高中物理人教版选修3-2 4.4 法拉第电磁感应定律导学案含答案
文档属性
| 名称 | 高中物理人教版选修3-2 4.4 法拉第电磁感应定律导学案含答案 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 4.6MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-05-17 09:38:47 | ||
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文档简介
法拉第电磁感应定律
课程目标导航
内容 要求
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，并能区别Φ、ΔΦ和
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
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E＝n和E＝Blv解题
反电动势 了解反电动势及其作用
情景思考导入
分别给门的四角钉上大钉子，用电线沿着4个钉子绕制一个几十匝的大线圈，如图所示。线圈的两端连在一个电流表上。开门、关门时电流表指针能否发生偏转？试试看！如果电流表指针偏转不明显，想一想，应该怎样改进？
提示：能发生偏转。因为线圈中感应电动势的大小与线圈的匝数成正比，与穿过线圈的磁通量的变化率成正比，所以若电流表指针偏转不明显，我们可以增加绕在钉子上线圈的匝数或加快开、关门的速度。
基础知识梳理
1．感应电动势
在________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____，它的电阻相当于__________。
思考1：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？
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____________成正比。
(2)表达式：E＝__________。
(3)符号意义：n是________，是____________，它与穿过电路的磁通量Φ和磁通量的变化量ΔΦ____(选填“有”或“没有”)必然联系。
思考2：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？
3．导体切割磁感线时的感应电动势
(1)公式：E＝______，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____，如下图所示。
思考3：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电动势且Ead＝Ebc＝Blv，他们各执一词，到底谁说的对呢？
4．反电动势
由于电动机转动时，线圈要切割磁感线，也会产生__________，这个电动势总是要____电源电动势的作用，我们把这个电动势称为________。
答案：1．电磁感应 电源 电源的内阻
思考1
提示：不一定有电流。要有电流通过，电路必须是闭合电路。
2．(1)磁通量的变化率 (2)n (3)线圈匝数 磁通量的变化率 没有
思考2
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。
3．(1)Blv (2)垂直
思考3
提示：这两个同学说的并不矛盾，虽然ad边与bc边都产生感应电动势，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。
4．感应电动势 削弱 反电动势
重点难点突破
1．磁通量Φ、磁通量的变化量ΔΦ与磁通量变化率的区别
物理量 单位 物理意义
磁通量Φ Wb 表示某时刻或某位置时穿过某一面积的磁感线条数的多少
磁通量的变化量ΔΦ Wb 表示在某一过程中穿过某一面积磁通量变化的多少
磁通量的变化率 Wb/s 表示穿过某一面积的磁通量变化的快慢
温馨提示
磁通量、磁通量的变化量ΔΦ、磁通量的变化率均与线圈匝数无关，彼此之间也无直接联系；感应电动势的大小取决于和线圈匝数n，与Φ和ΔΦ无必然联系。
2．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，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E＝Blv＝Bl·ωl＝Bl2ω。
(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。
(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。
3．E＝n与E＝Blv的区别和联系
温馨提示
应用E＝n或E＝Blv计算感应电动势时，首先要注意弄清计算平均感应电动势还是计算瞬时感应电动势，其次要弄清产生类型是磁场(磁通量)变化型，还是切割(磁感线)型。
随堂练习巩固
1．根据法拉第电磁感应定律的数学表达式，电动势的单位V可以表示为( )。
A．T/s B．Wb/s C．T·m2/s D．Wb·m2/s
2．试写出如图所示的各种情况下，导线中所产生的感应电动势的表达式(导线长均为l，速度为v，磁感应强度为B，图(3)中导体垂直纸面)。
3．一个200匝、面积为20 cm2的线圈，放在磁场中，磁场的方向与线圈平面成30°角，若磁感应强度在0.05 s内由0.1 T增加到0.5 T。在此过程中穿过线圈的磁通量的变化量是____ Wb；磁通量的平均变化率是______Wb/s；线圈中的感应电动势的大小是______V。
4．横截面积S＝0.2 m2、n＝100匝的圆形线圈A处在如图所示的磁场内，磁感应强度变化率为0.02 T/s。开始时S未闭合，R1＝4 Ω，R2＝6 Ω，C＝30 μF，线圈内阻不计，求：
(1)闭合S后，通过R2的电流的大小；
(2)闭合S后一段时间又断开，问S断开后通过R2的电荷量是多少？
答案：1．BC 根据法拉第电磁感应定律E＝n可知1 V＝1 Wb/s，选项B正确；T是磁感应强度B的单位，1 T显然不等于1 Wb，故A错误；根据磁通量的定义Φ＝BS可知1 Wb＝1 T·m2，可知C正确，D错误。
2．解析：(1)(3)因为此时导体不切割磁感线，所以E＝0，(2)因为B、l、v两两垂直，所以E＝Blv。
答案：(1)E＝0 (2)E＝Blv (3)E＝0
3．解析：磁通量的变化量是由磁场的变化引起的，所以ΔΦ＝ΔBSsin θ＝(0.5－0.1)×20×10－4×0.5 Wb＝4×10－4 Wb，磁通量的变化率 Wb/s＝8×10－3 Wb/s，感应电动势E＝＝200×8×10－3 V＝1.6 V。
答案：4×10－4 8×10－3 1.6
4．解析：(1)磁感应强度变化率的大小为＝0.02 T/s，所以E＝＝100×0.02×0.2 V＝0.4 V
I＝ A＝0.04 A。
(2)R2两端的电压为U2＝ V＝0.24 V
所以Q＝CU2＝30×10－6×0.24 C＝7.2×10－6 C。
答案：(1)0.04 A (2)7.2×10－6 C
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内容 要求
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，并能区别Φ、ΔΦ和
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
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E＝n和E＝Blv解题
反电动势 了解反电动势及其作用
情景思考导入
分别给门的四角钉上大钉子，用电线沿着4个钉子绕制一个几十匝的大线圈，如图所示。线圈的两端连在一个电流表上。开门、关门时电流表指针能否发生偏转？试试看！如果电流表指针偏转不明显，想一想，应该怎样改进？
提示：能发生偏转。因为线圈中感应电动势的大小与线圈的匝数成正比，与穿过线圈的磁通量的变化率成正比，所以若电流表指针偏转不明显，我们可以增加绕在钉子上线圈的匝数或加快开、关门的速度。
基础知识梳理
1．感应电动势
在________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____，它的电阻相当于__________。
思考1：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？
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____________成正比。
(2)表达式：E＝__________。
(3)符号意义：n是________，是____________，它与穿过电路的磁通量Φ和磁通量的变化量ΔΦ____(选填“有”或“没有”)必然联系。
思考2：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？
3．导体切割磁感线时的感应电动势
(1)公式：E＝______，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____，如下图所示。
思考3：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电动势且Ead＝Ebc＝Blv，他们各执一词，到底谁说的对呢？
4．反电动势
由于电动机转动时，线圈要切割磁感线，也会产生__________，这个电动势总是要____电源电动势的作用，我们把这个电动势称为________。
答案：1．电磁感应 电源 电源的内阻
思考1
提示：不一定有电流。要有电流通过，电路必须是闭合电路。
2．(1)磁通量的变化率 (2)n (3)线圈匝数 磁通量的变化率 没有
思考2
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。
3．(1)Blv (2)垂直
思考3
提示：这两个同学说的并不矛盾，虽然ad边与bc边都产生感应电动势，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。
4．感应电动势 削弱 反电动势
重点难点突破
1．磁通量Φ、磁通量的变化量ΔΦ与磁通量变化率的区别
物理量 单位 物理意义
磁通量Φ Wb 表示某时刻或某位置时穿过某一面积的磁感线条数的多少
磁通量的变化量ΔΦ Wb 表示在某一过程中穿过某一面积磁通量变化的多少
磁通量的变化率 Wb/s 表示穿过某一面积的磁通量变化的快慢
温馨提示
磁通量、磁通量的变化量ΔΦ、磁通量的变化率均与线圈匝数无关，彼此之间也无直接联系；感应电动势的大小取决于和线圈匝数n，与Φ和ΔΦ无必然联系。
2．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，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E＝Blv＝Bl·ωl＝Bl2ω。
(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。
(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。
3．E＝n与E＝Blv的区别和联系
温馨提示
应用E＝n或E＝Blv计算感应电动势时，首先要注意弄清计算平均感应电动势还是计算瞬时感应电动势，其次要弄清产生类型是磁场(磁通量)变化型，还是切割(磁感线)型。
随堂练习巩固
1．根据法拉第电磁感应定律的数学表达式，电动势的单位V可以表示为( )。
A．T/s B．Wb/s C．T·m2/s D．Wb·m2/s
2．试写出如图所示的各种情况下，导线中所产生的感应电动势的表达式(导线长均为l，速度为v，磁感应强度为B，图(3)中导体垂直纸面)。
3．一个200匝、面积为20 cm2的线圈，放在磁场中，磁场的方向与线圈平面成30°角，若磁感应强度在0.05 s内由0.1 T增加到0.5 T。在此过程中穿过线圈的磁通量的变化量是____ Wb；磁通量的平均变化率是______Wb/s；线圈中的感应电动势的大小是______V。
4．横截面积S＝0.2 m2、n＝100匝的圆形线圈A处在如图所示的磁场内，磁感应强度变化率为0.02 T/s。开始时S未闭合，R1＝4 Ω，R2＝6 Ω，C＝30 μF，线圈内阻不计，求：
(1)闭合S后，通过R2的电流的大小；
(2)闭合S后一段时间又断开，问S断开后通过R2的电荷量是多少？
答案：1．BC 根据法拉第电磁感应定律E＝n可知1 V＝1 Wb/s，选项B正确；T是磁感应强度B的单位，1 T显然不等于1 Wb，故A错误；根据磁通量的定义Φ＝BS可知1 Wb＝1 T·m2，可知C正确，D错误。
2．解析：(1)(3)因为此时导体不切割磁感线，所以E＝0，(2)因为B、l、v两两垂直，所以E＝Blv。
答案：(1)E＝0 (2)E＝Blv (3)E＝0
3．解析：磁通量的变化量是由磁场的变化引起的，所以ΔΦ＝ΔBSsin θ＝(0.5－0.1)×20×10－4×0.5 Wb＝4×10－4 Wb，磁通量的变化率 Wb/s＝8×10－3 Wb/s，感应电动势E＝＝200×8×10－3 V＝1.6 V。
答案：4×10－4 8×10－3 1.6
4．解析：(1)磁感应强度变化率的大小为＝0.02 T/s，所以E＝＝100×0.02×0.2 V＝0.4 V
I＝ A＝0.04 A。
(2)R2两端的电压为U2＝ V＝0.24 V
所以Q＝CU2＝30×10－6×0.24 C＝7.2×10－6 C。
答案：(1)0.04 A (2)7.2×10－6 C