《法拉第電磁感應定律、自感和渦流》ppt精品課件

1、課標版 物理第2講法拉第電磁感應定律自感和渦流一、法拉第電磁感應定律1.感應電動勢(1)概念:在 中產(chǎn)生的電動勢。(2)產(chǎn)生條件:穿過閉合電路的 發(fā)生了變化,與電路是否閉合 。(3)方向判斷:感應電動勢的方向用 或 判斷。2.法拉第電磁感應定律(1)內容:感應電動勢的大小跟穿過這一電路的 成正比。(2)公式:E=n,其中n為線圈匝數(shù),為磁通量的 。教材研讀電磁感應現(xiàn)象磁通量無關楞次定律右手定則磁通量的變化率變化率自測1(辨析題)(1)線圈中磁通量越大,產(chǎn)生的感應電動勢越大。()(2)線圈中磁通量變化越大,產(chǎn)生的感應電動勢越大。()(3)線圈中磁通量變化越快,產(chǎn)生的感應電動勢越大。()答案(1)

2、(2)(3)二、導體切割磁感線時的感應電動勢1.導體垂直切割磁感線時,感應電動勢可用E= 求出,式中l(wèi)為導體切割磁感線的 。2.導體棒在磁場中轉動時,導體棒以端點為軸,在勻強磁場中垂直于磁感線方向勻速轉動產(chǎn)生感應電動勢E=Bl=Bl2(平均速度等于中點位置的線速度l)。Blv有效長度自測2如圖,在磁感應強度為B、方向垂直紙面向里的勻強磁場中,金屬桿MN在平行金屬導軌上以速度v向右勻速滑動,MN中產(chǎn)生的感應電動勢為E1;若磁感應強度增為2B,其他條件不變,MN中產(chǎn)生的感應電動勢變?yōu)镋2。則通過電阻R的電流方向及E1與E2之比E1E2分別為()A.ca,21B.ac,21C.ac,12D.ca,1

3、2答案C桿MN向右勻速滑動,由右手定則判知,通過R的電流方向為ac;又因為E=BLv,所以E1E2=12,故選項C正確。三、自感現(xiàn)象1.概念:由于導體本身的 變化而產(chǎn)生的電磁感應現(xiàn)象稱為自感。2.自感電動勢(1)定義:在自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應電動勢叫做 。(2)表達式:E=L。3.自感系數(shù)L(1)相關因素:與線圈的 、形狀、 以及是否有鐵芯有關。(2)單位:亨利(H),1 mH= H,1 H= H。電流自感電動勢大小匝數(shù)10-310-6自測3(多選)如圖所示的電路中,線圈L的自感系數(shù)足夠大,其直流電阻忽略不計,LA、LB是兩個相同的燈泡,下列說法正確的是()A.S閉合后,LA、LB同時發(fā)光且亮度

4、不變B.S閉合后,LA立即發(fā)光,然后又逐漸熄滅C.S斷開的瞬間,LA、LB同時熄滅D.S斷開的瞬間,LA再次發(fā)光,然后又逐漸熄滅答案BD線圈對變化的電流有阻礙作用,通電時阻礙電流變大,S閉合時兩燈同時發(fā)光,但電流穩(wěn)定后LA被短路,LA逐漸熄滅;S斷開時,線圈阻礙電流變小,使LA再次發(fā)光,然后又逐漸熄滅。四、渦流線圈中的電流變化時,在附近導體中產(chǎn)生感應電流,這種電流在導體內形成閉合回路,很像水的漩渦,因此把它叫做渦電流,簡稱渦流。在冶煉爐、電動機、變壓器、探雷器等實際應用中都存在著渦流,它是整塊導體發(fā)生的電磁感應現(xiàn)象,同樣遵守電磁感應定律。自測4(多選)如圖所示為新一代炊具電磁爐,無煙、無明火、

5、無污染、不產(chǎn)生有害氣體、無微波輻射、高效節(jié)能等是電磁爐的優(yōu)勢所在。電磁爐是利用電流通過線圈產(chǎn)生磁場,當磁場的磁感線通過鐵質鍋底部時,即會產(chǎn)生無數(shù)小渦流,使鍋體本身自行高速發(fā)熱,然后再加熱鍋內食物。下列相關說法中正確的是()A.鍋體中的渦流是由恒定的磁場產(chǎn)生的B.恒定磁場越強,電磁爐的加熱效果越好C.鍋體中的渦流是由變化的磁場產(chǎn)生的D.提高磁場變化的頻率,可提高電磁爐的加熱效果答案CD由電磁感應原理可知,鍋體中的渦流是由變化的磁場產(chǎn)生的。提高磁場變化的頻率,產(chǎn)生的感應電動勢變大,可提高電磁爐的加熱效果,C、D正確?？键c一對法拉第電磁感應定律的理解與應用1.感應電動勢的決定因素感應電動勢的大小由穿

6、過電路的磁通量的變化率和線圈的匝數(shù)n共同決定,而與磁通量、磁通量的變化量的大小沒有必然聯(lián)系。2.法拉第電磁感應定律應用的三種情況(1)磁通量的變化是由面積變化引起時,=BS,則E=。(2)磁通量的變化是由磁場變化引起時,=BS,則E=?？键c突破(3)磁通量的變化是由于面積和磁場共同變化引起時,則根據(jù)定義求,=末-初,E=nn。3.在圖像問題中磁通量的變化率是-t圖像上某點切線的斜率,利用斜率和線圈匝數(shù)可以確定該點感應電動勢的大小。典例1(2015浙江理綜,24,20分)小明同學設計了一個“電磁天平”,如圖1所示,等臂天平的左臂為掛盤,右臂掛有矩形線圈,兩臂平衡。線圈的水平邊長L=0.1 m,豎

7、直邊長H=0.3 m,匝數(shù)為N1。線圈的下邊處于勻強磁場內,磁感應強度B0=1.0 T,方向垂直線圈平面向里。線圈中通有可在02.0 A范圍內調節(jié)的電流I。掛盤放上待測物體后,調節(jié)線圈中電流使天平平衡,測出電流即可測得物體的質量。(重力加速度取g=10 m/s2)圖1圖2(2)進一步探究電磁感應現(xiàn)象,另選N2=100匝、形狀相同的線圈,總電阻R=10 。不接外電流,兩臂平衡。如圖2所示,保持B0不變,在線圈上部另加垂直紙面向外的勻強磁場,且磁感應強度B隨時間均勻變大,磁場區(qū)域寬度d=0.1 m。當掛盤中放質量為0.01 kg的物體時,天平平衡,求此時磁感應強度的變化率。答案(1)25(2)0.

8、1 T/s解析(1)線圈受到安培力F=N1B0IL天平平衡mg=N1B0IL代入數(shù)據(jù)得N1=25(2)由電磁感應定律得E=N2(1)為使電磁天平的量程達到0.5 kg,線圈的匝數(shù)N1至少為多少?E=N2Ld由歐姆定律得I=線圈受到安培力F=N2B0IL天平平衡mg=B0代入數(shù)據(jù)可得=0.1 T/s應用電磁感應定律應注意的三個問題(1)利用公式E=n求解的是一個回路中某段時間內的平均感應電動勢,在磁通量均勻變化時,瞬時值等于平均值。(2)利用公式E=nS求感應電動勢時,S為線圈在磁場范圍內的有效面積。(3)通過回路截面的電荷量q僅與n、和回路電阻R有關,與時間長短無關。推導如下:q=t=t=。1

9、-1如圖所示,用兩根長度、材料、粗細都相同的導線繞成匝數(shù)分別為n1和n2的圓形閉合線圈A和B,兩線圈平面與勻強磁場垂直。當磁感應強度隨時間均勻變化時,兩線圈中的感應電流之比IAIB為()A.B.C.D.答案B設導線長度為L,電阻為R,則對線圈A有,L=n12rA,IA=,解得IA=rA,同理可得對線圈B有IB=rB,聯(lián)立可得=,又L=n22rB,得=,則=,B正確。1-2如圖甲所示,一個電阻值為R,匝數(shù)為n的圓形金屬線圈與阻值為2R的電阻R1連接成閉合回路。線圈的半徑為r1,在線圈中半徑為r2的圓形區(qū)域存在垂直于線圈平面向里的勻強磁場,磁感應強度B隨時間t變化的關系圖線如圖乙所示。圖線與橫、縱

10、軸的截距分別為t0和B0,導線的電阻不計。求0至t1時間內(1)通過電阻R1的電流大小和方向。(2)通過電阻R1的電荷量q及電阻R1上產(chǎn)生的熱量。答案(1)方向從b到a(2)解析(1)穿過閉合線圈的磁場的面積為S=由題圖乙可知,磁感應強度B的變化率的大小為=,根據(jù)法拉第電磁感應定律得:E=n=nS=由閉合電路歐姆定律可知流過電阻R1的電流為I=再根據(jù)楞次定律和安培定則可以判斷,流過電阻R1的電流方向應由b到a。(2)0至t1時間內通過電阻R1的電荷量為q=It1=電阻R1上產(chǎn)生的熱量為Q=I2R1t1=?？键c二導體切割磁感線產(chǎn)生感應電動勢的計算E=Blv的“四性”(1)正交性:本公式是在一定條

11、件下得出的,除磁場為勻強磁場外,還需B、l、v三者互相垂直。(2)瞬時性:若v為瞬時速度,則E為相應的瞬時感應電動勢。(3)有效性:公式中的l為導體切割磁感線的有效長度。如圖中,導體的有效長度為a、b間的距離。(4)相對性:E=Blv中的速度v是導體相對磁場的速度,若磁場也在運動,應注意速度間的相對關系。典例2(2016山東濟南模擬)在范圍足夠大、方向豎直向下的勻強磁場中,磁感應強度B=0.2 T,有一水平放置的光滑框架,寬度L=0.4 m,如圖所示,框架上放置一質量m=0.05 kg、電阻R=1 的金屬桿cd,框架電阻不計。若桿cd在水平外力F的作用下以恒定加速度a=2 m/s2由靜止開始向

12、右做勻變速運動,求:(1)5 s內的平均感應電動勢;(2)第5 s末回路中的電流I;(3)第5 s末作用在桿cd上的水平外力F的大小。答案(1)0.4 V(2)0.8 A(3)0.164 N解析(1)t=5 s內金屬桿的位移x=at2=25 m5 s內的平均速度 =5 m/s故平均感應電動勢 =BL=0.4 V(2)第5 s末桿的速度v5=at=10 m/s此時感應電動勢E=BLv5=0.8V則回路中的電流I=0.8 A(3)桿cd向右做勻加速運動,由左、右手定則判得其所受安培力方向向左,由牛頓第二定律得F-F安=ma桿cd所受安培力F安=BIL解得F=BIL+ma=0.164 N感應電動勢兩

13、個公式的比較公式E=nE=Blv對象一個回路一段導體適用普遍適用導體切割磁感線意義常用于求平均感應電動勢既可求平均值也可求瞬時值聯(lián)系本質上是統(tǒng)一的,后者是前者的一種特殊情況。但是,當導體做切割磁感線運動時,用E=Blv求E比較方便;當穿過電路的磁通量發(fā)生變化時,用E=n求E比較方便2-1(2015海南單科,2,3分)如圖,空間有一勻強磁場,一直金屬棒與磁感應強度方向垂直,當它以速度v沿與棒和磁感應強度都垂直的方向運動時,棒兩端的感應電動勢大小為;將此棒彎成兩段長度相等且相互垂直的折線,置于與磁感應強度相垂直的平面內,當它沿兩段折線夾角平分線的方向以速度v運動時,棒兩端的感應電動勢大小為。則等于

14、()A.B.C.1D.答案B由法拉第電磁感應定律知直金屬棒運動時其兩端電動勢=BLv,將此棒彎成兩段長度相等且互相垂直的折線,并放于與磁感應強度垂直的平面內,并沿折線夾角平分線的方向以相同的速度v運動時,=BLv,則=。因此B對,A、C、D錯。2-2(2015課標,15,6分)如圖,直角三角形金屬框abc放置在勻強磁場中,磁感應強度大小為B,方向平行于ab邊向上。當金屬框繞ab邊以角速度逆時針轉動時,a、b、c三點的電勢分別為Ua、Ub、Uc。已知bc邊的長度為l。下列判斷正確的是()A.UaUc,金屬框中無電流B.UbUc,金屬框中電流方向沿a-b-c-aC.Ubc=-Bl2,金屬框中無電流

15、D.Uac=Bl2,金屬框中電流方向沿a-c-b-a答案C閉合金屬框在勻強磁場中以角速度逆時針轉動時,穿過金屬框的磁通量始終為零,金屬框中無電流。由右手定則可知Ub=UaUc,A、B、D選項錯誤;b、c兩點的電勢差Ubc=-Blv中=-Bl2,選項C正確。考點三對自感現(xiàn)象的理解1.自感現(xiàn)象的四大特點(1)自感電動勢總是阻礙導體中原電流的變化。(2)通過線圈中的電流不能發(fā)生突變,只能緩慢變化。(3)通常電流穩(wěn)定時,自感線圈就相當于普通導體。(4)線圈的自感系數(shù)越大,自感現(xiàn)象越明顯,自感電動勢只是延緩了過程的進行,但它不能使過程停止,更不能使過程反向。2.斷電自感中,燈泡是否閃亮問題(1)通過燈泡

16、的自感電流大于原電流時,燈泡閃亮。(2)通過燈泡的自感電流小于等于原電流時,燈泡不會閃亮。典例3如圖所示的電路中,L為自感線圈,其直流電阻與電阻R相等,C為電容器,電源內阻不可忽略。當開關S由閉合變?yōu)閿嚅_瞬間,下列說法正確的是()A.通過燈A的電流由c到dB.A燈突然閃亮一下再熄滅C.B燈無電流通過,不可能變亮D.電容器立即放電答案BS斷開瞬間,線圈L與A燈、電阻R形成閉合回路,通過燈A的電流由d到c,故A錯。由于自感線圈提供給A燈的電流開始時大于電源原來提供給A燈的電流,故A燈閃亮一下再熄滅,故B正確。S斷開瞬間,電容器兩端電壓增大,電源將對電容器充電,充電電流通過B燈,可能會使B燈閃亮一下再熄滅,故C、D均錯。通過自感線圈中的電流不能發(fā)生突變,即通電過程中,電流是逐漸變大的;斷電過程中,電流是逐漸變小的,此時線圈可等效為“電源”,該“電源”與其他電路元件形成回路。3-1(2016江西南昌模擬)如圖所示的電路中,L是一個自感系數(shù)很大、直流電阻不計的線圈,L1、L2和L3是3個完全相同的燈泡,E是內阻不計的電源。在t=0