人教版物理选修3-2 第4章第5节 电磁感应现象的两类情况

人教版物理选修3-2 第4章第5节 电磁感应现象的两类情况

第4章 第五节 电磁感应现象的两类情况 课标定位 学习目标：1.了解感生电场，知道感生电动势产 生的原因．会判断感生电动势的方向，并会计算 它的大小． 2．了解动生电动势的产生以及与洛伦兹力的关系. 会判断动生电动势的方向，并会计算它的大小. 3．了解电磁感应规律的一般应用，会联系科技实 例进行分析． 重点难点：1.感生电动势以及动生电动势的产生机 理． 2．灵活运用电磁感应定律和楞次定律解决电磁感 应问题． 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 第 五 节　 电 磁 感 应 现 象 的 两 类 情 况 课前自主学案 课前自主学案 一、电磁感应现象中的感生电场 1．电磁场理论与感生电场 (1)电磁场理论：变化的电场周围产生磁场，变化的 磁场周围产生电场．由19世纪60年代的__________ 提出． (2)感生电场：变化的磁场周围所产生的电场． 麦克斯韦 2．感应电动势 (1)感应电动势： 感生电场中的导体正是在___________的作用下，自 由电荷发生定向移动，形成_____或___________. (2)非静电力就是_________对自由电荷的作用． 二、电磁感应现象中的洛伦兹力 感生电场力 电流 产生电动势 感生电场 1.动生电动势：导体在磁场中___________运动时产 生的电动势． 2.产生原因：由于导体中的自由电子受到_________ 作用引起的，使自由电荷做定向移动的非静电力是 _________． 3.切割导体的特点：运动的导体是_____，所在的电 路是___电路． 切割磁感线 洛伦兹力 洛伦兹力 电源 内 核心要点突破 一、感生电动势 1．产生机理 如图4－5－1所示，当磁场变化时，产生的感生电 场的电场线是与磁场方向垂直的曲线．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 生了感应电动势． 图4－5－1　　　图4－5－2 2．特点 (1)感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的. (2)感生电场的产生跟空间中是否存在闭合电路无 关. 3．方向判定 感生电场的方向根据闭合电路(或假想的闭合电路) 中感应电流的方向确定，即利用楞次定律判断. 即时应用(即时突破，小试牛刀) 1．某空间出现了如图4－5－3所示的磁场，当磁感 应强度变化时，在垂直于磁场的方向上会产生感生 电场，有关磁感应强度的变化与感生电场的方向关 系描述正确的是(　　) 图4－5－3 A．当磁感应强度均匀增大时，感生电场的电场线 从上向下看应为顺时针方向 B．当磁感应强度均匀增大时，感生电场的电场线 从上向下看应为逆时针方向 C．当磁感应强度均匀减小时，感生电场的电场线 从上向下看应为顺时针方向 D．当磁感应强度均匀减小时，感生电场的电场线 从上向下看应为逆时针方向 解析：选AD.感生电场中电场线的方向用楞次定律 来判定：原磁场向上且磁感应强度在增大，在周围 有闭合导线的情况下，感应电流的磁场方向应与原 磁场方向相反，即感应电流的磁场方向向下，再由 右手螺旋定则得到感应电流的方向是：从上向下看 应为顺时针方向，则感生电场的方向从上向下看也 为顺时针方向；同理可知，原磁场方向向上且磁感 应强度减小时，感生电场的方向从上向下看应为逆 时针方向．选项AD正确． 二、动生电动势 1．产生机理 一段导体在做切割磁感线运动时，导体内自由电荷 随导体在磁场中运动，则必受洛伦兹力，自由电荷 在洛伦兹力作用下产生定向移动，这样自由电荷在 导体两端聚集，从而使导体两端产生电势差，这就 是动生电动势，此时若电路闭合，则电路中产生感 应电流． 说明：(1)当电路不闭合时，切割磁感线的导体两端 积聚电荷，则在导体内产生附加电场，电荷在受洛 伦兹力的同时也受电场力作用． (2)电动势的产生与电路是否闭合无关． 2．方向判定 动生电动势的方向用右手定则来判定，即“四指” 指电动势的方向． 3．对动生电动势中电荷所受洛伦兹力的理解 (1)运动导体中的自由电子，不仅随 导体以速度v运动，而且还沿导体以 速度u做定向移动，如图4－5－4所 示．因此，导体中的电子的合速度 v合等于v和u的矢量和，所以电子受 到的洛伦兹力为F合＝ev合B，F合与 合速度v合 垂直． 图4－5－4 (2)从做功角度分析，由于F合与v合垂直，它对电 子不做功，更具体地说，F合的一个分量是F1＝ evB，这个分力做功，产生动生电动势．F合的另 一个分量是F2＝euB，阻碍导体运动做负功．可 以证明两个分力F1和F2所做的功的代数和为 零．结果仍然是洛伦兹力并不提供能量，而只是 起传递能量的作用，即外力克服洛伦兹力的一个 分力F2所做的功通过另一个分力F1转化为能量． 即时应用(即时突破，小试牛刀) 2．下列说法中正确的是(　　) A．动生电动势是洛伦兹力的一个分力对导体中自 由电荷做功而引起的 B．因为洛伦兹力对运动电荷始终不做功，所以动 生电动势不是由洛伦兹力而产生的 C．动生电动势的方向可以由右手定则来判定 D．导体棒切割磁感线产生感应电流，受到的安培 力一定与受到的外力大小相等、方向相反 解析：选AC.洛伦兹力的一个分力对导体中自由电 荷做功是产生动生电动势的本质，A、C正确，B 错误；只有在导体棒做匀速切割时，除安培力以外 的力的合力才与安培力大小相等、方向相反，做变 速运动时不成立，故D错误． 课堂互动讲练 感应电场方向的判断 如图4－5－5所示，内壁光滑、 水平放置的玻璃圆环内，有一直径略 小于圆环直径的带正电的小球，以速 率v0沿逆时针方向匀速转动，若在此 空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间 成正比例增加的变化磁场．设运动过程中小球带电 荷量不变，那么(　　) 图4－5－5 A．小球对玻璃圆环的压力一定不断增大 B．小球所受的磁场力一定不断增大 C．小球先沿逆时针方向减速运动，之后沿顺时针 方向加速运动 D．磁场力对小球一直不做功 【思路点拨】　解答本题时可按以下思路分析： 【精讲精析】　变化的磁场将产生感生电场，这种 感生电场由于其电场线是闭合的,也称为涡旋电场， 其场强方向可借助电磁感应现象中感应电流方向的 判定方法，使用楞次定律判断．当磁场增强时，会 产生顺时针方向的涡旋电场，电场力先对小球做负 功使其速度减为零，后对小球做正功使其沿顺时针 方向做加速运动，所以C正确；磁场力始终与小球 运动方向垂直，因此始终对小球不做功，D正确； 小球在水平面内沿半径方向受两个力作用：环的压 【答案】　CD 【规律总结】　本题的关键是判断出感生电场的方 向，感生电场对小球做功，使带电小球的动能发生 变化． 变式训练1　如图4－5－6所示，一金属半圆环置 于匀强磁场中，当磁场突然减弱时，则两端点的 电势(　　) A．N点电势高 B．M点电势高 C．若磁场不变，将半圆环绕MN轴 旋转180°的过程中，N点电势高 D．若磁场不变，将半圆环绕MN轴 旋转180°的过程中，M点电势高 图4－5－6 解析：选BD.将半圆环补充为圆形回路，由楞次定 律可判断圆环中产生的感应电动势方向在半圆环中 由N指向M，即M点电势高，B正确；若磁场不变， 半圆环绕MN轴旋转180°的过程中，由楞次定律可 判断，半圆环中产生的感应电动势在半圆环中由N 指向M，即M点电势高，D正确． 如图4－5－7所示，L1＝0.5 m，L2＝0.8 m， 回路总电阻为R＝0.2 Ω，M＝0.04 kg，导轨光滑， 开始时磁场B0＝1 T．现使磁感应 强度以ΔB/Δt＝0.2 T/s的变化率均 匀地增大，试求：当t为多少时， M刚离开地面？(g取10 m/s2) 感生电动势的计算 图4－5－7 【思路点拨】　回路中原磁场方向向下，且磁通 量增加，由楞次定律可以判知，感应电流的磁场 方向向上，根据安培定则可以判知，ab中的感应 电流的方向是a→b，由左手定则可知，ab所受安 培力的方向水平向左，从而向上拉起重物． 【答案】　5 s 【规律总结】　在审题时应加强对某些关键“字 眼”的理解，如本题中的“刚好”两个字，就说 明了地面此时对物体无支持力了． 变式训练2　(2011年泉州高二检测)如图4－5－8所 示的匀强磁场中，有两根相距20 cm固定的平行金 属光滑导轨MN和PQ.磁场方向垂直于MN、PQ所 在平面．导轨上放置着ab、cd两根平行的可动金属 细棒．在两棒中点OO′之间拴一根40 cm长的细绳， 绳长保持不变．设磁感应强度 B以1.0 T/s的变化率均匀减小， abdc回路的电阻为0.50 Ω.求： 当B减小到10 T时，两可动边所 受磁场力和abdc回路消耗的功率． 图4－5－8 答案：均为0.32 N　0.0128 W 如图4－5－9所示，三角形金 属框架MON平面与匀强磁场B垂直， 导体ab能紧贴金属框架运动，且始 终与导轨ON垂直．当导体ab从O点 开始匀速向右平动时，速度为v0，试求bOc回路中 某时刻的感应电动势随时间变化的函数关系式． 动生电动势的计算 图4－5－9 【思路点拨】　导体ab在切割磁感线的运动过程 中，在回路中的有效切割长度bc随时间做线性变 化，由于题中要求的是感应电动势瞬时表达式， 故可用公式E＝Blv求解． 变式训练3　如图4－5－10所示，金属杆ab以恒定 的速率v在光滑平行导轨上向右滑行，设整个电路 中总电阻为R(恒定不变)，整个装置置于垂直纸面 向里的匀强磁场中，下列叙述正确的是(　　) 图4－5－10 A．ab杆中的电流与速率v成正比 B．磁场作用于ab杆的安培力与速率v成正比 C．电阻R上产生的电热功率与速率v的平方成正 比 D．外力对ab杆做功的功率与速率v的平方成正比 电磁感应的图象问题 如图4－5－11甲所示，矩形导线框abcd固 定在匀强磁场中，磁感线的方向与导线框所在平 面垂直．规定磁场的正方向垂直纸面向里，磁感 应强度B随时间变化的规律如图乙所示，若规定 顺时针方向为感应电流i的正方向，下列i－t图(如 图丙)中正确的是(　　) 丙 图4－5－11 【答案】　D 【规律总结】　有关电磁感应图象的选择题，采 取排除法判断比较简单，首先利用方向排除错误 选项，其次再根据大小排除错误选项． 变式训练4　(2011年广西百校联考)如图4－5－12所 示，等腰三角形内分布有垂直于纸面向外的匀强磁 场，它的底边在x轴上且长为2L，高为L，纸面内 一边长为L的正方形导线框沿x轴正方向做匀速直 线运动穿过匀强磁场区域，在t＝0时刻恰好位于图 4－5－12所示的位置，以顺时针方向为导线框中电 流的正方向，在图4－5－13中，能够正确表示导线 框的电流—位移(I－x)关系的是(　　) 图4－5－12 图4－5－13