第五节：电磁感应规律的应用学案
【学习目标】
（1）、了解感生电动势和动生电动势的概念及不同。
（2）、了解感生电动势和动生电动势产生的原因。
（3）、能用动生电动势和感生电动势的公式进行分析和计算。
【学习重点】感生电动势和动生电动势。
【学习难点】感生电动势和动生电动势产生的原因。
【学习方法】类比法、练习法
【学习过程】
一、温故知新：
1、法拉第电磁感应定律的内容是什么？数学表达式是什么？
2、导体在磁场中切割磁感线产生的电动势与什么因素有关，表达式是什么，它成立的条件又是什么？
二、学习新课
（一）、感生电动势和动生电动势
由于引起磁通量的变化的原因不同感应电动势产生的机理也不同，一般分为两种：一种是 不变，导体运动引起的磁通量的变化而产生的感应电动势，这种电动势称作 ，另外一种是 不动，由于磁场变化引起磁通量的变化而产生的电动势称作 。
1、感应电场
19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦在他的电磁场理论中指出，变化的磁场会在周围空间激发一种电场，我们把这种电场叫做感应电场。
静止的电荷激发的电场叫 ，静电场的电场线是由 发出，到 终止，电场线 闭合，而感应电场是一种涡旋电场，电场线是 的，如图所示，如果空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在电场力的作用下定向移动，而产生感应电流，或者说导体中产生感应电动势。
感应电场是产生 或 的原因，感应电场的方向也可以由 来判断。感应电流的方向与感应电场的方向 。
2、感生电动势
（1）产生：磁场变化时会在空间激发 ，闭合导体中的 在电场力的作用下定向运动，产生感应电流，即产生了感应电动势。
（2）定义：由感生电场产生的感应电动势成为 。
（3）感生电场方向判断： 定则。
例题，在空间出现如图所示的闭合电场，电场线为一簇闭合曲线，这可能是（ ）
A．沿AB方向磁场在迅速减弱
B. 沿AB方向磁场在迅速增强
C. 沿BA方向磁场在迅速减弱
D. 沿BA方向磁场在迅速增强
总结：已知感应电场方向求原磁通量的变化情况的基本思路是：
感应电场的方向 感应磁场的方向 磁通量的变化情况
3、感生电动势的产生
由感应电场使导体产生的电动势叫做感生电动势，感生电动势在电路中的作用就是充当 ，其电路是 电路，当它和外电路连接后就会对外电路供电。
变化的磁场在闭合导体所在的空间产生电场，导体内自由电荷在电场力作用下产生感应电流，或者说产生感应电动势。其中感应电场就相当于电源内部所谓的非静电力，对电荷产生作用。例如磁场变化时产生的感应电动势为E=
（二）、洛伦兹力与动生电动势
导体切割磁感线时会产生感应电动势，该电动势产生的机理是什么呢？
导体切割磁感线产生的感应电动势与哪些因素有关？
它是如何将其他形式的能转化为电能的？
1、动生电动势
（1）产生： 运动产生动生电动势
（2）大小：E= （B的方向与v的方向 ）
（3）动生电动势大小的推导：
2、动生电动势原因分析
导体在磁场中切割磁感线时，产生动生电动势，它是由于导体中的自由电子受到洛伦兹力的作用而引起的。
如图所示，一条直导线CD在云强磁场B中以速度v向右运动，并且导线CD与B、v的方向垂直，由于导体中的自由电子随导体一起以速度v运动，因此每个电子受到的洛伦兹力为：
F洛=Bev
F的方向竖直向下，在力F的作用下，自由电子沿导体向下运动，使导体下端出现过剩的负电荷，导体上端出现过剩的正电荷，结果使导体上端D的电势高于下端C的电势，出现由D指向C的静电场，此电场对电子的静电力F’的方向向上，与洛伦兹力F方向相反，随着导体两端正负电荷的积累，电场不断增强，当作用在自由电子上的静电力与电子受到的洛伦兹力相平衡时，DC两端产生一个稳定的电势差如果用另外的导线把CD两端连接起来，由于D段的电势比C段的电势高，自由电子在静电力的作用下将在导线框中沿顺时针流动，形成逆时针方向的电流，如图乙所示，电荷的流动使CD两端积累的电荷不断减少，洛伦兹力又不断使自由电子从D端运动到C端从而在CD两端维持一个稳定的电动势。
可见运动的导体CD就是一个电源，D端是电源的正极，C端是电源的负极，自由电子受洛伦兹力的用，从D端搬运到C端，也可以看做是正电荷受洛伦兹力作用从C端搬运到D端，这里洛伦兹力就相当于电源中的非静电力，根据电动势的定义，电动势等于单位正电荷从负极通过电源内部移动到电源的正极非静电力所做的功，作用在单位电荷上的洛伦兹力为：
F=F洛/e=Bv
于是动生电动势就是：
E=FL=BLv
上式与法拉第电磁感应定律得到的结果一致。
(三)、动生电动势和感生电动势具有相对性
动生电动势和感生电动势的划分，在某些情况下只有相对意义，如本章开始的实验中，将条形磁铁插入线圈中，如果在相对于磁铁静止的参考系观察，磁铁不动，空间各点的磁场也没有发生变化，而线圈在运动，线圈中的电动势是动生的；但是，如果在相对于线圈静止的参考系内观察，则看到磁铁在运动，引起空间磁场发生变化，因而，线圈中的电动势是感生的，在这种情况下，究竟把电动势看作动生的还是感生的，决定于观察者所在的参考系，然而，并不是在任何情况下都能通过转换参考系把一种电动势归结为另一种电动势，不管是哪一种电动势，法拉第电磁感应定律、楞次定律都成立。
(四)应用——电子感应加速器
即使没有导体存在，变化的磁场以在空间激发涡旋状的感应电场，电子感应器就是应用了这个原理，电子加速器是加速电子的装置，他的主要部分如图所示，画斜线的部分为电磁铁两极，在其间隙安放一个环形真空室，电磁铁用频率为每秒数十周的强大交流电流来励磁，使两极间的磁感应强度B往返变化，从而在环形真空室内感应出很强的感应涡旋电场，用电子枪将电子注入唤醒真空室，他们在涡旋电场的作用下被加速，同时在磁场里受到洛伦兹力的作用，沿圆规道运动。
如何使电子维持在恒定半径为R的圆规道上加速，这对磁场沿径向分布有一定的要求，设电子轨道出的磁场为B，电子做圆周运动时所受的向心力为洛伦兹力，因此：
eBv=mv2/R
mv=ReB
也就是说，只要电子动量随磁感应强度成正比例增加，就可以维持电子在一定的轨道上运动。
【学习小结】
【学习心得】
让学生知道电磁感应产生的机理，激励学生探求知识的来源和根源。有利于培养学生的学习精神。
第五节：电磁感应定律的应用同步练习一
基础达标
1．如图1所示，一个闭合电路静止于磁场中，由于磁场强弱的变化，而使电路中产生了感生电动势．下列说法中正确的是…（ ）
A．磁场变化时，会在空间激发一种电场
B．使电荷定向移动形成电流的力是磁场力
C．使电荷定向移动形成电流的力是电场力
D．以上说法都不对
答案：AC 图1
2．如图2所示，一个带正电的粒子在垂直于匀强磁场的平面内做圆周运动，当磁感应强度均匀增大时，此粒子的动能将（ ）
A．不变
B．增加
C．减少
D．以上情况都可能
答案：B 图2
3．穿过一个电阻为1 Ω的单匝闭合线圈的磁通量始终是每秒钟均匀地减少2 Wb，则（ ）
A．线圈中的感应电动势一定是每秒减少2 V
B．线圈中的感应电动势一定是2 V
C．线圈中的感应电流一定是每秒减少2 A
D．线圈中的感应电流一定是2 A
答案：BD
4．如图3所示，导体AB在做切割磁感线运动时，将产生一个电动势，因而在电路中有电流通过．下列说法中正确的是（ ）
A．因导体运动而产生的感应电动势称为动生电动势
B．动生电动势的产生与洛伦兹力有关
C．动生电动势的产生与电场力有关
D．动生电动势和感生电动势的产生原因是一样的
答案：AB 图3
5．在匀强磁场中，ab、cd两根导体棒沿两根导轨分别以速度v1、v2滑动，如图4所示．下列情况中，能使电容器获得最多电荷量且左边极板带正电的是（ ）
A．v1=v2,方向都向右
B．v1=v2，方向都向左
C．v1>v2,v1向右，v2向左
D．v1>v2,v1向左，v2向右
答案：C 图4
6．某空间出现了如图5所示的一组闭合的电场线，这可能是…（ ）
A．沿AB方向磁场在迅速减弱
B．沿AB方向磁场在迅速增强
C．沿BA方向磁场在迅速增强
D．沿BA方向磁场在迅速减弱
答案：AC 图5
7．如图6所示，金属杆ab以恒定的速率v在光滑平行导轨上向右滑行．设整个电路中总电阻为R（恒定不变），整个装置置于垂直纸面向里的匀强磁场中，下列叙述正确的是…（ ）
A．ab杆中的电流与速率v成正比
B．磁场作用于ab杆的安培力与速率v成正比
C．电阻R上产生的电热功率与速率v的平方成正比
D．外力对ab杆做功的功率与速率v的平方成正比
答案：ABCD 图6
8、如图7所示，一个带正电的粒子在垂直于匀强磁场的平面内做圆周运动，当磁感应强度均匀增大时，此粒子的动能将（ ）
A．不变
B．增加
C．减少 图7
D．以上情况都可能
答案：B
9．如图8所示，A、B为大小、形状均相同且内壁光滑，但用不同材料制成的圆管，竖直固定在相同高度．两个相同的磁性小球，同时从A、B管上端的管口无初速释放，穿过A管的小球比穿过B管的小球先落到地面．下面对于两管的描述中可能正确的是（ ）
A．A管是用塑料制成的，B管是用铜制成的
B．A管是用铝制成的，B管是用胶木制成的
C．A管是用胶木制成的，B管是用塑料制成的
D．A管是用胶木制成的，B管是用铝制成的
答案：AD 图8
10、如图9所示，空间有一个方向水平的有界磁场区域，一个矩形线框，自磁场上方某一高度下落，然后进入磁场，进入磁场时，导线框平面与磁场方向垂直。则在进入时导线框不可能（ ）
A、变加速下落
B、变减速下落
C、匀速下落 图9
D、匀加速下落
思路解析：线框下落时的高度不同，进入磁场时的速度、产生的感应电动势、感应电流、线框所受的安培力不同，可能大于、等于或小于线框重力，故线框的运动可能有三种，只有D是不可能的。
答案：D
11、一条形磁铁与导线环在同一平面内，磁铁中央与线圈中心重合，如图10所示，为了在导线环中得到图示方向的电流I，磁铁应该（ ）
A、N极向纸内、S极向纸外绕O点转动 图10
B、N极向纸外、S极向纸内绕O点转动
C、磁铁沿垂直于纸面方向向纸外平动
D、磁铁沿垂直于纸面方向向纸内平动
答案：A
能力达标
12、两圆环A、B置于同一水平面内，其中A为均匀带电绝缘环，B为导体环，当A带正电且转速增大并以如图11所示的方向绕中心转动时，B中（ ）
A、产生如图方向相反的电流
B、产生如图方向的电流
C、不产生电流
D、以上说法都有可能正确
答案：B 图11
13、如图12所示，两根相距为L的竖直平行金属导轨位于磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中，导轨电阻不计，另外两根与上述光滑导轨保持良好接触的金属杆ab、cd质量均为m，电阻均为R.若要使cd静止不动，则ab杆应向_____________运动，速度大小为______________，作用于ab杆上的外力大小为______________.
图12
答案：上 2mg
14、如图13所示为两个同心闭合线圈的俯视图，若内线圈中通有图示的电流I1，则当I1增大时，关于外线圈中的感应电流I2的方向及I2受到的安培力F的方向，下列判断正确的是（ ）
A、I2沿顺时针方向，F沿半径指向圆心
B、I2沿逆时针方向，F沿半径背离圆心
C、I2沿逆时针方向，F沿半径指向圆心
D、I2沿顺时针方向，F沿半径背离圆心
答案：B 图13
15、如图14所示，矩形线圈一边长为a，另一边长为b，电阻为R，在它以速度v匀速穿过宽度为L、磁感应强度为B的匀强磁场的过程中，若b＞L，产生的电能为__________；通过导体截面的电荷量为__________；若b＜L，产生的电能为__________；通过导体截面的电荷量为__________.
思路解析：当b＞L时，线圈匀速运动产生感应电流的有效位移为2L，即有感应电流的时间为t1=，再根据E=Bav，E电=t1，q=It=t1，可得出答案；当b＜L时，线圈匀速运动产生感应电流的有效位移为2b，即有感应电流的时间为t2=，用同样的方法可求得答案。
答案：
16、如图15所示，均匀金属环的电阻为R，其圆心O，半径为L.一金属杆OA，质量可忽略不计，电阻为r，可绕O点转动，A端固定一质量为m的金属球a，球上有孔，套在圆环上可无摩擦滑动，Ob为一导线，整个装置放在与环平面垂直的匀强磁场中，磁感应强度为B.现把金属杆OA从水平位置由静止释放运动到竖直位置，球a的速度为v，则OA到竖直位置时产生的电动势为________________；此时OA所受安培力的功率为______________；杆OA由水平位置转到竖直位置这段时间内，电路中转化的内能为________________.
思路解析：OA的转动切割磁感线，求运动到最低点时的瞬时电动势和瞬时功率，应用法拉第电磁感应定律时，要运用旋转切割的情况.最后要求的是过程量，应用能量的转化和守恒。
答案：BLv mgL-mv2 图15
17、一匀强磁场，磁场方向垂直于纸面，规定向里为正方向，在磁场中有一金属圆环，圆环平面位于纸面内，如图16所示.现令磁感应强度B随时间变化，先按如图所示的Oa图线变化，后来又按照图线bc、cd变化，令E1、E2、E3分别表示这三段变化过程中的感应电动势的大小，I1、I2、I3分别表示对应的感应电流，则（ ）
图16
A、E1＞E2，I1沿逆时针方向，I2沿顺时针方向
B、E1＜E2，I1沿逆时针方向，I2沿顺时针方向
C、E1＜E2，I2沿顺时针方向，I3沿顺时针方向
D、E3＝E2，I2沿顺时针方向，I3沿逆时针方向
思路解析：bc段与cd段磁场的变化率相等，大于aO的磁场变化率.
答案：BC
18、在平行于水平地面的有界匀强磁场上方，有三个单匝线框A、B、C，从静止开始同时释放，磁感线始终与线框平面垂直.三个线框都是由相同的金属材料做成的相同正方形，其中A不闭合，有个小缺口；B、C都是闭合的，但B导线的横截面积比C的大，如图17所示.下列关于它们的落地时间的判断正确的是（ ）
A、A、B、C同时落地
B、A最迟落地
C、B在C之后落地
D、B和C在A之后落地 图17
思路解析：A中无感应电流，在进入和穿出磁场的过程中只受重力作用；B、C在进入和穿出磁场的过程中都有感应电流产生，都受向上的安培力作用，下落的加速度小于重力加速度，所以比A要晚落地；设线圈的边长为l，导线的横截面积为S，材料的密度为δ，电阻率为ρ，进入或穿出时的速度为v，磁感应强度为B，则线圈中产生的感应电动势为E=BLv，感应电流为I=，电阻为R=ρ，安培力为F=BIl，由牛顿第二定律加速度为a=，线圈的质量为m=4δSl.将上述方程整理后得：a=g-.加速度与导线的粗细无关，故B、C同时落地.
答案：D
19、如图18所示，在物理实验中，常用“冲击式电流计”来测定通过某闭合电路的电荷量。探测器线圈和冲击电流计串联后，又能测定磁场的磁感应强度.已知线圈匝数为n，面积为S，线圈与冲击电流计组成的回路电阻为R.把线圈放在匀强磁场时，开始时线圈与磁场方向垂直，现将线圈翻转180°，冲击式电流计测出通过线圈的电荷量为q，由此可知，被测磁场的磁感应强度B=______________。
图18
答案：
20、(2006天津高考理综)在竖直向上的匀强磁场中，水平放置一个不变形的单匝金属圆线圈，规定线圈中感应电流的正方向如图20甲所示，当磁场的磁感应强度B随时间t如图19乙变化时，正确表示线圈中感应电动势E变化的是图4-5-14中的（ ）
图19
图20
思路解析：由法拉第电磁感应定律，E=n=n,在t=0到t=1 s,B均匀增大，则为一恒量，则E为一恒量，再由楞次定律，可判断感应电动势为顺时针方向，则电动势为正值，在t=1 s到t=3 s,B不变化，则感应电动势为零，在t=3 s到t=5 s,B均匀增大，则为一恒量，但B变化得较慢，则E为一恒量，但比t=0到t=1 s小，再由楞次定律，可判断感应电动势为逆时针方向，则电动势为负值，所以A选项正确.
答案：A
21、有一面积为150 cm2的金属环，电阻为0.1 Ω，在环中100 cm2的同心圆面上存在如图21（b）所示的变化的磁场，在0.1 s到0.2 s的时间内环中感应电流为__________，流过的电荷量为__________.
图21
答案：0.1 A 0.01 C
22、如图22所示，两根平行金属轨道固定在水平桌面上，每根导轨每米的电阻为r0=0.10 Ω，导轨的端点P、Q用电阻可忽略的导线相连，两导轨间的距离l=0.20 m，有随时间变化的匀强磁场垂直于桌面，已知磁感应强度B与时间t的关系为B=kt，比例系数k=0.02 T/s.一电阻不计的金属杆可在导轨上无摩擦地滑动.在滑动过程中保持与导轨垂直，在t=0时刻，金属杆紧靠在P、Q端，在外力作用下，杆以恒定的加速度从静止开始向导轨的另一端滑动，求在t=6.0 s时金属杆所受的安培力。
图22
答案：1.44×10-3 N
23、如图23所示，面积为0.2 m2的100匝线圈处在匀强磁场中，磁场方向垂直于线圈平面.已知磁感应强度随时间变化的规律为B=（2+0.2t） T，定值电阻R1=6 Ω，线圈电阻R2=4 Ω，求：
图23
（1）磁通量变化率、回路中的感应电动势；
（2）a、b两点间的电压Uab.
答案：(1)0.04 Wb/s 4 V (2)2.4 V
