人教版(新教材)高中物理選擇性必修2學(xué)案3：2 2 法拉第電磁感應(yīng)定律

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊(cè)PAGEPAGE12.2法拉第電磁感應(yīng)定律〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗1．知道什么是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。2．理解和掌握法拉第電磁感應(yīng)定律的內(nèi)容和表達(dá)式，會(huì)用法拉第電磁感應(yīng)定律解答有關(guān)問題。3．掌握導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)E＝Blvsinθ的推導(dǎo)及意義，會(huì)用此關(guān)系式解答有關(guān)問題。4．知道動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生以及與洛倫茲力的關(guān)系，會(huì)判斷動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的方向并計(jì)算其大小。〖自主學(xué)習(xí)〗知識(shí)點(diǎn)一電磁感應(yīng)定律〖新知導(dǎo)入〗(1)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的電路一定是閉合電路嗎？(2)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和磁通量的大小都和線圈的匝數(shù)有關(guān)嗎？〖知識(shí)梳理〗1．感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(1)在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫作感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的那部分導(dǎo)體相當(dāng)于電源。(2)在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，若閉合導(dǎo)體回路中有感應(yīng)電流，電路就一定有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；如果電路斷開，這時(shí)雖然沒有感應(yīng)電流，但感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)依然存在。2．法拉第電磁感應(yīng)定律(1)內(nèi)容：閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比。(2)公式：E＝eq\f(ΔΦ,Δt)。若閉合電路是一個(gè)匝數(shù)為n的線圈，則E＝neq\f(ΔΦ,Δt)。(3)在國(guó)際單位制中，磁通量的單位是韋伯，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的單位是伏特?！夹≡嚺５丁?．判斷正誤。(1)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，不一定產(chǎn)生感應(yīng)電流。()(2)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量大小有關(guān)。()(3)磁通量變化越大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也越大。()(4)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E和磁通量Φ均與線圈匝數(shù)有關(guān)。()2．對(duì)某一確定的閉合電路，下列關(guān)于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的說法，正確的是()A．穿過閉合電路的磁通量為零的瞬間，閉合電路中不可能有感應(yīng)電流B．穿過閉合電路的磁通量增大，但閉合電路中感應(yīng)電流可能減小C．穿過閉合電路的磁通量減小，則閉合電路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一定減小D．穿過閉合電路的磁通量變化越來越快，但閉合電路中的感應(yīng)電流可能不變知識(shí)點(diǎn)二導(dǎo)線切割磁感線時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)〖新知導(dǎo)入〗如圖所示，把矩形線框CDMN放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，線框平面跟磁感線垂直。試計(jì)算導(dǎo)體棒MN切割磁感線時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)?！贾R(shí)梳理〗1．動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)由于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。切割磁感線的導(dǎo)線相當(dāng)于一個(gè)電源。2．動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的大小(1)導(dǎo)線垂直于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，B、l、v兩兩垂直時(shí)，如圖甲所示，E＝Blv。(2)導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)方向與導(dǎo)線本身垂直，但與磁感線方向夾角為θ時(shí)，如圖乙所示，E＝Blvsin_θ。3．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)而受到洛倫茲力，非靜電力與洛倫茲力有關(guān)。4．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)，克服安培力做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能?！夹≡嚺５丁?．判斷正誤。(1)導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)的速度v的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向平行時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零。()(2)導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)的速度v的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向垂直時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大。()(3)一段導(dǎo)線在做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)相當(dāng)于一個(gè)電源。()(4)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)中的非靜電力與洛倫茲力有關(guān)。()2．如圖所示，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B、方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，金屬桿MN在平行金屬導(dǎo)軌上以速度v向右勻速滑動(dòng)，MN中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E1；若磁感應(yīng)強(qiáng)度增大為2B，其他條件不變，MN中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變?yōu)镋2。通過電阻R的電流方向及E1與E2之比分別為()A．c→a,2∶1B．a(chǎn)→c,2∶1C．a(chǎn)→c,1∶2D．c→a,1∶2〖課堂探究〗一、法拉第電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用探究1：如圖所示，將條形磁鐵從同一高度插入線圈的實(shí)驗(yàn)中：(1)快速插入和緩慢插入磁通量的變化量ΔΦ相同嗎？指針偏轉(zhuǎn)角度相同嗎？(2)分別用一根磁鐵和兩根磁鐵以同樣速度快速插入，磁通量的變化量ΔΦ相同嗎？指針偏轉(zhuǎn)角度相同嗎？〖要點(diǎn)歸納〗1．Φ、ΔΦ與eq\f(ΔΦ,Δt)的比較磁通量Φ磁通量的變化量ΔΦ磁通量的變化率eq\f(ΔΦ,Δt)物理意義某時(shí)刻穿過磁場(chǎng)中某個(gè)面的磁感線條數(shù)在某一過程中穿過某個(gè)面的磁通量的變化量穿過某個(gè)面的磁通量變化的快慢大小計(jì)算Φ＝BS⊥ΔΦ＝eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(Φ2－Φ1,B·ΔSS·ΔB))eq\f(ΔΦ,Δt)＝eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(\f(|Φ2－Φ1|,Δt),B·\f(ΔS,Δt),\f(ΔB,Δt)·S))注意若穿過某個(gè)面有方向相反的磁場(chǎng)，則不能直接用Φ＝BS計(jì)算。應(yīng)考慮相反方向的磁通量或抵消以后所剩余的磁通量開始和轉(zhuǎn)過180°時(shí)平面都與磁場(chǎng)垂直,則穿過平面的磁通量是不同的,一正一負(fù),ΔΦ＝2BS,而不是0既不表示磁通量的大小,也不表示變化的多少。在Φ-t圖像中,可用圖線的斜率表示2．對(duì)公式E＝neq\f(ΔΦ,Δt)的理解(1)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小取決于穿過電路的磁通量的變化率eq\f(ΔΦ,Δt)，而與Φ、ΔΦ的大小沒有必然關(guān)系，與電路的電阻R無關(guān)；感應(yīng)電流的大小與E和回路總電阻R有關(guān)。(2)用公式E＝neq\f(ΔΦ,Δt)所求的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為整個(gè)閉合電路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而不是回路中某部分導(dǎo)體兩端的電動(dòng)勢(shì)。(3)公式E＝neq\f(ΔΦ,Δt)只表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，不涉及其正負(fù)，計(jì)算時(shí)ΔΦ應(yīng)取絕對(duì)值，至于感應(yīng)電流的方向，可以用楞次定律去判定。例1如圖甲所示，一個(gè)圓形線圈匝數(shù)n＝1000匝、面積S＝2×10－2m2、電阻r＝1Ω。在線圈外接一阻值R＝4Ω的電阻。把線圈放入一個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直線圈平面向里，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度(1)0～4s內(nèi)，回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；(2)t＝5s時(shí)，a、b兩點(diǎn)哪點(diǎn)電勢(shì)高？(3)t＝5s時(shí)，電阻R兩端的電壓U。規(guī)律方法運(yùn)用E＝neq\f(ΔΦ,Δt)求解感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的三種思路(1)磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，垂直于磁場(chǎng)的回路面積S發(fā)生變化，則E＝nBeq\f(|ΔS|,Δt)。(2)垂直于磁場(chǎng)的回路面積S不變，磁感應(yīng)強(qiáng)度B發(fā)生變化，則E＝nSeq\f(|ΔB|,Δt)。(3)磁感應(yīng)強(qiáng)度B、垂直于磁場(chǎng)的回路面積S均發(fā)生變化，則E＝neq\f(|Φ2－Φ1|,Δt)。二、動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的理解及應(yīng)用探究2：如圖所示，一個(gè)半徑為r的半圓導(dǎo)線，處在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中。(1)當(dāng)導(dǎo)線沿OP方向以速度v做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小是多少？(2)當(dāng)導(dǎo)線沿MN方向以速度v做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小是多少？〖要點(diǎn)歸納〗1．公式E＝Blv中l(wèi)指有效切割長(zhǎng)度(1)圖甲中的有效切割長(zhǎng)度為：l＝eq\x\to(cd)sinθ；(2)圖乙中的有效切割長(zhǎng)度為：l＝eq\x\to(MN)；(3)圖丙中的有效切割長(zhǎng)度為：沿v1的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，l＝eq\r(2)R；沿v2的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，l＝R。2．轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線：E＝eq\f(1,2)Bl2ω。如圖所示，長(zhǎng)為l的金屬棒ab，繞b端在垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)的平面內(nèi)以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，ab棒所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小可用下面兩種方法推出。方法一：棒上各處速率不等，故不能直接用公式E＝Blv求。由v＝ωr可知，棒上各點(diǎn)的線速度跟半徑成正比，故可用棒的中點(diǎn)的速度作為平均切割速度代入公式計(jì)算。eq\x\to(v)＝eq\f(ωl,2)，E＝Bleq\x\to(v)＝eq\f(1,2)Bl2ω。方法二：設(shè)經(jīng)過Δt時(shí)間，ab棒掃過的扇形面積為ΔS，則ΔS＝eq\f(1,2)lωΔtl＝eq\f(1,2)l2ωΔt，磁通量的變化ΔΦ＝BΔS＝eq\f(1,2)Bl2ωΔt。所以E＝neq\f(ΔΦ,Δt)＝nBeq\f(ΔS,Δt)＝eq\f(1,2)Bl2ω(n＝1)。例2如圖所示，水平放置的兩平行金屬導(dǎo)軌相距l(xiāng)＝0.50m，左端接一電阻R＝0.20Ω，磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0.40T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向垂直于導(dǎo)軌平面向下，導(dǎo)體棒ac(長(zhǎng)為l)垂直放在導(dǎo)軌上,并能無摩擦地沿導(dǎo)軌滑動(dòng)，導(dǎo)軌和導(dǎo)體棒的電阻均可忽略不計(jì)。當(dāng)棒ac以v＝4.0m/s的速度水平向右勻速滑動(dòng)時(shí)，求：(1)ac棒中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大?。?2)回路中感應(yīng)電流的大?。?3)維持ac棒做勻速運(yùn)動(dòng)的水平外力的大小。規(guī)律方法感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的三個(gè)表達(dá)式對(duì)比表達(dá)式E＝neq\f(ΔΦ,Δt)E＝BlvE＝eq\f(1,2)Bl2ω情境圖研究對(duì)象回路(不一定閉合)一段直導(dǎo)線(或等效成直導(dǎo)線)繞一端轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)體棒意義一般求平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)Δt→0時(shí)求的是瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一般求瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)v為平均速度時(shí)求的是平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)用平均值法求瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)適用條件所有磁場(chǎng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)三、電磁感應(yīng)定律與科技的發(fā)展自從法拉第提出了電磁感應(yīng)定律，并制造了世界上第一臺(tái)“圓盤”發(fā)電機(jī)后，人們開始進(jìn)入了電氣化時(shí)代，并促使科技飛速發(fā)展，現(xiàn)已在各個(gè)領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和智能化。例3〖多選〗法拉第圓盤發(fā)電機(jī)的示意圖如圖所示。銅圓盤安裝在豎直的銅軸上，兩銅片P、Q分別與圓盤的邊緣和銅軸接觸。圓盤處于方向豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中。圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，關(guān)于流過電阻R的電流，下列說法正確的是()A．若圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度恒定，則電流大小恒定B．若從上向下看，圓盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，則電流沿a到b的方向流動(dòng)C．若圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向不變，角速度大小發(fā)生變化，則電流方向可能發(fā)生變化D．若圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度變?yōu)樵瓉淼?倍，則電流在R上的熱功率也變?yōu)樵瓉淼?倍

▁▃▅▇█參*考*答*案█▇▅▃▁〖自主學(xué)習(xí)〗知識(shí)點(diǎn)一電磁感應(yīng)定律〖新知導(dǎo)入〗(1)當(dāng)閉合電路中磁通量發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流；如果電路不閉合，仍會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，但不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。(2)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和線圈匝數(shù)有關(guān)，但磁通量的大小和線圈的匝數(shù)無關(guān)?！夹≡嚺５丁?．√×××2．〖答案〗B〖解析〗根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量的變化率成正比，與磁通量沒有直接關(guān)系。穿過閉合電路的磁通量增大(或減小)，但磁通量的變化率不一定增大(或減小)，則產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不一定增大(或減小)，閉合電路中的感應(yīng)電流不一定增大(或減小)，故選項(xiàng)B正確，C錯(cuò)誤；穿過閉合電路的磁通量為零的瞬間，磁通量的變化率可能不為零，因此閉合電路中可能有感應(yīng)電流，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；磁通量變化越快，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大，感應(yīng)電流也越大，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。知識(shí)點(diǎn)二導(dǎo)線切割磁感線時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)〖新知導(dǎo)入〗在Δt內(nèi)穿過閉合電路磁通量的變化量ΔΦ＝BΔS＝BlvΔt。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，得E＝eq\f(ΔΦ,Δt)＝Blv。〖小試牛刀〗1．√√√√2．〖答案〗C〖解析〗由右手定則判斷可得，電阻R上的電流方向?yàn)閍→c，由E＝Blv，知E1＝Blv，E2＝2Blv，則E1∶E2＝1∶2，故選項(xiàng)C正確?！颊n堂探究〗探究1：(1)磁通量變化相同，但磁通量變化的快慢不同，快速插入比緩慢插入時(shí)指針偏轉(zhuǎn)角度大。(2)用兩根磁鐵快速插入時(shí)磁通量變化量較大，磁通量變化率也較大，指針偏轉(zhuǎn)角度較大。例1〖解析〗(1)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得，0～4s內(nèi)，回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E＝neq\f(ΔΦ,Δt)＝1000×eq\f(0.4－0.2×2×10－2,4)V＝1V。(2)t＝5s時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度正在減弱，根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相同，即感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向是垂直紙面向里，故a點(diǎn)的電勢(shì)高。(3)在t＝5s時(shí)，線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E′＝neq\f(ΔΦ,Δt)＝1000×eq\f(|0－0.4|×2×10－2,2)V＝4V根據(jù)閉合電路歐姆定律，得電路中的電流I＝eq\f(E′,R＋r)＝eq\f(4,4＋1)A＝0.8A故電阻R兩端的電壓U＝IR＝0.8×4V＝3．2V。〖答案〗(1)1V(2)a點(diǎn)的電勢(shì)高(3)3．2V探究2：(1)導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度l＝2r，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E＝Blv＝2Brv。(2)導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度l′＝r，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E＝Bl′v＝Brv。例2〖解析〗(1)ac棒垂直切割磁感線，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小E＝Blv＝0.40×0.50×4.0V＝0.80V。(2)回路中感應(yīng)電流的大小I＝eq\f(E,R)＝eq\f(0.80,0.20)A＝4.0A由右手定則知，ac棒中的感應(yīng)電流由c流向a。(3)ac棒受到的安培力大小F安＝BIl＝0.40×4．0×0.50N＝0.80N，由于導(dǎo)體