2023屆高三物理【新教材】一輪復(fù)習(xí) 12-2 法拉第電磁感應(yīng)定律　自感現(xiàn)象

第2講法拉第電磁感應(yīng)定律自感現(xiàn)象【必備知識·自主排查】一、法拉第電磁感應(yīng)定律1．感應(yīng)電動勢(1)概念：在________現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢．(2)產(chǎn)生條件：穿過回路的________發(fā)生改變，與電路是否閉合________．(3)方向判斷：感應(yīng)電動勢的方向用________或________判斷．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________________成正比．(2)公式：E＝________，其中n為線圈匝數(shù)．(3)感應(yīng)電流與感應(yīng)電動勢的關(guān)系：遵守閉合電路的________定律，即I＝ER+r3．導(dǎo)體切割磁感線的情形(1)若B、l、v相互垂直，則E＝________．(2)v∥B時(shí)，E＝0.(3)公式中l(wèi)為有效長度，示例圖：二、自感、渦流1．自感現(xiàn)象(1)概念：當(dāng)一個(gè)線圈中的電流變化時(shí)，它所產(chǎn)生的________的磁場在線圈本身激發(fā)出__________，這種現(xiàn)象稱為自感．(2)自感電動勢①定義：在自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢叫作______________________．②表達(dá)式：E＝________．(3)自感系數(shù)L①相關(guān)因素：與線圈的________、形狀、匝數(shù)以及是否有鐵芯有關(guān)．②單位：亨利(H)，1mH＝________H，1μH＝10－6H．2．渦流當(dāng)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，在它附近的任何導(dǎo)體中都會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流，看起來就像水中的漩渦，所以叫渦流．【生活、科技情境】1.(1)真空冶煉爐是利用渦流來熔化金屬的裝置．()(2)家用電磁爐鍋體中的渦流是由恒定磁場產(chǎn)生的．()(3)阻尼擺擺動時(shí)產(chǎn)生的渦流總是阻礙其運(yùn)動．()(4)變壓器的鐵芯用相互絕緣的硅鋼片疊成能減小渦流．()【教材拓展】2.[人教版選擇性必修第二冊P29“做一做”改編]在圖中，電流表與螺線管組成閉合電路，則關(guān)于電流表指針偏轉(zhuǎn)情況：(1)磁鐵快速插入螺線管時(shí)比慢速插入螺線管時(shí)電流表指針偏轉(zhuǎn)大．()(2)磁鐵快速插入螺線管和慢速插入螺線管，磁通量變化相同，故電流表指針偏轉(zhuǎn)相同．()(3)磁鐵放在螺線管中不動時(shí)，螺線管中的磁通量最大，所以電流表指針偏轉(zhuǎn)最大．()(4)將磁鐵從螺線管中拔出時(shí)，磁通量減小，所以電流表指針偏轉(zhuǎn)一定減?。?)【關(guān)鍵能力·分層突破】考點(diǎn)一法拉第電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用1．法拉第電磁感應(yīng)定律的理解(1)感應(yīng)電動勢的大小由線圈的匝數(shù)和穿過線圈的磁通量的變化率ΔΦΔt共同決定，而與磁通量Φ的大小、變化量ΔΦ的大小沒有必然聯(lián)系(2)磁通量的變化率ΔΦΔt對應(yīng)Φ-t圖線上某點(diǎn)切線的斜率2．應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律時(shí)應(yīng)注意的兩個(gè)問題(1)公式E＝nΔΦΔt求解的是一個(gè)回路中某段時(shí)間內(nèi)的平均感應(yīng)電動勢，在磁通量均勻變化時(shí)，瞬時(shí)值才等于平均值(2)利用公式E＝nSΔBΔt求感應(yīng)電動勢時(shí)，S為線圈在磁場范圍內(nèi)的有效面積【跟進(jìn)訓(xùn)練】1.[人教版選擇性必修第二冊P43T5改編]A、B兩個(gè)閉合線圈用同樣的導(dǎo)線制成，匝數(shù)均為10匝，半徑rA＝2rB，分別按下圖甲、乙兩種方式放入勻強(qiáng)磁場中，且磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間均勻減小，則下列說法正確的是()A．甲圖中，A、B兩線圈中電動勢之比為4∶1B．甲圖中，A、B兩線圈中電流之比為2∶1C．乙圖中，A、B兩線圈中電動勢之比為4∶1D．乙圖中，A、B兩線圈中電流之比為4∶12．如圖甲所示，N＝200匝的線圈(圖中只畫了2匝)，電阻r＝2Ω，其兩端與一個(gè)R＝48Ω的電阻相連，線圈內(nèi)有指向紙內(nèi)方向的磁場．線圈中的磁通量按圖乙所示規(guī)律變化．(1)判斷通過電阻R的電流方向；(2)求線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E；(3)求電阻R兩端的電壓U.考點(diǎn)二導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的計(jì)算E＝BLv的三個(gè)特性正交性本公式要求磁場為勻強(qiáng)磁場，而且B、L、v三者互相垂直有效性公式中的L為導(dǎo)體棒切割磁感線的有效長度，如圖所示相對性E＝BLv中的速度v是導(dǎo)體棒相對磁場的速度，若磁場也在運(yùn)動，應(yīng)注意速度間的相對關(guān)系角度1平動切割例1[2021·河北卷，7]如圖，兩光滑導(dǎo)軌水平放置在豎直向下的勻強(qiáng)磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B.導(dǎo)軌間距最窄處為一狹縫，取狹縫所在處O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)．狹縫右側(cè)兩導(dǎo)軌與x軸夾角均為θ，一電容為C的電容器與導(dǎo)軌左端相連．導(dǎo)軌上的金屬棒與x軸垂直，在外力F作用下從O點(diǎn)開始以速度v向右勻速運(yùn)動，忽略所有電阻．下列說法正確的是()A．通過金屬棒的電流為2BCv2tanθB．金屬棒到達(dá)x0時(shí)，電容器極板上的電荷量為BCvx0tanθC.金屬棒運(yùn)動過程中，電容器的上極板帶負(fù)電D．金屬棒運(yùn)動過程中，外力F做功的功率恒定[解題心得]命題分析試題情境屬于綜合性題目，以導(dǎo)體棒切割磁感線為素材創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)探索問題情境必備知識考查法拉第電磁感應(yīng)定律、電荷量及電流的計(jì)算、安培力及功率等關(guān)鍵能力考查理解能力、推理論證能力．理解法拉第電磁感應(yīng)定律的準(zhǔn)確含義學(xué)科素養(yǎng)考查物理觀念、科學(xué)思維．要求由導(dǎo)線切割磁感線產(chǎn)生電動勢推導(dǎo)電容器的帶電量及電路中的電流、功率等角度2旋轉(zhuǎn)切割例2[2021·廣東卷，10](多選)如圖所示，水平放置足夠長光滑金屬導(dǎo)軌abc和de，ab與de平行，bc是以O(shè)為圓心的圓弧導(dǎo)軌．圓弧be左側(cè)和扇形Obc內(nèi)有方向如圖的勻強(qiáng)磁場．金屬桿OP的O端與e點(diǎn)用導(dǎo)線相接，P端與圓弧bc接觸良好．初始時(shí)，可滑動的金屬桿MN靜止在平行導(dǎo)軌上．若桿OP繞O點(diǎn)在勻強(qiáng)磁場區(qū)內(nèi)從b到c勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，回路中始終有電流，則此過程中，下列說法正確的有()A．桿OP產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢恒定B．桿OP受到的安培力不變C．桿MN做勻加速直線運(yùn)動D．桿MN中的電流逐漸減小[解題心得]命題分析試題情境屬于綜合性題目，以導(dǎo)體棒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電動勢為素材創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)探索問題情境必備知識考查電動勢的產(chǎn)生、安培力公式關(guān)鍵能力考查理解能力、推理能力．理解平動切割和轉(zhuǎn)動切割產(chǎn)生電動勢的綜合性問題學(xué)科素養(yǎng)考查物理觀念、科學(xué)思維．要求考生會分析閉合電路中兩導(dǎo)體棒受力存在動態(tài)變化的問題【跟進(jìn)訓(xùn)練】3．(多選)如圖所示是都由均勻?qū)Ь€制成的單匝正方形線框a和圓形線框b處于矩形有界勻強(qiáng)磁場區(qū)域中的俯視圖，兩線框置于光滑絕緣水平面上，現(xiàn)用外力分別同時(shí)作用于兩線框使其以大小相等的速度v沿垂直于磁場的方向分別向左、向右做勻速直線運(yùn)動，運(yùn)動過程中正方形線框左邊始終與磁場左邊界平行，已知正方形線框的邊長和圓形線框的直徑相等，兩線框的電阻相同．兩線框在勻速離開磁場的過程中，下列說法正確的是()A．外力對線框a、b做的功相等，線框a、b產(chǎn)生的熱量也相等B．線框a、b全部離開磁場過程中通過線框的電荷量之比qa∶qb＝4∶πC．線框a所受安培力的沖量大于線框b所受安培力的沖量D．線框a、b中產(chǎn)生的最大感應(yīng)電動勢大小相等4．如圖所示，固定在水平面上的半徑為r的金屬圓環(huán)內(nèi)存在方向豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場．長為l的金屬棒，一端與圓環(huán)接觸良好，另一端固定在豎直導(dǎo)電轉(zhuǎn)軸OO′上，隨軸以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動，在圓環(huán)的A點(diǎn)和電刷間接有阻值為R的電阻和電容為C、板間距為d的平行板電容器，有一帶電微粒在電容器極板間處于靜止?fàn)顟B(tài)．已知重力加速度為g，不計(jì)其它電阻和摩擦，下列說法正確的是()A．棒產(chǎn)生的電動勢為12Bl2B．微粒的電荷量與質(zhì)量之比為2gdC．電阻消耗的電功率為πD．電容器所帶的電荷量為CBr2ω考點(diǎn)三自感現(xiàn)象渦流角度1通電自感與斷電自感現(xiàn)象1.自感現(xiàn)象的四大特點(diǎn)(1)自感電動勢總是阻礙導(dǎo)體中原電流的變化．(2)通過線圈中的電流不能發(fā)生突變，只能緩慢變化．(3)電流穩(wěn)定時(shí)，自感線圈就相當(dāng)于普通導(dǎo)體．(4)線圈的自感系數(shù)越大，自感現(xiàn)象越明顯，自感電動勢只是延緩了過程的進(jìn)行，但它不能使過程停止，更不能使過程反向．2．自感現(xiàn)象中燈泡“閃亮”與“不閃亮”的原因項(xiàng)目與線圈串聯(lián)的燈泡與線圈并聯(lián)的燈泡電路圖通電時(shí)電流逐漸增大，燈泡逐漸變亮電流突然增大，然后逐漸減小達(dá)到穩(wěn)定斷電時(shí)電流逐漸減小，燈泡逐漸變暗，電流方向不變電路中穩(wěn)態(tài)電流為I1、I2：①若I2≤I1，燈泡逐漸變暗；②若I2>I1，燈泡閃亮后逐漸變暗，兩種情況燈泡中電流方向均改變例3圖甲和圖乙是教材中演示自感現(xiàn)象的兩個(gè)電路圖，L1和L2為電感線圈．實(shí)驗(yàn)時(shí)，斷開開關(guān)S1瞬間，燈A1突然閃亮，隨后逐漸變暗；閉合開關(guān)S2，燈A2逐漸變亮，而另一個(gè)相同的燈A3立即變亮，最終A2與A3的亮度相同．下列說法正確的是()A．圖甲中，A1與L1的電阻值相同B．圖甲中，閉合S1，電路穩(wěn)定后，A1中電流大于L1中電流C．圖乙中，變阻器R與L2的電阻值相同D．圖乙中，閉合S2瞬間，L2中電流與變阻器R中電流相等角度2渦流例4[2022·江蘇南京、鹽城一模]下列圖中，A圖是真空冶煉爐，可以冶煉高質(zhì)量的合金；B圖是充電器，工作時(shí)繞制線圈的鐵芯會發(fā)熱；C圖是安檢，可以探測人身上是否攜帶金屬物品；D圖是工作人員穿上金屬絲織成的衣服，可以高壓帶電作業(yè)．其中不屬于渦流的應(yīng)用的是()角度3電磁阻尼和電磁驅(qū)動例5(多選)在某次科技活動中，有人做了一個(gè)電磁“小車”實(shí)驗(yàn)：如圖所示，用裸露的銅導(dǎo)線繞制成一根長螺線管，將螺線管固定在水平桌面上．用一節(jié)干電池和兩個(gè)磁鐵制成一個(gè)“小車”，兩磁鐵的同名磁極粘在電池的正、負(fù)兩極上．將這輛“小車”推入螺線管中，磁鐵與電極和銅線間均能良好導(dǎo)電，“小車”就加速運(yùn)動起來．關(guān)于“小車”的運(yùn)動，以下說法正確的是()A．圖中“小車”加速度方向向右B．圖中“小車”加速度方向向左C．只將“小車”上某一磁鐵改為S極與電池粘連，“小車”就不能加速運(yùn)動D．只將“小車”上兩磁鐵均改為S極與電池粘連，“小車”的加速度方向不變【跟進(jìn)訓(xùn)練】5．為測量線圈L的直流電阻R0，某研究小組設(shè)計(jì)了如圖所示電路．已知線圈的自感系數(shù)較大，兩電表可視為理想電表，其示數(shù)分別記為U、I，實(shí)驗(yàn)開始前，S1處于斷開狀態(tài)，S2處于閉合狀態(tài)．關(guān)于實(shí)驗(yàn)過程，下列說法不正確的是()A．閉合S1，電流表示數(shù)逐漸增大至穩(wěn)定值B．閉合S1，電壓表示數(shù)逐漸減小至穩(wěn)定值C．待兩電表示數(shù)穩(wěn)定后，方可讀取U、I的值D．實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)先斷開S1第2講法拉第電磁感應(yīng)定律自感現(xiàn)象必備知識·自主排查一、1．(1)電磁感應(yīng)(2)磁通量無關(guān)(3)楞次定律右手定則2．(1)變化率(2)nΔΦΔt(3)3．(1)Blv二、1．(1)變化感應(yīng)電動勢(2)自感電動勢LΔIΔt(3)大小10－生活、科技情境1．答案：(1)√(2)×(3)√(4)√教材拓展2．答案：(1)√(2)×(3)×(4)×關(guān)鍵能力·分層突破1．答案：C2．解析：(1)根據(jù)圖像可知，線圈中垂直于紙面向里的磁場增大，為了阻礙線圈中磁通量的增大，根據(jù)楞次定律可知線圈中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場垂直于紙面向外，根據(jù)安培定則可知線圈中的感應(yīng)電流為逆時(shí)針方向，通過電阻R的電流方向?yàn)閍→b.(2)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得E＝NΔΦΔt＝200×0.015-0.0100.10V＝10(3)電阻R兩端的電壓為路端電壓，根據(jù)分壓規(guī)律可知U＝RR+rE＝4848+2×10V＝9.6答案：(1)a→b(2)10V(3)9.6V例1解析：經(jīng)過時(shí)間t，金屬棒切割磁感線的有效長度L＝2vttanθ，金屬棒切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E＝BLv＝2Bv2ttanθ，則電容器極板上的電荷量Q＝CE＝2BCv2ttanθ，則通過金屬棒中的電流I＝ΔQΔt＝2BCv2tanθ，A正確；當(dāng)金屬棒到達(dá)x＝x0時(shí)，即vt＝x0時(shí)，電容器極板上的電荷量Q0＝2BCvx0tanθ，B錯(cuò)誤；根據(jù)楞次定律可知，感應(yīng)電流沿逆時(shí)針方向(從上往下看)，則電容器的上極板帶正電，C錯(cuò)誤；因?yàn)榻饘侔糇鰟蛩龠\(yùn)動，所以外力F＝F安＝BIL，外力做功的功率P＝Fv＝4B2Cv4ttan2θ，是變化的，D錯(cuò)誤答案：A例2解析：根據(jù)轉(zhuǎn)動切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的公式可知EOP＝12Bl2ω，故A正確．OP切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，由右手定則可判斷出MN中電流為從M到N，根據(jù)左手定則可知MN所受安培力向左，MN向左運(yùn)動，切割磁感線，產(chǎn)生的感應(yīng)電流與OP切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向相反，故OP與MN中的電流會逐漸減小，OP所受安培力逐漸減小，MN做加速度逐漸減小的加速運(yùn)動，故B、C錯(cuò)誤，D正確答案：AD3．解析：設(shè)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，線框b的半徑為r，則線框a的邊長為2r.當(dāng)線框a勻速離開磁場時(shí)所受安培力是恒力，所受作用在線框上的外力大小等于線框所受恒定安培力的大小，而線框b勻速離開磁場時(shí)所受安培力是變力，所受外力是變力，其最大值與線框a所受外力相等，則b所受外力的平均值小于a所受外力，由于兩線框的位移相等，則外力做功不相等，安培力做功也不相等，轉(zhuǎn)化的內(nèi)能(產(chǎn)生的熱量)也不相等，選項(xiàng)A錯(cuò)誤．通過線框的電荷量q＝I·Δt＝ER·Δt＝ΔΦR·Δt·Δt＝B·ΔSR，而兩線框的面積之比為4r2∶πr2＝4∶π，可知選項(xiàng)B正確．兩線框完全離開磁場所用的時(shí)間相同，而線框a所受安培力大于線框b所受安培力的平均值，由I＝F·Δt可知線框a所受安培力的沖量大于線框b所受安培力的沖量，選項(xiàng)C正確．線框a中的最大感應(yīng)電動勢Ea＝2Brv，線框b正好有一半穿出磁場時(shí)感應(yīng)電動勢有最大值，為Eb＝2Brv，選項(xiàng)答案：BCD4．解析：棒產(chǎn)生的電動勢為E＝Br·12ωr＝12Br2ω，A錯(cuò)誤．金屬棒電阻不計(jì)，故電容器兩極板間的電壓等于棒產(chǎn)生的電動勢，微粒的重力與其受到的電場力大小相等，有qEd＝mg，可得qm＝2gdBr2ω，B正確．電阻消耗的電功率P＝E2R＝B2r4ω24R，C答案：B例3解析：斷開開關(guān)S1瞬間，線圈L1產(chǎn)生自感電動勢，阻礙電流的減小，通過L1的電流反向通過燈A1，燈A1突然閃亮，隨后逐漸變暗，說明IL1>IA1，即RL1<RA1，A錯(cuò)誤．圖甲中，閉合S1，電路穩(wěn)定后，因?yàn)镽L1<RA1，所以A1中電流小于L1中電流，B錯(cuò)誤．閉合開關(guān)S2，燈A2逐漸變亮，而另一個(gè)相同的燈A3立即變亮，最終A2與A3的亮度相同，說明變阻器R與L2的電阻值相同，C正確．閉合S2瞬間，通過L2的電流增大，由于電磁感應(yīng)，線圈L2產(chǎn)生自感電動勢，阻礙電流的增大，則L2中電流與變阻器R中電流不相等，D錯(cuò)誤．答案：C例4解析：線圈接有交變電流，在線圈中會產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場在冶煉爐中產(chǎn)生電場，使自由電荷在電場力的作用下定向移動形成渦流，故A圖中真空冶煉爐屬于渦流的應(yīng)用；充電器工作時(shí)有交變電流通過，交變電流產(chǎn)生的交變磁場穿過鐵芯，在鐵芯中產(chǎn)生電場，使自由電荷在電場力的作用下定向移動形成渦流，故B圖中充電器屬于渦流的應(yīng)用；線圈中交變電流產(chǎn)生交變的磁場，會在金屬物品中產(chǎn)生交變