高中物理人教版选修3-2教案　4．5《电磁感应现象的两类情况》

电磁感应现象的两种情况
教学目标
1. 知识与技能
(1)了解感生电场，会解释感生电动势的产生原因．
(2)了解动生电动势的产生条件和洛伦兹力的关系．
(3)掌握两种感应电动势的区别与联系，会应用分析实际问题．
(4)了解电磁感应规律的一般应用，会分析科技实例．
2. 过程与方法
通过同学们之间的讨论、研究增强对两种电动势的认知深度，同时提高学习物理的兴趣．
3. 情感、态度与价值观
通过对相应物理学史的了解，培养热爱科学、尊重知识的良好品德．
教学重点难点
感生电动势与动生电动势的概念。
对感生电动势与动生电动势实质的理解。
教学方法与手段
以类比为先导，引领学生在复习干电池电动势中非静电力作用的基础上，说明感应电场和洛伦兹力在产生感应电动势中的作用，并能应用感生电动势和动生电动势解答相关问题。
类比讨论学习为主，发动学生对电子感应加速器的讨论从而加深理解。

多媒体课件、实物投影仪、视频片断。
导入新课
[事件1]
教学任务：复习提问，导入新课。
师生活动：情景导入，放映PPT课件展示提问的问题。
一、复习提问：
1．法拉第电磁感应定律的内容是什么？数学表达式是什么？
答：感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比，即E＝n。
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？
答：导体在磁场中切割磁感线产生的电动势的大小与导体棒的有效长度、磁场强弱、导体棒的运动速度有关，表达式是E＝BLvsinθ，该表达式只能适用于匀强磁场中。
3．干电池中电动势是怎样产生的？
参照相关图片，回顾所学电池电动势中有关非静电力做功的知识，其他学生补充。
二、引入新课：在电磁感应现象中，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，本节课我们就一起来学习感应电动势产生的机理。
讲授新课
[事件2]
教学任务：感生电场和感生电动势。
师生活动：
学生阅读教材19页“电磁感应现象中的感生电场”部分，分析讨论闭合电路中产生感应电流的原因。
教师启发学生：哪一种作用相当于非静电力？
课件展示：
复习电动势相关知识

每一个电动势都对应有一种非静电力——正是由于非静电力做功把其他形式的能转化为电能(如干电池)。
讨论分析的结论：通过与干电池电动势的类比，找到变化的磁场会在周围空间激发一种电场，所谓的非静电力就是这种“感生电场”的电场力。
多媒体动画展示：感生电场产生感生电动势，感生电动势在闭合电路里产生感应电流。
学生讨论得出结论：
1．由感生电场产生的感应电动势称为感生电动势，感生电动势所对应的非静电力是感生电场对自由电荷的作用。
2．感生电场方向就是感应电流的方向，判断方法：楞次定律
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
分析：根据电磁感应，闭合回路中的磁通量变化时，使闭合回路中产生感应电流，该电流可用楞次定律来判断，闭合回路中产生感应电流，是因为闭合回路中受到了电场力的作用，而变化的磁场产生电场，与是否存在闭合回路没有关系，故空间磁场变化产生的电场方向，仍可用楞次定律来判断，四指环绕方向即感应电场的方向，由此可知A、D正确。
答案：AD
点评：已知感应电场方向求原磁通量的变化情况的基本思路：

应用实例：电子感应加速器
课件展示：电子感应加速器加速电子的情景，分析电子加速的原因。

它的柱形电磁铁在两极间产生磁场。在磁场中安置一个环形真空管道作为电子运行的轨道。当磁场发生变化时，就会沿管道方向产生感应电场。射入其中的电子就受到这感应电场的持续作用而被不断加速。
学生活动：1.做课本例题
题现代科学研究中常要用到高速电子，电子感应加速器就是利用感生电场使电子加速的设备，它的基本原理如下图所示，上、下为电磁铁的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室，电子在真空室中做圆周运动。电磁铁线圈中电流的大小、方向可以变化，产生的感应电场使电子加速。图中上图为侧视图，下图为真空室的俯视图。如果从上向下看，电子沿逆时针方向运动，那么当电磁铁线圈电流的方向与图示方向一致时，电流的大小应该怎样变化才能使电子加速？如果电流的方向与图示方向相反，为使电子加速，电流又应怎样变化？

电子感应加速器
2．巩固练习(教材问题与练习第2题)
3．交流答案，实物投影仪展示
4．深入提高：如图所示，100匝线圈(为表示线圈的绕向，图中只画了2匝)两端A，B与一个电压表相连。线圈内有指向纸内方向的磁场，线圈中的磁通量在按图乙所示规律变化。
(1)按图乙所示的规律，电压表的读数应该等于多少？
(2)请在线圈位置上标出感应电场的方向。
(3)A，B两端，哪端应该与电压表标“＋”号的接线柱(或红接线柱)连接？

答：(1)E＝n＝n s＝100×0.5 V＝50 V
电压表读数为50 V
(2)感应电场的方向为逆时针方向。
(3)A端的电势比B端高，所以A端应与电压表标“＋”的接线柱连接。
[事件3]
教学任务：洛伦兹力与动生电动势。
师生活动：
问题引导：导体切割磁感线时也会产生感应电动势，该电动势产生的机理是什么？导体切割磁感线产生的感应电动势的大小与哪些因素有关？它是如何将其他形式的能转化为电能的？
思考并讨论：

如图所示，导体棒CD在均匀磁场中运动。
1．自由电荷会随着导体棒运动，并因此受到洛伦兹力。导体中自由电荷的合运动在空间大致沿什么方向？为了方便，可以认为导体中的自由电荷是正电荷。
2．导体棒一直运动下去，自由电荷是否也会沿着导体棒一直运动下去？为什么？
3．导体棒的哪端电势比较高？
4．如果用导线把C、D两端连到磁场外的一个用电器上，导体棒中电流是沿什么方向的？
结论：课件展示
分析与解答：
1．导体中自由电荷(正电荷)具有水平方向的速度，由左手定则可判断受到沿棒向上的洛伦兹力作用，其合运动是斜向上的。
2．自由电荷不会一直运动下去。因为C、D两端聚集电荷越来越多，在C、D棒间产生的电场越来越强，当电场力等于洛伦兹力时，自由电荷就不再定向运动。
3．C端电势高。
4．导体棒中电流是由D指向C的。此时导体棒可以看作是一个电源，导体棒切割磁感线产生了感应电动势。
注意：
1．由于导体的运动(切割磁感线)而产生的感应电动势称为动生电动势，动生电动势所对应的非静电力是洛伦兹力的一个分力。
2．虽然动生电动势与洛伦兹力有关，但洛伦兹力始终不做功。
推导：动生电动势大小的推导：

ab棒处于匀强磁场中，磁感应强度为B，垂直纸面向里，棒沿光滑导轨以速度v匀速向右滑动，已知导轨宽度为L，经过时间t由M运动到N，如图所示，
由法拉第电磁感应定律可得：
E＝＝＝＝BLv
故动生电动势大小为E＝BLv。
动生电动势应用：

题如图，水平面上有两根相距0.5 m的足够长的平行金属导轨MN和PQ，它们的电阻可忽略不计，在M和P之间接有阻值为R＝3.0 Ω的定值电阻，导体棒ab长为0.5 m，其电阻为r＝1.0 Ω，与导轨接触良好．整个装置处于方向竖直向上的匀强磁场中，B＝0.4 T。现使ab以v＝10 m/s的速度向右做匀速运动。
(1)a、b两点哪点电势高？a、b两点间的电压为多大？
(2)维持ab做匀速运动的外力多大？
(3)ab向右运动1 m的过程中，外力做的功是多少？电路中产生的热量是多少？
学生活动：做上面例题，交流做法和答案。
(1)a　1.5 V
(2)0.1 N
(3)0.1 J　0.1 J
[事件4]
教学任务：感生电动势和动生电动势比较。
师生活动：
【演示】 感生电动势、动生电动势的产生动画
观察并填写表格：
动生电动势 感生电动势
特点
原因
非静电力的来源
方向
总结与归纳：学生归纳实验结论，其他学生补充完善。
动生电动势 感生电动势
特点 磁场不变，闭合电路的整体或局部在磁场中运动导致回路中磁通量的变化 闭合回路的任何部分都不动，空间磁场发生变化导致回路中磁通量变化
原因 由于S的变化引起回路中Φ变化 由于B的变化引起回路中Φ变化
非静电力的来源 非静电力就是洛伦兹力，由洛伦兹力对运动电荷作用而产生电动势 变化磁场在它周围空间激发涡旋电场，非静电力就是感生电场力，由感生电场力对电荷做功而产生电动势
方向 楞次定律或右手定则 楞次定律
思维拓展：怎样区分动生电动势和感生电动势？
师生讨论：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。
[事件5]
教学任务：巩固本节学习内容。
师生活动
课堂训练
1．关于感应电动势大小的下列说法，正确的是(　　)
A．线圈中磁通量变化越大，线圈中产生的感应电动势一定越大
B．线圈中磁通量越大，产生的感应电动势一定越大
C．线圈放在磁感应强度越强的地方，产生的感应电动势一定越大
D．线圈中磁通量变化越快，产生的感应电动势越大
2．某单匝线圈电阻是1 Ω，当穿过它的磁通量始终以每秒2 Wb的速率减小时，则(　　)
A．线圈中感应电动势一定每秒降低2 V B．线圈中感应电动势一定是2 V
C．线圈中感应电流一定每秒减少2 A D．线圈中感应电流一定是2 A

3．如下图所示，平行金属导轨的间距为d，一端跨接一阻值为R的电阻，匀强磁场的磁感应强度为B，方向垂直于平行轨道所在平面。一根长直金属棒与轨道成60°角放置，且接触良好，则当金属棒以垂直于棒的恒定速度v沿金属轨道滑行时，其他电阻不计，电阻R中的电流强度为(　　)

A. B. C. D.

4．A、B两闭合线圈为同样导线绕成且均为10匝，半径rA＝2rB，内有如图所示的有理想边界的匀强磁场，若磁场均匀减小，则A、B环中的感应电动势之比εA∶εB＝________，产生的感应电流之比IA∶IB＝________。

5．如下图所示，线圈内有理想边界的磁场，当磁场均匀增加时，有一带电粒子静止于平行板(两板水平放置)电容器中间，则此粒子带________电，若线圈的匝数为n，平行板电容器的板间距离为d，粒子的质量为m，带电量为q，则磁感应强度的变化率为________(设线圈的面积为S)。


6．如下图所示，在一个光滑金属框架上垂直放置一根长l＝0.4 m的金属棒ab，其电阻r＝0.1 Ω，框架左端的电阻R＝0.4 Ω，垂直框面的匀强磁场的磁感应强度B＝0.1 T。当用外力使棒ab以速度v＝5 m/s向右移时，ab棒中产生的感应电动势ε＝________，通过ab棒的电流I＝________。ab棒两端的电势差Uab＝________，在电阻R上消耗的功率PR＝________，在ab棒上消耗的发热功率PQ＝________，切割运动中产生的电功率P＝________。
参考答案：1.D　2.BD　3.A　4.1∶1　1∶2　5.负　mgd/nqS　6.0.2 V　0.4 A　0.16 V　0.064 W　0.016 W　0.08 W
[事件6]
教学任务：学生总结本节课学习的内容并交流疑惑点。
课堂小结
本节课我们学习了感生电动势和动生电动势产生的原因，感生电动势是在感应电场作用下，自由电子定向运动形成的感应电流。动生电动势是自由电子在洛伦兹力的作用下定向运动形成感应电流，感应电场对电荷的作用力和洛伦兹力充当了电源里的非静电力。

5 电磁感应定律的应用
一、感生电动势
(1)产生：磁场变化时会在空间激发电场，闭合导体中的自由电子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称为感生电动势。
(3)感生电场方向判断：楞次定律。
二、动生电动势
(1)产生：导体切割磁感线运动产生动生电动势，由于导体中的自由电子受到洛伦兹力的作用而引起的。
(2)大小：E＝BLv(B的方向与v的方向垂直)。
(3)动生电动势大小的推导。