课件21张PPT。第四章 电磁感应1 划时代的发现 探究感应电流的产生条件1.电磁感应现象
知道什么是电磁感应现象;了解电磁感应现象的发现过程,了解相关物理学史。
2.感应电流
知道什么是感应电流;经历感应电流产生条件的探究过程;理解产生感应电流的条件;能够运用感应电流的产生条件判断感应电流能否产生。
3.磁通量
进一步认识磁通量的概念,能结合实例对磁通量是否变化进行定性和定量的判断。12341.奥斯特梦圆“电生磁”
18世纪末,一些独具慧眼的哲学家如康德等,提出了各种自然现象之间相互联系和相互转化的思想。1820年,丹麦物理学家奥斯特发现载流导体能使小磁针发生偏转,这种作用称为电流的磁效应。12342.法拉第心系“磁生电”
1831年,英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象,即“磁生电”现象。产生的电流叫感应电流。
电流的磁效应与电磁感应有什么区别?
提示:电流的磁效应是“电生磁”,而电磁感应是“磁生电”。12343.探究电磁感应的产生条件
(1)探究导体棒在磁场中运动是否产生感应电流(如图所示)。1234(2)探究磁铁在线圈中运动是否产生感应电流(如图所示)。 1234(3)模仿法拉第的实验(如图所示)。 123412344.感应电流的产生条件
(1)归纳结论1234(2)产生条件 121.对磁通量的理解
(1)物理意义:表示穿过某一面积磁感线条数的多少。
(2)计算公式:Φ=B·S,式中B为匀强磁场的磁感应强度,S为有磁感线穿过且与B垂直的有效面积。
例如,图中1和2为垂直磁场放置的两个圆环,虚线框内有匀强磁场,由于环1和环2在磁场中的有效面积相同,所以穿过这两个圆环的磁通量是相等的。12(3)磁通量是标量,但有正负,若规定磁感线穿入某个面为正,则穿出为负,且穿过这个面的磁通量应为穿入和穿出该面磁通量的代数和。
例如,在磁感应强度为B的匀强磁场中有一面积为S的矩形线圈abcd,垂直于磁场放置(如图所示),现使线圈以ab边为轴转180°,若规定初态的磁通量为正,即Φ1=B·S,则末态的磁通量Φ2=-B·S。
(4)穿过线圈的磁通量与线圈的匝数无关。因为穿过线圈的磁感线条数与匝数无关,所以线圈有多匝时,不影响磁通量的计算。122.对产生感应电流的条件的理解
(1)导体回路闭合、磁通量变化是产生感应电流的两个必要条件,缺一不可。导体回路中有磁通量不是产生感应电流的条件,如果穿过导体回路的磁通量很大但不发生变化,也不会产生感应电流。
(2)穿过闭合导体回路的磁通量发生变化,大致有以下几种情况:
①磁感应强度B不变,线圈面积S发生变化。
②线圈面积S不变,磁感应强度B发生变化。
③磁感应强度B和回路面积S同时发生变化,此时可由ΔΦ=Φ2-Φ1计算并判断磁通量是否变化。
④线圈面积S不变,磁感应强度B也不变,但二者之间夹角发生变化。12温馨提示判断穿过闭合导体回路的磁通量是否变化时,可充分利用磁感线来进行定性判断,即通过观察穿过闭合导体回路的磁感线的条数是否变化判断某过程中磁通量是否变化。类型一类型二类型三类型一 对磁通量的理解与计算
【例题1】如图所示,a、b、c三个闭合线圈放在同一平面内,当线圈a中有电流I通过时,穿过它们的磁通量分别为Φa、Φb、Φc,下列说法中正确的是( )
A.Φa<Φb<Φc
B.Φa>Φb>Φc
C.Φa<Φc<Φb
D.Φa>Φc>Φb
点拨:某一平面内存在相反方向的两种磁感线时,穿过此平面的磁通量应为合磁通量的大小。解析:当a中有电流通过时,穿过a、b、c三个闭合线圈向里的磁感线条数一样多,向外的磁感线的条数c最多,其次是b,a中没有向外的磁感线,因此,根据合磁通量的计算,应该是Φa>Φb>Φc。类型一类型二类型三答案:B
题后反思磁通量尽管是标量,但它有正、负,若有相反方向的两种磁感线穿过某一个面,则穿过该面的磁通量应为抵消后的合磁通量。
触类旁通
如果将例题1中的线圈a改成如图所示的一个有界匀强磁场,则穿过线圈b和线圈c的磁通量大小关系又怎样?
答案:由于b、c两线圈中磁场穿过的有效面积相等,所以Φb=Φc。类型一类型二类型三类型二 对磁通量变化量的分析与计算
【例题2】一磁感应强度为B的匀强磁场,方向水平向右,一面积为S的矩形线圈abcd如图所示放置,平面abcd与竖直方向成θ角。将abcd绕ad轴转180°角,则穿过线圈平面磁通量的变化量为( )
A.0
B.2BS
C.2BScos θ
D.2BSsin θ
点拨:磁通量的变化量即穿过这一平面初、末两状态的磁通量之差。
解析:开始时穿过线圈平面的磁通量为Φ1=BScos θ,后来穿过线圈平面的磁通量为Φ2=-BScos θ,则磁通量的变化量为ΔΦ=|Φ2-Φ1|=2BScos θ。类型一类型二类型三答案:C
题后反思磁通量虽然是标量,但也有正、负之分,所以我们在计算磁通量的变化量时,关键搞清楚初、末两状态磁通量的正、负。类型一类型二类型三类型三 对感应电流产生条件的理解及应用
【例题3】(多选)在匀强磁场中有两条平行的金属导轨,磁场方向与导轨平面垂直,导轨上有两条可沿导轨自由移动的导体棒AB、CD,这两个导体棒的运动速度分别为v1、v2,如图所示,则下列四种情况,AB棒中有感应电流通过的是( )
A.v1>v2 B.v1C.v1≠v2 D.v1=v2
点拨:产生感应电流,条件有两个:一是导体回路闭合;二是穿过回路的磁通量发生变化,即ΔΦ≠0。类型一类型二类型三解析:本题考查对感应电流产生条件的理解,只要穿过闭合回路的磁通量发生变化,闭合回路中就有感应电流产生。题中导轨位于匀强磁场中,只要满足v1≠v2,回路的面积发生变化,磁通量就发生变化,回路中就有感应电流产生。
答案:ABC
题后反思紧扣感应电流的产生条件是解决这类题目的关键。不管是B变,还是S变,或是B、S同时变化,只要Φ变化了,则闭合回路中一定有感应电流产生。课件30张PPT。3 楞次定律1.楞次定律
体验楞次定律的实验探究过程;理解楞次定律的内容;能运用楞次定律判断感应电流的方向,解答有关问题;理解楞次定律是能量守恒定律在电磁感应现象中的反映。
2.右手定则
掌握右手定则;认识右手定则是楞次定律的一种具体表现形式;能运用右手定则判断因导体做切割磁感线运动而产生的感应电流的方向。1231.实验探究感应电流的方向
(1)实验准备
用试触的方法明确电流方向与电流表指针偏转方向之间的关系。
(2)实验装置
将螺线管与电流计组成闭合电路,如图所示。123(3)实验记录
分别将条形磁铁的N极、S极插入或抽出线圈,如图所示,记录感应电流的方向如下。探究感应电流方向的实验记录 123(4)实验分析
①线圈内磁通量增加时的情况②线圈内磁通量减少时的情况 123感应电流的磁场方向与原磁场方向总是相同或相反吗?
提示:不是,由上面的探究实验分析可知,当原磁通量增加时,感应电流的磁场方向与原磁场方向相反;当原磁通量减少时,感应电流的磁场方向与原磁场方向相同。可概括为“增反减同”。1232.楞次定律
感应电流具有这样的方向,即感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。1233.右手定则
伸开右手,使拇指与其余四个手指垂直,并且都与手掌在同一个平面内;让磁感线从掌心进入,并使拇指指向导线运动的方向,这时四指所指的方向就是感应电流的方向。
楞次定律与右手定则在使用范围上有什么区别?
提示:楞次定律适用于一切电磁感应现象,而右手定则只适用于导体切割磁感线的情况。1231.对楞次定律的进一步理解
(1)因果关系
闭合导体回路中磁通量的变化是因,产生感应电流是果;原因产生结果,结果又反过来影响原因。
(2)“阻碍”二字的含义
①楞次定律中的“阻碍”作用,正是能量守恒定律的反映,在克服这种阻碍的过程中,其他形式的能转化为电能。123②“阻碍”的几个层次 123(3)“阻碍”的表现
从能量守恒定律的角度,楞次定律可广义地表述为感应电流的“效果”总是要反抗(或阻碍)引起感应电流的原因,常见的情况有以下四种:
①从阻碍磁通量变化的角度来看,可理解为“增反减同”。当引起感应电流的磁通量增加时,感应电流的磁场就与原磁场的方向相反;当引起感应电流的磁通量减少时,感应电流的磁场就与原磁场的方向相同。
②从阻碍相对运动的角度来看,可理解为“来拒去留”。楞次定律的这个结论可以用能量守恒来解释:既然有感应电流产生,就有其他形式的能转化为电能。又由于感应电流是由相对运动引起的,所以只能是机械能转化为电能,因此机械能减少。磁场力对物体做负功,是阻力,表现出的现象就是阻碍相对运动。123③从改变线圈面积的角度来看,可理解为“增缩减扩”。若穿过闭合回路的磁通量增加时,面积有收缩的趋势;若穿过闭合回路的磁通量减少时,面积有扩大的趋势。
④从阻碍电流变化的角度来看,可理解为“增反减同”。当原电流增大时,感应电流的方向与原电流方向相反;当原电流减小时,感应电流的方向与原电流方向相同。(这种情况将在第6节自感现象中遇到)123例如,在如图所示的电路中,abcd是一个可绕垂直于纸面的轴O转动的闭合矩形导线框,E是电源,当滑动变阻器R的滑片P自左向右滑动时,电路中电流减小,线框所在位置的磁感应强度B减小,穿过线框的磁通量减少,这时线框就以增大有效面积的方式来阻碍磁通量的减少,于是线圈将顺时针转动。123(4)弄清“阻碍”与“阻止”“相反”的区别
①阻碍不是阻止,最终引起感应电流的磁通量还是发生了变化,是“阻而未止”。
②阻碍不是相反。当引起感应电流的磁通量增加时,感应电流的磁场与引起感应电流的原磁场方向相反;当引起感应电流的磁通量减少时,感应电流的磁场与引起感应电流的原磁场方向相同(增反减同)。
③涉及相对运动时,阻碍的是导体与磁体间的相对运动,而不是阻碍导体或磁体的运动。1232.楞次定律与右手定则的区别
(1)从研究对象上说,楞次定律研究的是整个闭合电路,右手定则研究的是闭合电路的一部分,即一段做切割磁感线运动的导体。
(2)从适用范围上说,楞次定律可应用于由磁通量变化引起感应电流的各种情况,右手定则只适用于一段导体在磁场中做切割磁感线运动的情况。
(3)有的问题只能用楞次定律不能用右手定则,有的问题则两者都能用,究竟选用楞次定律还是右手定则,要具体问题具体分析。例如:
①若是导体不动,回路中的磁通量变化,要用楞次定律判断感应电流的方向,而不能用右手定则判断;
②若是回路中的一部分导体做切割磁感线运动产生感应电流,用右手定则判断较为简便,用楞次定律也能进行判断,但较为麻烦。1233.右手定则、楞次定律、安培定则、左手定则的应用比较 123如图所示,当导体棒向左平动切割磁感线而产生感应电流时,用右手定则可判断出感应电流的方向是a→b,再利用左手定则可判断出ab所受安培力的方向为水平向右(与导体相对磁场运动的方向相反,这一现象也进一步说明了感应电流在电磁感应现象的“阻碍”作用),还可利用安培定则判断出ab中感应电流的磁场方向。类型一类型二类型三类型四类型五类型一 楞次定律的应用
【例题1】如图所示,闭合金属圆环沿垂直于磁场方向放置在匀强磁场中,将它从匀强磁场中匀速拉出,下列说法正确的是( )
A.向左拉出和向右拉出时,环中的感应电流方向相反
B.向左或向右拉出时,环中感应电流方向都是沿顺时针方向的
C.向左或向右拉出时,环中感应电流方向都是沿逆时针方向的
D.环在磁场中运动时,就已经有感应电流了类型一类型二类型三类型四类型五点拨:将环拉出时,穿过圆环的磁通量减少,由楞次定律即可判断出感应电流的磁场方向,进而由安培定则判断出感应电流方向。
解析:将金属圆环不管从哪边拉出磁场,穿过闭合圆环的磁通量都要减少,根据楞次定律可知,感应电流的磁场要阻碍原磁通量的减少,感应电流的磁场方向与原磁场方向相同,应用安培定则可以判断出感应电流的方向是沿顺时针方向的,选项B正确,选项A、C错误;另外,圆环在磁场中运动时,穿过圆环的磁通量没有改变,该情况无感应电流,故选项D错误。
答案:B
题后反思应用楞次定律判断感应电流方向时,首先应明确原磁场的方向和原磁通量的增减,然后根据楞次定律的“增反减同”判断感应电流的磁场方向,最后由安培定则判断感应电流的方向。类型一类型二类型三类型四类型五触类旁通若例题1中开始时金属圆环处于磁场左边界左侧,圆环向右运动至穿出磁场过程中,试判断感应电流的方向。
答案:穿进时,感应电流方向沿逆时针方向;穿出时,感应电流方向沿顺时针方向。类型一类型二类型三类型四类型五类型二 左、右手定则的应用
【例题2】(多选)如图所示,导体AB、CD可在处于匀强磁场的两水平轨道上自由滑动,且两水平轨道在中央交叉处互不相通。当导体棒AB向左移动时( )
A.AB中感应电流的方向为A到B
B.AB中感应电流的方向为B到A
C.CD向左移动
D.CD向右移动
点拨:“因动而生电”类问题用右手定则,“因电而受力”类问题用左手定则。
解析:由右手定则可判断AB中感应电流方向为A到B,从而CD中电流方向为C到D。导体CD所受安培力方向由左手定则判断知向右,所以CD向右移动。类型一类型二类型三类型四类型五答案:AD
题后反思安培定则、左手定则、右手定则、楞次定律是用来研究不同因果关系问题的规律,搞清它们的适用范围是正确应用的关键。类型一类型二类型三类型四类型五类型三 楞次定律推广含义的应用
【例题3】(多选)如图所示,光滑固定导轨M、N水平放置,两根导体棒P、Q平行放于导轨上,形成一个闭合回路。当一条形磁铁从高处下落接近回路时 ( )
A.P、Q将相互靠拢
B.P、Q将相互远离
C.磁铁的加速度仍为g
D.磁铁的加速度小于g
点拨:楞次定律的推广含义——感应 电流的效果总要反抗感应电流的产生原因。类型一类型二类型三类型四类型五解析:方法一:设磁铁下端为N极,如图所示,根据楞次定律可判断出P、Q中感应电流方向,根据左手定则可判断P、Q所受安培力的方向如图所示,可见P、Q将相互靠拢,由于回路所受安培力的合力向下,由牛顿第三定律知磁铁将受到向上的反作用力,从而加速度小于g。当下端为S极时,可得到同样的结果。方法二:根据楞次定律的另一种表述——感应电流的效果总是要反抗感应电流的产生原因,本题的“原因”是回路中磁通量的增加,归根结底是磁铁靠近回路,“效果”便是阻碍磁通量的增加和磁铁的靠近,所以P、Q将相互靠近且磁铁的加速度小于g。类型一类型二类型三类型四类型五答案:AD
题后反思从此题的两种解法来看,应用楞次定律的推广含义分析此类问题往往比直接应用楞次定律方便、快捷。类型一类型二类型三类型四类型五类型四 二次感应问题
【例题4】(多选)如图所示,在匀强磁场中放有平行金属导轨,它与大线圈P相连接,要使小线圈Q获得顺时针方向的感应电流,则放在导轨上的裸金属棒ab的运动情况是(两线圈共面)( )
A.向右匀速运动 B.向左加速运动
C.向右减速运动 D.向右加速运动
点拨:导体棒ab的运动必须是变速的,产生的一次感应电流是变化的,才能使小线圈中产生二次感应电流。类型一类型二类型三类型四类型五解析:欲使Q线圈中产生顺时针的感应电流(感应电流的磁场方向垂直于纸面向里),由楞次定律可知有两种情况,一是P中有顺时针方向的逐渐减小的电流,该电流产生的穿过Q的磁通量在减少;二是P中有逆时针方向的逐渐增大的电流,该电流产生的穿过Q的磁通量在增大。因此,对于第一种情况,应使ab向右减速运动;对于第二种情况,应使ab向左加速运动。当ab匀速运动时,在P中产生的感应电流是稳定的,穿过Q的磁通量不变化,Q中无感应电流产生。故选项B、C正确。
答案:BC
题后反思本题是一个二次感应电流问题,ab运动切割磁感线在P的闭合回路中产生感应电流,这个电流必须变化,才能在Q中再次产生感应电流。本题采用逆向思维的分析方法,对提高分析问题、解决问题的能力大有帮助。类型一类型二类型三类型四类型五类型五 楞次定律与图象相结合的问题
【例题5】(多选)如图甲所示,长直导线右侧的矩形线框abcd与直导线位于同一平面,当长直导线中的电流发生如图乙所示的变化时(图中所示电流方向为正方向),线框中的感应电流方向与线框受力情况为( )
A.t1到t2时间内,线框内电流的方向为abcda,线框受力向右
B.t1到t2时间内,线框内电流的方向为abcda,线框受力向左
C.在t2时刻,线框内电流的方向为abcda,线框受力向右
D.在t3时刻,线框内无电流,线框不受力类型一类型二类型三类型四类型五点拨:熟练应用楞次定律及其推广含义是准确处理此类问题的关键。
解析:t1到t2时间内,由安培定则可判定线框中的磁场垂直纸面向里且减小,由楞次定律可判定线框内电流方向为abcda,由楞次定律的阻碍含义知线框受力向左以减缓线框中磁通量的减少,故选项A错误,选项B正确;t2时刻,导线中电流变化最快,即线框中磁通量的变化产生感应电流,但由于导线中电流为0,即原磁场为0,线框不受安培力,故选项C错误;t3时刻,导线中电流最大,但变化率为0,则线框内无感应电流,不受安培力,故选项D正确。
答案:BD类型一类型二类型三类型四类型五题后反思(1)本题中在原磁场不为0时,线框受力的方向只取决于导线中电流的变化情况,电流增大,线框受力向右,穿过线框中的磁通量增加,反之受力向左;(2)线框是否受力除考虑线框中是否有感应电流外,还要考虑原磁场的有无。课件29张PPT。4 法拉第电磁感应定律1.磁通量的变化率
知道磁通量的变化率是表示磁通量变化快慢的物理量;能区别磁通量Φ、磁通量的变化量ΔΦ和磁通量的变化率 。
2.法拉第电磁感应定律
理解法拉第电磁感应定律及其数学表达式;会用法拉第电磁感应定律解决相关问题。
3.感应电动势
知道什么叫感应电动势;掌握导体切割磁感线产生的电动势E=Blv的推导及意义;能熟练应用 和E=Blv 解题。
4.反电动势
了解反电动势及其作用。12341.感应电动势
在电磁感应现象中产生的电动势。产生感应电动势的那部分导体相当于电源,它的电阻相当于电源的内阻。
结合我们以前学过的电路知识想一想,导体上有了感应电动势,就一定有电流通过吗?
提示:不一定有电流通过。若要有电流通过,导体回路还必须闭合。12342.法拉第电磁感应定律
(1)内容:闭合电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。
(2)表达式:E= 。1234类比我们以前学过的加速度a与速度变化量Δv的关系想一想,穿过某电路的磁通量的变化量越大,产生的感应电动势也越大吗?
提示:不一定,感应电动势的大小取决于穿过电路的磁通量的变化率而非磁通量的变化量,即感应电动势的大小由磁通量的变化量和时间两个因素共同决定。12343.导体切割磁感线时的感应电动势
(1)公式:E= Blv ,此式常用来计算瞬时感应电动势的大小。
(2)适用条件:B、l、v两两垂直,如图所示。1234如图所示,一边长为l的正方形导线框abcd垂直于磁感线,以速度v在匀强磁场中向右运动。甲同学说:由法拉第电磁感应定律可知,这时穿过线框的磁通量的变化率为零,所以线框中感应电动势应该为零。乙同学说线框中ad和bc边均以速度v做切割磁感线运动,由E=Blv可知,这两条边都应该产生感应电动势且Ead=Ebc=Blv。他们各执一词,到底谁说的对呢?1234提示:这两个同学说的都对,虽然ad边与bc边都产生感应感应电动势,但由于方向相同,相当于两个电源并联没有对外供电,所以整个回路的电动势为零。可见,用法拉第电磁感应定律求出的是整个回路的感应电动势,而用E=Blv求的是回路中做切割磁感线的那部分导体产生的电动势。12344.反电动势
由于电动机转动时,线圈要切割磁感线,也会产生感应电动势,这个电动势总是要削弱电源电动势的作用,我们把这个电动势称为反电动势。1231.磁通量Φ、磁通量的变化量ΔΦ与磁通量的变化率1232.对公式E=Blv的理解
(1)该公式可看成法拉第电磁感应定律的一个推论,一般用于导体各部分切割磁感线的速度相同的情况,当v为瞬时速度时,E为瞬时感应电动势;当v是平均速度时,E为平均感应电动势。如果导体各部分切割磁感线的速度不相等,可取其平均速度求感应电动势。
例如,长度为l的导体棒在磁场中绕A点在纸面内以角速度ω匀速转动,磁感应强度为B,则AC在切割磁感线时产生的感应电动势为123(2)公式中的v应理解为导线和磁场间的相对速度,当导线不动而磁场运动时,也有电磁感应现象产生。
(3)公式E=Blv只有当B、l、v两两垂直时才成立,如果不满足两两垂直,则应通过矢量分解(分解v或分解B)取两两垂直的分量计算。当有任意两个量的方向互相平行时,感应电动势为零。
例如,闭合电路的一部分导体处于匀强磁场中,导体棒以速度v斜向切割磁感线,求产生的感应电动势。由于B、l、v不满足两两垂直,我们可以把速度v分解为两个分量:垂直于磁感线的分量v1=vsin θ和平行于磁感线的分量v2=vcos θ。后者不切割磁感线,不产生感应电动势。前者切割磁感线,产生的感应电动势为E=Blv1=Blvsin θ。123(4)公式中的l应理解为导线切割磁感线时的有效长度。如果导线不和磁场垂直,l应是导线在垂直磁场方向投影的长度;如果切割磁感线的导线是弯曲的,l应取导线两端点的连线在与B和v都垂直的直线上的投影长度。
例如,如图所示的三幅图中切割磁感线的导线是弯曲的,则切割磁感线的有效长度应取与B和v垂直的等效直线长度,即ab的长。123123类型一类型二类型三类型四类型五类型一 法拉第电磁感应定律的应用 点拨:根据法拉第电磁感应定律可求出感应电动势的大小,进而求出电容器的电荷量;由于等效电源的极性与电路是否闭合无关,所以可以根据楞次定律判断出等效电源的极性,进而判断出电容器极板的带电情况。类型一类型二类型三类型四类型五解析:因磁场在增强,由楞次定律可推知a端电势高,即a带正电荷。由法拉第电磁感应定律得 答案:2×10-9 C a带正电荷 类型一类型二类型三类型四类型五触类旁通若例题1中的n匝线圈电阻不能忽略,在a、b间接一电阻与接一电容器相比,a、b两点间电势差的大小相同吗?
答案:不同,因为a、b两点间电势差的大小等于等效电源的路端电压。接电容器时,电路中电流为零,所以a、b两点间电势差的大小等于电源的电动势;而接电阻时,电路中有电流,此时a、b两点间电势差的大小等于电源的路端电压,这个路端电压小于电源的电动势。类型一类型二类型三类型四类型五类型二 对公式E=Blv的理解
【例题2】
如图所示,在水平方向的匀强磁场中,将一导体棒以初速度v0水平向右抛出,设整个过程中,棒始终平动且不计空气阻力,试分析金属棒在运动过程中产生电动势大小的变化情况,并画出电动势随时间变化的图线。
点拨:对E=Blv,必须明确v是垂直于B和l的速度大小。类型一类型二类型三类型四类型五解析:棒水平抛出做平抛运动,据平抛运动的规律知
vx=v0①
vy=gt②
而v0平行于磁场,不切割磁感线,只有vy切割磁感线。
据电动势公式得
E=Blvy(其中l为导体棒的长度)③
联立②③得E=Blgt
所以在运动过程中,电动势E随时间逐渐增大。
即E-t图象为过原点的直线,如图所示。
答案:电动势E随时间均匀增大 图象见解析。
题后反思利用E=Blv分析有关问题时,l、v、B应取两两互相垂直的分量。类型一类型二类型三类型四类型五触类旁通若将例题2中的匀强磁场方向改为竖直向下,其他条件不变,画出这种情况下电动势随时间变化的图象。
解析:由这种情况下,vy平行于磁场,不切割磁感线,而v0切割磁感线,所以E=Blv0 ,即在运动过程中,电动势E不随时间发生变化。图象如图所示。
答案:见解析类型一类型二类型三类型四类型五【例题3】(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
D.感应电动势平均值点拨:平均感应电动势一般用瞬时感应电动势一般用 求解,公式E=Blv求解。类型一类型二类型三类型四类型五解析:在闭合回路进入磁场的过程中,通过闭合回路的磁通量逐渐增大,根据楞次定律可知感应电流的方向始终为逆时针方向,选项A正确。根据左手定则可以判断,CD段受安培力向下,选项B不正确。当半圆形闭合回路进入磁场一半时,等效长度最大为a,这时感应电动势最大为E=Bav,选项C正确。感应电动势平均值
, 选项D正确。
答案:ACD题后反思应用 或E=Blv计算感应电动势时,首先要弄清是计算平均感应电动势还是计算瞬时感应电动势,其次要弄清产生原因是磁场变化,还是导体切割磁感线。类型一类型二类型三类型四类型五类型四 电磁感应现象中的电路问题
【例题4】把总电阻为2R的均匀电阻丝焊接成一半径为a的圆环,水平固定在竖直向下的磁感应强度为B的匀强磁场中,如图所示。一长度为2a、电阻等于R、粗细均匀的金属棒MN放在圆环上,它与圆环始终保持良好的接触,当金属棒以恒定速度v向右移动经过圆环的圆心O时,求:
(1)棒上电流的大小和方向及棒两端的电压。
(2)在圆环和金属棒上消耗的总电功率。类型一类型二类型三类型四类型五点拨:弄清棒两端的电压与棒产生的感应电动势的关系是处理问题的关键。
解析:(1)把切割磁感线的金属棒看成一个内阻为R、感应电动势为E的电源,两个半圆环看成两个并联的电阻,画出等效电路图如图所示。
等效电源的电动势为E=Blv=2Bav。电流的方向从N流向M。 类型一类型二类型三类型四类型五题后反思画等效电路图的步骤:(1)分析产生感应电动势的原因,确定感应电动势存在于何处;(2)判断出感应电动势的方向;(3)将产生感应电动势的那部分导体用电源符号代替,而没有产生感应电动势的那部分导体用电阻符号代替,画出等效电路图。类型一类型二类型三类型四类型五类型五 电磁感应现象中的电荷量问题
【例题5】如图所示,导线全部为裸导线,半径为r的导线圆环内有垂直于圆环平面的匀强磁场,磁感应强度为B,一根长度大于2r的导线MN以速度v在圆环上无摩擦地自左向右匀速滑动,电路中固定电阻为R,其余部分电阻忽略不计。试求MN从圆环的左端滑到右端的过程中通过电阻R的电流的平均值及电荷量。
点拨:本题考查电磁感应现象及电磁感应现象中产生的电荷量,解题的关键是选对求电动势的公式。类型一类型二类型三类型四类型五解析:整个过程中磁通量的变化量ΔΦ=B·ΔS=B·πr2, 类型一类型二类型三类型四类型五课件22张PPT。5 电磁感应现象的两类情况1.感生电场 感生电动势
了解感生电场,知道感生电动势的产生原因;会判断感生电动势的方向,并会计算它的大小。
2.动生电动势
了解动生电动势的产生以及与洛伦兹力的关系;会判断动生电动势的方向,会计算它的大小。121.感生电场与感生电动势
(1)感生电场:磁场变化时在空间激发的一种电场,它是由英国物理学家麦克斯韦提出的。
(2)感生电动势:由感生电场产生的感应电动势,它的方向与感生电场的方向相同,与感应电流的方向也相同。
(3)感生电动势中的非静电力:就是感生电场对自由电荷的作用力。12感生电场与我们以前学过的静电场有什么不同?
提示:①产生原因不同:静电场是由静止的电荷激发的,而感生电场是由变化的磁场激发的。②电场线不同:静电场的电场线是由正电荷(无穷远)出发到无穷远(负电荷)终止,电场线不闭合,而感生电场是一种涡旋电场,电场线是闭合的。③做功时能量转化不同:静电场做功是把电能转化为其他形式的能,而感生电场做功是把其他形式的能转化为电能。122.洛伦兹力与动生电动势
(1)动生电动势成因:导体棒做切割磁感线运动时,导体棒中的自由电荷随棒一起定向移动,并因此受到洛伦兹力的作用。
(2)动生电动势:由于导体运动产生的感应电动势。
(3)动生电动势中的非静电力:与洛伦兹力有关。
结合动生电动势的产生原因想一想,产生动生电动势的过程,洛伦兹力做功吗?
提示:不做功,因为产生动生电动势过程中,洛伦兹力沿导体方向的分力做正功,垂直于导体方向的分力做负功,二者的代数和为零,所以洛伦兹力不做功,只起到传递能量的作用。1231.对感生电动势的理解
(1)英国物理学家麦克斯韦认为,变化的磁场会在空间激发一种电场——涡旋电场,涡旋电场也会对电荷产生力的作用。如图所示,当磁场增强时,产生的感应电场是与磁场方向垂直的曲线。若该空间存在闭合导体,导体中的自由电荷在这种涡旋电场力的作用下做定向移动,形成感应电流,或者说导体中产生了感应电动势,涡旋电场对自由电荷的作用力就是搬运电荷做功的非静电力。因感应而产生,该电动势就是感生电动势,处在变化磁场区域中的导体就是电源。123(2)感应电场是否存在取决于有无变化的磁场,与是否存在导体及是否存在闭合回路无关。尽管如此,我们要判定感应电场方向还要依据实际存在的或假定存在的回路结合楞次定律来进行。1232.动生电动势的产生
如图所示,一条直导线CD在匀强磁场B中以速度v向右运动,并且导线CD与B、v的方向互相垂直。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=evB。F的方向竖直向下,在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,结果是C端的电势高于D端的电势,出现由C端指向D端的静电场,此电场对电子的作用力F'是向上的,与洛伦兹力的方向相反。123随着导体两端正、负电荷的积累,电场强度不断增大,当作用到自由电子上的静电力与洛伦兹力互相平衡时,CD两端便形成了一稳定的电势差。如果用另外的导线把CD两端连起来,由于C端电势比D端高,形成感应电流。电荷的流动使CD两端积累的电荷减少,洛伦兹力又不断地使电子从C端运动到D端,达到动态平衡,维持一个稳定的电动势,导线CD相当于电源。此时,C、D两端间的电场电动势的产生与电路是否闭合无关。
当电路不闭合时,切割磁感线的导体两端积聚电荷,则在导体内产生电场,电荷在受洛伦兹力的同时也受电场力作用。1233.感生电动势与动生电动势比较 123温馨提示有些情况下,感生电动势与动生电动势具有相对性。例如,将条形磁铁插入线圈中,如果在相对磁铁静止的参考系内观察,线圈运动,产生的是动生电动势;如果在相对线圈静止的参考系中观察,线圈中磁场变化,产生的是感生电动势。类型一类型二类型三类型四类型一 对感生电场的理解
【例题1】(多选)某空间出现了如图所示的磁场,当磁感应强度变化时,在垂直于磁场的方向上会产生感生电场。有关磁感应强度的变化与感生电场的方向关系描述正确的是( )
A.当磁感应强度均匀增大时,感生电场 的电场线从上向下看应为顺时针方向
B.当磁感应强度均匀增大时,感生电场 的电场线从上向下看应为逆时针方向
C.当磁感应强度均匀减小时,感生电场的 电场线从上向下看应为顺时针方向
D.当磁感应强度均匀减小时,感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向类型一类型二类型三类型四点拨:感生电场的方向与感生电动势、感应电流的方向相同,因此可以用楞次定律分析。
解析:
B向上,均匀增大时 回路中感应电流的磁场方向向下 感应电流的方向(从上向下看)为顺时针方向 感生电场的方向(从上向下看)为顺时针方向
B向上,均匀减小时 回路中感应电流的磁场方向向上 感应电流的方向(从上向下看)为逆时针方向 感生电场的方向(从上向下看)为逆时针方向
答案:AD类型一类型二类型三类型四题后反思(1)感生电场的产生条件是空间中磁场发生变化,与是否存在闭合导体无关。
(2)判断感生电场的方向时,可以先假设空间中存在一个闭合导体环,在确定原磁场的方向及变化后,根据楞次定律用右手螺旋定则判断出感应电流的方向,即感生电场的方向。
触类旁通若例题1中感生电场的电场强度为0,能否说明此时磁场消失?
答案:不能,因为电场强度为0,说明磁场不变化,不能说明磁场消失。类型一类型二类型三类型四类型二 感生电动势的计算
【例题2】
如图所示,l1=0.5 m,l2=0.8 m,回路总电阻为R=0.2 Ω,物块M的质量m=0.04 kg,导轨光滑,开始时磁场的磁感应强度B0=1 T。现使磁感应强度以点拨:回路中原磁场方向向下,且磁通量增加,由楞次定律可以判知,感应电流的磁场方向向上,根据安培定则可以判知,ab中的感应电流的方向是a→b,由左手定则可知,ab所受安培力的方向水平向左,从而向上拉起重物。类型一类型二类型三类型四解析:设ab中电流为I时M刚好离开地面,此时有
F安=BIl1=mg 答案:5 s 题后反思在审题时应加强对某些关键字的理解,如本题中的“刚好”两个字,就说明了地面此时对物体无支持力。类型一类型二类型三类型四类型三 动生电动势的计算
【例题3】如图所示,三角形金属框架MON平面与匀强磁场B垂直,导体ab能紧贴金属框架运动,且始终与导轨ON垂直。当导体ab从O点开始匀速向右平动时,速度为v0,试求dOc回路中某时刻的感应电动势随时间变化的函数关系式。
点拨:导体ab在切割磁感线的运动过程中,在回路中的有效切割长度dc随时间做线性变化,由于题中要求的是感应电动势瞬时值表达式,故可用公式E=Blv求解。类型一类型二类型三类型四类型一类型二类型三类型四题后反思由E=Blv计算导体切割磁感线产生的动生电动势问题,若l不变,当v是瞬时速度时,可求E的瞬时值,当v是平均速度时,可求E的平均值。若l变化,求瞬时值时,需将该时刻的l及v代入,而平均值通常由 求得。类型一类型二类型三类型四类型四 感生电动势与动生电动势共存的问题
【例题4】 如图所示,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/m,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=0.20 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,在变力F的作用下,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。类型一类型二类型三类型四点拨:分析本题时要注意把握几个重要的条件。首先,金属杆的运动是匀加速运动,由这个条件可求出在t时刻金属杆的速度v与运动位移x的关系;其次,金属杆向左做切割磁感线运动要产生动生电动势,回路中的磁场是变化的,面积也是变化的,又要产生感生电动势,由右手定则和楞次定律判断知上述两个电动势的方向相同,回路的总电动势等于两者之和;最后还要明白电路的总电动势、电阻、感应电流以及金属杆所受的安培力是变化的,所要求的是一个瞬时的安培力。类型一类型二类型三类型四答案:0.144 N 题后反思在磁场变化,同时导体做切割磁感线运动时,两种电动势可同时存在。这种情况下,需要对两种电动势分别分析,弄清其方向关系,进而明确总电动势等于感生电动势与动生电动势之和还是差。课件22张PPT。6 互感和自感1.互感现象
了解什么是互感现象,了解互感现象在生活和生产中的应用和防止。
2.自感现象
了解什么是自感现象,了解自感现象在生活和生产中的应用和防止;能够运用电磁感应的有关规律分析通、断电自感现象;了解自感电动势的计算式。
3.自感系数
知道自感系数是表示线圈本身特征的物理量,知道它的大小与哪些因素有关,知道它的单位。12341.互感现象
(1)定义:两个相互靠近的线圈,当一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势的现象。互感现象中,产生的电动势叫作互感电动势。
(2)应用:互感现象可以把能量由一个线圈传递到另一个线圈,变压器、收音机的“磁性天线”就是利用互感现象制成的。
(3)危害:互感现象能发生在任何两个相互靠近的电路之间,电力工程和电子电路中,有时会影响电路正常工作,这时要设法减小电路间的互感。12342.自感现象
(1)定义:一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场在它本身激发出感应电动势的现象。由于自感而产生的电动势叫作自感电动势。1234(2)通电自感和断电自感。 1234结合电磁感应的产生条件想一想,互感现象与自感现象是否属于电磁感应现象?
提示:两者都属于电磁感应现象,都遵循法拉第电磁感应定律和楞次定律。12343.自感电动势与自感系数
(1)自感电动势1234若一个线圈中的电流在均匀增大,那么这个线圈的自感系数将如何变化?
提示:不变,这是因为自感系数由线圈本身特征决定,不随电流而变。12344.磁场的能量
(1)自感现象中的磁场能量
①线圈中电流从无到有时,磁场从无到有,电源的能量输送给磁场,储存在磁场中。
②线圈中电流减小时,磁场中的能量释放出来转化为电能。
(2)电的“惯性”
自感电动势有阻碍线圈中电流变化的惯性。12341.自感现象问题的分析思路
(1)明确通过自感线圈的电流的变化情况(增大还是减小)。
(2)判断自感电动势方向,电流增加时(如通电),自感电动势方向与原电流方向相反,阻碍电流增加,电流逐渐增大;电流减小时(如断电),自感电动势方向与原电流方向相同,阻碍电流减小,线圈中电流逐渐减小。
(3)明确电路中与线圈串联的元件,元件中的电流大小与线圈中电流大小有相同的变化规律。12342.线圈对变化电流的阻碍作用与对稳定电流的阻碍作用的区别
(1)两种阻碍作用产生的原因不同
线圈对稳定电流的阻碍作用,是由绕制线圈的导线的电阻决定的,对稳定电流阻碍作用的产生原因是金属对定向运动电子的阻碍作用。线圈对变化电流的阻碍作用,是由线圈的自感现象引起的,当通过线圈中的电流变化时,穿过线圈的磁通量发生变化,产生自感电动势,阻碍线圈中电流的增大或减小。
(2)两种阻碍作用产生的效果不同
线圈电阻决定了电流所能达到的稳定值,对变化电流的阻碍作用决定了要达到稳定值所需的时间。
(3)两种阻碍作用过程中能量转化的特点不同
导体对电流阻碍作用的结果是由电能转化成内能;线圈对变化电流阻碍作用的结果是实现电能和磁场能的相互转化。12343.通、断电自感中灯泡亮度变化问题 1234温馨提示在处理通、断电自感中灯泡亮度变化问题时,不能一味套用结论,要具体问题具体分析,关键要搞清电路的连接情况。例如,在如图所示电路中,L为自感系数较大的线圈,电路稳定后小灯泡正常发光,在断开电路的瞬间,通过线圈的电流从有到无,线圈将产生自感电动势,但由于线圈与灯泡不能构成闭合回路,因此灯泡不是慢慢熄灭,而是立即熄灭。12344.自感现象的应用和防止
(1)应用
如日光灯电路中的镇流器,无线电设备中和电容器一起组成的振荡电路等。需要利用自感现象时,可以适当地增大自感系数。
(2)危害及防止
在自感系数很大而电流又很强的电路中,切断电路的瞬间,会因产生很高的自感电动势而产生电弧,从而危及工作人员和设备的安全,此时可用特制的安全开关。制作精密电阻时,采用双线绕法可以抵消自感现象产生的效果。要防止自感现象的发生、减小因自感而造成的危害,可以阻断自感形成所必需的通路或设法减小自感系数。类型一类型二类型三类型四类型一 通、断电自感中灯泡亮度的变化问题
【例题1】如图所示,线圈的自感系数很大,直流电阻为零,电阻R>RL,在开关S断开后,灯泡明暗情况如何变化?
点拨:S断开前灯泡中的电流由电源提供,S断开后由于自感现象,线圈相当于电源对灯泡供电。类型一类型二类型三类型四解析:当S断开后,原来电源提供的电流I2立即消失,但自感线圈贮存的磁场能释放转化成电能通过小灯泡。通过自感线圈的电流I1由于自感的作用,在电路切断后是逐渐衰减的,因而S断开后通过灯泡的电流由I1逐渐减小到零。因为R>RL,所以I1答案:小灯泡逐渐变暗直至熄灭。
题后反思判断小灯泡的明暗变化情况,也就是比较条件变化前后通过小灯泡中电流的变化情况。
触类旁通例题1中若R答案:小灯泡闪亮一下再逐渐变暗直至熄灭。这是因为开关断开后,通过灯泡的电流由I1逐渐减小至零,而断开前,I1>I2。类型一类型二类型三类型四类型二 对自感电动势的理解
【例题2】如图所示,多匝线圈L的电阻和电池内阻不计,两个电阻的阻值都是R,开关S原来是断开的,电流A.有阻碍电流的作用,最后电流由I0减小到零
B.有阻碍电流的作用,最后电流总小于I0
C.有阻碍电流增大的作用,因而电流将保持I0不变
D.有阻碍电流增大的作用,但电流最后还是增大到2I0类型一类型二类型三类型四点拨:当电路中有电感器时,若电路中的电流发生变化,电感器L的作用总是阻碍电流的变化。当电路稳定时,电感器L相当于一段导体。
解析:开关S由断开到闭合,回路的电流要增大,因而在L上要产生自感电动势,根据楞次定律,自感电动势总是要阻碍引起它的电流的变化,这就是说由于电流增加引起自感电动势,因此要阻碍原电流的增加。但阻碍不是阻止,电流仍要增大,因而达到稳定后,其电流为2I0。选项D正确。
答案:D
题后反思在自感现象中,自感电动势“阻碍”的是电流的变化,而不是“阻止”电流变化,是对电流变化的延缓,使其不发生突变。类型一类型二类型三类型四类型三 自感现象的防止和应用
【例题3】在制作精密电阻时,为了消除使用过程中由于电流变化而引起的自感现象,采用双线并绕的方法,如图所示。其道理是( )
A.当电路中的电流变化时,两股导线产生的自感电动势相互抵消
B.当电路中的电流变化时,两股导线产生的感应电流相互抵消
C.当电路中的电流变化时,两股导线中原电流的磁通量相互抵消
D.以上说法都不对
点拨:自感现象的本质是电磁感应,要想消除使用过程中的自感现象,只要创造条件让它不满足电磁感应的产生条件即可。类型一类型二类型三类型四解析:由于采用双线并绕的方法,当电流通过时,两股导线中的电流方向是相反的,不管电流怎样变化,任何时刻两股电流总是等大反向的,所产生的磁通量也是等大反向的,故总磁通量等于零,在该线圈中不会产生电磁感应现象,因此消除了自感,选项A、B错误,只有C正确。
答案:C
题后反思只要我们掌握了自感现象的产生条件,就可以根据需要对自感现象进行应用或加以防止。类型一类型二类型三类型四类型四 自感现象中的图象问题
【例题4】如图所示的电路中,S闭合且稳定后流过电感线圈的电流是2 A,流过灯泡的电流是1 A。将S突然断开,S断开前后,能正确反映流过灯泡的电流i随时间t变化关系的图象是( )类型一类型二类型三类型四点拨:解题时,先要搞清楚研究什么元件上的电流随时间的变化关系;其次要根据线圈的自感电动势引起的感应电流的方向与原来电流的方向是相同还是相反、大小如何变化等因素来确定图象。
解析:开关S断开前,通过灯泡D的电流是稳定的,其值为1 A。开关S断开瞬间,灯泡支路的电流立即减为零,但是自感线圈的支路由于自感现象会产生与线圈中原电流方向相同的感应电动势,使线圈中的电流从原来的2 A逐渐减小,方向不变,且同灯泡D构成回路,通过灯泡D的电流和线圈L中的电流相同,也应该是从2 A逐渐减小为零,但是方向与原来通过灯泡D的电流方向相反,选项D对。
答案:D
题后反思自感现象中的电流问题,既要考虑到电流的大小,又要考虑到电流的方向。断电自感现象中流过自感线圈的电流是瞬时不变的,这里的“不变”包括电流的大小和方向。课件17张PPT。7 涡流、电磁阻尼和电磁驱动1.涡流
了解涡流是怎样产生的,了解涡流现象在日常生活和生产中的应用和危害。
2.电磁阻尼 电磁驱动
了解什么是电磁阻尼,什么是电磁驱动。了解电磁阻尼、电磁驱动在日常生活和生产中的应用。1231.涡流
(1)概念
由于电磁感应,在导体中产生的像水中旋涡样的感应电流。
(2)特点
整块金属的电阻很小,涡流往往很强,产生的热量很多。
(3)应用
①涡流热效应的应用:如真空冶炼炉。
②涡流磁效应的应用:如探雷器、安检门。
(4)防止
电动机、变压器等设备中应防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量,损坏电器。
①途径一:增大铁芯材料的电阻率。
②途径二:用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯。123结合感应电流的产生条件想一想,涡流的产生条件是什么?
提示:因为涡流的本质是感应电流,所以产生条件也有两个,一是穿过金属块的磁通量发生变化,二是金属块本身可自行构成闭合回路。1232.电磁阻尼
(1)概念
当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力,安培力的方向总是阻碍导体运动的现象。
(2)应用
磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停止摆动,便于读数。1233.电磁驱动
(1)概念
磁场相对于导体转动时,导体中产生感应电流,感应电流使导体受到安培力的作用,安培力使导体运动起来的现象。
(2)应用
交流感应电动机。
在电磁阻尼与电磁驱动中安培力所起的作用相同吗?为什么?
提示:不同,因为电磁阻尼中安培力的方向与导体运动方向相反,是阻力,而在电磁驱动中,安培力的方向与导体运动方向相同,是动力。121.对涡流现象的进一步理解
(1)可以产生涡流的两种情况
①把块状金属放在变化的磁场中。
②让块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动。
(2)能量转化
伴随着涡流现象,其他形式的能转化成电能最终在金属块中转化为内能。如果金属块放在了变化的磁场中,则磁场能转化为电能最终转化为内能;如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动,则由于克服安培力做功,金属的机械能转化为电能,最终转化为内能。12例如:如图所示,在O点正下方有一个具有理想边界的磁场,铜球在A点由静止释放向右摆至最高点B。不考虑空气阻力,铜球也回不到原来的高度,即A点一定高于B点,这是什么原因呢?铜球由A点运动至B点的过程中,在穿进穿出磁场两个阶段铜球中产生涡流,将铜球的一部分机械能转化为电能,最终产生了焦耳热,所以铜球的机械能减小,也就回不到原来的高度了。12(3)涡流的危害、防止及利用
①涡流的危害
在各种电机、变压器中,涡流是非常有害的。首先它会使铁芯的温度升高,从而危及线圈绝缘材料的寿命,严重时会使材料报废;其次涡流发热要消耗额外的能量,使电机、变压器的效率降低。
②涡流的防止
为了减少涡流,变压器、电机里的铁芯不是由整块的钢铁制成,而是用薄薄的硅钢片叠合而成。一方面硅钢片的电阻率比一般钢铁的要大,从而减少损耗;另一方面,每层硅钢片之间都是绝缘的,阻断了涡流的通路,进一步减少了涡流的发热。计算表明:涡流的损耗与硅钢片的厚度的二次方成正比。12③涡流的利用
用来冶炼合金的真空冶炼炉,炉外有线圈,线圈中通过反复变化的电流,炉内的金属中产生涡流。涡流产生的热量使金属熔化并达到很高的温度。利用涡流冶炼金属的优点是整个过程能在真空中进行,这样就能防止空气中的杂质进入金属,可以冶炼高质量的合金。为了增大涡流,达到快速熔化金属的目的,在线圈中通入高频交变电流,根据电磁感应定律,电流变化快,得到的感应电动势就大,涡流就强。
(4)涡流的本质
在理解涡流时,要注意涡流本质上是由于电磁感应而产生的,它的产生仍然符合感应电流产生的条件(有磁通量的改变,具体形式是有磁场的变化或导体切割磁感线),特殊之处在于感应电流不是在线状回路中产生的,而是在块状金属中产生的。122.电磁阻尼与电磁驱动比较 类型一类型二类型三类型一 对涡流的理解
【例题1】如图所示,在匀强磁场中,金属球从曲面上h高处滚下,又沿曲面的另一侧上升。设球的初速度为零,摩擦不计,则金属球在另一侧滚上的高度 (选填“大于”“小于”或“等于”)h。?
点拨:涡流的产生条件有两个,一是穿过金属球的磁通量发生变化,二是金属球必须是自行组成闭合的回路。
解析:由于金属球处于匀强磁场中,在从一侧滚上另一侧的过程中,穿过金属球的磁通量没发生变化,所以金属球内无涡流产生,也就没有机械能的损失,在另一侧就能滚上原来的高度。
答案:等于类型一类型二类型三题后反思涡流的本质是感应电流,紧扣感应电流的产生条件是解决这类问题的关键。
触类旁通例题1中若金属球处于非匀强磁场中,结论又会怎样?
答案:小于。因为此时滚动过程中穿过金属球的磁通量发生变化,金属球内有涡流产生,最终转化为金属球的焦耳热。即金属球的机械能有损失,所以在另一侧就滚不上原来的高度。类型一类型二类型三类型二 电磁阻尼的应用
【例题2】如图所示,弹簧上端固定,下端挂一只条形磁铁,使磁铁上下振动,磁铁的振动幅度不变。若在振动过程中把线圈靠近磁铁,观察磁铁的振幅将会发现( )
A.S闭合时振幅逐渐减小,S断开时振幅不变
B.S闭合时振幅逐渐增大,S断开时振幅不变
C.S闭合或断开,振幅变化相同
D.S闭合或断开,振幅都不发生变化类型一类型二类型三点拨:产生感应电流的过程就是能量转化的过程。
解析:S断开时,磁铁振动穿过线圈的磁通量发生变化,线圈中无感应电流,振幅不变;S闭合时有感应电流,有电能产生,磁铁的机械能越来越小,振幅逐渐减小,选项A正确。
答案:A
题后反思涡流、电磁阻尼、电磁驱动其实都是电磁感应现象,产生的电流都是感应电流,根据楞次定律可知,阻碍的过程就是能量转化的过程。类型一类型二类型三类型三 电磁驱动问题分析
【例题3】如图所示,两个相同的轻质铝环套在一根水平光滑绝缘杆上,当一条形磁铁向左运动靠近两环时,两环的运动情况是( )
A.同时向左运动,间距变大
B.同时向左运动,间距变小
C.同时向右运动,间距变小
D.同时向右运动,间距变大
点拨:无论是电磁阻尼还是电磁驱动,都是由于导体和磁体间存在相对运动而产生的电磁感应现象,活用楞次定律的推广含义是分析此类问题的关键。类型一类型二类型三解析:本题考查了楞次定律和电磁驱动现象。当条形磁铁向左运动靠近两环时,将使穿过两环中的磁通量都增加,根据楞次定律,两环的运动都要阻碍磁铁相对环的运动,即阻碍“靠近”,那么两环都向左运动。又由于两环中的感应电流方向相同,两平行的同向电流间有相互吸引的磁场力,因而两环间的距离要减小,故B选项正确。
答案:B
题后反思从导体和磁体相对运动的角度来看,感应电流总要阻碍它们的相对运动,用这种方法来判断产生感应电流的导体的运动方向比较简单。课件21张PPT。本章整合专题一专题二专题三专题四专题一 电磁感应中的图象问题
1.图象问题专题一专题二专题三专题四2.分析方法
解决图象类问题的关键是分析磁通量是否均匀变化,从而判断感应电动势(电流)或安培力的大小是否恒定,然后运用楞次定律或左手定则判断它们的方向,分析出相关物理量之间的函数关系,确定其大小和方向及在坐标轴中的范围。专题一专题二专题三专题四【例题1】 如图所示,两光滑水平等长直导轨,水平放置在磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场与导轨所在平面垂直。已知金属棒MN能沿导轨自由滑动,导轨一端跨接一个定值电阻R,金属棒与导轨电阻不计。金属棒在恒力F作用下从静止开始沿导轨向右运动,在以后过程中,下图表示金属棒速度v、加速度a、感应电动势E以及通过电阻R的电荷量q随时间t变化的图象中错误的是( )专题一专题二专题三专题四点拨:准确找出相关量的函数关系是处理此类问题的常用方法。 答案:A 专题一专题二专题三专题四题后反思处理图象问题时需明确的几点:
(1)明确两坐标轴代表的物理量以及图线的点、斜率、截距、所围面积的意义;
(2)明确题目涉及的物理知识,如楞次定律、法拉第电磁感应定律、欧姆定律、右手定则、左手定则、安培力、功率、牛顿第二定律等;
(3)明确题目中规定的正方向,回路中的感应电动势、感应电流、磁感应强度的方向。专题一专题二专题三专题四专题二 电磁感应中的力学问题
1.电磁感应与力学的联系
电磁感应中产生的感应电流在磁场中将受到安培力作用,可见,电磁感应问题往往和力学问题联系在一起。
2.分析思路
(1)用电磁感应定律和楞次定律、右手定则确定感应电动势的大小和方向。
(2)应用闭合电路欧姆定律求出电路中的感应电流的大小。
(3)分析研究导体受力情况,特别要注意安培力方向的确定。
(4)列出动力学方程或平衡方程求解。专题一专题二专题三专题四【例题2】 如图所示, PF、GH是两根足够长的固定平行金属导轨,两导轨间的距离为l,导轨平面与水平面的夹角为θ,在整个导轨平面内都有垂直于导轨平面斜向上方的匀强磁场,磁感应强度为B。在导轨的PG间连接一个阻值为R的电阻,一根质量为m、垂直于导轨放置的金属棒ab,从静止开始沿导轨下滑,求此过程中ab棒的最大速度。(已知ab棒与导轨间的动摩擦因数为μ,导轨和金属棒的电阻都不计)专题一专题二专题三专题四点拨:为便于对ab棒的受力分析,通常将立体图转化为平面图。本题中,做好ab棒的受力情况和运动情况的动态分析是处理问题的关键。
解析:ab沿导轨下滑过程中受四个力作用,即重力mg、支持力FN、摩擦力Ff和安培力F安,如图所示。ab由静止开始下滑后,将是v↑→E↑→I↑→F安↑→a↓(↑表示增大,↓表示减小),所以这是个变加速过程,当加速度a减小到零时,其速度增到最大值vmax,此时必将处于平衡状态,以后将以vmax匀速下滑。ab下滑时因切割磁感线,要产生感应电动势,根据电磁感应定律得E=Blv,闭合电路PGba中将产生感应电流,专题一专题二专题三专题四专题一专题二专题三专题四题后反思电磁感应中的力学问题,关键是要掌握受力情况、运动情况的动态分析思路:速度变化→感应电动势变化→感应电流变化→通电导体所受安培力变化→合外力变化→加速度变化→速度变化,周而复始地循环,循环结束时,加速度等于零,导体达到稳定运动状态,速度达到最大值。专题一专题二专题三专题四专题三 电磁感应中的能量问题
1.电磁感应中的能量转化
无论使闭合回路的磁通量发生变化,还是使闭合回路的部分导体切割磁感线,都要消耗其他形式的能量,从而转化为回路中的电能。当感应电流通过用电器时,电能又转化为其他形式的能。
2.电磁感应中的安培力做功问题
电磁感应中,安培力的做功过程是电能与其他形式能量相互转化的过程,具体关系如下:专题一专题二专题三专题四3.电磁感应中的焦耳热问题
有一类求解回路中因电磁感应而产生焦耳热的问题,如果直接用Q=I2Rt求解,不是因为电流I是变化的,时间是无法确定的,就是解答较复杂,从而导致求解困难。而利用能量守恒知识求解,往往使问题变得简单。专题一专题二专题三专题四【例题3】 (多选)两根光滑的金属导轨,平行放置在倾角为θ的斜面上,导轨的左端接有电阻R,导轨的电阻可忽略不计。斜面处在一匀强磁场中,磁场方向垂直于斜面向上。质量为m,电阻可不计的金属棒ab,在沿着斜面且与棒垂直的恒力F的作用下沿导轨匀速上滑,并上升h高度,如图所示。在这个过程中( )A.作用在金属棒上的各个力的合力所做的功等于零
B.作用在金属棒上的各个力的合力所做的功等于mgh与电阻R上发出的焦耳热之和
C.恒力F与安培力的合力所做的功等于零
D.恒力F与重力的合力所做的功等于电阻R上发出的焦耳热专题一专题二专题三专题四点拨:本题考查电磁感应中的功能关系,弄清金属棒所受各力的做功情况,灵活选用相应的功能关系是处理此题的关键。
解析:金属棒匀速上滑的过程中,由受力分析可知,有三个力对棒做功,恒力F做正功,重力做负功,安培力阻碍相对运动,沿斜面向下,做负功。匀速运动时,所受合外力为零,故合力做功为零,A正确;又克服安培力做多少功就有多少其他形式的能转化为电路中的电能,电能又等于R上产生的焦耳热,故外力F与重力的合力所做的功等于电阻R上发出的焦耳热,D正确。
答案:AD专题一专题二专题三专题四题后反思利用功能关系求解电磁感应问题的基本方法
(1)用法拉第电磁感应定律或导体切割磁感线公式确定感应电动势的大小,用楞次定律和右手定则判断感应电动势的方向。
(2)画出等效电路,求解电路中相关参量,分析电路中能量转化关系。
(3)研究导体机械能的转化,利用能量转化和守恒关系,列出机械功与电路中电功变化的守恒关系式。专题一专题二专题三专题四专题四 电磁感应中的电路问题
1.电磁感应与电路的联系
在电磁感应中,切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路将产生感应电动势,该导体或回路相当于电源,将它们接上电容器便可对电容器充电,接上电阻等用电器,便可对用电器供电,在回路中形成电流。因此,电磁感应往往与电路联系在一起。
2.处理方法
(1)用法拉第电磁感应定律和楞次定律确定感应电动势的大小和感应电流的方向;
(2)画出等效电路图;
(3)运用闭合电路欧姆定律,串、并联电路特点,电功、电功率等知识联立求解。专题一专题二专题三专题四【例题4】 均匀导线制成的正方形闭合线框abcd,每边边长为l,总电阻为R,总质量为m。将其置于磁感应强度为B的水平匀强磁场上方h处,如图所示,线框由静止自由下落,线框平面保持在竖直平面内,且cd边始终与水平的磁场边界平行。当cd边刚进入磁场时,(1)求线框中产生的感应电动势的大小。
(2)求c、d两点间的电势差大小。
(3)若此时线框加速度恰好为零,求线框下落的高度h所应满足的条件。专题一专题二专题三专题四专题一专题二专题三专题四题后反思(1)某段导体作为外电路时,它两端的电压就是电流与其电阻的乘积。
(2)某段导体作为电源时,它两端的电压就是路端电压,等于电流与外电阻的乘积,或等于电动势减内电压。当其电阻不计时,路端电压等于电源电动势。当外电路断开时,路端电压也等于电动势。
