(共25张PPT)
第3章 划时代的发现
第3章 划时代的发现
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要点突破·思维启动
突破疑难·讲练提升
典题示例·讲练互动
以例说法·触类旁通(共31张PPT)一条来之不易的规律——电磁感应定律
1．通过实验，知道产生感应电流的条件． 2．知道法拉第电磁感应定律，会用电磁感应定律计算感应电动势的大小．
3．知道电源是一种把其他形式的能转化为电能的装置，电动势是一个描述电源这种本领强弱的物理量．
一、磁生电的几种典型情况
法拉第经过实验概括出产生感应电流的几种典型情况：正在变化的电流；正在变化着的磁场；运动的恒定电流；运动的磁铁；在磁场中运动的导体，等等．
二、从现象到本质
产生感应电流的条件：只要闭合电路内的磁通量发生了变化，闭合电路中就会产生电磁感应现象．磁通量变化是一切电磁感应的根本原因．法拉第把电磁感应现象中产生的电流叫做感应电流．
根据磁通量的定义式Φ＝BS，引起磁通量变化的类型有：
1．由于磁场变化而引起闭合回路的磁通量的变化．
2．磁场不变，由于闭合回路的面积S发生变化而引起磁通量的变化．
3．磁场、闭合回路面积都发生变化时，也可引起穿过闭合电路的磁通量的变化．
三、从定性到定量
1．法拉第电磁感应定律：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．法拉第电磁感应定律可表示为E＝n，n为线圈匝数，E、ΔΦ、Δt的单位分别为V、Wb、s．
3．电动势是描述电源特性的物理量．干电池的电动势是1．5 V，表示在电源内部从负极搬运1 C电荷，有1．5 J化学能转变为电能．
一、对Φ、ΔΦ、的正确理解
磁通量Φ 磁通量变化量ΔΦ 磁通量变化率
物理意义 磁通量越大，某时刻穿过磁场中某个面的磁感线条数越多 某段时间穿过某个面的末、初磁通量的差值 表示穿过磁场中某个面的磁通量变化快慢的物理量
大小计算 Φ＝B·S⊥，S⊥为与B垂直的面积，不垂直时，取S在与B垂直方向上的投影 ΔΦ＝Φ2－Φ1ΔΦ＝B·ΔS或ΔΦ＝S·ΔB ＝＝B·或＝S·
注意 若穿过某个面有方向相反的磁场，则不能直接用Φ＝B·S⊥，应考虑相反方向的磁通量相互抵消后所剩余的磁通量 开始和转过180°时平面都与磁场垂直，穿过平面的磁通量是不同的，一正一负，ΔΦ＝2BS 既不表示磁通量的大小，也不表示磁通量变化的多少．在Φ－t图像中，可用图线的斜率表示
(1)ΔΦ表示回路从某一时刻变化到另一时刻的磁通量的增减，即ΔΦ＝Φ2－Φ1，常见磁通量的变化方式有：B不变，S变；S不变，B变；B和S都变．总之，只要影响磁通量的因素发生变化，磁通量就会变化．
(2)表示磁通量的变化快慢，即单位时间内磁通量的变化，又称为磁通量的变化率．与Φ、ΔΦ的大小无直接关系．
二、对法拉第电磁感应定律的理解
1．对E＝n的理解
(1)感应电动势的大小决定于穿过电路的磁通量的变化率，而与Φ的大小、ΔΦ的大小没有必然联系，与电路的电阻R无关；感应电流的大小与E和回路总电阻R有关．
(2)磁通量的变化率是Φ－t图像上某点切线的斜率．
(3)用E＝n所求的感应电动势为整个闭合电路的感应电动势，而不是回路中某部分导体的电动势．
(4)表达式E＝n所得到的是Δt时间内的平均电动势，只有当Δt→0时，它所表达的才是瞬时电动势．
(5)不管电路是否闭合，只要穿过电路的磁通量发生变化，就会产生感应电动势；若电路是闭合的，就会有感应电流产生．
2．对E＝BLv的理解
闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，电路中也会产生感应电流，说明导体切割磁感线时，会产生感应电动势，在磁感应强度为B的匀强磁场中，长度为L的导体以速度v沿垂直导体的方向在与磁场垂直的平面内运动时产生的感应电动势为E＝BLv，产生感应电流的方向用右手定则判断．
这是法拉第电磁感应定律的一个特例，只适用于导体垂直切割磁感线的情况，即要求B、L、v两两互相垂直．
公式E＝n求的是Δt时间内的平均电动势，而E＝BLv，计算的是导体切割磁感线时产生的平均电动势或瞬时电动势，但一般多用于计算瞬时电动势．
题型1 动生电动势的计算
如图所示，水平放置的平行金属导轨，相距l＝0．50 m，左端接一电阻R＝0．20 Ω，磁感应强度B＝0．40 T的匀强磁场方向垂直于导轨平面，导体棒ac垂直放在导轨上，并能无摩擦地沿导轨滑动，导轨和导体棒的电阻均可忽略不计，当ac棒以v＝4．0 m/s的速度水平向右匀速滑动时，求：
(1)ac棒中感应电动势的大小；
(2)回路中感应电流的大小和方向．
[思路点拨] 导体棒ac垂直于磁场方向运动——导体棒切割磁感线运动，导致线圈面积(ac与电阻R所围成部分)发生变化，引起磁通量变化，产生感应电动势．E＝n＝n＝nB＝nBlv．在解题时E＝nBlv可直接应用．
[解析] (1)ac棒中产生的感应电动势
E＝Blv＝0．40×0．50×4．0 V＝0．80 V．
(2)感应电流的大小I＝＝ A＝4．0 A．
由右手定则判断电流方向为c→a．
[答案] (1)0．80 V (2)4．0 A 方向c→a
闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动，且B、l、v两两垂直时，即可应用E＝Blv计算．
如图所示，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金属棒ab、cd，与导轨接触良好．这两条金属棒ab、cd的运动速度(矢量)分别是v1、v2，若井字型回路中有感应电流通过，则( )
A．v1＞v2 B．v1＜v2
C．v1＝v2 D．无法确定
解析：选AB．只要金属棒ab、cd的运动速度不相等，井字型回路中的磁通量就发生变化，闭合回路中就会产生感应电流．故选项AB正确．
题型2 感生电动势的计算
如图甲所示，有一面积为150 cm2的金属环，电阻为0．1 Ω，在环中100 cm2的同心圆面上存在如图乙所示的变化的磁场，线圈中的感应电动势为多大？电流为多大？
[思路点拨] 由磁感应强度变化产生感应电动势，E＝n＝n·S．
[解析] 磁场区域的面积
S＝100 cm2＝1×10－2 m2
E＝n·S＝1×1×100×10－4 V＝1×10－2 V
I＝＝ A＝0．1 A．
[答案] 1×10－2 V 0．1 A
题型3 S与B方向的角度变化产生的感应电动势
如图所示，半径为r的金属环绕通过某直径的轴OO′以角速度ω做匀速转动，匀强磁场的磁感应强度为B．从金属环的平面与磁场方向重合时开始计时，则在转过30°的过程中，环中产生的感应电动势的平均值是多大？
[解析] 金属环在转过30°的过程中，磁通量的变化量ΔΦ＝Φ2－Φ1＝BSsin 30°－0＝Bπr2
又Δt＝＝＝，所以E＝＝＝3Bωr2．
[答案] 3Bωr2
[随堂检测]
1．唱卡拉OK用的话筒，内有传感器．其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号．下列说法正确的是( )
A．该传感器是根据电流的磁效应工作的
B．该传感器是根据电磁感应原理工作的
C．膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变
D．膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势
解析：选B．当声波使膜片前后振动时，膜片后的金属线圈就跟着振动，从而使处于永磁体的磁场的线圈切割磁感线．穿过线圈的磁通量发生改变，产生感应电流，从而将声音信号转化为电信号，这是电磁感应的工作原理．故选项B正确，选项A、C、D均错误．
2．下列关于电磁感应的说法中，正确的是( )
A．穿过线圈的磁通量越大，感应电动势越大
B．穿过线圈的磁通量为零，感应电动势一定为零
C．穿过线圈的磁通量的变化越大，感应电动势越大
D．穿过线圈的磁通量变化越快，感应电动势越大
解析：选D．越大，表示磁通量变化越快，感应电动势越大．
3．磁通量是研究电磁感应的重要概念，关于对磁通量的理解，以下说法正确的是( )
A．磁场中某处的磁感应强度越大，线圈面积越大，则穿过线圈的磁通量一定越大
B．放在磁场中某处的一个平面，穿过它的磁通量为零，则该处的磁感应强度一定为零
C．磁场中某处的磁感应强度不变，放在该处线圈的面积也不变，则磁通量一定不变
D．穿过线圈的磁通量大小可以用穿过线圈的磁感线条数来衡量
解析：选D．磁通量的大小不仅仅与磁场的强弱和线圈的面积有关，还与线圈放在磁场中的角度有关，当线圈平面与磁场方向平行时，没有磁感线穿过它，则穿过它的磁通量为零，选项A、B错；引起磁通量变化的原因有：(1)磁场的变化；(2)线圈的面积变化；(3)线圈平面与磁场方向的夹角变化，选项C错；磁通量可以用“穿过闭合回路的磁感线的条数多少”来形象地理解“穿过这个闭合回路的磁通量”，选项D正确．
4．如图所示，在磁感应强度为0．2 T的匀强磁场中，长为0．5 m的导体棒AB在金属框架上以10 m/s的速度向右滑动．R1＝R2＝20 Ω，其他电阻不计，则流过AB的电流是( )
A．0．2 A B．0．4 A
C．0．05 A D．0．1 A
解析：选D．导体棒AB做切割磁感线运动产生的感应电动势E＝Blv＝0．2×0．5×10 V＝1．0 V，
总电阻R＝＝10 Ω，
I＝＝ A＝0．1 A，故D正确．
5．有一正方形单匝线圈abcd处于匀强磁场中，线圈平面与磁场方向垂直．在Δt＝0．5 s时间内，磁通量由Φ1＝3 Wb均匀增加到Φ2＝6 Wb．求：
(1)在Δt内线圈中产生的感应电动势．
(2)要使线圈中产生的感应电动势更大，可采取什么措施？
解析：(1)由法拉第电磁感应定律得
E＝n＝＝ V＝6 V．
(2)由法拉第电磁感应定律知，要想增大感应电动势可增加线圈匝数n或增大磁通量的变化率．
答案：(1)6 V (2)增加线圈匝数 增大磁通量的变化率
[课时作业][学生用书P81(单独成册)]
一、选择题
1．法拉第通过精心设计的一系列实验，发现了电磁感应定律，将历史上认为各自独立的学科“电学”与“磁学”联系起来．在下面几个典型的实验设计思想中，所作的推论后来被实验否定的是( )
A．既然磁铁可使近旁的铁块带磁，静电荷可使近旁的导体表面感应出电荷，那么静止导线上的稳恒电流也可在近旁静止的线圈中感应出电流
B．既然磁铁可在近旁运动的导体中感应出电动势，那么稳恒电流也可在近旁运动的线圈中感应出电流
C．既然运动的磁铁可在近旁静止的线圈中感应出电流，那么静止的磁铁也可在近旁运动的导体中感应出电动势
D．既然运动的磁铁可在近旁的导体中感应出电动势，那么运动导线上的稳恒电流也可在近旁的线圈中感应出电流
解析：选A．电磁感应现象的产生条件是：穿过电路的磁通量发生变化．静止导线上的稳恒电流产生恒定的磁场，静止导线周围的磁通量没有发生变化，近旁静止线圈中不会有感应电流产生，A错．而B、C、D三项中都会产生电磁感应现象，有感应电动势(或感应电流)产生．
2．如图所示，电流表与螺线管组成闭合电路．以下关于电流表指针偏转情况的陈述中正确的是( )
A．磁铁快速插入螺线管时比慢速插入螺线管时电流表指针偏转大
B．磁铁快速插入螺线管和慢速插入螺线管，磁通量变化相同，故电流表指针偏转相同
C．磁铁放在螺线管中不动时螺线管中的磁通量最大，所以电流表指针偏转最大
D．将磁铁从螺线管中拉出时，磁通量减小，所以电流表指针偏转一定减小
解析：选A．电流表的指针的偏转角度是由螺线管产生的感应电动势的大小决定，而感应电动势的大小取决于磁通量的变化率，所以A正确．
3．在图所示的各种情况中，穿过回路的磁通量增大的有( )
A．图甲所示，在匀强磁场中，先把由弹簧状导线组成的回路撑开，后放手到恢复原状的过程中
B．图乙所示，铜线ab在金属导轨上向右匀速运动过程中
C．图丙所示，条形磁铁插入线圈的过程中
D．图丁所示，闭合线框远离与它在同一平面内通电直导线的过程中
解析：选BC．四种情况下，穿过闭合回路的磁通量均发生变化，故都有感应电流产生．但甲中电路的面积减小，磁通量减小；乙中的ab向右移动时在磁场的闭合电路的面积增大，磁通量增大；丙中磁铁向下运动时通过线圈的磁场变强，磁通量也增大；丁中直线电流近处的磁场强，远处的磁场弱．所以线圈远离通电直导线时，磁通量也减小．所以B、C正确．
4．如图所示，有限范围的匀强磁场宽度为d，将一个边长为l的正方形导线框以速度v匀速通过磁场区域．若d>l，则线框中不产生感应电流的时间应等于( )
A． B．
C． D．
答案：C
5．将一磁铁缓慢或迅速地插到闭合线圈中的同一位置，两次发生变化的物理量不同的是( )
A．磁通量的变化量
B．磁通量
C．感应电流的电流大小
D．感应电动势
解析：选CD．两次过程相比，相同的物理量有：磁通量的变化量和线圈最终的磁通量．但由于两次作用的时间不同．磁通量的变化快慢不同，产生的感应电动势不同，由I＝E/R知线圈中的感应电流也不同．
6．穿过一个单匝线圈的磁通量，始终为每秒钟均匀地增大2 Wb，则( )
A．线圈中的感应电动势每秒钟增加2 V
B．线圈中的感应电动势每秒钟减少2 V
C．线圈中的感应电动势始终为2 V
D．线圈中不产生感应电动势
解析：选C．E＝＝＝2 V．
7．穿过某线圈的磁通量随时间的变化关系如图所示，在线圈内产生感应电动势最大值的时间是( )
A．0～2 s B．2～4 s
C．4～6 s D．6～10 s
解析：选C．由E＝n可知：取最大值时，感应电动势E的值最大，的值最大，即Φ－t图像斜率的绝对值最大．故选项C正确．
8．如图所示，把矩形线框abdc放在磁感应强度为B的匀强磁场里，线框平面跟磁感线垂直，设线框可动部分ab在某一段时间内移到a1b1，关于线框中的磁通量及线框内产生的感应电动势的说法中正确的是( )
A．线框由ab移到a1b1过程中，线框中的磁通量不变
B．线框由ab移到a1b1过程中，线框中的磁通量增大
C．可动部分ab运动的速度越快，线框中产生的感应电动势越大
D．可动部分由ab移到a1b1，对应的磁通量的变化是一定的，因此线框中产生的感应电动势的大小与移动速度大小无关
解析：选BC．磁通量变化与否，关键看穿过abdc的磁感线的条数是否变化，线框从ab移到a1b1，磁通量的变化量一定，速度越快，时间越短，磁通量的变化率就越大，感应电动势就越大．
二、非选择题
9．如
图所示，一个50匝的线圈的两端跟R＝99 Ω的电阻相连接，置于竖直向下的匀强磁场中，线圈的横截面积是20 cm2，电阻为1 Ω，磁感应强度以100 T/s的变化率均匀减小．这一过程中通过电阻R的电流是多少？
解析：由法拉第电磁感应定律可知，线圈中产生的感应电动势为
E＝n＝nS＝50×100×20×10－4 V＝10 V，
根据闭合电路欧姆定律，感应电流大小为
I＝＝ A＝0．1 A．
答案：0．1 A
10．从航天飞机上释放一个卫星，卫星和航天飞机之间用导电缆绳相连，这种卫星就是绳系卫星，可以用来进行多种科学实验．现有一个绳系卫星在赤道上空沿东西方向运行，卫星位于航天飞机的正下方，它和航天飞机之间的距离是20．5 km，卫星所在处地磁场的磁感应强度是4．6×10－5 T，沿水平方向从南向北．如果航天飞机和卫星的运行速度是7．6 km/s，求缆绳两端的电压．
解析：地磁场方向沿水平方向由南向北，而缆绳沿东西方向做垂直切割磁感线运动，此时缆绳两端电压
U＝Blv＝4．6×10－5×20．5×103×7．6×103 V
≈7．2×103 V．
答案：7．2×103 V
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