高中物理人教版选修3-2 4.5 电磁感应现象的两类情况导学案含答案
文档属性
| 名称 | 高中物理人教版选修3-2 4.5 电磁感应现象的两类情况导学案含答案 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 4.4MB | ||
| 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 11:00:56 | ||
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文档简介
电磁感应现象的两类情况
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内容 要求
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
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
情景思考引入
如图所示，电吉他的弦是磁性物质，可被永磁体磁化。当弦振动时，线圈中产生感应电流，感应电流输送到放大器、喇叭，把声音播放出来，那么电吉他是如何产生感应电流的？弦能否改用尼龙材料制作呢？
提示：当被磁化的弦振动时，会造成穿过线圈的磁通量发生变化，所以有感应电流产生。弦不能改用尼龙材料制作，因为尼龙材料不会被磁化，当弦振动时，不会使穿过线圈的磁通量发生变化，没有感应电流产生。
基础知识梳理
1．感生电场与感生电动势
(1)感生电场：磁场____时在空间激发的一种电场，它是由英国物理学家________提出的。
(2)感生电动势：由________产生的感应电动势，它的方向与感生电场的方向____，与感应电流的方向______。
(3)感生电动势中的非静电力：就是________对自由电荷的作用力。
思考1：感生电场与我们以前学过的静电场有什么不同？
2．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________产生的感应电动势。
(3)动生电动势中的非静电力：与________有关。
思考2：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，洛伦兹力对自由电荷做功吗？
答案：1．(1)变化 麦克斯韦 (2)电磁感应 相同 也相同 (3)感生电场
思考1
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)出发到负电荷(无穷远)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。
2．(2)导体运动 (3)洛伦兹力
思考2
提示：不做功，因为动生电动势中的非静电力仅仅是导体中自由电荷所受洛伦兹力沿导体方向的分力。也就是说，尽管洛伦兹力沿导体方向的分力做了功，但洛伦兹力对自由电荷是不做功的。
重点难点突破
1．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。
(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。
2．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。随着导体两端正、负电荷的积累，场强不断增大，当作用到自由电子上的静电力与洛伦兹力互相平衡时，CD两端便产生了一稳定的电势差，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，形成一个稳定的电动势，导线CD相当于电源。
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，则在导体内产生附加电场，电荷在受洛伦兹力的同时也受电场力作用。
3．感生电动势与动生电动势比较
感生电动势 动生电动势
产生原因 磁场的变化 导体做切割磁感线运动
移动电荷的非静电力 感生电场对自由电荷的电场力 导体中自由电荷所受洛伦兹力沿导体方向的分力
回路中相当于电源的部分 处于变化磁场中的线圈部分 做切割磁感线运动的导体
方向判断方法 由楞次定律判断 通常由右手定则判断，也可由楞次定律判断
大小计算方法 由E＝n计算 通常由E＝Blvsin θ计算，也可由E＝n计算
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，产生感生电动势。
随堂练习巩固
1．如图所示，在一水平光滑绝缘塑料板上有一环形凹槽，有一带正电小球质量为m，电荷量为q，在槽内沿顺时针做匀速圆周运动，现加一竖直向上的均匀变化的匀强磁场，且B逐渐增加，则( )。
A．小球速度变大 B．小球速度变小
C．小球速度不变 D．以上三种情况都有可能
2．下列说法中正确的是( )。
A．动生电动势是洛伦兹力对导体中自由电荷做功而引起的
B．因为洛伦兹力对运动电荷始终不做功，所以动生电动势不是由洛伦兹力而产生的
C．动生电动势的方向可以由右手定则来判定
D．导体棒切割磁感线产生感应电流，受到的安培力一定与受到的外力大小相等、方向相反
3．如图所示，平行导轨间有一矩形的匀强磁场区域，细金属棒PQ沿导轨从MN处匀速运动到M′N′的过程中，棒上感应电动势E随时间t变化的图象，可能正确的是( )。
4．如图甲所示的螺线管，匝数n＝1 500，横截面积S＝20 cm2，电阻r＝1.5 Ω，与螺线管串联的外电阻R1＝3.5 Ω，R2＝25 Ω。穿过螺线管的匀强磁场方向向右，磁感应强度按图乙所示规律变化，试计算电阻R2的电功率和A、B两点的电势(C点电势为零)。
答案：1．A 在此空间中，没有闭合导体，但磁场的变化，使空间产生感应电场。据楞次定律得出感应电场方向如图所示，又因小球带正电荷，电场力与小球速度同向，电场力对小球做正功，小球速度变大。A选项正确。
2．C 洛伦兹力沿导体方向的分力对导体中自由电荷做功是产生动生电动势的本质，A错误；在导体中自由电荷受洛伦兹力的合力与合速度方向垂直，总功为0，B错误；C正确；只有在导体棒做匀速切割时，除安培力以外的力的合力才与安培力大小相等、方向相反，做变速运动时不成立，故D错误。
3．A 由E＝Blv可以直接判断选项A正确。
4．解析：由B－t图可知穿过螺线管的磁通量均匀增加，螺线管中感应电流产生磁场方向向左，感应电流在线圈内从B流向A，A端的电势高于B端的电势。把螺线管视为电源，由闭合电路欧姆定律可求出通过螺线管的回路电流，从而求出R2消耗的电功率及A、B两点的电势。
由图乙，螺线管中的磁感应强度B均匀增加，其变化率
T/s＝2 T/s
由法拉第电磁感应定律，螺线管产生的感应电动势
E＝＝1 500×20×10－4×2 V＝6.0 V
通过螺线管回路的电流
I＝ A＝0.2 A
电阻R2上消耗功率P2＝I2R2＝(0.2)2×25 W＝1.0 W
因φC＝0，则φA－φC＝IR1＝0.2×3.5 V＝0.7 V，
即φA＝0.7 V，φC－φB＝IR2＝0.2×25 V＝5 V
因为φC＝0，所以φA＝－5 V。
答案：1.0 W 0.7 V －5 V
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内容 要求
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
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
情景思考引入
如图所示，电吉他的弦是磁性物质，可被永磁体磁化。当弦振动时，线圈中产生感应电流，感应电流输送到放大器、喇叭，把声音播放出来，那么电吉他是如何产生感应电流的？弦能否改用尼龙材料制作呢？
提示：当被磁化的弦振动时，会造成穿过线圈的磁通量发生变化，所以有感应电流产生。弦不能改用尼龙材料制作，因为尼龙材料不会被磁化，当弦振动时，不会使穿过线圈的磁通量发生变化，没有感应电流产生。
基础知识梳理
1．感生电场与感生电动势
(1)感生电场：磁场____时在空间激发的一种电场，它是由英国物理学家________提出的。
(2)感生电动势：由________产生的感应电动势，它的方向与感生电场的方向____，与感应电流的方向______。
(3)感生电动势中的非静电力：就是________对自由电荷的作用力。
思考1：感生电场与我们以前学过的静电场有什么不同？
2．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________产生的感应电动势。
(3)动生电动势中的非静电力：与________有关。
思考2：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，洛伦兹力对自由电荷做功吗？
答案：1．(1)变化 麦克斯韦 (2)电磁感应 相同 也相同 (3)感生电场
思考1
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)出发到负电荷(无穷远)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。
2．(2)导体运动 (3)洛伦兹力
思考2
提示：不做功，因为动生电动势中的非静电力仅仅是导体中自由电荷所受洛伦兹力沿导体方向的分力。也就是说，尽管洛伦兹力沿导体方向的分力做了功，但洛伦兹力对自由电荷是不做功的。
重点难点突破
1．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。
(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。
2．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。随着导体两端正、负电荷的积累，场强不断增大，当作用到自由电子上的静电力与洛伦兹力互相平衡时，CD两端便产生了一稳定的电势差，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，形成一个稳定的电动势，导线CD相当于电源。
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，则在导体内产生附加电场，电荷在受洛伦兹力的同时也受电场力作用。
3．感生电动势与动生电动势比较
感生电动势 动生电动势
产生原因 磁场的变化 导体做切割磁感线运动
移动电荷的非静电力 感生电场对自由电荷的电场力 导体中自由电荷所受洛伦兹力沿导体方向的分力
回路中相当于电源的部分 处于变化磁场中的线圈部分 做切割磁感线运动的导体
方向判断方法 由楞次定律判断 通常由右手定则判断，也可由楞次定律判断
大小计算方法 由E＝n计算 通常由E＝Blvsin θ计算，也可由E＝n计算
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，产生感生电动势。
随堂练习巩固
1．如图所示，在一水平光滑绝缘塑料板上有一环形凹槽，有一带正电小球质量为m，电荷量为q，在槽内沿顺时针做匀速圆周运动，现加一竖直向上的均匀变化的匀强磁场，且B逐渐增加，则( )。
A．小球速度变大 B．小球速度变小
C．小球速度不变 D．以上三种情况都有可能
2．下列说法中正确的是( )。
A．动生电动势是洛伦兹力对导体中自由电荷做功而引起的
B．因为洛伦兹力对运动电荷始终不做功，所以动生电动势不是由洛伦兹力而产生的
C．动生电动势的方向可以由右手定则来判定
D．导体棒切割磁感线产生感应电流，受到的安培力一定与受到的外力大小相等、方向相反
3．如图所示，平行导轨间有一矩形的匀强磁场区域，细金属棒PQ沿导轨从MN处匀速运动到M′N′的过程中，棒上感应电动势E随时间t变化的图象，可能正确的是( )。
4．如图甲所示的螺线管，匝数n＝1 500，横截面积S＝20 cm2，电阻r＝1.5 Ω，与螺线管串联的外电阻R1＝3.5 Ω，R2＝25 Ω。穿过螺线管的匀强磁场方向向右，磁感应强度按图乙所示规律变化，试计算电阻R2的电功率和A、B两点的电势(C点电势为零)。
答案：1．A 在此空间中，没有闭合导体，但磁场的变化，使空间产生感应电场。据楞次定律得出感应电场方向如图所示，又因小球带正电荷，电场力与小球速度同向，电场力对小球做正功，小球速度变大。A选项正确。
2．C 洛伦兹力沿导体方向的分力对导体中自由电荷做功是产生动生电动势的本质，A错误；在导体中自由电荷受洛伦兹力的合力与合速度方向垂直，总功为0，B错误；C正确；只有在导体棒做匀速切割时，除安培力以外的力的合力才与安培力大小相等、方向相反，做变速运动时不成立，故D错误。
3．A 由E＝Blv可以直接判断选项A正确。
4．解析：由B－t图可知穿过螺线管的磁通量均匀增加，螺线管中感应电流产生磁场方向向左，感应电流在线圈内从B流向A，A端的电势高于B端的电势。把螺线管视为电源，由闭合电路欧姆定律可求出通过螺线管的回路电流，从而求出R2消耗的电功率及A、B两点的电势。
由图乙，螺线管中的磁感应强度B均匀增加，其变化率
T/s＝2 T/s
由法拉第电磁感应定律，螺线管产生的感应电动势
E＝＝1 500×20×10－4×2 V＝6.0 V
通过螺线管回路的电流
I＝ A＝0.2 A
电阻R2上消耗功率P2＝I2R2＝(0.2)2×25 W＝1.0 W
因φC＝0，则φA－φC＝IR1＝0.2×3.5 V＝0.7 V，
即φA＝0.7 V，φC－φB＝IR2＝0.2×25 V＝5 V
因为φC＝0，所以φA＝－5 V。
答案：1.0 W 0.7 V －5 V