高二物理选修3-2《电磁感应》第五节《电磁感应现象的两类情况》

高二物理 第四章《电磁感应》
第五节《电磁感应现象的两类情况》导学案
【学习目标】（1）了解感生电动势和动生电动势的概念及不同。
（2）了解感生电动势和动生电动势产生的原因。
（3）能用动生电动势和感生电动势的公式进行分析和计算。
【学习重点】感生电动势和动生电动势。
【学习难点】感生电动势和动生电动势产生的原因。
【学习过程】
一、温故知新：
1、法拉第电磁感应定律的内容是什么？数学表达式是什么？
2、闭合回路面积不变，由于磁场变化引起磁通量的变化而产生的电动势与什么因素有关，表达式是什么？
3、磁场不变，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？
二、学习新课：
（一）、电磁感应现象中的感生电场与感生电动势
1、感生电场
19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦在他的电磁场理论中指出，变化的磁场会在周围空间激发一种电场，我们把这种电场叫做感生电场。
静止的电荷激发的电场叫 ，静电场的电场线是由 发出，到 终止，电场线 闭合，而感生电场是一种涡旋电场，电场线是 的，如图所示，如果空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在电场力的作用下定向移动，而产生感应电流，或者说导体中产生感应电动势。
感生电场是产生 或 的原因，感生电场的方向也可以由 来判断。感应电流的方向与感生电场的方向 。
2、感生电动势
（1）产生：磁场变化时会在空间激发 ，闭合导体中的 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成为 。
（3）感生电场方向（或感应电动势方向）判断： 定律。
例题1、在空间出现如图所示的闭合感生电场，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
3、感生电动势的本质
变化的磁场在闭合导体所在的空间产生感生电场，导体内自由电荷在电场力作用下产生感应电流，或者说产生感应电动势。其中感生电场对自由电荷的电场力就相当于电源内部所谓的非静电力。例如磁场变化时产生的感应电动势为E=
（二）、电磁感应现象中的洛伦兹力与动生电动势
导体切割磁感线时会产生感应电动势，该电动势产生的机理是什么呢？
导体切割磁感线产生的感应电动势与哪些因素有关？
它是如何将其他形式的能转化为电能的？
1、动生电动势
（1）产生： 运动产生动生电动势
（2）大小：E= （B的方向与v的方向 ）
（3）动生电动势大小的推导：
2、动生电动势产生原因分析：
导体在磁场中切割磁感线时，产生动生电动势，它是由于导体中的自由电子受到洛伦兹力的作用而引起的。
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洛=Bev
F洛的方向竖直向下，在力F洛的作用下，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，结果使导体上端D的电势高于下端C的电势，出现由D指向C的静电场，此电场对电子的静电力F’的方向向上，与洛伦兹力F洛方向相反，随着导体两端正负电荷的积累，电场不断增强，当作用在自由电子上的静电力与电子受到的洛伦兹力相平衡时，DC两端产生一个稳定的电势差如果用另外的导线把CD两端连接起来，由于D段的电势比C段的电势高，自由电子在静电力的作用下将在导线框中沿顺时针流动，形成逆时针方向的电流，如图乙所示，电荷的流动使CD两端积累的电荷不断减少，洛伦兹力又不断使自由电子从D端运动到C端从而在CD两端维持一个稳定的电动势。
可见运动的导体CD就是一个电源，D端是电源的正极，C端是电源的负极，自由电子受洛伦兹力的作用，从D端搬运到C端，也可以看做是正电荷受洛伦兹力作用从C端搬运到D端，这里洛伦兹力就相当于电源中的非静电力，根据电动势的定义，电动势等于单位正电荷从负极通过电源内部移动到电源的正极非静电力所做的功，作用在单位电荷上的洛伦兹力为： F=F洛/e=Bv
于是动生电动势就是： E=FL=BLv
上式与法拉第电磁感应定律得到的结果一致。
(三)、动生电动势和感生电动势具有相对性
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。但是，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。
例2、应用——电子感应加速器
即使没有导体存在，变化的磁场以在空间激发涡旋状的感应电场，电子感应器就是应用了这个原理，电子加速器是加速电子的装置，他的主要部分如图所示，画斜线的部分为电磁铁两极，在其间隙安放一个环形真空室，电磁铁用频率为每秒数十周的强大交流电流来励磁，使两极间的磁感应强度B往返变化，从而在环形真空室内感应出很强的感应涡旋电场，用电子枪将电子注入唤醒真空室，他们在涡旋电场的作用下被加速，同时在磁场里受到洛伦兹力的作用，沿圆规道运动。
如何使电子维持在恒定半径为R的圆规道上加速，这对磁场沿径向分布有一定的要求，设电子轨道处的磁场为B，电子做圆周运动时所受的向心力为洛伦兹力，因此：
eBv=mv2/R
mv=ReB
也就是说，只要电子动量随磁感应强度成正比例增加，就可以维持电子在一定的轨道上运动。
针对练习：
1．下列说法中正确的是(　　)
A．感生电场是由变化的磁场产生 B．恒定的磁场也能在周围空间产生感生电场
C．感生电场的方向也同样可以用楞次定律来判定
D．感生电场的电场线是闭合曲线，其方向一定是沿逆时针方向
2．如图所示，导体AB在做切割磁感线运动时，将产生一个感应电动势，因而在电路中有电流通过，下列说法中正确的是(　　)
A．因导体运动而产生的感应电动势称为动生电动势
B．动生电动势的产生与洛伦兹力有关
C．动生电动势的产生与电场力有关
D．动生电动势和感生电动势产生的原因是一样的
3．如图4－5－2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
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向右移动经过环心O时，求：
(1)棒上电流的大小和方向及棒两端的电压UMN；
(2)在圆环和金属棒上消耗的总热功率．
高二物理 第四章《电磁感应》
第五节《电磁感应现象的两类情况》导学案参考答案
例题1、AD
针对练习：
1、AC 解析：磁场变化时在空间激发感生电场，其方向与所产生的感应电流方向相同，可由楞次定律和右手定则判断，A、C项正确．
2、AB 解析：根据动生电动势的定义，A项正确．动生电动势中的非静电力与洛伦兹力有关，感生电动势中的非静电力与感生电场有关，B项正确，C、D项错误．
3、A 解析：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．据楞次定律得出图示感应电场，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．
4、解析：(1)导体棒运动产生电流，它相当于电源，内阻为R，
电动势为E＝Blv＝2Bav.
画出等效电路图如图所示，根据右手定则，金属棒中电流从N流向M，所以M相当于电源的正极，N相当于电源的负极．
外电路总电阻为R外＝＝R，
根据闭合电路欧姆定律，棒上电流大小为：
I＝＝＝，
棒两端电压是路端电压UMN＝·E＝Bav.
(2)圆环和金属棒上的总热功率为：
P＝EI＝2Bav·＝.
答案：(1)，从N流向M　Bav　(2)
B
E
B
A
M
N
a
b
F’
F洛
D
C
D
C
B
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