第四章第5節(jié),電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況

第5節(jié)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況第四章電磁感應(yīng)第一篇模塊同步導(dǎo)學(xué)篇知識(shí)一感生電場(chǎng)與感生電動(dòng)勢(shì)[基礎(chǔ)梳理]1．感生電場(chǎng)麥克斯韋認(rèn)為，磁場(chǎng)變化時(shí)會(huì)在空間激發(fā)一種電場(chǎng)，它與靜電場(chǎng)不同，不是由_____產(chǎn)生的，我們叫它感生電場(chǎng)．2．感生電動(dòng)勢(shì)由感生電場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．3．感生電動(dòng)勢(shì)中的非靜電力就是__________對(duì)_________的作用．電荷感生電場(chǎng)自由電荷4．感生電場(chǎng)的方向判斷由磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)弱變化，根據(jù)楞次定律用安培定則判斷．特別提醒(1)感生電場(chǎng)是一種渦旋電場(chǎng)，電場(chǎng)線是閉合的．(2)感生電場(chǎng)的方向可由楞次定律判斷．如圖所示，當(dāng)磁場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)，產(chǎn)生的感生電場(chǎng)是與磁場(chǎng)方向垂直且阻礙磁場(chǎng)增強(qiáng)的電場(chǎng)．(3)感生電場(chǎng)的存在與是否存在閉合電路無(wú)關(guān)．判斷：(1)感生電場(chǎng)線是閉合的．(

)(2)磁場(chǎng)變化時(shí)，可以產(chǎn)生感生電場(chǎng)，并不需要電路閉合這一條件．(

)(3)感生電場(chǎng)是產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的原因．(

)答案(1)√

(2)√

(3)√[釋疑解難]感生電動(dòng)勢(shì)磁場(chǎng)變化時(shí)會(huì)在空間激發(fā)感生電場(chǎng)，處在感生電場(chǎng)中的閉合導(dǎo)體中的自由電荷在電場(chǎng)力的作用下定向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，或者說，導(dǎo)體中產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．由感生電場(chǎng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫做感生電動(dòng)勢(shì)．(1)電路中電源電動(dòng)勢(shì)是非靜電力對(duì)自由電荷的作用．在電池中，這種力表現(xiàn)為化學(xué)作用．(2)感生電場(chǎng)對(duì)電荷產(chǎn)生的力，相當(dāng)于電源內(nèi)部的所謂的非靜電力．感生電動(dòng)勢(shì)在電路中的作用就是電源．[學(xué)后自測(cè)]1．在如圖所示的四種磁場(chǎng)情況中能產(chǎn)生恒定的感生電場(chǎng)的是(

)C

[據(jù)麥克斯韋電磁理論，要產(chǎn)生恒定的感生電場(chǎng)，必須由均勻變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生，C對(duì)．]知識(shí)二電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的洛倫茲力[基礎(chǔ)梳理]1．動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)由于導(dǎo)體___________運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．2．動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)中的“非靜電力”自由電荷因隨導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)而受到_________，非靜電力與__________有關(guān)．3．動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)中的功能關(guān)系閉合回路中，導(dǎo)體棒做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，克服_____力做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為_______.切割磁感線洛倫茲力洛倫茲力電能安培[學(xué)后自測(cè)]2．如圖所示，導(dǎo)體棒向右運(yùn)動(dòng)切割磁感線時(shí)，棒中的電子受的洛倫茲力方向如何？提示：電子隨棒向右運(yùn)動(dòng)，同時(shí)受向下的洛倫茲力，有向下的分速度，電子的合速度向右下方，洛倫茲力向左下方．[釋疑解難]感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的對(duì)比感生電動(dòng)勢(shì)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生原因磁場(chǎng)的變化導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)移動(dòng)電荷的非靜電力感生電場(chǎng)對(duì)自由電荷的電場(chǎng)力導(dǎo)體中自由電荷所受洛倫茲力沿導(dǎo)體方向的分力回路中相當(dāng)于電源的部分處于變化磁場(chǎng)中的線圈部分做切割磁感線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體ΔΦ產(chǎn)生的原因磁場(chǎng)變化產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，ΔΦ是由于磁場(chǎng)變化而產(chǎn)生的，所以ΔΦ＝ΔB·S導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，ΔΦ是由于導(dǎo)體線框本身的面積發(fā)生變化而產(chǎn)生的，所以ΔΦ＝B·ΔS方向判斷方法由楞次定律判斷通常由右手定則判斷，也可由楞次定律判斷大小計(jì)算方法由E＝n計(jì)算通常由E＝Blvsinθ計(jì)算，也可由E＝n計(jì)算特別提醒有些情況下，動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì)具有相對(duì)性．例如，將條形磁鐵插入線圈中，如果在相對(duì)磁鐵靜止的參考系內(nèi)觀察，線圈運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的是動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)；如果在相對(duì)線圈靜止的參考系中觀察，線圈中磁場(chǎng)變化，產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)．[學(xué)后自測(cè)]3．如圖所示的是一個(gè)水平放置的玻璃圓環(huán)形小槽，槽內(nèi)光滑，槽寬度和深度處處相同．現(xiàn)將一直徑略小于槽寬的帶正電小球放在槽中，讓它獲得一初速度v0，與此同時(shí)，有一變化的磁場(chǎng)垂直穿過玻璃圓環(huán)形小槽外徑所對(duì)應(yīng)的圓面積，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小跟時(shí)間成正比例增大，方向豎直向下．設(shè)小球在運(yùn)動(dòng)過程中電荷量不變，則(

)A．小球受到的向心力大小不變B．小球受到的向心力大小不斷增大C．磁場(chǎng)力對(duì)小球做了功D．小球受到的磁場(chǎng)力大小與時(shí)間成正比B

[本題考查了洛倫茲力和楞次定律，解題關(guān)鍵是由楞次定律判斷出感生電場(chǎng)的方向．當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間均勻增大時(shí)，將產(chǎn)生一恒定的感生電場(chǎng)，由楞次定律知，電場(chǎng)方向和小球初速度方向相同，因小球帶正電，安培力對(duì)小球做正功，小球速度逐漸增大，向心力也隨著增大，故A錯(cuò)B對(duì)；洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷不做功，故C錯(cuò)；帶電小球所受洛倫茲力F＝qBv，隨著速率的增大而增大，同時(shí)B∝t，則F和t不成正比，故D錯(cuò)．]1．磁場(chǎng)變化時(shí)在空間激發(fā)出電場(chǎng)，叫做感生電場(chǎng)，此時(shí)磁場(chǎng)中的閉合導(dǎo)體回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，回路中感生電場(chǎng)對(duì)自由電荷的作用即為電源內(nèi)部非靜電力對(duì)自由電荷的作用．2．由感生電場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)叫做感生電動(dòng)勢(shì)，感生電場(chǎng)的方向可根據(jù)楞次定律來(lái)判定．3．導(dǎo)體切割磁感線時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)導(dǎo)體相當(dāng)于電源，電源內(nèi)部的非靜電力與洛倫茲力有關(guān).命題一感生電場(chǎng)的理解[經(jīng)典例題][例1]

某空間出現(xiàn)了如圖所示的磁場(chǎng)，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化時(shí)，在垂直于磁場(chǎng)的方向上會(huì)產(chǎn)生感生電場(chǎng)，有關(guān)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化與感生電場(chǎng)的方向關(guān)系描述正確的是(

)A．當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻增大時(shí)，感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線從上向下看應(yīng)為順時(shí)針方向B．當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻增大時(shí)，感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線從上向下看應(yīng)為逆時(shí)針方向C．當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻減小時(shí)，感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線從上向下看應(yīng)為順時(shí)針方向D．當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻減小時(shí)，感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線從上向下看應(yīng)為逆時(shí)針方向【思路點(diǎn)撥】

【嘗試自選】

________【解析】

感生電場(chǎng)中磁場(chǎng)的方向用楞次定律來(lái)判定：原磁場(chǎng)向上且磁感應(yīng)強(qiáng)度在增大，在周圍有閉合導(dǎo)線的情況下，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向應(yīng)與原磁場(chǎng)方向相反，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向向下，再由右手螺旋定則得到感應(yīng)電流的方向即感生電場(chǎng)的方向：從上向下看應(yīng)為順時(shí)針方向；同理可知，原磁場(chǎng)方向向上且磁感應(yīng)強(qiáng)度減小時(shí)，感生電場(chǎng)的方向從上向下看應(yīng)為逆時(shí)針方向，所以A、D正確．【答案】

AD[應(yīng)用演練]1．如圖所示，甲圖中的圓環(huán)為閉合金屬圓環(huán)，乙圖中的圓環(huán)為閉合塑料圓環(huán)(不帶電)，它們所在處的磁場(chǎng)向下且逐漸變大，試比較兩個(gè)圓環(huán)中產(chǎn)生感生電場(chǎng)和感應(yīng)電流的情況．解析變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感生電場(chǎng)，故兩個(gè)圓環(huán)中均產(chǎn)生感生電場(chǎng)，甲環(huán)中有自由電荷，在電場(chǎng)力作用下定向運(yùn)動(dòng)，形成電流，乙環(huán)中無(wú)自由電荷，不形成感應(yīng)電流．答案見解析命題二感生電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算[經(jīng)典例題][例2]

如圖甲所示，n＝50匝的圓形線圈M，它的兩端點(diǎn)a、b與內(nèi)阻很大的電壓表相連，線圈中磁通量的變化規(guī)律如圖乙所示，則a、b兩點(diǎn)的電勢(shì)高低與電壓表的讀數(shù)為(

)A．φa＞φb,20V

B．φa＞φb,10VC．φa＜φb,20VD．φa＜φb,10V【思路點(diǎn)撥】

感生電動(dòng)勢(shì)的大小可由法拉第電磁感應(yīng)定律計(jì)算，方向可由楞次定律判斷．產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的電路相當(dāng)于電源．【嘗試自選】

________【解析】

圓形線圈產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，相當(dāng)于電源內(nèi)電路．磁通量均勻增大，由楞次定律知，線圈中感應(yīng)電流為逆時(shí)針方向，又線圈相當(dāng)于內(nèi)電路，故φa＞φb；E＝

V＝10V，因而電壓表的讀數(shù)為10V．電壓表測(cè)量的是電源的電動(dòng)勢(shì)，即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．故答案選B.【答案】

B[應(yīng)用演練]2．如圖所示，金屬棒ab置于水平放置的光滑框架cdef上，棒與框架接觸良好，勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直于ab棒斜向下．從某時(shí)刻開始磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻減小，同時(shí)施加一個(gè)水平方向上的外力F使金屬棒ab保持靜止，則F(

)A．方向向右，且為恒力B．方向向右，且為變力C．方向向左，且為變力D．方向向左，且為恒力C

[由E＝n·S可知，因磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻減小，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E恒定，由F安＝BIL，I＝可知，ab棒受的安培力隨B的減小，均勻變小，由外力F＝F安可知，外力F也均勻減少，為變力，由左手定則可判斷F安水平方向上的分量向右，所以外力F水平向左，C正確．]命題三動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算[經(jīng)典例題][例3]

如圖所示，三角形金屬框架MON平面與勻強(qiáng)磁場(chǎng)B垂直，導(dǎo)體ab能緊貼金屬框架運(yùn)動(dòng)，且始終與導(dǎo)軌ON垂直．當(dāng)導(dǎo)體ab從O點(diǎn)開始勻速向右平動(dòng)時(shí)，速度為v0，試求bOc回路中某時(shí)刻的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系式．【思路點(diǎn)撥】

【嘗試自解】【解析】

設(shè)導(dǎo)體ab從O點(diǎn)出發(fā)時(shí)開始計(jì)時(shí)，剛經(jīng)過時(shí)間t后，棒ab勻速運(yùn)動(dòng)的距離為s，則有s＝v0t在△bOc中，由tan30°＝，有＝v0ttan30°則金屬棒ab接入回路的bc部分切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：E＝Bv0＝Bvttan30°在回路bOc中，回路總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)具體由導(dǎo)體bc部分產(chǎn)生，因此，回路內(nèi)總的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：E總＝E＝【答案】

E＝勻強(qiáng)磁場(chǎng)中動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算，有效長(zhǎng)度的確定是問題的焦點(diǎn)，有時(shí)需借助于幾何關(guān)系分析．[應(yīng)用演練]3.如圖所示，導(dǎo)軌OM和ON都在紙面內(nèi)，導(dǎo)體AB可在導(dǎo)軌上無(wú)摩擦滑動(dòng)，若AB以5m/s的速度從O點(diǎn)開始沿導(dǎo)軌勻速右滑，導(dǎo)體與導(dǎo)軌都足夠長(zhǎng)，它們每米長(zhǎng)度的電阻都是0.2Ω，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.2T．問：(1)3s末夾在導(dǎo)軌間的導(dǎo)體長(zhǎng)度是多少？此時(shí)導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)多大？回路中的電流為多少？(2)3s內(nèi)回路中的磁通量變化了多少？此過程中的平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為多少？解析(1)夾在導(dǎo)軌間的部分導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)才是電路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．3s末，夾在導(dǎo)軌間導(dǎo)體的長(zhǎng)度為：l＝vt·tan30°＝5×3×tan30°m＝此時(shí)：E＝Blv＝電路電阻為R＝(15＋5＋10)×0.2Ω＝8.196Ω所以I＝＝1.06A.命題四電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化與守恒1．電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化(1)與感生電動(dòng)勢(shì)有關(guān)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能，若電路是純電阻電路，轉(zhuǎn)化過來(lái)的電能將全部轉(zhuǎn)化為電阻的內(nèi)能．(2)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)有關(guān)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，通過克服安培力做功，把機(jī)械能或其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能．克服安培力做多少功，就產(chǎn)生多少電能．若電路是純電阻電路，轉(zhuǎn)化過來(lái)的電能也將全部轉(zhuǎn)化為電阻的內(nèi)能．2．求解電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能量守恒問題的一般思路(1)分析回路，分清電源和外電路．在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，切割磁感線的導(dǎo)體或磁通量發(fā)生變化的回路將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該導(dǎo)體或回路就相當(dāng)于電源，其余部分相當(dāng)于外電路．(2)分析清楚有哪些力做功，明確有哪些形式的能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化．如：做功情況能量變化特點(diǎn)滑動(dòng)摩擦力做功有內(nèi)能產(chǎn)生重力做功重力勢(shì)能必然發(fā)生變化克服安培力做功必然有其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，并且克服安培力做多少功，就產(chǎn)生多少電能安培力做正功電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能(3)根據(jù)能量守恒列方程求解．3．求解焦耳熱Q的幾種方法[經(jīng)典例題][例4]

(好題共享·選自教科版教材P18·例1)在如圖中，設(shè)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)線ab長(zhǎng)為L(zhǎng)，速度為v，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，閉合電路總電阻為R.探究為了保持導(dǎo)線做勻速運(yùn)動(dòng)，外力所做的功W外和感應(yīng)電流的電功W電的關(guān)系．【思路點(diǎn)撥】

【嘗試自解】在電磁感應(yīng)中，產(chǎn)生的電能是通過外力克服安培力做功轉(zhuǎn)化而來(lái)的，外力做了多少功，就有多少電能產(chǎn)生，而這些電能又通過感應(yīng)電流做功，轉(zhuǎn)化為其他形式的能量．[應(yīng)用演練]4．(2016·臨沂市高二上學(xué)期期末)如圖所示，水平面上有兩根相距1.0m、足夠長(zhǎng)的平行金屬導(dǎo)軌MN和PQ(導(dǎo)軌電阻忽略不計(jì))，在M和P之間接有阻值為R2＝4Ω的定值電阻．導(dǎo)軌之間有一導(dǎo)體棒ab，其電阻R1＝2Ω，質(zhì)量m＝2kg，長(zhǎng)L＝1.0m，與導(dǎo)軌接觸良好，它們之間的動(dòng)摩擦因素μ＝0.2.整個(gè)裝置處于方向豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝2T．現(xiàn)在導(dǎo)體棒ab上施加一個(gè)水平向右、大小為14N的恒力F，使導(dǎo)體棒ab由靜止開始運(yùn)動(dòng)．求：(1)通過ab棒電流的方向．(2)ab棒運(yùn)動(dòng)的最大速度vm是多少？(3)若導(dǎo)體棒從開始運(yùn)動(dòng)到速度達(dá)到最大的過程中運(yùn)動(dòng)的位移s＝10m，則在此過程中R2上產(chǎn)生的熱量QR2是多少？1.內(nèi)壁光滑的塑料管彎成的圓環(huán)平放在水平桌面上，環(huán)內(nèi)有一帶負(fù)電的小球，整個(gè)裝置處在豎直向下的磁場(chǎng)中，如圖所示，當(dāng)磁場(chǎng)突然增強(qiáng)時(shí)小球(

)A．沿順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)B．沿逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)C．在原位置附近往復(fù)運(yùn)動(dòng)D．仍保持靜止?fàn)顟B(tài)A

[磁場(chǎng)突然增強(qiáng)時(shí)，激發(fā)出逆時(shí)針方向的感生電場(chǎng)，對(duì)負(fù)電荷的作用力為順時(shí)針，故小球沿順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)．]2．(2016·臨沂市高二上學(xué)期期末)傾斜固定放置、電阻不計(jì)、足夠長(zhǎng)的U型金屬導(dǎo)軌處于垂直于斜面向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖所示．在導(dǎo)軌上放置著平行于斜面底邊、電阻為R的金屬棒ab，開始時(shí)ab棒以平行于斜面的初速度v0沿斜面向上運(yùn)動(dòng)，直至上升到