人教版选修二 2.2法拉第电磁感应定律 课件（66张PPT）

(共66张PPT)
2.2 法拉第电磁感应定律
学习目标：
(1)通过实验，理解法拉第电磁感应定律。知道E=Blvsin θ是法拉第电磁感应定律的一种特殊形式，会用法拉第电磁感应定律在具体情境中分析求解有关问题。
(2)经历分析推理得出法拉第电磁感应定律的过程，体会用变化率定义物理量的方法；经历推理得出E=Blusinθ的过程，体会矢量分解的方法。
(3)知道 与E=B1vsinθ的内在联系，感悟事物的共性与个性
的关系，体会辩证咋物主义的方法和观点。
复习回顾
闭合
穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，闭合导体回路中就有感应电流。感应电流的大小跟哪些因素有关呢？
磁铁相对于线圈运动得越快
电流计指针偏转角度越大
感应电流越大
穿过线圈的磁通量变化越快感应电流越大
感应电流的大小跟哪些因素有关？
可能与磁通量变化快慢有关
猜想：
导体切割磁感线的速度越大
电流计指针偏转角度越大
感应电流越大
穿过线圈的磁通量变化越快感应电流越大
实验探究：感应电流的大小跟哪些因素有关？
研究影响感应电流大小的因素。
猜想：可能的影响因素？
变化所用时间？
实验目的：
线圈匝数？
磁铁磁性强弱？
……
实验探究：感应电流的大小跟哪些因素有关？
实验方法
控制变量！
分别改变磁铁下落的时间、磁性的强弱、线圈的匝数，
重复实验……
想一想：
实验原理图中用毫伏电压表测的是谁的电压？如何根据电压表示数来得出感应电流大小？
实验探究：感应电流的大小跟哪些因素有关？
产生
电磁感应现象实质：产生感应电动势。
闭合
电磁感应中产生的电动势叫感应电动势。
实验探究：感应电流的大小跟哪些因素有关？
实验装置
线圈的两端与毫伏表相连。
实验探究：感应电流的大小跟哪些因素有关？
实验装置
实验探究：感应电流的大小跟哪些因素有关？
实验准备
实验探究：感应电流的大小跟哪些因素有关？
实验记录
准备 探究一 探究二 探究三
线圈接入匝数N
磁通量变化量ΔΦ
变化所用时间Δt
毫伏表指针偏转
感应电流大小
√
√
√
相同
相等
实验探究：感应电流的大小跟哪些因素有关？
实验探究一
磁通量变化所用时间Δt 不同
实验探究：感应电流的大小跟哪些因素有关？
实验记录
准备 探究一 探究二 探究三
线圈接入匝数N
磁通量变化量ΔΦ
变化所用时间Δt
毫伏表指针偏转
感应电流大小
√
√
√
相同
相等
√
√
越短
越大
越大
实验探究：感应电流的大小跟哪些因素有关？
实验探究二
磁通量变化 Φ不同。
磁铁磁性强弱不同，
实验探究：感应电流的大小跟哪些因素有关？
实验记录
准备 探究一 探究二 探究三
线圈接入匝数N
磁通量变化量ΔΦ
变化所用时间Δt
毫伏表指针偏转
感应电流大小
√
√
√
相同
相等
√
√
越短
越大
越大
√
√
越大
越大
越大
实验探究：感应电流的大小跟哪些因素有关？
线圈接入的匝数不同
实验探究三
实验探究：感应电流的大小跟哪些因素有关？
实验记录
准备 探究一 探究二 探究三
线圈接入匝数N
磁通量变化量ΔΦ
变化所用时间Δt
毫伏表指针偏转
感应电流大小
√
√
√
相同
相等
√
√
越短
越大
越大
√
√
越大
越大
越大
√
√
越多
越大
越大
结论：
感应电流的大小与 、 、 和 有关。
磁通量变化量ΔΦ
变化所用时间Δt
线圈接入匝数N
实验探究：感应电流的大小跟哪些因素有关？
实验结论：
感应电流的大小由磁通量变化率决定。
磁通量变化量 Φ = Φ2 – Φ1
则在 t = t2- t1时间内，
磁通量的变化率
分析总结
N
S
设在t1时刻的磁通量为Φ1，
在t2时刻的磁通量为Φ2，
实验探究：感应电流的大小跟哪些因素有关？
N
S
G
产生电动势的那部分导体相当于电源
I
电源
I
电动势
感应
如果电路不闭合虽然没有感应电流，但电动势依然存在。
所以产生感应电动势为电磁感应现象的本质。
1、感应电动势
一、电磁感应定律
——法拉第电磁感应定律
德国物理学家纽曼、韦伯在对理论和实验资料进行严格分析后，于1845年和1846年先后指出电磁感应的规律。
因法拉第对电磁感应现象研究的巨大贡献，后人称之为
一、电磁感应定律
闭合电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量变化率成正比。
（1） 内容：
（2）表达式
k=1
式中ΔΦ取绝对值
2、法拉第电磁感应定律
一、电磁感应定律
n匝线圈，相当于 N 个电源串联
（n匝线圈）
一、电磁感应定律
电源外部电流从电势高→低
(3)结合楞次定律判断电势高低
电源内部电流从电势低→高
一、电磁感应定律
课堂小结
磁通量 磁通量 变化量 磁通量
变化率
公式
含义
物理 意义
类比 v 、Δv 、Δv / Δt ……
Φ = BS
ΔΦ = Φ2-Φ1
ΔΦ / Δt
磁通量变化大小
磁感线条数
磁通量变化快慢
反映
磁场强弱
产生感应电动势的条件
决定感应电动势的大小
200、2磁铁10厘米高小角
200、2个磁铁40厘米高大偏角
200匝1个30厘米15
200匝好 2个30厘米31
课本实验
探究：穿过线圈的磁通量变化快慢与感应电流大小的关系
玻璃管
实验装置
强磁铁
线圈
电流计
主要实验步骤
1、感应电流大小与相同时间内磁感应强度变化大小的关系
2、感应电流大小与磁铁运动速度的关系
3、感应电流大小与线圈匝数的关系
实验过程
磁铁个数 指针指示值
1个

1、感应电流大小与相同时间内磁感应强度变化大小的关系
15
31？
感应电流大小与磁铁个数成正比
？
2个
线圈匝数：200
下落高度：30厘米
实验过程
下落高度 指针指示值
10厘米

2、感应电流大小与磁铁运动速度的关系
18
36 ？
感应电流大小与磁铁运动速度成正比
？
40厘米
线圈匝数：200
磁铁个数：2个
实验过程
线圈匝数 指针指示值
100

3、感应电流大小与线圈匝数的关系
15
31 ？
感应电流大小与线圈匝数成正比
？
200
磁铁个数：2个
下落高度：30厘米
德国物理学家纽曼、韦伯在对理论和实验资料进行严格分析后，于1845年和1846年先后指出电磁感应的规律。
【例题1】如图甲所示的螺线管,匝数n=1500匝,横截面积S=20 cm2,方向向右穿过螺线管的匀强磁场的磁感应强度按图乙所示规律变化。则：
(1)2 s内穿过线圈的磁通量的变化量是多少
(2)磁通量的变化率多大
(3)线圈中感应电动势大小为多少
解析： (1)磁通量的变化量是由磁感应强度的变化引起的,则
ΔΦ=Φ2-Φ1=B2S-B1S=ΔBS,
所以ΔΦ=(6-2)×20×10-4 Wb=8×10-3 Wb
(2)磁通量的变化率为 Wb/s=4×10-3 Wb/s
(3)根据法拉第电磁感应定律得感应电动势的大小
E=n =1 500×4×10-3V=6.0 V
感应电动势：
ΔΦ=B·ΔS
Δt
v·
l
ΔS=lv·Δt
ΔΦ=B·lv·Δt
E=BLv
①B是匀强磁场
②B、L、v相互垂直
成立条件：
那要是B、L、v不垂直怎么计算呢？
二、导线切割磁感线时的感应电动势
θ
v
B
v2
v1
1.导体斜切磁感线
把速度v分解为两个分量：
①垂直于磁感线的分量：v1=vsinθ
②平行于磁感线的分量：v2=vcosθ
只有垂直于磁感线的分量切割磁感线，于是产生感应电动势：
E=BLv1=Blvsinθ
θ=0时
平行：E＝0
θ=90时
垂直：E=BLv
（无切割）
二、导线切割磁感线时的感应电动势
根据法拉第电磁感应定律：
Δt时间内回路面积增大 S
穿过回路的磁通量变化：
由于导体运动产生的感应电动势，叫动生电动势。
B、l、v 两两垂直
二、导线切割磁感线时的感应电动势
2.l为切割磁感线的有效长度
E=Blvsinθ
v
θ
vsinθ
vcosθ
l
感应电动势：
E=Bvlsinθ
l：导线垂直于运动方向上的投影。
× × × × × × × × × × × × × × ×
× × × × × × × × × × × × × × ×
v
L
× × × × × × × × × × × × × × ×
× × × × × × × × × × × × × × ×
v
二、导线切割磁感线时的感应电动势
2.l为切割磁感线的有效长度
E=Blvsinθ
v
θ
vsinθ
vcosθ
l
感应电动势：
E=Bvlsinθ
l：导线垂直于运动方向上的投影。
× × × × × × × × × × × × × × ×
× × × × × × × × × × × × × × ×
v
L
× × × × × × × × × × × × × × ×
× × × × × × × × × × × × × × ×
v
二、导线切割磁感线时的感应电动势
复习电源的作用
F电
F非
内电路
外电路
提出问题2
如图，导体棒在匀强磁场中运动，产生动生电动势的非静电力是什么力提供的？
为便于讨论，假设导体棒中的自由电荷是正电荷。
如图，导体棒CD在匀强磁场中运动，速度方向与磁感应强度方向垂直，且与导体棒垂直。
提出问题2
× × 　 × ×
× 　 × × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
v
+
C
D
+
+
B
× × 　 × ×
× 　 × × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
动生电动势的非静电力来源
v
+
C
D
+
+
B
① 导体棒中自由电荷沿棒向哪个方向运动？
× × 　 × ×
× 　 × × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
v
+
f
C
D
+
f
+
f
动生电动势的非静电力来源
② 导体棒一直运动下去，自由电荷也会沿导体棒一直运动吗？
① 导体棒中自由电荷沿棒向哪个方向运动？
B
× × 　 × ×
× 　 × × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
v
+
f
C
D
+
f
+
f
× × 　 × ×
× 　 × × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
v
C
D
+
+
+
-
-
-
E
动生电动势的非静电力来源
B
+
f
F
× × 　 × ×
× 　 × × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
v
+
f
C
D
+
f
+
f
动生电动势的非静电力来源
③ 导体棒哪端的电势高？
B
× × 　 × ×
× 　 × × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
v
C
D
+
+
+
-
-
-
E
+
f
F
用电器
× × 　 × ×
× 　 × × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
v
+
f
C
D
+
f
+
f
动生电动势的非静电力来源
B
非静电力与洛伦兹力有关。
× × 　 × ×
× 　 × × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
v
C
D
+
+
+
-
-
-
E
+
f
F
用电器
× × 　 × ×
× 　 × × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
v
+
f
C
D
+
f
+
f
动生电动势的非静电力来源
④导体棒中自由电荷相对于纸面沿什么方向运动？
× × 　 × ×
× 　 × × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
v
C
D
+
+
+
-
-
-
E
+
f
F
用电器
× 　× 　 × ×
× 　 × × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
× 　 × 　 × ×
+
f
v合
vx
vy
fy
fx
非静电力是洛仑兹力沿棒方向的分力。
根据电动势的定义，有
动生电动势：E=Blv
动生电动势的非静电力来源
提出问题3
F安
F
I
从能量转化角度看动生电动势产生
设匀强磁场的磁感应强度为B，导体棒MN的长度为l，在水平外力作用下以速度v水平向右匀速运动，电阻值为R，不计其它电阻和摩擦。
B
v
N
M
R
① 导体棒产生感应电动势？回路中的感应电流？
感应电动势 E = Blv
感应电流
E
R
从能量转化角度看动生电动势产生
② 在时间 t 内，电路中产生多少电能？
电路中产生的电能
B
v
N
M
R
E
R
从能量转化角度看动生电动势产生
③ 导体棒受到的安培力的大小？方向？
安培力
与v反向
B
v
N
M
R
F安
E
R
从能量转化角度看动生电动势产生
④ 作用在导体棒上的外力F的大小？方向？
外力与v同向
B
v
N
M
R
F安
F
E
R
从能量转化角度看动生电动势产生
⑤ 在时间 t 内，外力F 做功？安培力做功？
外力做功
B
v
N
M
R
F安
F
E
R
安培力做功
从能量转化角度看动生电动势产生
⑥ 运动过程中，外力做功、安培力做功与电路中产生的电能有什么关系？
外力做功等于克服安培力做功，
等于电路中产生的电能。
遵循能量转化与守恒。
综合②⑤分析：
B
v
N
M
R
F安
F
E
R
第一台发电机
法拉第圆盘发电机
1831年10月28日
课堂小结
动生电动势产生
非静电力做功
E=Blv
能量转化
微观
宏观
× × × × × × × × × × × × × × ×
O
A
L
3.转动切割
如图所示，导体棒长为L，磁感应强度为B,垂直于纸面向里。以O为圆心转动，角速度ω，求E。
v
由于棒上各点的速度随着距离O点的距离均匀变化，所以可以用O、A两点的平均速度代替棒运动的速度求解。
右手定则：φA>φO
× × × × × × × × × ×
二、导线切割磁感线时的感应电动势
3.转动切割
如图所示，导体棒长为L，磁感应强度为B,垂直于纸面向里。
× × × × × × × × × × × × × × ×
× × × × × × × × × ×
拓展：
棒以O1为圆心转动，O1为三等分点，求E。
A
v
v
O1
●
O
二、导线切割磁感线时的感应电动势
4.线圈绕垂直于磁场的轴转动，线圈匝数n，求E。
（1）线圈处于如图所示位置
（2）当线圈转过θ 时，电动势
二、导线切割磁感线时的感应电动势
4.线圈绕垂直于磁场的轴转动，线圈匝数n，求E。
（3）线圈以图示情形运动时
B
L
ω
O'
O
l1
l2
E1
E2
线圈以此位置为初始位置，经过时间t,转过角度ωt时：
1、适用于线圈绕垂直于磁场的轴的转动，与轴的位置无关。
2、与线圈平面形状无关
3、线圈从平行于磁场的位置开始计时
二、导线切割磁感线时的感应电动势
E＝BLv
适用范围
普遍适用
磁场变化：
面积变化：
S：垂直磁场的有效面积
导体切割磁感线运动
回路中产生的感应电动势
相互垂直
某部分导体电动势
研究对象
物理意义
Δt：某一段时间
平均感应电动势
v：瞬时速度
瞬时感应电动势
v
ΔΦ=0
E＝BLv≠0
→0
瞬时
E＝BLv
↓
平均速度
平均
【例题2】如图所示，有一夹角为θ的金属角架，角架所围区域内存在匀强磁场，磁场的磁感强度为B，方向与角架所在平面垂直，一段直导线ab，从角顶c贴着角架以速度v向右匀速运动。求：
(1)t时刻角架中的瞬时感应电动势；
(2)t时间内角架的平均感应电动势。
导线ab从顶点c向右匀速运动，切割磁感线的有效长度de随时间变化，设经时间t，ab运动到de的位置，则
de＝cetanθ＝vt·tanθ
解析：
(1)t时刻的瞬时感应电动势为：
E＝BLv＝Bv2tanθ·t
(2)t时间内平均感应电动势为：
楞次定律
闭合
方向
大小
决定
法拉第
电磁感应定律
电磁感应
产生
课堂小结
1、关于电路中感应电动势的大小,下列说法中正确的是(　　)
A.穿过线圈的磁通量越大,感应电动势越大
B.穿过线圈的磁通量为零,感应电动势一定为零
C.穿过线圈的磁通量变化越大,感应电动势越大
D.穿过线圈的磁通量变化越快,感应电动势越大
D
2、（多选）单匝矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，若线圈所围面积里磁通量随时间变化的规律如图所示（正弦图象一部分），则（　　）
A.线圈中0时刻感应电动势为0
B.线圈中0时刻感应电动势最大
C.线圈中D时刻感应电动势为0
D.线圈中A时刻感应电动势大于B时刻感应电动势
斜率表示Φ的变化率
BCD
3、如图所示，在磁感应强度为B的匀强磁场中，有半径为r的光滑半圆形导体框架。OC为一端绕O点在框架上滑动的导体棒，OA之间连一个阻值为R的电阻（其余电阻都不计），若使OC以角速度ω匀速转动。试求：
（1）图中哪部分相当于电源？
（2）感应电动势E为多少？
（3）流过电阻R的电流I为多少？
ω
A
B
C
R
O
（1）导体棒OC
（2）
（3）