法拉第电磁感应定律含动画ppt课件.ppt

4.4法拉第电磁感应定律,-感应电流的大小,问题1：据前面所学，电路中存在持续 电流的条件是什么？问题2：什么叫电磁感应现象？产生感 应电流的条件是什么？,（1）闭合电路；,（2）有电源,产生感应电流的条件是：（1）闭合电路；（2）磁通量变化。,利用磁场产生电流的现象,知识回顾,试从本质上比较甲、乙两电路的异同,乙,甲,相同点：两电路都是闭合的，有电流,不同点：甲中有电池（电源）,乙中有螺线管,（相当于电源）,思考,有电源就有电动势,感应电动势：在电磁感应现象中产生的电动势叫做感应电动势，产生感应电动势的那部分导体相当于电源,演示实验一,若闭合电路中有感应电流,电路中就一定有电动势.演示实验并播放动画画出等效电路图,演示实验二,若电路断开时，虽然没有感应电流，电动势依然存在。演示实验并播放动画画出等效电路图,感应电动势与感应电流：感应电动势是形成感应电流的必要条件，有感应电动势不一定存在感应电流（要看电路是否闭合），有感应电流一定存在感应电动势,思考与讨论,感应电动势的大小跟哪些因素有关？,实验探究:影响感应电动势大小的因素,实验说明,闭合开关，控制小线圈升降速度（控制时间），通过滑动变阻器改变通过小线圈的电流。比较前后指针偏角变化。保持小线圈电流不变（控制磁通量），改变小线圈升降速度。,（1）用同样快速（控制时间）:电流弱（磁场弱）时,小,指针偏转小 电流强（磁场强）时,大,指针偏转大,（2）用一根条形磁铁（控制磁通量）:快速，t小,指针偏转大 慢速，t大,指针偏转小,实验结果,感应电动势的大小跟磁通量变化和所用时间都有关.,结论,精确实验表明：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。这就是法拉第电磁感应定律。,得出,若闭合电路是一个n匝线圈，且穿过每匝线圈的磁通量变化率都相同，相当于N个相同的电源串联，则整个线圈的感应电动势为,概念的比较,因此，磁通量为零时，磁通量的变化率不一定为零。,二导线切割磁感线时的感应电动势,（1）垂直切割时：如图所示，导体由ab匀速移动到a1b1，这一过程中穿过闭合回路的磁通量变化=BLvt，由法拉第电磁感应定律得：,（2）切割方向与磁场方向成角时：如图所示，将v分解为垂直B和平行B的两个分量，其中：,对切割有贡献,对切割无贡献,所以：,求下面图示情况下，a、b、c三段导体两端的感应电动势各为多大？,L为有效长度-导线在垂直速度方向上 的投影长度,一般来说，求出的是平均感应电动势，和某段时间或者某个过程对应，求出的是瞬时感应电动势，E和某个时刻或者某个位置对应。,区别1：,求出的是整个回路的感应电动势,区别2：,回路中感应电动势为零时，但是回路中某段导体的感应电动势不一定为零。,求出的是切割磁场部分导体的感应电动势,例题1：,长为L的金属棒ab，绕b端在垂直于匀强磁场的平面内以角速度匀速转动，磁感应强度为B，如图所示，求ab两端的电势差,解析：,ab两端电势差等于金属棒切割磁感线产生的电动势（因为没有外电路），所以只要求出电动势即可,棒上各处速率不等，不能直接用E=BLv来求，但棒上各点的速度v=r与半径成正比，因此可用棒的中点速度作为平均切割速度代入公式计算：,在磁感应强度为B的匀强磁场中,有一个匝数为n的矩形线圈,边长ab=L1,bc=L2线圈绕中心轴OO以角速度由图示位置逆时针方向转动。试求:(1)线圈中产生感应电动势的最大值;(2)线圈转过1/4周的过程中的平均感应电动势。(3)设线圈的总电阻为R，线圈转过1/4周的过程中通过某一截面的电量。,c,例题2,例题3,如图所示,A.B两个闭合线圈为同样的导线制成,匝数均为10匝,A的半径是B的半径的二倍,图示区域内有匀强磁场,且磁感应强度随时间均匀减小.AB线圈中产生的感应电动势之比是多少?两线圈中感应电流之比是多少?,线圈转动时，会产生感应电流，想一下，感应电流对线圈运动是阻碍还是促进？,此电动势阻碍电路中原来的电流.故称之为反电动势,三、反电动势,既然线圈在磁场中转动,线圈中就会产生感应电动势.感应电动势加强了电源了产生的电流,还是削弱了它?是有得于线圈的转动,还是阻碍了线圈的转动?,电动机转动时,线圈中产生的感应电动势总要削弱电源电动势的作用,阻碍线圈的转动.,-反电动势,电动机由于机械故障停转,要立即切断电源.,小结：,法拉第电磁感应定律,导线切割磁感线时产生的电动势的大小，跟磁感强度B、导线长度L、运动速度v以及运动方向与磁感线方向的夹角的正弦sin成正比,反电动势：电动机转动时，线圈中会产生感应电动势，这个电动势总要削弱电源电动势的作用，这个电动势称为反电动势,本节正课到此为止,【典例4】（2010巢湖高二检测）如图所示，MN、PQ为光滑金属导轨（金属导轨电阻忽略不计），MN、PQ相距L=50 cm,导体棒AB在两轨道间的电阻为r=1,且可以在MN、PQ上滑动，定值电阻R1=3,R2=6,整个装置放在磁感应强度为B=1.0 T的匀强磁场中，磁场方向垂直于整个导轨平面，现用外力F拉着AB棒向右以v=5 m/s速度做匀速运动.,求：（1）导体棒AB产生的感应电动势E和AB棒上的感应电流方向.（2）导体棒AB两端的电压UAB=？,【思路点拨】解答本题时应把握以下三点：,【标准解答】(1)导体棒AB产生的感应电动势E=BLv=2.5 V由右手定则，AB棒上的感应电流方向向上，即沿BA方向(2)R并=2，UAB=IR并=V1.7 V答案：（1）2.5 V BA方向（2）1.7 V,【变式训练】如图所示，一宽40 cm的匀强磁场区域内磁场方向垂直纸面向里，一边长为20 cm的正方形导线框位于纸面内，以垂直于磁场边界的恒定速度v=20 cm/s通过磁场区域，在运动过程中，线框有一边始终与磁场区域的边界平行.取它刚进入磁场的时刻t=0，在下图中，正确反映感应电流强度随时间变化规律的是(),【解析】选C.线框进入过程中：t1=1 s,I1=大小恒定，方向沿逆时针；线框从左边刚好全部进入到右边刚好离开磁场的过程中：线框中I2=0；线框从右边刚好离开磁场到左边刚好离开磁场过程中，I3=大小恒定，方向沿顺时针，故应选C，A、B、D错.,1.下列几种说法正确的是()A.线圈中磁通量变化越大，线圈中产生的感应电动势一定越大B.线圈中磁通量越大，产生的感应电动势一定越大C.线圈放在磁场越强的位置，产生的感应电动势一定越大D.线圈中磁通量变化越快，线圈中产生的感应电动势越大,课堂训练,【解析】选D.依据法拉第电磁感应定律可知，感应电动势与磁通量无关、与磁通量的变化量无关，与匝数和磁通量的变化率成正比.因此，选项A、B都是错误的.磁场的强弱与感应电动势也无关，所以选项C也是不对的.线圈中磁通量变化越快意味着线圈的磁通量的变化率越大，依据法拉第电磁感应定律可知，感应电动势与磁通量的变化率成正比，在此条件下线圈中产生的感应电动势越大，故选项D是正确的.,2.（2010银川高二检测）闭合电路中的一段导体，在匀强磁场中以v所示方向运动时，导体内通过的感应电流方向为I,图中正确表示了以上三个量的方向关系的是(),【解析】选B、D.根据右手定则，可知B、D图正确，A、C图错误.,3.如图所示，在竖直向下的匀强磁场中，将一水平放置的金属棒ab以水平初速度v0抛出，设在整个过程中棒的取向不变，且不计空气阻力，则金属棒在运动过程中产生的感应电动势的大小变化情况是()A.越来越大 B.越来越小C.保持不变 D.无法判断,【解析】选C.金属棒被水平抛出后做平抛运动，切割速度保持v0不变，故感应电动势E=BLv0保持不变，故C对，A、B、D都错.,4.如图所示，将玩具电动机通过开关、电流表接到电池上，闭合开关S，观察电动机启动过程中电流表读数会有什么变化？怎样解释这种电流的变化？,【解析】刚闭合开关S时，电流表读数比较大，后来减小.随电动机的转速逐渐增大的过程中，电动机线圈中产生反电动势，削弱电源产生的电流，所以电流表示数减小.答案：见解析,5.(2010新课标全国卷)在电磁学发展过程中，许多科学家做出了贡献.下列说法正确的是()A.奥斯特发现了电流磁效应；法拉第发现了电磁感应现象B.麦克斯韦预言了电磁波；楞次用实验证实了电磁波的存在C.库仑发现了点电荷的相互作用规律；密立根通过油滴实验测定了元电荷的数值D.安培发现了磁场对运动电荷的作用规律；洛伦兹发现了磁场对电流的作用规律,【解析】选A、C.赫兹用实验证实了电磁波的存在，选项B错误，洛伦兹发现了磁场对运动电荷的作用规律，安培发现了磁场对电流的作用规律，选项D错误.,6.（2010全国高考）某地的地磁场磁感应强度的竖直分量方向向下，大小为4.510-5 T.一灵敏电压表连接在当地入海河段的两岸，河宽100 m,该河段涨潮和落潮时有海水（视为导体）流过.设落潮时，海水自西向东流，流速为2 m/s.下列说法正确的是()A.电压表记录的电压为5 mVB.电压表记录的电压为9 mVC.河南岸的电势较高D.河北岸的电势较高,【解析】选B、D.海水在落潮时自西向东流，该过程可以理解为：自西向东运动的导体棒在切割竖直向下的磁场.根据右手定则，北岸是正极电势高，南岸电势低，所以D正确C错.根据法拉第电磁感应定律E=BLv=4.510-51002 V=910-3 V,所以B正确A错.,7.(2010西安高二检测)环形线圈放在均匀磁场中，设在第1秒内磁感线垂直于线圈平面向里，若磁感应强度随时间变化的关系如图，那么在第2秒内线圈中感应电流的大小和方向是(),A.感应电流大小恒定，顺时针方向B.感应电流大小恒定，逆时针方向C.感应电流逐渐增大，逆时针方向D.感应电流逐渐减小，顺时针方向【解析】选B.由B-t图知：第2秒内 恒定，则E=S也恒定，故感应电流 大小恒定，又由楞次定律判断知电流方向沿逆时针方向，故B对，A、C、D都错.,8.（2010桂林高二检测）如图（a）所示，一个电阻值为R，匝数为n的圆形金属线圈与阻值为2R的电阻R1连接成闭合回路.线圈的半径为r1.在线圈中半径为r2的圆形区域内存在垂直于线圈平面向里的匀强磁场，磁感应强度B随时间t变化的关系图线如图（b）所示，图线与横、纵轴的截距分别为t0和B0.导线的电阻不计，求0至t1时间内,（1）通过电阻R1上的电流大小及方向.（2）通过电阻R1上的电量q.,【解析】（1）由法拉第电磁感应定律得感应电动势为由闭合电路的欧姆定律，得通过R1的电流大小为由楞次定律知该电流由b向a通过R1,（2）由 得在0至t1时间内通过R1的电量为答案：（1）电流由b向a通过R1（2）,9.(2010马鞍山高二检测)如图（a）所示的螺线管的匝数n=1 500,横截面积S=20 cm2,电阻r=1.5,与螺线管串联的外电阻R1=10,R2=3.5.若穿过螺线管的磁场的磁感应强度按图（b）所示的规律变化.求：（1）螺线管两端M、N间的电压.（2）R1上消耗的电功率.,【解析】,（1）由法拉第电磁感应定律,由串联电路的分压规律，可知：,(2)由串联电路的分压规律，可知：,由公式,答案：(1)5.4 V(2)1.6 W,1.(5分)一根直导线长0.1 m,在磁感应强度为0.1 T的匀强磁场中以10 m/s的速度匀速运动，则关于导线中产生的感应电动势说法错误的是()A.一定为0.1 V B.可能为零C.可能为0.01 V D.最大值为0.1 V【解析】选A.当B、L、v互相垂直时，导体切割磁感线运动产生的感应电动势最大：E=BLv=0.10.110 V=0.1 V,考虑到它们的空间位置关系B、C、D都有可能，A错.,课下训练,2.（5分）如图所示，在匀强磁场中，MN、PQ是两条平行金属导轨，而ab、cd为串有电压表和电流表的两根金属棒，两只电表可看成理想电表.当两棒以相同速度向右匀速运动时（运动过程中两棒始终与导轨接触）()A.电压表有读数，电流表有读数B.电压表无读数，电流表无读数C.电压表有读数，电流表无读数D.电压表无读数，电流表有读数,【解析】选B.在两棒以相同速度向右匀速运动的过程中，磁通量不变，无电流产生，因无电流产生，根据电压表和电流表的测量原理知，两表均无读数.,3.（5分）单匝矩形线圈在匀强磁场中匀速运动，转轴垂直于磁场，若线圈所围面积里磁通量随时间变化的规律如图所示，则OD过程中()A.线圈在O时刻感应电动势最大B.线圈在D时刻感应电动势为零C.线圈在D时刻感应电动势最大D.线圈在O至D时间内平均感应电动势为0.4 V,【解析】选A、B、D.由法拉第电磁感应定律知线圈从O至D时间内的平均感应电动势由感应电动势的物理意义知，感应电动势的大小与磁通量的大小和磁通量的改变量均无必然联系，仅由磁通量的变化率 决定，而任何时刻磁通量的变化率 就是-t图象上该时刻切线的斜率，不难看出O点处切线斜率最大，D点处切线斜率最小为零，故A、B、D选项正确.,4.（5分）（2010山东高考）如图所示，空间存在两个磁场，磁感应强度大小均为B，方向相反且垂直纸面，MN、PQ为其边界，OO为其对称轴.一导线折成边长为l的正方形闭合回路abcd，回路在纸面内以恒定速度v0向右运动，当运动到关于OO对称的位置时(),A.穿过回路的磁通量为零B.回路中感应电动势大小为2Blv0C.回路中感应电流的方向为顺时针方向D.回路中ab边与cd边所受安培力方向相同,【解析】选A、B、D.正方形闭合回路运动到关于OO对称的位置时，穿过回路的合磁通量为零，A正确；由右手定则可以判断ab边上的电流方向为由a到b,cd边上的电流方向为由c到d,所以回路中感应电流的方向为逆时针方向，C错误；由法拉第电磁感应定律可知回路中感应电动势大小为E感=Eab+Ecd=2Blv0,B正确；由左手定则可以判定回路中ab边与cd边所受安培力方向相同，都是水平向左的，D正确.,5.(10分)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忽略的铜线.磁场的磁感应强度为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.若PQ以恒定的速度v从ad滑向bc,当其滑过 l的距离时，通过aP段电阻的电流是多大？方向如何？,【解析】PQ向右滑动切割磁感线，产生感应电动势，相当于电源，外电路由Pa与Pb并联而成，PQ滑过 时的等效电路如图所示.PQ切割磁感线产生的感应电动势大小为E=Blv,方向由Q指向P.,外电路总电阻为R外 电路总电流为aP段电流大小为 方向由P到a.,【思维拓展】6.（5分）如图所示，三角形金属导轨EOF上放有一金属杆AB，在外力作用下，使AB保持与OF垂直，以速度v匀速从O点开始右移，若导轨与金属棒均为粗细相同的同种金属制成，则下列判断正确的是(),A.电路中的感应电流大小不变B.电路中的感应电动势大小不变C.电路中的感应电动势逐渐增大D.电路中的感应电流逐渐减小【解析】选A、C.本题考查用公式E=Blvsin求感应电动势.解题的关键是正确推导出感应电动势和感应电流的表达式.,金属棒从O开始到如题图所示位置所经历的时间设为t,EOF=,则金属棒切割磁感线的有效长度l=OBtan,故E=Blv=Bvvttan=Bv2ttan,即电路中电动势与时间成正比，C正确；电路中电流强度而l=OAB的周长=OB+AB+OA=vt+vttan+=vt(1+tan+),所以=恒量，所以A正确.,7.(新题快递)（5分）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()A.B.1 C.2 D.4,【解析】选B.先保持线框的面积不变，由法拉第电磁感应定律可知 再保持增大后的磁感应强度不变，有 可见先后两个过程中产生的电动势的大小相等，两者的比值为1，选项B正确.,8.(10分)（2010安阳高二检测）如图甲所示，竖直面上有两电阻不计的光滑金属导轨平行固定放置，间距d为0.5 m，上端通过导线与阻值为2 的电阻R连接，下端通过导线与阻值为4 的小灯泡L连接，在CDFE矩形区域内有水平向外的匀强磁场，磁感应强度B随时间变化的关系如图乙所示，CE长为2 m.在t=0时，电阻为2 的金属棒以某一初速度从AB位置紧贴导轨向下运动，当金属棒从AB位置运动到EF位置过程中，小灯泡的亮度没有发生变化，g取10 m/s2.求：,（1）通过小灯泡的电流强度；（2）金属棒的质量；（3）t=0.25 s时金属棒两端的电势差.,【解析】(1)金属棒未进入磁场时，R总=RL+=（4+1）=5,IL=A=0.4 A.(2)因灯泡亮度不变，故0.2 s末金属棒进入磁场时刚好匀速运动，I=IL+IR=IL+=1.2 A,G=F安=BId=0.24 N,所以金属棒的质量m=G/g=0.024 kg,(3)金属棒在磁场中运动时电动势金属棒从CD运动到EF过程的时间为在这段时间内U=ILRL=0.44 V=1.6 V,所以t=0.25 s时金属棒两端的电势差为1.6 V.答案：（1）0.4 A（2）0.024 kg（3）1.6 V,3.如图所示，金属环半径为a，总电阻为2R，匀强磁场磁感应强度为B，垂直穿过环所在平面.电阻为R/2 的导体杆AB沿环表面以速度v向右滑至环中央时，杆两端之间的电压为()A.Bav B.C.D.,【解析】选A.导体杆AB滑至中央时，产生的感应电动势为E=B2av，此电路结构为外电路是两个电阻为R的半圆并联，R外=由闭合电路欧姆定律得I=杆AB的端电压为U=IR外故A正确.,4.如图所示，圆环a和b的半径之比R1R2=21,且粗细相同，用同样材料的导线构成，连接两环的导线电阻不计，匀强磁场的磁感应强度始终以恒定的变化率变化，那么，当只有a环置于磁场中与只有b环置于磁场中两种情况下，A、B两点的电势差之比为()A.11 B.21 C.31 D.41,【解析】选B.设b环的面积为S，由题可知a环的面积为4S，若b环的电阻为R，则a环的电阻为2R.当a环置于磁场中时，a环等效为内电路，b环等效为外电路，A、B两端的电压为路端电压，根据法拉第电磁感应定律当b环置于磁场中时UAB=所以UABUAB=21.故B正确.,6.（2010长泰高二检测）如图甲所示，边长L=2.5 m、质量m=0.50 kg的正方形金属线框，放在磁感应强度B=0.80 T的匀强磁场中，它的一边与磁场的边界MN重合.在力F作用下由静止开始向左运动，在5.0 s内从磁场中拉出.测得金属线框中的电流随时间变化的图象如图乙所示.已知金属线框的总电阻R=4.0.,(1)试判断金属线框从磁场中拉出的过程中，线框中的感应电流的方向，并在图中标出.(2)t=2.0 s时金属线框的速度和力F的大小.(3)已知在5.0 s内力F做功1.92 J,那么金属线框从磁场拉出的过程中，线框中产生的焦耳热是多少？,【解析】(1)逆时针，如图所示,（2）t=2.0 s时由题图乙可知I=0.2 A所以E=IR=0.8 V由E=BLv得v=E/BL=0.4 m/s由题图乙可知线框做匀加速运动，由v=at得a=0.2 m/s2安培力F安=IBL=0.4 N由牛顿第二定律得F-F安=maF=0.5 N,(3)t=5.0 s时线框速度v2=at=1 m/s由动能定理有 mv22=WF-Q所以Q=1.67 J.答案：(1)逆时针，见解析图(2)0.4 m/s 0.5 N(3)1.67 J,例题2,如图所示,A.B两个闭合线圈为同样的导线制成,匝数均为10匝,A的半径是B的半径的二倍,图示区域内有匀强磁场,且磁感应强度随时间均匀减小.AB线圈中产生的感应电动势之比是多少?两线圈中感应电流之比是多少?,例题3,图中是电磁流量计的示意图.圆管由非磁性材料制成,空间有匀强磁场,当管中的导电液体流过磁场区域时,测出管壁上MN两点间的电动势E,就可以知道管中液体的流量去q单位时间内流过管道横截面的液体的体积已知管的直径为d，磁感应强度为试推出q与的关系表达式,