新教材高中物理选择性必修2 第2章电磁感应第2节法拉第电磁感应定律(1)课件(共51张PPT)

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法拉第电磁感应定律
1．电源与外电路
切割磁感线运动的导体或磁通量发生变化的线圈相当于 ，其电阻相当于电源 ，其余部分是外电路．
2．常用参量的求解
电源
内阻
E－Ir
E＝BLv
一、电磁感应的电路问题
二、 电磁感应的图象问题
图象
类型 (1)磁感应强度B、磁通量Φ、感应电动势E和感应电流I随 变化的图象，即B－t图象、Φ－t图象、E－t图象、I－t图象
(2)对于切割磁感线产生感应电动势和感应电流的情况，还常涉及感应电动势E和感应电流I随
变化的图象，即E－x图象和I－x图象
问题
类型 (1)由给定的 过程判断或画出正确的图象
(2)由给定的有关图象分析 过程，求解相应的物理量
(3)利用给出的图象判断或画出新的图象
应用
知识 左手定则、安培定则、右手定则、 、
、欧姆定律、牛顿定律、函数图象等知识
时间t
位移x
电磁感应
电磁感应
楞次定律
法拉第电磁感应定律
例1 如图所示半径为a的圆形区域
内有匀强磁场，磁感应强度为B＝
0.2 T，磁场方向垂直纸面向里，半
径为b的金属圆环与磁场同圆心地
放置，磁场与环面垂直，其中a＝0.4 m，b＝0.6 m，金属环上分别接有灯L1、L2，两灯的电阻均为R＝20 Ω，一金属棒MN与金属环接触良好，棒的电阻为R′＝10 Ω，环的电阻忽略不计．那么：
题型一：电磁感应与电路的综合问题
【思路点拨】明确电源的电动势和内阻→明确电路的结构，画出等效电路图→应用电路的规律求解．
【解析】(1)棒滑过圆环直径OO′的瞬时，MN中的电动势为E1＝B2av＝0.2×0.8×5 V＝0.8 V，
等效电路如图甲所示，由闭
合电路欧姆定律可知回路总
电流为
【答案】(1)0.02 A　(2) 5×10－2 W
【方法与知识感悟】对电磁感应电路问题的理解
1．对电源的理解
电源是将其它形式的能转化为电能的装置．在电磁感应现象里，通过导体切割磁感线和线圈磁通量的变化而将其它形式的能转化为电能．
2．对电路的理解
内电路是切割磁感线的导体或磁通量发生变化的线圈，外电路由电阻、电容等电学元件组成．
例2 矩形导线框abcd固定在匀强磁场中，磁感线的方向与导线框所在平面垂直，规定磁场的正方向垂直纸面向里，磁感应强度B随时间变化的规律如图所示．若规定顺时针方向为感应电流i的正方向，下列各图中正确的是(　　)
题型二：由给定的有关图象(B－t图、Ф－t图)分析电磁感应过程问题
【思路点拨】弄清B－t图中斜率的意义，由法拉第电磁感应定律和欧姆定律分析电流大小如何变化，由楞次定律确定电流的方向．
【解析】0～1 s内B垂直纸面向里均匀增大，则由楞次定律及法拉第电磁感应定律可得线圈中产生恒定的感应电流，方向为逆时针方向，排除A、C选项；2s～3s内，B垂直纸面向外均匀增大，同理可得线圈中产生的感应电流方向为顺时针方向，排除B选项，D正确．
【答案】D
【方法与知识感悟】1. 解决图象问题的一般步骤
(1)明确图象的种类，即是B－t图还是Φ－t图，或者E－t图、I－t图等．
(2)分析电磁感应的具体过程．
(3)用右手定则或楞次定律确定方向对应关系．
(4)结合法拉第电磁感应定律、欧姆定律、牛顿定律等规律写出函数关系式．
(5)根据函数关系式，进行数学分析，如分析斜率的变化、截距等．
题型三：由给定的电磁感应过程(切割磁感线运动)选出或画出正确的图象
例3 如图所示，正方形区
域MNPQ内有垂直纸面向里的匀强磁
场，在外力作用下，一正方形闭合刚
性导线框沿QN方向匀速运动，t＝0时
刻，其四个顶点M′、N′、P′、Q′恰好在磁场边界中点，下列图象中能反映线框所受安培力f的大小随时间t变化规律的是(　　)
【答案】B
【方法与知识感悟】此类题主要考查导体棒切割磁感线产生的感应电动势E＝BLv及右手定则．解题的关键在于正确的确定导体棒切割磁感线的有效长度的变化．命题主要有以下三个特点：
(1)线框的形状导致有效长度变化；
(2)磁场的边界不规则导致有效长度变化；
(3)线框的速度变化导致电动势变化．
1．用相同导线绕制的边长为l或2l的四个闭合导体线框a、b、c、d，以相同的水平速度匀速进入右侧匀强磁场，如图所示．在每个线框进入磁场的过程中，M、N两点间的电压分别为Ua、Ub、Uc和Ud.下列判断正确的是( )
B
A．UaC．Ua＝UbAB
3．如图所示，一导体圆环位于纸面
内，O为圆心．环内两个圆心角为90°
的扇形区域内分别有匀强磁场，两磁
场磁感应强度的大小相等，方向相反
且均与纸面垂直．导体杆OM可绕O转
动，M端通过滑动触点与圆环良好接触．在圆心和圆环间连有电阻R.杆OM以角速度ω逆时针转动，t＝0时恰好在图示位置．规定从a到b流经电阻R的电流方向为正，圆环和导体杆的电阻忽略不计，则杆从t＝0开始转动一周的过程中，电流随ωt变化的图象是( )
4．如图甲是半径为a的圆形导线框，电阻为R，虚线是圆的一条弦，虚线左右两侧导线框内磁场的磁感应强度随时间变化如图乙所示，设垂直线框向里的磁场方向为正，求：
(1)线框中0～t0时间内的感应电流大小和方向；
(2)线框中0～t0时间内产生的热量．
【巩固基础】
1．如图所示，相距为d的两水平直线L1和L2分别是水平向里的匀强磁场的上、下边界，磁场的磁感应强度为B，正方形线框abcd边长为L(L＜d)、质量为m.将线框在磁场上方距L1的高度为h处由静止开始释放，当ab边进入磁场时速度为v0，cd边刚穿出磁场时速度也为v0 .则从ab边刚进入磁场到cd边刚穿出磁场的整个过程中( )
A．线框一直都有感应电流
B．线框一定有减速运动的过程
C．线框不可能有匀速运动的过程
D．线框产生的总热量为mg(d＋h＋L)
B
【解析】因为d>L，当线圈全部进入
磁场时，穿过线圈的磁通量不变，
无感应电流，A错．因为线圈全部
在磁场中运动时，有一个在重力作
用下向下加速运动的过程．要回到
初速度为v0的状态，必定有一个向下减速运动的过程，B对．线圈可以匀速进入磁场，接着在磁场中加速，下边离开磁场时减速，最后上边离开磁场时速度为v0，C错，从下边进入到上边离开磁场，由能量守恒Q＝mg(L＋d)，D错．
*2．如图甲所示，光滑导体框架abcd水平放置，质量为m的导体棒PQ平行于bc放在ab、cd上，且正好卡在垂直于轨道平面的四枚光滑小钉之间．回路总电阻为R，整个装置放在垂直于框架平面的变化的磁场中，磁场的磁感强度B随时间t的变化情况如图乙所示(规定磁感强度方向向上为正)，则在0～t时间内，关于回路内的感应电流I及小钉对PQ的弹力FN，的说法正确的是( )
A．I的大小是恒定的 B．I的方向是变化的
C．FN的大小是恒定的 D．FN的方向是变化的
AD
【解析】图象的斜率没发生变化，因此I的方向和大小都不变，A正确，B错误，磁感强度在大小均匀变化，则杆受的安培力大小变化，C错误；FN先向左再向右，D正确．
3．匀强磁场中有一长方形导线框，分别以相同的角速度绕图A、B、C、D所示的固定转轴旋转，用IA、IB、IC、ID表示四种情况下线框中电流的有效值，则( )
A
A．IA＝ID B．IA＝IB
C．IC＝ID D．IA>ID
*4.如图所示，在方向竖直向下、磁
感应强度为B的匀强磁场中，沿水
平面固定一个V字形金属框架CAD，
已知∠A＝θ，导体棒EF在框架上
从A点开始在外力作用下，沿垂直EF方向以速度v匀速向右平移，使导体棒和框架始终构成等腰三角形回路．已知框架和导体棒的材料和横截面积均相同，其单位长度的电阻均为R，框架和导体棒均足够长，导体棒运动中始终与磁场方向垂直，且与框架接触良好．关于回路中的电流I和消耗的电功率P随时间t变化关系的下列四个图象中可能正确的是( )
5．如图甲所示，面积为0.1 m2的10匝线圈EFG处在某磁场中，t＝0时，磁场方向垂直于线圈平面向里，磁感应强度B随时间变化的规律如图乙所示．已知线圈与右侧电路接触良好，电路中的电阻R＝4 Ω，电容C＝10 μF，线圈EFG的电阻为1 Ω，其余部分电阻不计．则当开关S闭合，电路稳定后，在t1＝0.1 s至t2＝0.2 s这段时间内( )
【提升能力】
C
A．电容器所带的电荷量为6×10－5 C
B．通过R的电流是2.5 A，方向从b到a
C．通过R的电流是2 A，方向从a到b
D．R消耗的电功率是0.16 W
*6．如图所示，一有界区域内，存在
着磁感应强度大小均为B，方向分别
垂直于光滑水平桌面向下和向上的匀
强磁场，磁场宽度均为L，边长为L的
正方形导线框abcd的bc边紧靠磁场边缘置于桌面上，使线框从静止开始沿x轴正方向匀加速通过磁场区域，若以逆时针方向为电流的正方向，能反映线框中感应电流变化规律的是( )
AC
时针为正．随t均匀增加，随x非线性增加．B、D图象表示t2时刻电流大小不变，只有方向突变，故错，选A、C.
7．如图所示，水平放置的平行板电
容器，与定值电阻R并联后与竖直放
置的线圈相连，线圈中有竖直向上
的变化磁场．当竖直向上缓缓移动电容器上面的金属板时，两板间带负电荷的油滴恰好处于静止状态．则这段时间里线圈中磁场的磁感应强度B的变化情况应是( )
C
8．如图所示，有一个等腰
直角三角形的匀强磁场区域，
直角边长为L，磁感应强度大
小为B，方向垂直纸面向外．一边长为L、总电阻为R的正方形闭合导线框abcd，从图示位置开始沿x轴正方向以速度v垂直磁场匀速穿过磁场区域．取电流沿a→b→c→d→a的方向为正，则下列表示线框中感应电流i随bc边位置坐标x变化的图象正确的是( )
C
【解析】在进入磁场的过程中，线框切割磁感线的有效长度越来越大，产生的感应电动势、感应电流越来越大，穿过线圈的磁通量越来越大，由楞次定律可判断出感应电流沿顺时针方向，即为正值；在出磁场的过程中，线框切割磁感线的有效长度越来越大，则感应电流越来越大，穿过线圈的磁通量越来越小，由楞次定律可判断，感应电流为逆时针方向，即为负值．综上所述，选项C正确．
9．如图所示，有一用铝板
制成的U型框，将一质量为
m的带电小球用绝缘细线悬
挂在框中，使整体在匀强磁
场中沿垂直于磁场方向向左以速度v匀速运动，悬挂拉力为FT，则( )
A．悬线竖直，FT＝mg
B．悬线竖直，FT＞mg
C．悬线竖直，FT＜mg
D．无法确定FT的大小和方向
A
10. 如图所示，倾角θ＝30°、宽度L＝1 m的足够长的U形平行光滑金属导轨固定在
磁感应强度B＝1 T、范围充
分大的匀强磁场中，磁场方
向垂直导轨平面斜向上，现
用一平行导轨的牵引力F，牵引一根质量m＝0.2 kg、电阻R＝1 Ω、垂直导轨的金属棒ab，由静止沿导轨向上移动(ab棒始终与导轨接触良好且垂直，不计导轨电阻及一切摩擦)．问：
(1)若牵引力为恒力，且F＝9 N，求金属棒达到的稳定速度v1；
(2)若牵引力功率恒为72 W，求金属棒达到的稳定速度v2；
(3)若金属棒受向上拉力在斜面导轨上达到某一速度时，突然撤力，此后金属棒又前进了0.48 m，其间，即从撤力至棒速为0时止，金属棒发热1.12 J．问撤力时棒速v3多大？
【解析】(1)恒力拉动到匀速时F＝mgsinθ＋BIL
9＝mgsinθ＋B2L2v1/R，得v1＝8 m/s
(2)恒功率拉动到匀速时F＝P/v2
P/v2＝mgsinθ＋B2L2v2/R
得v2＝8 m/s(得v2＝－9m/s舍去)
(3)设撤力后棒向前滑行的最大距离为S，此过程发热Q，则mv/2＝mgSsinθ＋Q,v3＝4 m/s.
【再上台阶】
11．如图所示，两条间距
L＝1 m的光滑金属导轨
制成倾角37°的斜面和水
平面，上端用阻值为R＝4 Ω的电阻连接．在斜面导轨区域和水平导轨区域内分别有垂直于斜面和水平面的匀强磁场B1 和B2，且B1 ＝B2＝0.5 T．ab和cd是质量均为m＝0.1 kg，电阻均为r＝4 Ω的两根金属棒，ab置于斜面导轨上，cd置于水平导轨上，均与导轨垂直且接触良好．已知t＝0时刻起，cd棒在外力作用下开始水平向右运动(cd棒始终在水平导轨上运动)，ab棒受到F＝0.6－0.2t(N)沿斜面向上的力作用，处于静止状态．不计导轨的电阻，试求：
(1)流过ab棒的电流强度Iab随时间t变化的函数关系；
(2)分析并说明cd棒在磁场B2中做何种运动；
(3)若t＝0时刻起，1.2 s内作用在cd棒上外力做功为W＝16 J，则这段时间内电阻R上产生的焦耳热QR多大？(已知sin37°＝0.6，cos37°＝0.8，g取10 m/s2)