電動勢逐漸增大,選

14、項A錯誤;粗細(xì)相同的均勻?qū)w,它們的電阻率相同,單位長度電阻相同,設(shè)為R,回路總電阻R總=R(vttan+vt/cos+vt)=R(tan+1/ 2-2如圖甲所示,不計電阻的平行金屬導(dǎo)軌豎直放置,導(dǎo)軌間距為L=1m,上端接有電阻R=3,虛線OO下方是垂直于導(dǎo)軌平面的勻強磁場。現(xiàn)將質(zhì)量m=0.1kg、電阻r=1的金屬桿ab從OO上方某處垂直導(dǎo)軌由靜止釋放,桿下落過程中始終與導(dǎo)軌保持良好接觸,桿下落過程中的v-t圖象如圖乙所示。(取g=10m/s2)求:(1)磁感應(yīng)強度B;(2)桿在磁場中下落0.1s過程中電阻R產(chǎn)生的熱量。 產(chǎn)生的電動勢E=BLv桿中的電流I=桿所受安培力F安=BIL由平衡條件得

15、mg=F安解得B=2T(2)桿在磁場中下落0.1s過程中電阻R產(chǎn)生的熱量Q=I 2Rt=0.075J ER r答案(1)2T(2)0.075J解析(1)由圖象知,桿自由下落0.1s進入磁場后以v=1.0m/s做勻速運動 通電自感斷電自感電路圖 器材要求A 1、A2同規(guī)格,R=RL,L較大(有鐵芯) L很大(有鐵芯)現(xiàn)象在S閉合的瞬間,A2燈立即亮起來,A1燈逐漸變亮,最終一樣亮在開關(guān)S斷開時,燈A漸漸熄滅或突然閃亮一下后再漸漸熄滅 重難三通電自感與斷電自感 原因由于開關(guān)閉合時,流過電感線圈的電流迅速增大,使線圈產(chǎn)生自感電動勢,阻礙了電流的增大,使流過A1燈的電流比流過A2燈的電流增加得慢斷開開

16、關(guān)S時,流過線圈L的電流減小,產(chǎn)生自感電動勢,阻礙了電流的減小,使電流繼續(xù)存在一段時間;在S斷開后,通過L的電流反向通過燈A,若RLIA,則A燈熄滅前要閃亮一下。若RLRA,原來的電流ILIA,則燈A逐漸熄滅不再閃亮一下能量轉(zhuǎn)化情況電能轉(zhuǎn)化為磁場能磁場能轉(zhuǎn)化為電能 注意(1)通電時線圈產(chǎn)生的自感電動勢阻礙電流的增加且與電流方向相反,使電流相對緩慢地增加。(2)斷電時線圈產(chǎn)生的自感電動勢與原電流方向相同,在與線圈串聯(lián)的回路中,線圈相當(dāng)于電源,它提供的電流從原來的IL逐漸變小。(3)自感電動勢只是延緩了過程的進行,但它不能使過程停止,更不能使過程反向。(4)電流穩(wěn)定時,若線圈有電阻時就相當(dāng)于一個定

17、值電阻,若不計線圈的電阻時就相當(dāng)于一根導(dǎo)線。 典例3如圖所示,A、B是兩個完全相同的燈泡,L是自感系數(shù)較大的線圈,其直流電阻忽略不計。當(dāng)開關(guān)K閉合時,下列說法正確的是()A.A比B先亮,然后A熄滅B.B比A先亮,然后B逐漸變暗,A逐漸變亮C.A、B一齊亮,然后A熄滅D.A、B一齊亮,然后A逐漸變亮,B的亮度不變 解析開關(guān)閉合的瞬間,線圈由于自感產(chǎn)生自感電動勢,其作用相當(dāng)于一個電源。這樣對整個回路而言相當(dāng)于兩個電源共同作用在同一個回路中。兩個電源各自獨立產(chǎn)生電流,實際上等于兩個電流的疊加。根據(jù)上述原理可在電路中標(biāo)出兩個電源各自獨立產(chǎn)生的電流的方向。 起來。在B燈處原電流與感應(yīng)電流同向,實際電流為

18、兩者之和,大于原電流,故B燈比正常發(fā)光亮(因正常發(fā)光時電流就是原電流)。隨著自感的減弱,感應(yīng)電流減弱,A燈的實際電流增大,B燈的實際電流減小,A燈變亮,B燈變暗,直到自感現(xiàn)象消失,兩燈正常發(fā)光。應(yīng)選B。答案B圖中(a)、(b)圖是兩電源獨立產(chǎn)生電流的流向圖,(c)圖是合并在一起的電流流向圖。由圖(c)可知,在A燈處原電流與感應(yīng)電流反向,故A燈不能立刻亮 3-1(多選)如圖所示的電路中,A1和A2是完全相同的燈泡,線圈L的電阻可以忽略,下列說法中正確的是()A.合上開關(guān)S接通電路時,A 2先亮,A1后亮,最后一樣亮B.合上開關(guān)S接通電路時,A1和A2始終一樣亮C.斷開開關(guān)S切斷電路時,A2立刻熄

19、滅,A1過一會兒才熄滅D.斷開開關(guān)S切斷電路時,A1和A2都要過一會兒才熄滅 答案AD解析自感線圈具有阻礙電流變化的作用。當(dāng)電流增大時,它阻礙電流增大;當(dāng)電流減小時,它阻礙電流減小,但阻礙并不能阻止。閉合開關(guān)時,L中電流從無到有,L將阻礙這一變化,使L中電流不能迅速增大,而無線圈的電路,電流能夠瞬時達到穩(wěn)定值,故A1后亮,A2先亮,最后兩燈電流相等,一樣亮;斷開開關(guān)時,L中產(chǎn)生自感電流,與自身原來電流方向相同,自感電流通過A1、A 2,使A1、A2過一會兒熄滅,故A、D正確。 電磁感應(yīng)中的“單桿+導(dǎo)軌”模型1.單桿水平式思想方法勻強磁場與導(dǎo)軌垂直,磁感應(yīng)強度為B,導(dǎo)軌間距為L,導(dǎo)體棒質(zhì)量為m,

20、初速度為零,拉力恒為F,水平導(dǎo)軌光滑,除電阻R外,其他電阻不計設(shè)運動過程中某時刻棒的速度為v,由牛頓第二定律知棒ab的加速度為a=-,a、v同向,隨速度的增加棒的加速度a減小,當(dāng)a=0時,v最大Fm2 2B LmRv 運動形式勻速直線運動力學(xué)特征a=0,v恒定不變電學(xué)特征I恒定 勻強磁場與導(dǎo)軌垂直,磁感應(yīng)強度為B,導(dǎo)軌間距為L,導(dǎo)體棒質(zhì)量為m,電阻為R,導(dǎo)軌光滑,導(dǎo)軌與水平面間夾角為,導(dǎo)軌電阻不計2.單桿傾斜式 棒ab釋放后下滑,此時a=gsin,棒ab速度v感應(yīng)電動勢E=BLv電流I=安培力F=BIL加速度a=,當(dāng)安培力F=mgsin時,a=0,v最大運動形式勻速直線運動力學(xué)特征a=0,v最

21、大,v m=電學(xué)特征I恒定 ERmg Fmsin 2 2mgRB Lsin 典例如圖所示,間距為L=0.5m足夠長的平行金屬導(dǎo)軌放置在與水平面間夾角為=37的絕緣斜面上,導(dǎo)軌的上端連接有一個R=4的電阻。有一個勻強磁場垂直于導(dǎo)軌平面向上,磁感應(yīng)強度為B0=1T。將一根質(zhì)量為m=0.05kg、長度為L的金屬棒ab放置在導(dǎo)軌上并與其垂直,且與導(dǎo)軌接觸良好,金屬棒的電阻r=1,導(dǎo)軌的電阻不計。從導(dǎo)軌的頂端,由靜止釋放金屬棒,金屬棒沿導(dǎo)軌向下運動。已知金屬棒與導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)=0.5,當(dāng)金屬棒向下滑行s=3m時達到穩(wěn)定速度,則:(不計初始狀態(tài)下導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌頂端的間距,g=10m/s 2,sin37=

22、0.6,cos37=0.8) (1)金屬棒達到的穩(wěn)定速度是多少?(2)金屬棒沿導(dǎo)軌下滑距離為s的過程中,電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱為多少?(3)若將金屬棒達到穩(wěn)定速度時計作時間t=0,從此時刻起,讓磁感應(yīng)強度逐漸減小,使金屬棒中不產(chǎn)生感應(yīng)電流,則t=1s時磁感應(yīng)強度為多大? 解析(1)金屬棒達到最大速度時產(chǎn)生的電動勢E=B0Lvm回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流I=金屬棒所受安培力F=B0IL金屬棒所受合外力為零時,下滑的速度達到最大,則mgsin-F-mgcos=0解得v m=2m/s(2)設(shè)電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱為Q,整個電路產(chǎn)生的焦耳熱為Q總,則由動能定理,得ER r mgssin-mgscos-W安=mW

23、安=Q總Q=Q總解得Q=0.16J。(3)不產(chǎn)生感應(yīng)電流,即磁通量不變,金屬棒不受安培力作用,金屬棒做勻加速直線運動,由牛頓第二定律可得mgsin-mgcos=ma得a=g(sin-cos)=10(0.6-0.50.8)m/s 2=2m/s2根據(jù)閉合回路磁通量不變有 12 2mvRR r B0Ls=BL(s+vmt+at2)得B=所以,當(dāng)t=1s時,B=0.5T。答案(1)2m/s(2)0.16J(3)0.5T122 32 3t t 由于感應(yīng)電流與導(dǎo)體切割磁感線運動的加速度有著相互制約的關(guān)系,故導(dǎo)體一般不是做勻變速運動,而是經(jīng)歷一個動態(tài)變化過程再趨于一個穩(wěn)定狀態(tài)。分析這一動態(tài)過程進而確定最終狀態(tài)是解決這類問題的關(guān)鍵。分析電磁感應(yīng)問題中導(dǎo)體運動狀態(tài)的方法:(1)首先分析導(dǎo)體最初在磁場中的運動狀態(tài)和受力情況;(2)其次分析由于運動狀態(tài)變化,導(dǎo)體受到的安培力、合力的變化情況;(3)再分析由于合力的變化,導(dǎo)體的加速度、速度又會怎樣變化,從而又引起感應(yīng)電流、安培力、合力怎么變化;(4)最終明確導(dǎo)體所能達到的是什么樣的穩(wěn)定狀態(tài)。