第四章第5節(jié),電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況

第5節(jié)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況第四章電磁感應(yīng)第一篇模塊同步導(dǎo)學(xué)篇知識一感生電場與感生電動勢[基礎(chǔ)梳理]1．感生電場麥克斯韋認(rèn)為，磁場變化時會在空間激發(fā)一種電場，它與靜電場不同，不是由_____產(chǎn)生的，我們叫它感生電場．2．感生電動勢由感生電場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢．3．感生電動勢中的非靜電力就是__________對_________的作用．電荷感生電場自由電荷4．感生電場的方向判斷由磁場的方向和強弱變化，根據(jù)楞次定律用安培定則判斷．特別提醒(1)感生電場是一種渦旋電場，電場線是閉合的．(2)感生電場的方向可由楞次定律判斷．如圖所示，當(dāng)磁場增強時，產(chǎn)生的感生電場是與磁場方向垂直且阻礙磁場增強的電場．(3)感生電場的存在與是否存在閉合電路無關(guān)．判斷：(1)感生電場線是閉合的．(

)(2)磁場變化時，可以產(chǎn)生感生電場，并不需要電路閉合這一條件．(

)(3)感生電場是產(chǎn)生感生電動勢的原因．(

)答案(1)√

(2)√

(3)√[釋疑解難]感生電動勢磁場變化時會在空間激發(fā)感生電場，處在感生電場中的閉合導(dǎo)體中的自由電荷在電場力的作用下定向運動，產(chǎn)生感應(yīng)電流，或者說，導(dǎo)體中產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢．由感生電場產(chǎn)生的電動勢叫做感生電動勢．(1)電路中電源電動勢是非靜電力對自由電荷的作用．在電池中，這種力表現(xiàn)為化學(xué)作用．(2)感生電場對電荷產(chǎn)生的力，相當(dāng)于電源內(nèi)部的所謂的非靜電力．感生電動勢在電路中的作用就是電源．[學(xué)后自測]1．在如圖所示的四種磁場情況中能產(chǎn)生恒定的感生電場的是(

)C

[據(jù)麥克斯韋電磁理論，要產(chǎn)生恒定的感生電場，必須由均勻變化的磁場產(chǎn)生，C對．]知識二電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的洛倫茲力[基礎(chǔ)梳理]1．動生電動勢由于導(dǎo)體___________運動而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢．2．動生電動勢中的“非靜電力”自由電荷因隨導(dǎo)體棒運動而受到_________，非靜電力與__________有關(guān)．3．動生電動勢中的功能關(guān)系閉合回路中，導(dǎo)體棒做切割磁感線運動時，克服_____力做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為_______.切割磁感線洛倫茲力洛倫茲力電能安培[學(xué)后自測]2．如圖所示，導(dǎo)體棒向右運動切割磁感線時，棒中的電子受的洛倫茲力方向如何？提示：電子隨棒向右運動，同時受向下的洛倫茲力，有向下的分速度，電子的合速度向右下方，洛倫茲力向左下方．[釋疑解難]感生電動勢與動生電動勢的對比感生電動勢動生電動勢產(chǎn)生原因磁場的變化導(dǎo)體做切割磁感線運動移動電荷的非靜電力感生電場對自由電荷的電場力導(dǎo)體中自由電荷所受洛倫茲力沿導(dǎo)體方向的分力回路中相當(dāng)于電源的部分處于變化磁場中的線圈部分做切割磁感線運動的導(dǎo)體ΔΦ產(chǎn)生的原因磁場變化產(chǎn)生電動勢，ΔΦ是由于磁場變化而產(chǎn)生的，所以ΔΦ＝ΔB·S導(dǎo)體運動產(chǎn)生電動勢，ΔΦ是由于導(dǎo)體線框本身的面積發(fā)生變化而產(chǎn)生的，所以ΔΦ＝B·ΔS方向判斷方法由楞次定律判斷通常由右手定則判斷，也可由楞次定律判斷大小計算方法由E＝n計算通常由E＝Blvsinθ計算，也可由E＝n計算特別提醒有些情況下，動生電動勢和感生電動勢具有相對性．例如，將條形磁鐵插入線圈中，如果在相對磁鐵靜止的參考系內(nèi)觀察，線圈運動，產(chǎn)生的是動生電動勢；如果在相對線圈靜止的參考系中觀察，線圈中磁場變化，產(chǎn)生感生電動勢．[學(xué)后自測]3．如圖所示的是一個水平放置的玻璃圓環(huán)形小槽，槽內(nèi)光滑，槽寬度和深度處處相同．現(xiàn)將一直徑略小于槽寬的帶正電小球放在槽中，讓它獲得一初速度v0，與此同時，有一變化的磁場垂直穿過玻璃圓環(huán)形小槽外徑所對應(yīng)的圓面積，磁感應(yīng)強度的大小跟時間成正比例增大，方向豎直向下．設(shè)小球在運動過程中電荷量不變，則(

)A．小球受到的向心力大小不變B．小球受到的向心力大小不斷增大C．磁場力對小球做了功D．小球受到的磁場力大小與時間成正比B

[本題考查了洛倫茲力和楞次定律，解題關(guān)鍵是由楞次定律判斷出感生電場的方向．當(dāng)磁感應(yīng)強度隨時間均勻增大時，將產(chǎn)生一恒定的感生電場，由楞次定律知，電場方向和小球初速度方向相同，因小球帶正電，安培力對小球做正功，小球速度逐漸增大，向心力也隨著增大，故A錯B對；洛倫茲力對運動電荷不做功，故C錯；帶電小球所受洛倫茲力F＝qBv，隨著速率的增大而增大，同時B∝t，則F和t不成正比，故D錯．]1．磁場變化時在空間激發(fā)出電場，叫做感生電場，此時磁場中的閉合導(dǎo)體回路中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，回路中感生電場對自由電荷的作用即為電源內(nèi)部非靜電力對自由電荷的作用．2．由感生電場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢叫做感生電動勢，感生電場的方向可根據(jù)楞次定律來判定．3．導(dǎo)體切割磁感線時會產(chǎn)生動生電動勢，此時導(dǎo)體相當(dāng)于電源，電源內(nèi)部的非靜電力與洛倫茲力有關(guān).命題一感生電場的理解[經(jīng)典例題][例1]

某空間出現(xiàn)了如圖所示的磁場，當(dāng)磁感應(yīng)強度變化時，在垂直于磁場的方向上會產(chǎn)生感生電場，有關(guān)磁感應(yīng)強度的變化與感生電場的方向關(guān)系描述正確的是(

)A．當(dāng)磁感應(yīng)強度均勻增大時，感生電場的電場線從上向下看應(yīng)為順時針方向B．當(dāng)磁感應(yīng)強度均勻增大時，感生電場的電場線從上向下看應(yīng)為逆時針方向C．當(dāng)磁感應(yīng)強度均勻減小時，感生電場的電場線從上向下看應(yīng)為順時針方向D．當(dāng)磁感應(yīng)強度均勻減小時，感生電場的電場線從上向下看應(yīng)為逆時針方向【思路點撥】

【嘗試自選】

________【解析】

感生電場中磁場的方向用楞次定律來判定：原磁場向上且磁感應(yīng)強度在增大，在周圍有閉合導(dǎo)線的情況下，感應(yīng)電流的磁場方向應(yīng)與原磁場方向相反，即感應(yīng)電流的磁場方向向下，再由右手螺旋定則得到感應(yīng)電流的方向即感生電場的方向：從上向下看應(yīng)為順時針方向；同理可知，原磁場方向向上且磁感應(yīng)強度減小時，感生電場的方向從上向下看應(yīng)為逆時針方向，所以A、D正確．【答案】

AD[應(yīng)用演練]1．如圖所示，甲圖中的圓環(huán)為閉合金屬圓環(huán)，乙圖中的圓環(huán)為閉合塑料圓環(huán)(不帶電)，它們所在處的磁場向下且逐漸變大，試比較兩個圓環(huán)中產(chǎn)生感生電場和感應(yīng)電流的情況．解析變化的磁場產(chǎn)生感生電場，故兩個圓環(huán)中均產(chǎn)生感生電場，甲環(huán)中有自由電荷，在電場力作用下定向運動，形成電流，乙環(huán)中無自由電荷，不形成感應(yīng)電流．答案見解析命題二感生電動勢的計算[經(jīng)典例題][例2]

如圖甲所示，n＝50匝的圓形線圈M，它的兩端點a、b與內(nèi)阻很大的電壓表相連，線圈中磁通量的變化規(guī)律如圖乙所示，則a、b兩點的電勢高低與電壓表的讀數(shù)為(

)A．φa＞φb,20V

B．φa＞φb,10VC．φa＜φb,20VD．φa＜φb,10V【思路點撥】

感生電動勢的大小可由法拉第電磁感應(yīng)定律計算，方向可由楞次定律判斷．產(chǎn)生感生電動勢的電路相當(dāng)于電源．【嘗試自選】

________【解析】

圓形線圈產(chǎn)生電動勢，相當(dāng)于電源內(nèi)電路．磁通量均勻增大，由楞次定律知，線圈中感應(yīng)電流為逆時針方向，又線圈相當(dāng)于內(nèi)電路，故φa＞φb；E＝

V＝10V，因而電壓表的讀數(shù)為10V．電壓表測量的是電源的電動勢，即感應(yīng)電動勢．故答案選B.【答案】

B[應(yīng)用演練]2．如圖所示，金屬棒ab置于水平放置的光滑框架cdef上，棒與框架接觸良好，勻強磁場垂直于ab棒斜向下．從某時刻開始磁感應(yīng)強度均勻減小，同時施加一個水平方向上的外力F使金屬棒ab保持靜止，則F(

)A．方向向右，且為恒力B．方向向右，且為變力C．方向向左，且為變力D．方向向左，且為恒力C

[由E＝n·S可知，因磁感應(yīng)強度均勻減小，感應(yīng)電動勢E恒定，由F安＝BIL，I＝可知，ab棒受的安培力隨B的減小，均勻變小，由外力F＝F安可知，外力F也均勻減少，為變力，由左手定則可判斷F安水平方向上的分量向右，所以外力F水平向左，C正確．]命題三動生電動勢的計算[經(jīng)典例題][例3]

如圖所示，三角形金屬框架MON平面與勻強磁場B垂直，導(dǎo)體ab能緊貼金屬框架運動，且始終與導(dǎo)軌ON垂直．當(dāng)導(dǎo)體ab從O點開始勻速向右平動時，速度為v0，試求bOc回路中某時刻的感應(yīng)電動勢隨時間變化的函數(shù)關(guān)系式．【思路點撥】

【嘗試自解】【解析】

設(shè)導(dǎo)體ab從O點出發(fā)時開始計時，剛經(jīng)過時間t后，棒ab勻速運動的距離為s，則有s＝v0t在△bOc中，由tan30°＝，有＝v0ttan30°則金屬棒ab接入回路的bc部分切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：E＝Bv0＝Bvttan30°在回路bOc中，回路總感應(yīng)電動勢具體由導(dǎo)體bc部分產(chǎn)生，因此，回路內(nèi)總的感應(yīng)電動勢為：E總＝E＝【答案】

E＝勻強磁場中動生電動勢的計算，有效長度的確定是問題的焦點，有時需借助于幾何關(guān)系分析．[應(yīng)用演練]3.如圖所示，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，若AB以5m/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，它們每米長度的電阻都是0.2Ω，磁場的磁感應(yīng)強度為0.2T．問：(1)3s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？回路中的電流為多少？(2)3s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？解析(1)夾在導(dǎo)軌間的部分導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生的電動勢才是電路中的感應(yīng)電動勢．3s末，夾在導(dǎo)軌間導(dǎo)體的長度為：l＝vt·tan30°＝5×3×tan30°m＝此時：E＝Blv＝電路電阻為R＝(15＋5＋10)×0.2Ω＝8.196Ω所以I＝＝1.06A.命題四電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化與守恒1．電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化(1)與感生電動勢有關(guān)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，磁場能轉(zhuǎn)化為電能，若電路是純電阻電路，轉(zhuǎn)化過來的電能將全部轉(zhuǎn)化為電阻的內(nèi)能．(2)與動生電動勢有關(guān)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，通過克服安培力做功，把機(jī)械能或其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能．克服安培力做多少功，就產(chǎn)生多少電能．若電路是純電阻電路，轉(zhuǎn)化過來的電能也將全部轉(zhuǎn)化為電阻的內(nèi)能．2．求解電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能量守恒問題的一般思路(1)分析回路，分清電源和外電路．在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，切割磁感線的導(dǎo)體或磁通量發(fā)生變化的回路將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該導(dǎo)體或回路就相當(dāng)于電源，其余部分相當(dāng)于外電路．(2)分析清楚有哪些力做功，明確有哪些形式的能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化．如：做功情況能量變化特點滑動摩擦力做功有內(nèi)能產(chǎn)生重力做功重力勢能必然發(fā)生變化克服安培力做功必然有其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，并且克服安培力做多少功，就產(chǎn)生多少電能安培力做正功電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能(3)根據(jù)能量守恒列方程求解．3．求解焦耳熱Q的幾種方法[經(jīng)典例題][例4]

(好題共享·選自教科版教材P18·例1)在如圖中，設(shè)運動導(dǎo)線ab長為L，速度為v，勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B，閉合電路總電阻為R.探究為了保持導(dǎo)線做勻速運動，外力所做的功W外和感應(yīng)電流的電功W電的關(guān)系．【思路點撥】

【嘗試自解】在電磁感應(yīng)中，產(chǎn)生的電能是通過外力克服安培力做功轉(zhuǎn)化而來的，外力做了多少功，就有多少電能產(chǎn)生，而這些電能又通過感應(yīng)電流做功，轉(zhuǎn)化為其他形式的能量．[應(yīng)用演練]4．(2016·臨沂市高二上學(xué)期期末)如圖所示，水平面上有兩根相距1.0m、足夠長的平行金屬導(dǎo)軌MN和PQ(導(dǎo)軌電阻忽略不計)，在M和P之間接有阻值為R2＝4Ω的定值電阻．導(dǎo)軌之間有一導(dǎo)體棒ab，其電阻R1＝2Ω，質(zhì)量m＝2kg，長L＝1.0m，與導(dǎo)軌接觸良好，它們之間的動摩擦因素μ＝0.2.整個裝置處于方向豎直向上的勻強磁場中，磁感應(yīng)強度B＝2T．現(xiàn)在導(dǎo)體棒ab上施加一個水平向右、大小為14N的恒力F，使導(dǎo)體棒ab由靜止開始運動．求：(1)通過ab棒電流的方向．(2)ab棒運動的最大速度vm是多少？(3)若導(dǎo)體棒從開始運動到速度達(dá)到最大的過程中運動的位移s＝10m，則在此過程中R2上產(chǎn)生的熱量QR2是多少？1.內(nèi)壁光滑的塑料管彎成的圓環(huán)平放在水平桌面上，環(huán)內(nèi)有一帶負(fù)電的小球，整個裝置處在豎直向下的磁場中，如圖所示，當(dāng)磁場突然增強時小球(

)A．沿順時針方向運動B．沿逆時針方向運動C．在原位置附近往復(fù)運動D．仍保持靜止?fàn)顟B(tài)A

[磁場突然增強時，激發(fā)出逆時針方向的感生電場，對負(fù)電荷的作用力為順時針，故小球沿順時針方向運動．]2．(2016·臨沂市高二上學(xué)期期末)傾斜固定放置、電阻不計、足夠長的U型金屬導(dǎo)軌處于垂直于斜面向上的勻強磁場中，如圖所示．在導(dǎo)軌上放置著平行于斜面底邊、電阻為R的金屬棒ab，開始時ab棒以平行于斜面的初速度v0沿斜面向上運動，直至上升到