(共62张PPT)
[学习目标]
1.知道什么是感应电动势。
2.理解并掌握法拉第电磁感应定律,能运用法拉第电磁感应定律计算感应电动势的大小。
3.会计算导体切割磁感线时产生的感应电动势。
1.感应电动势
(1)由_________产生的电动势叫作感应电动势,产生感应电动势的那部分导体相当于____。
(2)在电磁感应现象中,闭合回路中的感应电流也由感应电动势和回路的电阻决定。
(3)如果回路没有闭合,只要穿过回路的磁通量发生变化,虽然没有感应电流产生,但___________依然存在。
电磁感应
电源
感应电动势
2.法拉第电磁感应定律
(1)内容:电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通量的______成正比。
变化率
韦伯
伏特
[易错辨析]
(1)在电磁感应现象中,有感应电流,就一定有感应电动势;反之,有感应电动势,就一定有感应电流。( )
(2)线圈中磁通量越大,线圈中产生的感应电动势一定越大。( )
(3)线圈中磁通量的变化量ΔΦ越小,线圈中产生的感应电动势一定越小。( )
(4)线圈中磁通量变化得越快,线圈中产生的感应电动势一定越大。( )
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√
[例1] (2024·福建卷)拓扑结构在现代物理学中具有广泛的应用。现有一条绝缘纸带,两条平行长边镶有铜丝,将纸带一端扭转180°,与另一端连接,形成拓扑结构的莫比乌斯环,如图所示。连接后,纸环边缘的铜丝形成闭合回路,纸环围合部分可近似为半径为R的扁平圆柱。现有一匀强磁场从圆柱中心区域垂直其底面穿过,磁场区域的边界是半径为r的圆(rA.0 B.kπR2
C.2kπr2 D.2kπR2
C
[例2] 穿过同一闭合回路的磁通量Φ随时间t变化的图像分别如图中的①~④所示,下列关于回路中感应电动势的说法正确的是( )
C
A.图①回路产生恒定不变的感应电动势
B.图②回路产生的感应电动势一直在变大
C.图③回路0~t1时间内产生的感应电动势大于t1~t2时间内产生的感应电动势
D.图④回路产生的感应电动势先变大再变小
1.导线垂直于磁场运动,B、L、v两两垂直时,如图甲所示,E=____。
2.导线的运动方向与导线本身垂直,但与磁感线方向夹角为α时,如图乙所示,E=________。
BLv
BLvsin α
3.公式E=BLv中L指有效切割长度,即导线垂直切割磁感线的长度。
[思考探究] 如图所示,长为L的金属棒ab,绕b端在垂直于匀强磁场的平面内以角速度ω匀速转动,磁感应强度大小为B。
(1)试推导ab棒所产生的感应电动势大小;
(2)试判断a、b两点谁的电势高。
[例3] (2025·东莞高二期末)如图所示,两根平行光滑金属导轨MN和PQ放置在同一水平面内,其间距L=0.2 m,磁感应强度大小B=0.5 T的匀强磁场垂直导轨平面向下,两导轨之间连接的电阻R=4.8 Ω,在导轨上有一金属棒ab,其接入电路的电阻r=1.2 Ω,金属棒与导轨始终垂直且接触良好,在ab棒上施加水平拉力使其以速度v=12 m/s向右匀速运动,设金属导轨足够长。求:
(1)金属棒ab产生的感应电动势大小;
(2)水平拉力的大小F;
(3)金属棒a、b两点间的电势差。
答案 (1)1.2 V (2)0.02 N (3)0.96 V
[例4] 如图所示,MN、PQ为两条平行放置的固定金属导轨,左端接有定值电阻R,金属棒ab斜放在两导轨之间,与导轨接触良好,磁感应强度为B的匀强磁场垂直于导轨平面,设金属棒与两导轨接触点之间的距离为l,金属棒与导轨间的夹角为60°,以速度v水平向右匀速运动,不计导轨和棒的电阻,则流过金属棒的电流大小为( )
B
[例5] 如图甲所示是法拉第制作的世界上最早的发电机的实验装置。有一个可绕固定转轴转动的铜盘,铜盘的一部分处在蹄形磁体中,实验时用导线连接铜盘的中心C。用导线通过滑片与铜盘的边线D连接且接触良好,如图乙所示,若用外力使铜盘转动起来,在CD两端会产生感应电动势,下列说法正确的是( )
D
[总结提升] 导体棒转动切割磁感线时的感应电动势
两个公式的比较
[例6] 如图所示,导轨OM和ON都固定在纸面内,导体AB可在导轨上无摩擦滑动,AB⊥ON,若AB以5 m/s的速度从O点开始沿导轨匀速右滑,导体与导轨都足够长,匀强磁场的磁感应强度为0.2 T。求:
(1)第3 s末夹在导轨间的导体长度是多少?此时导体切割磁感线产生的感应电动势多大?
(2)3 s内穿过回路的磁通量变化了多少?此过程中的平均感应电动势为多少?
[例7] 如图所示,在空间内存在竖直向下的磁场,以地面O点为坐标原点,建立坐标系,磁感应强度随x坐标变化的关系为B=kx,k为大于0的常数。一个长度为L的金属棒ab从z=h处以速度v0水平抛出,金属棒在运动过程中始终保持水平,重力加速度为g,不计空气阻力。从金属棒开始抛出到落到z=0处的过程中,下列说法正确的是( )
C
1.(电磁感应定律)(多选)单匝线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动,穿过线圈的磁通量Φ随时间t变化的图像如图所示,图线为正弦曲线的一部分,则( )
BC
A.在t=0时刻,线圈中磁通量最大,感应电动势也最大
B.在t=1×10-2 s时刻,感应电动势最大
C.在t=2×10-2 s时刻,感应电动势为零
D.在0~2×10-2 s时间内,线圈中感应电动势的平均值为零
B
3.(导线转动切割磁感线的感应电动势)如图所示,导体棒AB的长为2R,绕O点以角速度ω沿逆时针方向匀速转动,OB长为R,且O、B、A三点在一条直线上,有一磁感应强度为B的匀强磁场充满转动平面且与转动平面垂直,那么AB两端的电势差大小为( )
A.2BωR2 B.3BωR2
C.4BωR2 D.5BωR2
C
4.(平均感应电动势和瞬时感应电动势的求解)(多选)如图所示,一导线弯成半径为a的半圆形闭合回路。虚线MN右侧有磁感应强度为B的匀强磁场,方向垂直于回路所在的平面。回路以速度v向右匀速进入磁场,直径CD始终与MN垂直。从D点到达边界开始到C点进入磁场为止,下列结论正确的是( )
A.感应电流方向不变
B.CD段直线始终不受安培力
C.感应电动势最大值E=Bav
ACD
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[基础巩固练]
1.(2024·广东卷)电磁俘能器可在汽车发动机振动时利用电磁感应发电实现能量回收,结构如图甲所示。两对永磁铁可随发动机一起上下振动,每对永磁铁间有水平方向的匀强磁场,磁感应强度大小均为B。磁场中,边长为L的正方形线圈竖直固定在减震装置上。某时刻磁场分布与线圈位置如图乙所示,永磁铁振动时磁场分界线不会离开线圈。关于图乙中的线圈。下列说法正确的是( )
D
A.穿过线圈的磁通量为BL2
B.永磁铁相对线圈上升越高,线圈中感应电动势越大
C.永磁铁相对线圈上升越快,线圈中感应电动势越小
D.永磁铁相对线圈下降时,线圈中感应电流的方向为顺时针方向
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解析 根据图乙可知此时穿过线圈的磁通量为0,故A错误;根据法拉第电磁感应定律可知永磁铁相对线圈上升越快,磁通量变化越快,线圈中感应电动势越大,故B、C错误;永磁铁相对线圈下降时,根据安培定则可知线圈中感应电流的方向为顺时针方向,故D正确。
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2.(2023·湖北卷)近场通信(NFC)器件应用电磁感应原理进行通信,其天线类似一个压平的线圈,线圈尺寸从内到外逐渐变大。如图所示,一正方形NFC线圈共3匝,其边长分别为1.0 cm、1.2 cm和1.4 cm,图中线圈外线接入内部芯片时与内部线圈绝缘。若匀强磁场垂直通过此线圈,磁感应强度变化率为103 T/s,则线圈产生的感应电动势最接近( )
B
A.0.30 V B.0.44 V
C.0.59 V D.4.3 V
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3.n匝线圈放在如图所示变化的磁场,线圈平面与磁场方向垂直,线圈的面积为S,则下列说法正确的是( )
C
A.0~1 s内线圈的感应电动势在均匀增大
B.1~2 s内感应电流最大
C.0.5 s末与2.5 s末线圈的感应电流方向相反
D.第4 s末的感应电动势为0
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4.如图所示,abcd为水平固定放置的“匚”型金属导轨,导轨的间距为l,导轨的左端接上阻值为R的定值电阻,匀强磁场方向竖直向下,金属杆MN倾斜放置在导轨上,现让金属杆在外力的作用下以速度v在导轨上匀速滑行,回路中的电流为I,MN与导轨的夹角始终为θ,速度v始终与MN垂直,导轨与金属杆足够长,滑行的过程中两者始终接触良好,导轨、金属杆以及导线的电阻均忽略不计,下列说法正确的是( )
B
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5.如图所示,一电阻为R的导线弯成边长为L的等边三角形闭合回路。虚线MN右侧有磁感应强度大小为B的匀强磁场,方向垂直于闭合回路所在的平面向里。在三角形导线以速度v向右匀速进入磁场的过程中,下列说法正确的是( )
A.回路中感应电流方向为顺时针方向
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6.如图所示,半径为L的金属圆环固定,圆环内存在垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为B,长为L、电阻为r的导体棒OA,一端固定在通过圆环中心的O点,另一端与圆环接触良好。在圆环和O点之间接有阻值为R的电阻,不计金属圆环的电阻。当导体棒以角速度ω绕O点逆时针匀速转动时,下列说法错误的是( )
A.O点的电势高于A点的电势
B.导体棒切割磁感线产生的感应电动势大小为BL2ω
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7.(2024·湖南卷)如图,有一硬质导线Oabc,其中abc是半径为R的半圆弧,b为圆弧的中点,直线段Oa长为R且垂直于直径ac。该导线在纸面内绕O点逆时针转动,导线始终在垂直纸面向里的匀强磁场中。则O、a、b、c各点电势关系为( )
A.φO>φa>φb>φc B.φO<φa<φb<φc
C.φO>φa>φb=φc D.φO<φa<φb=φc
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[能力提升练]
8.(2025·乐山市高二期末)如图所示,M、N是粗细、材质均相同的导线制成的两个单匝圆形闭合线圈,半径rM=2rN。两个线圈所在区域的匀强磁场垂直于纸面向里且磁感应强度随时间均匀增大,忽略两线圈间相互影响,下列说法正确的是( )
A.线圈M、N的感应电流均为顺时针方向
B.线圈M、N的感应电流之比是2∶1
C.线圈M、N的电阻之比是4∶1
D.线圈M、N的感应电动势之比是2∶1
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10.如图所示,直角三角形金属框abc放置在匀强磁场中,磁感应强度大小为B,方向平行于ab边向上。当金属框绕ab边以角速度ω逆时针转动(俯视)时,a、b、c三点的电势分别为φa、φb、φc。已知bc边的长度为l。下列判断正确的是( )
A.φa>φc,金属框中无电流
B.φb>φc,金属框中电流方向沿abca
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11.如图甲所示,一个面积为S,阻值为r的圆形金属线圈与阻值为2r的电阻R组成闭合回路。在线圈中存在垂直于线圈平面向里的匀强磁场,磁感应强度B随时间t变化的关系如图乙所示,图中B0和t0已知,导线电阻不计。在t=0至t=t0时间内,求:
(1)感应电动势的大小E及ab两点的电势高低;
(2)ab两点间的电势差Uab。
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[拓展培优练]
12.(2025·郴州市高二期末)(多选)磁悬浮列车是高速低耗交通工具,如图甲所示,它的驱动系统简化为如图乙所示的物理模型。固定在列车底部的正方形金属线框的边长为L,匝数为N,总电阻为R;水平面内平行长直导轨间存在磁感应强度均为B、方向交互相反,边长均为L的正方形组合匀强磁场。当磁场以速度v匀速向右移动时,可驱动停在轨道上的列车,则( )
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