【物理】2018届人教版第9章第2节　法拉第电磁感应定律　自感和涡流教案

【物理】2018届人教版第9章第2节　法拉第电磁感应定律　自感和涡流教案

第2节　法拉第电磁感应定律　自感和涡流 考点一| 法拉第电磁感应定律 ‎1．感应电动势 ‎(1)概念：在电磁感应现象中产生的电动势．‎ ‎(2)产生条件：穿过回路的磁通量发生改变，与电路是否闭合无关．‎ ‎(3)方向判断：感应电动势的方向用楞次定律或右手定则判断．‎ ‎2．法拉第电磁感应定律 ‎(1)内容 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)公式 E＝n，其中n为线圈匝数．‎ ‎1．对法拉第电磁感应定律的理解 ‎(1)感应电动势的大小由线圈的匝数和穿过线圈的磁通量的变化率共同决定，而与磁通量Φ的大小、变化量ΔΦ的大小没有必然的联系．‎ ‎(2)磁通量的变化率对应Φt图线上某点切线的斜率．‎ ‎2．应用法拉第电磁感应定律的三种情况 ‎(1)磁通量的变化是由面积变化引起时，ΔΦ＝BΔS，则E＝n；‎ ‎(2)磁通量的变化是由磁场变化引起时，ΔΦ＝ΔBS，则E＝n；‎ ‎(3)磁通量的变化是由于面积和磁场变化共同引起的，则根据定义求，ΔΦ＝|Φ末－Φ初|，E＝n≠n.‎ ‎3．‎ 应用法拉第电磁感应定律应注意的三个问题 ‎(1)公式E＝n求解的是一个回路中某段时间内的平均电动势，在磁通量均匀变化时，瞬时值才等于平均值．‎ ‎(2)利用公式E＝nS求感应电动势时，S为线圈在磁场范围内的有效面积．‎ ‎(3)通过回路截面的电荷量q仅与n、ΔΦ和回路电阻R有关，与时间长短无关．推导如下：q＝Δt＝Δt＝.‎ ‎1．如图921所示，栅栏大门朝正南方向，在门的四角上钉有四个钉子，‎ 沿着钉子绕有50匝的大线圈，面积约为4 m2.若该地区地磁场的水平分量约为4×10－5T，那么，小明在2s内把关闭的大门打开并转过90°的过程中，线圈中产生的平均感应电动势约为(　　)‎ 图921‎ A．2×10－2 V ．4×10－3 V C．1.6×10－4 V D ‎．8×10－5 V B　[根据法拉第电磁感应定律E＝n得E＝50× V＝4×10－3 V，故B项正确．]‎ ‎2．(多选)(2017·宁波联考)单匝线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量Φ随时间t的关系图象如图922所示，则(　　) ‎ ‎【导学号：81370325】‎ 图922‎ A．在t＝0时刻，‎ 线圈中磁通量最大，感应电动势也最大 B．在t＝1×10－2 s时刻，感应电动势最大 C．在t＝2×10－2 s时刻，感应电动势为零 D．在0～2×10－2 s时间内，线圈中感应电动势的平均值为零 BC　[由法拉第电磁感应定律知E∝，故t＝0及t＝2×10－2 s时刻，E＝0，A错，C对；t＝1×10－2 s，E最大，B对；0～2×10－2 s，ΔΦ≠0，E≠0，D错．]‎ ‎3．如图923所示，‎ 某实验小组在操场上做摇绳发电实验．长导线两端分别连在灵敏电流表的两个接线柱上，形成闭合电路．两位同学以每2秒约3圈的转速匀速摇动AB段导线．假定被摇动的导线由水平位置1按图示方向第一次运动到竖直位置2的过程中，磁通量的变化量约为10－4Wb，则该过程回路中产生的感应电动势约为(　　)‎ 图923‎ A．2×10－4 V ‎ B．2.7×10－4 V C．3×10－4 V D．6×10－4 V D　[T＝ s，Δt＝T＝ s，根据法拉第电磁感应定律，E＝＝ V＝6×10－4 V，故D项正确．]‎ ‎4．图924为无线充电技术中使用的受电线圈示意图，线圈匝数为n，面积为S.若在t1到t2时间内，匀强磁场平行于线圈轴线向右穿过线圈，其磁感应强度大小由B1均匀增加到B2，‎ 则该段时间线圈两端a和b之间的电势差φa－φb(　　)‎ 图924‎ A．恒为 B．从0均匀变化到 C．恒为－ D．从0均匀变化到－ C　[‎ 根据法拉第电磁感应定律得，感应电动势E＝n＝n，由楞次定律和右手螺旋定则可判断b点电势高于a点电势，因磁场均匀变化，所以感应电动势恒定，因此a、b两点电势差恒为φa－φb＝－n，选项C正确．]‎ 考点二| 导体切割磁感线产生的感应电动势 ‎1．公式E＝Blv的使用条件 ‎(1)匀强磁场．‎ ‎(2)B、l、v三者相互垂直．‎ ‎2．“瞬时性”的理解 ‎(1)若v为瞬时速度，则E为瞬时感应电动势．‎ ‎(2)若v为平均速度，则E为平均感应电动势．‎ ‎3．“相对性”的理解 E＝Blv中的速度v是相对于磁场的速度，若磁场也运动，应注意速度间的相对关系．‎ ‎4．电磁感应现象的两类情况 ‎(1)感生电动势：磁场变化时在空间激发的电场叫做感生电场，感生电场的电场线是闭合曲线，‎ 产生的电动势叫感生电动势．‎ ‎(2)动生电动势：导体在磁场中运动时产生的电动势．‎ ‎1．E＝Blv中l的有效性 公式中的l为导体切割磁感线的有效长度．如图925中，导体棒的有效长度为ab间的距离．‎ 图925‎ ‎2．导体转动切割磁感线产生感应电动势的情况 若长为L的导体棒在磁感应强度为B的匀强磁场中以角速度ω匀速转动，则 ‎(1)以中点为轴时，E＝0(不同两段的代数和)．‎ ‎(2)以端点为轴时E＝BωL2.‎ ‎(3)以任意点为轴时E＝Bω(L－L)(L1>L2，不同两段的代数和)．‎ ‎1．(2017·兰溪选考模拟)如图926所示，在磁感应强度为B、‎ 方向垂直纸面向里的匀强磁场中，金属杆MN在平行金属导轨上以速度v向右匀速滑动，MN中产生的感应电动势为E1；若磁感应强度增为2B，其他条件不变，MN中产生的感应电动势变为E2.则通过电阻R的电流方向及E1与E2之比E1∶E2分别为(　　)‎ 图926‎ A．c→a,2∶1 ．a→c,2∶1‎ C．a→c,1∶2 D．c→a,1∶2‎ C　[金属杆垂直切割磁感线产生的感应电动势E＝Blv，判断金属杆切割磁感线产生的感应电流方向可用右手定则．由右手定则判断可得，通过电阻R的电流方向为a→c，由E＝Blv知， E1＝Blv，E2＝2Blv，则E1∶E2＝1∶2，故选项C正确．]‎ ‎2．如图927所示，一对光滑的平行金属导轨固定在同一水平面内，导轨间距为0.4 m，左端接有阻值为0.2 Ω的电阻．一质量为0.2 kg、电阻为0.1 Ω的金属棒MN放置在导轨上，‎ 导轨之间有竖直向上的匀强磁场，磁感应强度大小为0.5 T．棒在水平向右的外力作用下以0.3 m/s的速度匀速运动，运动过程中始终与导轨垂直且两端与导轨保持良好接触．已知导轨足够长且电阻不计，则(　　)‎ 图927‎ A．MN棒运动过程中两端的电压为0.02 V B．MN棒运动过程中两端的电压为0.06 V C．棒匀速运动1 s过程中电阻R 发热0.008 J D．棒匀速运动1 s过程中电阻R发热0.012 J C　[E＝Blv＝0.5×0.4×0.3 V＝0.06 V，I＝＝0.2 A，根据闭合电路知识知MN棒两端电压为路端电压U＝IR＝0.04 V，A、B项错误；Q＝I2Rt＝0.22×0.2×1 J＝0.008 J，C项正确，D项错误．]‎ ‎3．(2017·平湖选考模拟)如图928所示，半径为r的金属圆盘在垂直于盘面的匀强磁场B中，绕O轴以角速度ω沿逆时针方向匀速转动，则通过电阻R 的电流的方向和大小是(金属圆盘的电阻不计，R左侧导线与圆盘边缘接触，右侧导线与圆盘中心接触)(　　) ‎ ‎【导学号：81370326】‎ 图928‎ A．由c到d，I＝ B．由d到c，I＝ C．由c到d，I＝ D ‎．由d到c，I＝ D　[可将金属圆盘看成由无数条金属棒沿半径方向排列，每条金属棒在磁场中转动产生的电动势，电动势不变，故金属圆盘产生的电动势为.通过电阻R的电流大小I＝，电流的方向可由右手定则判断出由d到c，故选项D正确．]‎ ‎4．(多选)半径为a、右端开小口的导体圆环和长为2a的导体直杆，单位长度电阻均为R0.圆环水平固定放置，‎ 整个内部区域分布着垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B.直杆在圆环上以速度v平行于直径CD向右做匀速直线运动，直杆始终有两点与圆环良好接触，从圆环中心O开始，直杆的位置由θ确定，如图929所示．则(　　)‎ 图929‎ A．θ＝0时，直杆产生的电动势为2Bav B．θ＝时，直杆产生的电动势为Bav C．θ＝0时，直杆受的安培力大小为 D．θ＝时，直杆受的安培力大小为 AD　[当θ＝0时，直杆切割磁感线的有效长度l1＝2a，所以直杆产生的电动势E1＝Bl1v＝2Bav，选项A正确．此时直杆上的电流I1＝＝，直杆受到的安培力大小F1＝BI1l1＝，选项C错误．当θ＝时，直杆切割磁感线的有效长度l2＝2a cos＝a，直杆产生的电动势E2＝Bl2v＝Bav，选项B错误．此时直杆上的电流I2＝＝，直杆受到的安培力大小F2＝BI2l2＝，选项D正确．]‎ 考点三| 互感、自感和涡流 ‎1．互感现象 ‎(1)定义：两个相互靠近的线圈，当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势，这种现象叫互感．‎ ‎(2)作用：利用互感现象可以把能量由一个线圈传递到另一个线圈，如变压器、收音机的磁性天线．‎ ‎2．自感现象 ‎(1)概念：由于导体本身的电流变化而产生的电磁感应现象称为自感，由于自感而产生的感应电动势叫做自感电动势．‎ ‎(2)表达式：E＝L.‎ ‎(3)自感系数L的影响因素：与线圈的大小、形状、匝数以及是否有铁芯有关．‎ ‎3．涡流现象 ‎(1)涡流：块状金属放在变化磁场中，‎ 或者让它在磁场中运动时，金属块内产生的旋涡状感应电流．‎ ‎(2)产生原因：金属块内磁通量变化→感应电动势→感应电流．‎ ‎(3)涡流的利用：冶炼金属的高频感应炉利用强大的涡流产生焦耳热使金属熔化；家用电磁炉也是利用涡流原理制成的．‎ ‎(4)涡流的减少：各种电机和变压器中，用涂有绝缘漆的硅钢片叠加成的铁芯，以减少涡流．‎ ‎4．电磁阻尼 ‎(1)定义：当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力的方向总是阻碍导体的运动．‎ ‎(2)应用：磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停止，便于读数．‎ ‎5．电磁驱动 ‎(1)定义：磁场相对于导体转动时，导体中产生感应电流，感应电流使导体受到安培力的作用，使导体运动起来．‎ ‎(2)应用：交流感应电动机．‎ ‎1．自感现象的四大特点 ‎(1)自感电动势总是阻碍导体中原电流的变化．‎ ‎(2)通过线圈中的电流不能发生突变，只能缓慢变化．‎ ‎(3)电流稳定时，‎ 自感线圈就相当于普通导体．‎ ‎(4)线圈的自感系数越大，自感现象越明显，自感电动势只是延缓了过程的进行，但它不能使过程停止，更不能使过程反向．‎ ‎2．通电自感与断电自感的比较 通电自感 断电自感 电路图 器材规格 A1、A2同规格，R＝RL，L较大 L很大(有铁芯)，RLIA，会使得流过A灯的电流突然增大，从而使A灯闪亮一下后渐渐熄灭 能量转化 电能转化为磁场能 磁场能转化为电能 ‎1．(2017·永康选考模拟)如图9210所示为高频电磁炉的工作示意图，它是采用电磁感应原理产生涡流加热的，‎ 它利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场，当变化的磁场通过含铁质锅的底部时，即会产生无数小涡流，使锅体本身自行高速升温，然后再加热锅内食物．电磁炉工作时产生的电磁波，完全被线圈底部的屏蔽层和顶板上的含铁质锅所吸收，不会泄漏，对人体健康无危害．关于电磁炉，以下说法中正确的是(　　)‎ 图9210‎ A．电磁炉是利用变化的磁场在食物中产生涡流对食物加热的 B．电磁炉是利用变化的磁场产生涡流，使含铁质锅底迅速升温，进而对锅内食物加热的 C．电磁炉是利用变化的磁场使食物中的极性水分子振动和旋转来对食物加热的 D．电磁炉跟电炉一样是让电流通过电阻丝产生热量来对食物加热的 B　[电磁炉的工作原理是利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场，变化的磁场通过含铁质锅的底部产生无数小涡流，使锅体温度升高后加热食物，故选项A、D错误，B正确；而选项C是微波炉的加热原理，C错误．]‎ ‎2．(多选)涡流检测是工业上无损检测的方法之一．如图9211所示，线圈中通以一定频率的正弦交流电，靠近待测工件时，工件内会产生涡流，同时线圈中的电流受涡流影响也会发生变化．下列说法中正确的是(　　) ‎ 图9211‎ ‎【导学号：81370327】‎ A．涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化 B．涡流的频率等于通入线圈的交流电频率 C．通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力 D．待测工件可以是塑料或橡胶制品 ABC　[由楞次定律可知，涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化，选项A正确；类似于变压器，涡流的频率等于通入线圈的交流电频率，选项B正确；由于电流在磁场中受安培力作用，故通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力，选项C正确；涡流必须是在导体中产生，故待测工件不能是塑料或橡胶制品，选项D错误．]‎ ‎3．如图9212所示，电路中电源内阻不能忽略，电阻R的阻值和线圈L的自感系数都很大，A、‎ B为两个完全相同的灯泡，当S闭合时，下列说法正确的是(　　)‎ 图9212‎ A．A比B先亮，然后A灭 B．B比A先亮，然后B逐渐变暗 C．A、B一起亮，然后A灭 D．A、B一起亮，然后B灭 B　[S闭合时，由于与A灯串联的线圈L 的自感系数很大，故在线圈上产生很大的自感电动势，阻碍电流的增大，所以B比A先亮，故选项A、C、D错误．稳定后，总电阻减小，路端电压减小，流过B灯支路的电流减小，所以B灯逐渐变暗，故选项B正确．]‎ ‎4．(2017·平湖选考模拟)如图9213所示，电感线圈L的自感系数足够大，其电阻忽略不计，LA、LB是两个相同的灯泡，且在下列实验中不会烧毁，电阻R2的阻值约等于R1的两倍，则(　　)‎ 图9213‎ A．闭合开关S时，LA、LB 同时达到最亮，且LB更亮一些 B．闭合开关S时，LA、LB均慢慢亮起来，且LA更亮一些 C．断开开关S时，LA慢慢熄灭，LB马上熄灭 D．断开开关S时，LA慢慢熄灭，LB闪亮后才慢慢熄灭 D　[由于灯泡LA与线圈L和R1串联，灯泡LB与电阻R2串联，当S闭合瞬间，通过线圈的电流突然增大，线圈产生自感电动势，阻碍电流的增大，所以LB比LA先亮，A、B项错误；由于LA所在的支路电阻阻值较小，故稳定时电流较大，即LA 更亮一些，当S断开瞬间，线圈产生自感电动势，两灯组成的串联电路中，电流从线圈中开始减小，即从IA减小，故LA慢慢熄灭，LB闪亮后才慢慢熄灭．C错误，D正确．]‎