人教版選修32 第四章電磁感應(yīng)5電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況 學(xué)案.doc

5 電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況目標(biāo)定位1.知道感生電動勢的產(chǎn)生以及與感生電場的聯(lián)系，會判斷感生電動勢的方向并計(jì)算其大小.2.知道動生電動勢的產(chǎn)生以及與洛倫茲力的關(guān)系，會判斷動生電動勢的方向并計(jì)算其大小.3.進(jìn)一步掌握en及eblv的區(qū)別和聯(lián)系，會求轉(zhuǎn)動切割時(shí)感應(yīng)電動勢的大小.4.求電磁感應(yīng)中的電荷量問題.一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場1.感生電場(1)定義：麥克斯韋在他的電磁理論中指出：變化的磁場能在周圍空間激發(fā)電場，這種電場叫感生電場.(2)理解：如圖1所示，當(dāng)磁場變化時(shí)，產(chǎn)生的感生電場的電場線是與磁場方向垂直的閉合曲線，感生電場是一種渦旋電場.圖1感生電場的產(chǎn)生跟空間中是否存在閉合電路無關(guān).感生電場的方向根據(jù)閉合電路(或假想的閉合電路)中感應(yīng)電流的方向確定.2.感生電動勢：由感生電場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢.3.感生電動勢中的非靜電力：就是感生電場對自由電荷的作用.深度思考感生電場的方向與感應(yīng)電流的方向有什么關(guān)系？如何判斷感生電場的方向？答案電流的方向與正電荷移動的方向相同，感生電場的方向與正電荷受力的方向相同，因此，感生電場的方向與感應(yīng)電流的方向相同.感生電場的方向可以用楞次定律和右手定則判定.例1如圖2所示，內(nèi)壁光滑、水平放置的玻璃圓環(huán)內(nèi)，有一直徑略小于圓環(huán)直徑的帶正電的小球，以速率v0沿逆時(shí)針方向勻速轉(zhuǎn)動(俯視)，若在此空間突然加上方向豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度b隨時(shí)間成正比例增加的變化磁場.若運(yùn)動過程中小球帶電荷量不變，那么()圖2a.小球?qū)ΣＡA環(huán)的壓力一定不斷增大b.小球所受的磁場力一定不斷增大c.小球先沿逆時(shí)針方向減速運(yùn)動，過一段時(shí)間后沿順時(shí)針方向加速運(yùn)動d.磁場力對小球一直不做功解析當(dāng)磁場增強(qiáng)時(shí)，會產(chǎn)生順時(shí)針方向的渦旋電場，電場力先對小球做負(fù)功使其速度減為零，后對小球做正功使其沿順時(shí)針做加速運(yùn)動，所以c正確；磁場力始終與小球運(yùn)動方向垂直，因此始終對小球不做功，d正確；小球在水平面內(nèi)沿半徑方向受兩個力作用：環(huán)的擠壓力fn和磁場的洛倫茲力f，這兩個力的合力充當(dāng)小球做圓周運(yùn)動的向心力，其中fqvb，磁場在增強(qiáng)，小球速度先減小后增大，所以洛倫茲力不一定總在增大，故b錯；向心力f向m，其大小隨速度先減小后增大，因此擠壓力fn也不一定始終增大，故a錯，正確答案為c、d.答案cd(1)感生電場是一種渦旋電場，電場線是閉合的.渦旋電場也會對電荷產(chǎn)生力的作用.(2)實(shí)際問題中我們常要用磁場的方向和強(qiáng)弱變化的情況，根據(jù)楞次定律或安培定則來確定感生電場的方向.二、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的洛倫茲力1.成因：導(dǎo)體棒做切割磁感線運(yùn)動時(shí)，導(dǎo)體棒中的自由電荷隨棒一起定向運(yùn)動，并因此受到洛倫茲力.2.動生電動勢：由于導(dǎo)體運(yùn)動而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢.3.動生電動勢中的非靜電力：與洛倫茲力有關(guān).深度思考動生電動勢的產(chǎn)生與洛倫茲力有關(guān)，洛倫茲力做功嗎？答案洛倫茲力不做功.解析(1)運(yùn)動導(dǎo)體中的自由電子，不僅隨導(dǎo)體以速度v運(yùn)動，而且還沿導(dǎo)體以速度u做定向移動，如圖所示.因此，導(dǎo)體中的電子的合速度v合等于v和u的矢量和，所以電子受到的洛倫茲力為f合ev合b，f合與合速度v合垂直.(2)從做功角度分析，由于f合與v合垂直，所以它對電子不做功.例2我國處在地球的北半球，飛機(jī)在我國上空勻速地巡航，機(jī)翼保持水平，飛機(jī)高度不變，由于地磁場的作用，金屬機(jī)翼上有電勢差.設(shè)左側(cè)機(jī)翼末端處的電勢為1，右側(cè)機(jī)翼末端處的電勢為2，則()a.飛機(jī)從西向東飛時(shí)，1比2高b.飛機(jī)從東向西飛時(shí)，2比1高c.飛機(jī)從南向北飛時(shí)，1比2高d.飛機(jī)從北向南飛時(shí)，2比1高解析在北半球，地磁場有豎直向下的分量，飛機(jī)在水平飛行過程中，機(jī)翼切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，應(yīng)用右手定則可以判斷兩邊機(jī)翼的電勢高低.伸開右手，讓大拇指與其余四指在同一平面內(nèi)，并且垂直，讓磁感線穿過手心，即手心朝上，大拇指指向飛機(jī)的飛行方向，其余四指所指的方向就是感應(yīng)電流的方向，由于不是閉合電路，電路中只存在感應(yīng)電動勢，仍然按照有電流來判斷，整個切割磁感線的兩邊機(jī)翼就是電源，在電源內(nèi)部，電流是從低電勢處流向高電勢處的.因此不管飛機(jī)向哪個方向飛行，都是左邊機(jī)翼末端電勢高，即a、c選項(xiàng)正確.答案ac例3半徑為r、電阻為r的n匝圓形線圈在邊長為l的正方形abcd外，勻強(qiáng)磁場充滿并垂直穿過該正方形區(qū)域，如圖3甲所示.當(dāng)磁場隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖乙所示時(shí)，求穿過圓形線圈磁通量的變化率為多大？t0時(shí)刻線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流為多少？圖3解析磁通量的變化率：sl2.根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得線圈中的感應(yīng)電動勢ennl2.再根據(jù)閉合電路歐姆定律得感應(yīng)電流inn.答案l2n感生電動勢與動生電動勢的對比感生電動勢動生電動勢產(chǎn)生原因磁場的變化導(dǎo)體切割磁感線移動電荷的非靜電力感生電場對自由電荷的電場力導(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中的線圈部分做切割磁感線運(yùn)動的導(dǎo)體方向判斷楞次定律右手定則大小計(jì)算方法eneblvsin vb時(shí)，eblv三、電磁感應(yīng)中的轉(zhuǎn)動切割問題例4長為l的金屬棒ab以a點(diǎn)為軸在垂直于勻強(qiáng)磁場的平面內(nèi)以角速度做勻速轉(zhuǎn)動，如圖4所示，磁感應(yīng)強(qiáng)度為b，求：圖4(1)ab棒各點(diǎn)的平均速率；(2)ab兩端的電勢差；(3)經(jīng)時(shí)間t金屬棒ab所掃過面積中磁通量為多少？此過程中平均感應(yīng)電動勢多大？解析(1)ab棒中點(diǎn)的速率l(2)ab兩端的電勢差：eblbl2(3)經(jīng)時(shí)間t金屬棒ab所掃過的扇形面積為s，則：sl2l2t，bsbl2t.由法拉第電磁感應(yīng)定律得：ebl2.答案(1)l(2)bl2(3)bl2tbl2導(dǎo)體轉(zhuǎn)動切割磁感線：當(dāng)導(dǎo)體棒在垂直于磁場的平面內(nèi)，其一端固定，以角速度勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為eblbl2，如圖5所示.圖5四、電磁感應(yīng)中的電荷量問題例5如圖6甲所示，有一面積為s100 cm2的金屬環(huán)，電阻為r0.1 ，環(huán)中磁場的變化規(guī)律如圖乙所示，且磁場方向垂直紙面向里，在12 s時(shí)間內(nèi)，通過金屬環(huán)的電荷量是多少？圖6解析由法拉第電磁感應(yīng)定律知金屬環(huán)中產(chǎn)生的平均感應(yīng)電動勢，由閉合電路歐姆定律知金屬環(huán)中的感應(yīng)電流為.通過金屬環(huán)截面的電荷量qt c0.01 c.答案0.01 c求解電路中通過的電荷量時(shí)，一定要用平均感應(yīng)電動勢和平均感應(yīng)電流計(jì)算.設(shè)感應(yīng)電動勢的平均值為，則在t時(shí)間內(nèi)：n，又qt，所以qn.其中對應(yīng)某過程磁通量的變化，r為回路的總電阻，n為電路中線圈的匝數(shù).1.(感生電場問題)如圖7所示，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，整個裝置處于豎直向下的磁場中，當(dāng)磁場突然增強(qiáng)時(shí)，小球?qū)?)圖7a.沿順時(shí)針方向運(yùn)動b.沿逆時(shí)針方向運(yùn)動c.在原位置附近往復(fù)運(yùn)動d.仍然保持靜止?fàn)顟B(tài)答案a解析當(dāng)磁場增強(qiáng)時(shí)，由楞次定律知感應(yīng)電流沿逆時(shí)針方向，即感生電場沿逆時(shí)針方向，帶負(fù)電的小球在電場力作用下沿順時(shí)針方向運(yùn)動.2.(en及eblv的比較應(yīng)用)(多選)如圖8所示，一導(dǎo)線彎成半徑為a的半圓形閉合回路.虛線mn右側(cè)有磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的勻強(qiáng)磁場，方向垂直于回路所在的平面.回路以速度v向右勻速進(jìn)入磁場，直徑cd始終與mn垂直.從d點(diǎn)到達(dá)邊界開始到c點(diǎn)進(jìn)入磁場為止，下列結(jié)論正確的是()圖8a.感應(yīng)電流方向不變b.cd段直導(dǎo)線始終不受安培力c.感應(yīng)電動勢最大值embavd.感應(yīng)電動勢平均值bav答案acd解析導(dǎo)線切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由右手定則可知，感應(yīng)電流方向不變，a正確；感應(yīng)電動勢最大值即切割磁感線等效長度最大時(shí)的電動勢，故embav，c正確；，ba2，t，由上式得bav，d正確.3.(電磁感應(yīng)中的轉(zhuǎn)動切割問題)如圖9所示，一個半徑為r的銅盤，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的勻強(qiáng)磁場中以角速度繞中心軸oo勻速轉(zhuǎn)動，磁場方向與盤面垂直，在盤的中心軸與邊緣處分別安裝電刷.設(shè)整個回路電阻為r，當(dāng)銅盤勻速轉(zhuǎn)動角速度為時(shí)，通過電阻的電流為_.圖9答案解析當(dāng)銅盤勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相當(dāng)于一根導(dǎo)體棒繞其一個端點(diǎn)在磁場中做切割磁感線的圓周運(yùn)動產(chǎn)生的電動勢為ebr2，所以通過電阻的電流為.4.(電磁感應(yīng)中的電荷量計(jì)算)物理實(shí)驗(yàn)中，常用一種叫做“沖擊電流計(jì)”的儀器測定通過電路的電荷量.如圖10所示，探測線圈與沖擊電流計(jì)串聯(lián)后可用來測定磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度.已知線圈的匝數(shù)為n，面積為s，線圈與沖擊電流計(jì)組成的回路電阻為r.若將線圈放在被測勻強(qiáng)磁場中，開始時(shí)線圈平面與磁場垂直，現(xiàn)把探測線圈翻轉(zhuǎn)180，沖擊電流計(jì)測出通過線圈的電荷量為q，由上述數(shù)據(jù)可測出被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為()圖10a. b. c. d.答案c解析qtttnn，所以b.題組一感生電場和感生電動勢1.(多選)如圖1所示，一個閉合電路靜止于磁場中，由于磁場強(qiáng)弱的變化，而使電路中產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，下列說法中正確的是()圖1a.磁場變化時(shí)，會在空間激發(fā)一個電場b.使電荷定向移動形成電流的力是磁場力c.使電荷定向移動形成電流的力是電場力d.以上說法都不對答案ac解析磁場變化時(shí)，會在空間產(chǎn)生感生電場，感生電場的電場力使電荷定向移動形成電流，故a、c正確.2.(多選)下列說法中正確的是()a.感生電場是由變化的磁場產(chǎn)生b.恒定的磁場也能在周圍空間產(chǎn)生感生電場c.感生電場的方向也同樣可以用楞次定律和右手螺旋定則來判定d.感生電場的電場線是閉合曲線，其方向一定是沿逆時(shí)針方向答案ac解析磁場變化時(shí)在空間激發(fā)感生電場，其方向與所產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向相同，可由楞次定律和右手螺旋定則判斷，a、c項(xiàng)正確.3.如圖2所示，一個帶正電的粒子在垂直于勻強(qiáng)磁場的平面內(nèi)做圓周運(yùn)動，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻增大時(shí)，此粒子的動能將()圖2a.不變b.增加c.減少d.以上情況都有可能答案b解析當(dāng)垂直紙面向里的磁場均勻增強(qiáng)時(shí)，產(chǎn)生逆時(shí)針方向的渦旋電場，帶正電的粒子將受到這個電場對它的電場力作用，而使動能增加，故b正確.4.(多選)如圖3甲所示，面積為s1 m2的導(dǎo)體圓環(huán)內(nèi)通有垂直于圓平面向里的磁場，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度b隨時(shí)間t變化的關(guān)系如圖乙所示(b取向里方向?yàn)檎?.以下說法中正確的是()圖3a.環(huán)中產(chǎn)生逆時(shí)針方向的感應(yīng)電流b.環(huán)中產(chǎn)生順時(shí)針方向的感應(yīng)電流c.環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小為1 vd.環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小為2 v答案ac解析由楞次定律可判斷，環(huán)中產(chǎn)生逆時(shí)針方向的感應(yīng)電流，選項(xiàng)a正確，b錯誤；根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小為es1 v1 v，選項(xiàng)c正確，d錯誤.題組二動生電動勢的理解及計(jì)算問題5.如圖4所示，pqrs為一正方形導(dǎo)線框，它以恒定速度向右進(jìn)入以mn為邊界的勻強(qiáng)磁場，磁場方向垂直線框平面向里，mn邊界與線框的qr所在的水平直線成45角，e、f分別是ps和pq的中點(diǎn).關(guān)于線框中的感應(yīng)電流，正確的說法是()圖4a.當(dāng)e點(diǎn)經(jīng)過邊界mn時(shí)，線框中感應(yīng)電流最大b.當(dāng)p點(diǎn)經(jīng)過邊界mn時(shí)，線框中感應(yīng)電流最大c.當(dāng)f點(diǎn)經(jīng)過邊界mn時(shí)，線框中感應(yīng)電流最大d.當(dāng)q點(diǎn)經(jīng)過邊界mn時(shí)，線框中感應(yīng)電流最大答案b解析當(dāng)p點(diǎn)經(jīng)過邊界mn時(shí)，切割磁感線的有效長度是sr，感應(yīng)電流達(dá)到最大.6.(多選)如圖5所示，三角形金屬導(dǎo)軌eof上放有一根金屬桿ab，在外力作用下，保持金屬桿ab和of垂直，以速度v勻速向右移動.設(shè)導(dǎo)軌和金屬桿ab都是用粗細(xì)相同的同種材料制成的，金屬桿ab與導(dǎo)軌接觸良好，則下列判斷正確的是()圖5a.電路中的感應(yīng)電動勢大小不變b.電路中的感應(yīng)電流大小不變c.電路中的感應(yīng)電動勢大小逐漸增大d.電路中的感應(yīng)電流大小逐漸增大答案bc解析設(shè)三角形金屬導(dǎo)軌的夾角為，金屬桿ab從o點(diǎn)經(jīng)t秒走了vt的距離，則ebvttan v，電路總長為lvtvttan vt，又因?yàn)閞，所以i，i與t無關(guān)，是恒量，故選項(xiàng)b正確.e逐漸增大，故選項(xiàng)c正確.題組三電磁感應(yīng)中的轉(zhuǎn)動切割問題7.夏天將到，在北半球，當(dāng)我們抬頭觀看教室內(nèi)的電風(fēng)扇時(shí)，發(fā)現(xiàn)電風(fēng)扇正在逆時(shí)針轉(zhuǎn)動.金屬材質(zhì)的電風(fēng)扇示意圖如圖6所示，由于電磁場的存在，下列關(guān)于a、o兩點(diǎn)的電勢及電勢差的說法，正確的是()圖6a.a點(diǎn)電勢比o點(diǎn)電勢高b.a點(diǎn)電勢比o點(diǎn)電勢低c.a點(diǎn)電勢和o點(diǎn)電勢相等d.扇葉長度越短，uao的電勢差數(shù)值越大答案a解析在北半球，地磁場的豎直分量豎直向下，由右手定則可判斷oa中電流方向由o到a，再根據(jù)在電源內(nèi)部電流由負(fù)極流向正極，可知a點(diǎn)為正極，電勢高，a對，b、c錯；由eblv可知d錯.8.如圖7所示，均勻磁場中有一由半圓弧及其直徑構(gòu)成的導(dǎo)線框，半圓直徑與磁場邊緣重合；磁場方向垂直于半圓面(紙面)向里，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為b0.使該線框從靜止開始繞過圓心o、垂直于半圓面的軸以角速度勻速轉(zhuǎn)動半周，在線框中產(chǎn)生感應(yīng)電流.現(xiàn)使線框保持圖中所示位置，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小隨時(shí)間線性變化.為了產(chǎn)生與線框轉(zhuǎn)動半周過程中同樣大小的電流，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化率的大小應(yīng)為()圖7a. b. c. d.答案c解析設(shè)圓的半徑為l，電阻為r，當(dāng)線框以角速度勻速轉(zhuǎn)動時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e1b0l2.當(dāng)線框不動，而磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化時(shí)e2l2，由得b0l2l2，即，故c項(xiàng)正確.題組四電磁感應(yīng)中的電荷量問題9.如圖8所示，空間存在垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場，在半徑為a的圓形區(qū)域內(nèi)部及外部，磁場方向相反，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小均為b.一半徑為b(ba)，電阻為r的圓形導(dǎo)線環(huán)放置在紙面內(nèi)，其圓心與圓形區(qū)域的中心重合.當(dāng)內(nèi)、外磁場同時(shí)由b均勻地減小到零的過程中，通過導(dǎo)線環(huán)截面的電量為()圖8a.b.c.d.答案a解析開始時(shí)穿過導(dǎo)線環(huán)向里的磁通量設(shè)為正值，1ba2，向外的磁通量則為負(fù)值，2b(b2a2)，總的磁通量為它們的代數(shù)和(取絕對值)b|(b22a2)|，末態(tài)總的磁通量為0，由法拉第電磁感應(yīng)定律得平均感應(yīng)電動勢為，通過導(dǎo)線環(huán)截面的電量為qt，a項(xiàng)正確.10.如圖9所示，將一半徑為r的金屬圓環(huán)在垂直于環(huán)面的磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的勻強(qiáng)磁場中用力握中間成“8”字形(金屬圓環(huán)未發(fā)生翻轉(zhuǎn))，并使上、下兩