2019_2020版高中物理第四章電磁感應(yīng)4法拉第電磁感應(yīng)定律教案新人教版.docx

4法拉第電磁感應(yīng)定律學(xué)科素養(yǎng)與目標要求物理觀念：1.知道感應(yīng)電動勢和反電動勢的概念.2.理解和掌握法拉第電磁感應(yīng)定律.科學(xué)思維：1.通過比較區(qū)分、和.2.運用法拉第電磁感應(yīng)定律推導(dǎo)出導(dǎo)線切割磁感線的電動勢公式.3.在進行感應(yīng)電動勢的計算時培養(yǎng)綜合分析能力.一、電磁感應(yīng)定律1.感應(yīng)電動勢電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢叫做感應(yīng)電動勢，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的那部分導(dǎo)體相當于電源.2.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.(2)公式：E.若閉合電路是一個匝數(shù)為n的線圈，則En.(3)在國際單位制中，磁通量的單位是韋伯(Wb)，感應(yīng)電動勢的單位是伏(V).二、導(dǎo)線切割磁感線時的感應(yīng)電動勢反電動勢1.導(dǎo)線垂直于磁場運動，B、l、v兩兩垂直時，如圖1所示，EBlv.2.導(dǎo)線的運動方向與導(dǎo)線本身垂直，但與磁感線方向夾角為時，如圖2所示，EBlvsin .圖1圖23.反電動勢(1)定義：電動機轉(zhuǎn)動時，由于切割磁感線，線圈中產(chǎn)生的削弱電源電動勢作用的感應(yīng)電動勢.(2)作用：反電動勢的作用是阻礙線圈的轉(zhuǎn)動.1.判斷下列說法的正誤.(1)在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，有感應(yīng)電流，就一定有感應(yīng)電動勢；反之，有感應(yīng)電動勢，就一定有感應(yīng)電流.()(2)線圈中磁通量的變化量越大，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢一定越大.()(3)線圈放在磁場越強的位置，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢一定越大.()(4)線圈中磁通量變化越快，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢一定越大.()2.圖3甲、乙中，金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢分別為E甲_，E乙_.圖3答案BlvBlvsin 一、對電磁感應(yīng)定律的理解如圖所示，將條形磁鐵從同一高度插入線圈的實驗中.(1)快速插入和緩慢插入磁通量的變化量相同嗎？指針偏轉(zhuǎn)角度相同嗎？(2)分別用一根磁鐵和兩根磁鐵以同樣速度快速插入，磁通量的變化量相同嗎？指針偏轉(zhuǎn)角度相同嗎？(3)指針偏轉(zhuǎn)角度取決于什么？答案(1)磁通量變化相同，但磁通量變化的快慢不同，快速插入比緩慢插入時指針偏轉(zhuǎn)角度大.(2)用兩根磁鐵快速插入時磁通量變化量較大，磁通量變化率也較大，指針偏轉(zhuǎn)角度較大.(3)指針偏轉(zhuǎn)角度大小取決于的大小.1.感應(yīng)電動勢的大小由穿過電路的磁通量的變化率和線圈的匝數(shù)n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，和電路的電阻R無關(guān).2.當僅由B的變化引起時，則En；當僅由S的變化引起時，則En；當由B、S的變化同時引起時，則Enn.3.在t圖象中，圖象上某點切線的斜率表示磁通量的變化率；在Bt圖象中，某點切線的斜率表示磁感應(yīng)強度的變化率.例1關(guān)于感應(yīng)電動勢的大小，下列說法中正確的是 ()A.穿過線圈的磁通量最大時，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢就一定最大B.穿過線圈的磁通量的變化量增大時，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也增大C.穿過線圈的磁通量等于0，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢就一定為0D.穿過線圈的磁通量的變化率越大，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢就越大答案D解析根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)電動勢的大小與磁通量的變化率成正比，與磁通量及磁通量的變化量沒有必然聯(lián)系.當磁通量很大時，感應(yīng)電動勢可能很小，甚至為0.當磁通量等于0時，其變化率可能很大，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也可能很大，而增大時，可能減小.如圖所示，t1時刻，最大，但E0；0t1時間內(nèi)增大，但減小，E減小；t2時刻，0，但最大，E最大.故D正確.例2如圖4甲所示，一個圓形線圈的匝數(shù)n1 000匝，線圈面積S200 cm2，線圈的電阻r1 ，線圈外接一個阻值R4 的電阻，把線圈放入一方向垂直于線圈平面向里的勻強磁場中，磁感應(yīng)強度隨時間變化的規(guī)律如圖乙所示，求：圖4(1)前4 s內(nèi)的感應(yīng)電動勢的大小及電阻R上消耗的功率；(2)前5 s內(nèi)的平均感應(yīng)電動勢.答案(1)1 V0.16 W(2)0解析(1)前4 s內(nèi)磁通量的變化量21S(B2B1)200104(0.40.2) Wb4103 Wb由法拉第電磁感應(yīng)定律得En1 000 V1 V.I APRI2R24 W0.16 W(2)由題圖乙知，46 s內(nèi)的0.1 T/s，則第5 s末的磁感應(yīng)強度B20.2 T，前5 s內(nèi)磁通量的變化量21S(B2B1)200104(0.20.2) Wb0由法拉第電磁感應(yīng)定律得n0.二、導(dǎo)線切割磁感線時的感應(yīng)電動勢1.導(dǎo)線切割磁感線時感應(yīng)電動勢表達式的推導(dǎo)如圖5所示，閉合電路一部分導(dǎo)線ab處于勻強磁場中，磁感應(yīng)強度為B，ab的長度為l，ab以速度v勻速垂直切割磁感線.圖5則在t內(nèi)穿過閉合電路磁通量的變化量為BSBlvt根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得EBlv.2.對公式的理解(1)當B、l、v三個量方向互相垂直時，EBlv；當有任意兩個量的方向互相平行時，E0.(2)當l垂直B、l垂直v，而v與B成角時，導(dǎo)線切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小為EBlvsin .(3)若導(dǎo)線是曲折的，或l與v不垂直時，EBlv中的l應(yīng)為導(dǎo)線在與v垂直的方向上的投影長度，即有效切割長度.例3如圖6所示的情況中，金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為Blv的是()圖6A.丙和丁B.甲、乙、丁C.甲、乙、丙、丁D.只有乙答案B解析公式EBlv中的l應(yīng)指導(dǎo)體的有效切割長度，甲、乙、丁中的有效切割長度均為l，電動勢EBlv；而丙的有效切割長度為0，電動勢為0，故選項B正確.例4如圖7所示，導(dǎo)軌OM和ON都在紙面內(nèi)，導(dǎo)體AB可在導(dǎo)軌上無摩擦滑動，ABON，若AB以5 m/s的速度從O點開始沿導(dǎo)軌勻速右滑，導(dǎo)體與導(dǎo)軌都足夠長，勻強磁場的磁感應(yīng)強度為0.2 T.問：圖7(1)第3 s末夾在導(dǎo)軌間的導(dǎo)體長度是多少？此時導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢多大？(2)3 s內(nèi)回路中的磁通量變化了多少？此過程中的平均感應(yīng)電動勢為多少？答案(1)5 m5 V(2) Wb V解析(1)第3 s末，夾在導(dǎo)軌間導(dǎo)體的長度為：lvttan 3053tan 30 m5 m此時：EBlv0.255 V5 V(2)3 s內(nèi)回路中磁通量的變化量BS00.2155 Wb Wb3 s內(nèi)電路中產(chǎn)生的平均感應(yīng)電動勢為： V V.學(xué)科素養(yǎng)本題通過對瞬時感應(yīng)電動勢和平均感應(yīng)電動勢的計算，加深了學(xué)生對公式En和EBlv適用條件的理解.知道En研究整個閉合回路，適用于計算各種電磁感應(yīng)現(xiàn)象中t內(nèi)的平均感應(yīng)電動勢；EBlv研究的是閉合回路的一部分，即做切割磁感線運動的導(dǎo)體，只適用于計算導(dǎo)體切割磁感線運動產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，可以是平均感應(yīng)電動勢，也可以是瞬時感應(yīng)電動勢.通過這樣的訓(xùn)練，鍛煉了學(xué)生的綜合分析能力，體現(xiàn)了“科學(xué)思維”的學(xué)科素養(yǎng).En與EBlv的比較1.區(qū)別En研究的是整個閉合回路，適用于計算各種電磁感應(yīng)現(xiàn)象中t內(nèi)的平均感應(yīng)電動勢；EBlv研究的是閉合回路的一部分，即做切割磁感線運動的導(dǎo)體，只適用于計算導(dǎo)體切割磁感線運動產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，可以是平均感應(yīng)電動勢，也可以是瞬時感應(yīng)電動勢.2.聯(lián)系EBlv是由En在一定條件下推導(dǎo)出來的，該公式可看做法拉第電磁感應(yīng)定律的一個推論.1.(對法拉第電磁感應(yīng)定律的理解)如圖8所示，半徑為R的n匝線圈套在邊長為a的正方形abcd之外，勻強磁場垂直穿過該正方形，當磁場以的變化率變化時，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小為()圖8A.R2 B.a2C.nR2 D.na2答案D解析由題意可知，線圈中磁場的面積為a2，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小為Enna2，故只有選項D正確.2.(公式En的應(yīng)用)(多選)如圖9甲所示，線圈的匝數(shù)n100匝，橫截面積S50 cm2，線圈總電阻r10 ，沿軸向有勻強磁場，設(shè)圖示磁場方向為正方向，磁場的磁感應(yīng)強度隨時間按如圖乙所示規(guī)律變化，則在開始的0.1 s內(nèi)()圖9A.磁通量的變化量為0.25 WbB.磁通量的變化率為2.5102 Wb/sC.a、b間電壓為0D.在a、b間接一個理想電流表時，電流表的示數(shù)為0.25 A答案BD解析通過線圈的磁通量與線圈的匝數(shù)無關(guān)，由于0時刻和0.1 s時刻的磁場方向相反，磁通量穿入的方向不同，則(0.10.4)50104 Wb2.5103 Wb，A項錯誤；磁通量的變化率 Wb/s2.5102 Wb/s，B項正確；根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，當a、b間斷開時，其間電壓等于線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢大小為En2.5 V且恒定，C項錯誤；在a、b間接一個理想電流表時相當于a、b間接通而形成回路，回路總電阻即為線圈的總電阻，故感應(yīng)電流大小I A0.25 A，D項正確.3.(公式EBlv的應(yīng)用)如圖10所示，空間有一勻強磁場，一直金屬棒與磁感應(yīng)強度方向垂直，當它以速度v沿與棒和磁感應(yīng)強度都垂直的方向運動時，棒兩端的感應(yīng)電動勢大小為E，將此棒彎成兩段長度相等且相互垂直的折線，置于與磁感應(yīng)強度相互垂直的平面內(nèi)，當它沿兩段折線夾角平分線的方向以速度v運動時，棒兩端的感應(yīng)電動勢大小為E.則等于()圖10A. B. C.1 D.答案B解析設(shè)折彎前金屬棒切割磁感線的長度為L，EBLv；折彎后，金屬棒切割磁感線的有效長度為lL，故產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為EBlvBLvE，所以，B正確.4.(兩公式的對比應(yīng)用)(多選)如圖11所示，一導(dǎo)線彎成半徑為a的半圓形閉合回路.虛線MN右側(cè)有磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場，方向垂直于回路所在的平面向下.回路以速度v向右勻速進入磁場，直徑CD始終與MN垂直.從D點到達邊界開始到C點進入磁場為止，下列結(jié)論正確的是()圖11A.感應(yīng)電動勢最大值E2BavB.感應(yīng)電動勢最大值EBavC.感應(yīng)電動勢的平均值BavD.感應(yīng)電動勢的平均值Bav答案BD解析在半圓形閉合回路進入磁場的過程中，有效切割長度如圖所示，所以進入過程中l(wèi)先逐漸增大到a，然后再逐漸減小為0，由EBlv可知，最大值EmaxBav，最小值為0，A錯誤，B正確；平均感應(yīng)電動勢為Bav，故選項D正確，C錯誤.5.(公式En的應(yīng)用)(2018南通中學(xué)高二上學(xué)期期中)如圖12甲所示，在一個正方形金屬線圈區(qū)域內(nèi)存在著磁感應(yīng)強度B隨時間變化的勻強磁場，磁場的方向與線圈平面垂直.金屬線圈所圍的面積S200 cm2，匝數(shù)n1 000，線圈電阻r2.0 .線圈與電阻R構(gòu)成閉合回路，電阻的阻值R8.0 .勻強磁場的磁感應(yīng)強度隨時間變化的情況如圖乙所示，求：圖12(1)t12.0 s時線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的大??；(2)在t12.0 s時通過電阻R的感應(yīng)電流的大小和方向；(3)在t25.0 s時刻，線圈端點a、b間的電壓.答案(1)1 V(2)0.1 A方向bRa(3)3.2 V解析(1)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，04.0 s時間內(nèi)線圈中磁通量均勻變化，產(chǎn)生恒定的感應(yīng)電流，t12.0 s時的感應(yīng)電動勢E1nn1 V(2)根據(jù)閉合電路歐姆定律，閉合回路中的感應(yīng)電流I1解得I10.1 A，由楞次定律可判斷流過電阻R的感應(yīng)電流方向為bRa(3)由題圖乙可知，在4.06.0 s時間內(nèi)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E2nnS4 V根據(jù)閉合電路歐姆定律，t25.0 s時閉合回路中的感應(yīng)電流I20.4 A，方向aRbUabI2R3.2 V.一、選擇題考點一公式En的理解和應(yīng)用1.將多匝閉合線圈置于僅隨時間變化的磁場中，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.穿過線圈的磁通量變化率為0，感應(yīng)電動勢不一定為0答案C解析由法拉第電磁感應(yīng)定律En知，感應(yīng)電動勢的大小與線圈匝數(shù)有關(guān)，選項A錯誤；感應(yīng)電動勢正比于磁通量變化率，與磁通量的大小無直接關(guān)系，選項B、D錯誤，C正確.2.(2018會寧一中高二下學(xué)期期末)如圖1所示，一半徑為a、電阻為R的金屬圓環(huán)(被固定)與勻強磁場垂直，且一半處在磁場中.在t時間內(nèi)，磁感應(yīng)強度的方向不變，大小由B均勻地增大到3B，在此過程中()圖1A.線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為B.線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為C.線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流為0D.線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流為答案B解析根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律ESa2，感應(yīng)電流為I，故A、C、D錯誤，B正確.3.如圖2所示，勻強磁場中有兩個導(dǎo)體圓環(huán)a、b，磁場方向與圓環(huán)所在平面垂直.磁感應(yīng)強度B隨時間均勻增大.兩圓環(huán)半徑之比為21，圓環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢分別為Ea和Eb，不考慮兩圓環(huán)間的相互影響.下列說法正確的是()圖2A.EaEb41，感應(yīng)電流均沿逆時針方向B.EaEb41，感應(yīng)電流均沿順時針方向C.EaEb21，感應(yīng)電流均沿逆時針方向D.EaEb21，感應(yīng)電流均沿順時針方向答案B解析由法拉第電磁感應(yīng)定律得圓環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為Er2，則，由楞次定律可知感應(yīng)電流的方向均沿順時針方向，B項對.4.(多選)單匝矩形線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸垂直于磁場，若穿過線圈所圍面積的磁通量隨時間變化的規(guī)律如圖3所示，則OD過程中()圖3A.線圈中O時刻感應(yīng)電動勢最大B.線圈中D時刻感應(yīng)電動勢為零C.線圈中D時刻感應(yīng)電動勢最大D.線圈中O至D時間內(nèi)的平均感應(yīng)電動勢為0.4 V答案ABD解析由于En，為t圖線切線的斜率的大小，故A、B正確，C錯誤；線圈中O至D時間內(nèi)的平均感應(yīng)電動勢n1 V0.4 V，所以D正確.5.(2018石室中學(xué)高二期中)如圖4所示，半徑為r的金屬圓環(huán)以角速度繞通過其直徑的軸OO勻速轉(zhuǎn)動，勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B.從金屬環(huán)所在的平面與磁場方向重合時開始計時，在轉(zhuǎn)過30角的過程中，環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的平均值為()圖4A.2Br2 B.2Br2 C.3Br2 D.3Br2答案C解析題圖位置時穿過金屬環(huán)的磁通量為10，轉(zhuǎn)過30角時穿過金屬環(huán)的磁通量大小為2BSsin 30BS，轉(zhuǎn)過30角用的時間為t，由法拉第電磁感應(yīng)定律得感應(yīng)電動勢的平均值為nn3Br2，故C正確，A、B、D錯誤.6.(2018北京工業(yè)大學(xué)附屬中學(xué)上學(xué)期月考)通過一閉合線圈的磁通量為，隨時間t的變化規(guī)律如圖5所示，下列說法中正確的是()圖5A.00.3 s內(nèi)線圈中的感應(yīng)電動勢在均勻增加B.第0.6 s末線圈中的感應(yīng)電動勢是4 VC.第0.9 s末線圈中的瞬時感應(yīng)電動勢比第0.2 s末的小D.第0.2 s末和第0.4 s末的瞬時感應(yīng)電動勢的方向相同答案B解析根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律E，00.3 s內(nèi)，E1 V，保持不變，故A錯誤.第0.6 s末線圈中的感應(yīng)電動勢E24 V，故B正確.第0.9 s末線圈中的感應(yīng)電動勢E330 V，大于第0.2 s末的感應(yīng)電動勢，故C錯誤.由E可知，00.3 s感應(yīng)電動勢為正，0.30.8 s感應(yīng)電動勢為負，所以第0.2 s末和第0.4 s末的瞬時感應(yīng)電動勢方向相反，故D錯誤.7.一閉合的正方形線圈放置在水平面上，在線圈所在的空間加一豎直向上的磁場，磁場隨時間變化的規(guī)律如圖6所示.已知線圈的匝數(shù)為n、邊長為a、面積為S，圖線的斜率為k，則下列說法正確的是()圖6A.線圈的匝數(shù)由n變?yōu)?n，則線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流變?yōu)樵瓉淼膬杀禕.線圈的面積由S變?yōu)?S，則線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流變?yōu)樵瓉淼膬杀禖.線圈的邊長由a變?yōu)?a，則線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流變?yōu)樵瓉淼膬杀禗.圖線的斜率由k變?yōu)?，則線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流變?yōu)樵瓉淼膬杀洞鸢窩解析由法拉第電磁感應(yīng)定律得線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢Ennnka2，設(shè)繞成線圈的導(dǎo)線的橫截面積為S截，導(dǎo)線的電阻率為，由電阻定律可知，線圈的電阻R，則線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流I.若要使線圈中的感應(yīng)電流變?yōu)樵瓉淼膬杀?，則可使圖線的斜率變?yōu)樵瓉淼膬杀痘蛘叫尉€圈的邊長變?yōu)樵瓉淼膬杀?，C正確，A、B、D錯誤.考點二公式EBlv的應(yīng)用8.如圖7所示，在豎直向下的勻強磁場中，將一個水平放置的金屬棒ab以水平初速度v0拋出，設(shè)運動的整個過程中不計空氣阻力，則金屬棒在運動過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小將()圖7A.越來越大B.越來越小C.保持不變D.無法確定答案C9.如圖8所示，PQRS為一正方形導(dǎo)線框，它以恒定速度向右進入以MN為邊界的勻強磁場中，磁場方向垂直線框平面，MN與水平直線成45角，E、F分別為PS和PQ的中點.關(guān)于線框中的感應(yīng)電流()圖8A.當E點經(jīng)過邊界MN時，感應(yīng)電流最大B.當P點經(jīng)過邊界MN時，感應(yīng)電流最大C.當F點經(jīng)過邊界MN時，感應(yīng)電流最大D.當Q點經(jīng)過邊界MN時，感應(yīng)電流最大答案B解析當P點經(jīng)過邊界MN時，有效切割長度最長，感應(yīng)電動勢最大，所以感應(yīng)電流最大.10.如圖9所示，平行導(dǎo)軌間距為d，其左端接一個電阻R，勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B，方向垂直于平行金屬導(dǎo)軌所在平面向上，一根金屬棒與導(dǎo)軌成角放置，金屬棒與導(dǎo)軌的電阻均不計.當金屬棒沿垂直于棒的方向以恒定的速度v在導(dǎo)軌上滑行時，通過電阻R的電流大小是()圖9A. B.C. D.答案D解析金屬棒MN垂直于磁場放置，運動速度v與棒垂直，且vB，即已構(gòu)成兩兩相互垂直的關(guān)系，MN接入導(dǎo)軌間的有效長度為l，所以EBlv，I，故選項D正確.11.(多選)(2018駐馬店市高二下學(xué)期期末)如圖10所示，一導(dǎo)線折成邊長為a的正三角形閉合回路，虛線MN右側(cè)有磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場，方向垂直于回路所在的平面向下，回路以速度v向右勻速進入磁場，邊長CD始終與MN垂直，從D點到達邊界開始到C點進入磁場為止，下列結(jié)論中正確的是()圖10A.導(dǎo)線框受到的安培力方向始終向上B.導(dǎo)線框受到的安培力方向始終向下C.感應(yīng)電動勢的最大值為BavD.感應(yīng)電動勢的平均值為Bav答案CD二、非選擇題12.如圖11甲所示，光滑平行金屬導(dǎo)軌MN、PQ水平放置，電阻不計，兩