2022年高考物理一輪-法拉第電磁感應定律　自感　渦流學生版

文檔來源網絡整理侵權必刪11.2法拉第電磁感應定律自感渦流必備知識清單一、法拉第電磁感應定律1．感應電動勢(1)感應電動勢：在電磁感應現象中產生的電動勢．(2)產生條件：穿過回路的發(fā)生改變，與電路是否閉合無關．(3)方向判斷：感應電動勢的方向用或右手定則判斷．2．法拉第電磁感應定律(1)內容：閉合電路中感應電動勢的大小，跟穿過這一電路的成正比．(2)公式：E＝neq\f(ΔΦ,Δt)，其中n為線圈匝數．(3)感應電流與感應電動勢的關系：遵循閉合電路的歐姆定律，即I＝eq\f(E,R＋r).(4)說明：①當ΔΦ僅由B的變化引起時，則E＝neq\f(ΔB·S,Δt)；當ΔΦ僅由S的變化引起時，則E＝neq\f(B·ΔS,Δt)；當ΔΦ由B、S的變化同時引起時，則E＝neq\f(B2S2－B1S1,Δt)≠neq\f(ΔB·ΔS,Δt).②磁通量的變化率eq\f(ΔΦ,Δt)是Φ－t圖象上某點切線的3．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＝Blv求出，式中l(wèi)為導體切割磁感線的有效長度；(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生感應電動勢E＝Bleq\x\to(v)＝eq\f(1,2)Bl2ω(平均速度等于中點位置的線速度eq\f(1,2)lω)．二、自感、渦流、電磁阻尼和電磁驅動1．自感現象(1)概念：由于導體本身的變化而產生的電磁感應現象稱為自感，由于自感而產生的感應電動勢叫做自感電動勢．(2)表達式：E＝Leq\f(ΔI,Δt).(3)自感系數L的影響因素：與線圈的、形狀、以及是否有鐵芯有關．2．渦流現象(1)渦流：塊狀金屬放在變化磁場中，或者讓它在磁場中運動時，金屬塊內產生的旋渦狀感應電流．(2)產生原因：金屬塊內變化→感應電動勢→感應電流．3．電磁阻尼導體在磁場中運動時，感應電流會使導體受到安培力，安培力總是導體的相對運動．4．電磁驅動如果磁場相對于導體轉動，在導體中會產生使導體受到安培力而運動起來．命題點精析（一）法拉第電磁感應定律的理解與應用1．感應電動勢大小的決定因素(1)感應電動勢的大小由穿過閉合電路的磁通量的變化率eq\f(ΔΦ,Δt)和線圈的匝數共同決定，而與磁通量Φ、磁通量的變化量ΔΦ的大小沒有必然聯系。(2)當ΔΦ僅由B引起時，則E＝neq\f(SΔB,Δt)；當ΔΦ僅由S引起時，則E＝neq\f(BΔS,Δt)。2．求解感應電動勢常見的情況與方法情景圖研究對象回路(不一定閉合)一段直導線(或等效成直導線)繞一端轉動的一段導體棒繞與B垂直的軸轉動的導線框表達式E＝neq\f(ΔΦ,Δt)E＝BLvsinθ(其中θ為v與B的夾角)E＝eq\f(1,2)BL2ωE＝NBSω·sin(ωt＋φ0)典型例題例1(多選)空間存在一方向與紙面垂直、大小隨時間變化的勻強磁場，其邊界如圖(a)中虛線MN所示。一硬質細導線的電阻率為ρ、橫截面積為S，將該導線做成半徑為r的圓環(huán)固定在紙面內，圓心O在MN上。t＝0時磁感應強度的方向如圖(a)所示；磁感應強度B隨時間t的變化關系如圖(b)所示。則在t＝0到t＝t1的時間間隔內()A．圓環(huán)所受安培力的方向始終不變 B．圓環(huán)中的感應電流始終沿順時針方向C．圓環(huán)中的感應電流大小為 D．圓環(huán)中的感應電動勢大小為eq\f(B0πr2,4t0)練1同一平面內固定有一長直導線PQ和一帶缺口的剛性金屬圓環(huán)，在圓環(huán)的缺口兩端引出兩根導線，分別與兩塊垂直于圓環(huán)所在平面固定放置的平行金屬板MN連接，如圖甲所示．導線PQ中通有正弦交變電流i，i的變化如圖乙所示，規(guī)定從Q到P為電流的正方向，則在1～2s內()A．M板帶正電，且電荷量增加B．M板帶正電，且電荷量減小C．M板帶負電，且電荷量增加D．M板帶負電，且電荷量減小練2如圖甲所示，帶缺口的剛性金屬圓環(huán)在紙面內固定放置，在圓環(huán)的缺口兩端引出兩根導線，分別與兩塊垂直于紙面正對固定放置的平行金屬板P、Q連接。圓環(huán)內有垂直于紙面變化的磁場，變化規(guī)律如圖乙所示(規(guī)定磁場方向垂直于紙面向里為正方向)。圖中可能正確表示P、Q兩極板間電場強度E(規(guī)定電場方向由P板指向Q板為正方向)隨時間t變化情況的是()命題點精析（二）動生電動勢的計算1．理解E＝Blv的“五性”(1)正交性：本公式是在一定條件下得出的，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)平均性：導體平動切割磁感線時，若v為平均速度，則E為平均感應電動勢，即eq\o(E,\s\up6(－))＝Bleq\o(v,\s\up6(－))。(4)有效性：公式中的l為導體切割磁感線的有效長度。如圖所示，棒的有效長度為ab間的距離。(5)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。2．導體棒切割磁感線時，可有以下三種情況切割方式電動勢表達式說明垂直切割E＝Blv(1)導體棒與磁場方向垂直(2)磁場為勻強磁場傾斜切割E＝Blvsinθ其中θ為v與B的夾角旋轉切割(以一端為軸)E＝eq\f(1,2)Bl2ω3.判斷(1)把產生感應電動勢的那部分電路或導體當作電源的內電路，那部分導體相當于電源。(2)若電路是不閉合的，則先假設有電流通過，然后應用楞次定律或右手定則判斷出電流的方向。(3)電源內部電流的方向是由負極(低電勢)流向正極(高電勢)，外電路順著電流方向每經過一個電阻，電勢都要降低。例2如圖所示，兩根平行光滑金屬導軌MN和PQ放置在水平面內，其間距L＝0.2m,磁感應強度B＝0.5T的勻強磁場垂直導軌平面向下，兩導軌之間連接的電阻R＝4.8Ω，在導軌上有一金屬棒ab，其接入電路的電阻r＝0.2Ω，金屬棒與導軌垂直且接觸良好，在ab棒上施加水平拉力使其以速度v＝0.5m/s向右勻速運動，設金屬導軌足夠長．求：(1)金屬棒ab產生的感應電動勢；(2)通過電阻R的電流大小和方向；(3)水平拉力的大小F；(4)金屬棒a、b兩點間的電勢差．練3如圖，在同一水平面內有兩根平行長導軌，導軌間存在依次相鄰的矩形勻強磁場區(qū)域，區(qū)域寬度均為l，磁感應強度大小相等、方向交替向上向下。一邊長為eq\f(3,2)l的正方形金屬線框在導軌上向左勻速運動。線框中感應電流i隨時間t變化的正確圖線可能是()練4邊界MN的一側區(qū)域內，存在著磁感應強度大小為B、方向垂直于光滑水平桌面的勻強磁場．邊長為l的正三角形金屬線框abc粗細均勻，三邊阻值相等，a頂點剛好位于邊界MN上，現使線框圍繞過a點且垂直于桌面的轉軸勻速轉動，轉動角速度為ω，如圖8所示，則在ab邊開始轉入磁場的瞬間a、b兩端的電勢差Uab為()A.eq\f(1,3)Bl2ω B．－eq\f(1,2)Bl2ωC．－eq\f(1,3)Bl2ω D.eq\f(1,6)Bl2ω命題點精析（三）自感現象渦流1．自感現象的四個特點(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)電流穩(wěn)定時，自感線圈就相當于普通導體。(4)線圈的自感系數越大，自感現象越明顯，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．通電自感和斷電自感的比較與線圈串聯的燈泡與線圈并聯的燈泡電路圖通電時電流逐漸增大，燈泡逐漸變亮電流突然增大，然后逐漸減小達到穩(wěn)定斷電時電流逐漸減小，燈泡逐漸變暗，電流方向不變電路中穩(wěn)態(tài)電流為I1、I2：①若I2≤I1，燈泡逐漸變暗；②若I2>I1，燈泡閃亮后逐漸變暗。兩種情況下燈泡中電流方向均改變例3(多選)如圖所示，L是自感系數較大的線圈，其直流電阻可忽略不計，a、b、c是三個相同的小燈泡，下列說法正確的是()A．開關S閉合時，b、c燈立即亮，a燈逐漸亮B．開關S閉合，電路穩(wěn)定后，b、c燈亮，a燈不亮C．開關S斷開時，b、c燈立即熄滅，a燈逐漸熄滅D．開關S斷開時，c燈立即熄滅，a、b燈逐漸熄滅練5(多選)如圖所示的電路中，A1和A2是完全相同的燈泡，線圈L的電阻可以忽略，下列說法正確的是()A．閉合開關S接通電路時，A2始終比A1亮B．閉合開關S接通電路時，A2先亮，A1后亮，最后一樣亮C．斷開開關S切斷電路時，A2先熄滅，A1過一會兒才熄滅D．斷開開關S切斷電路時，A1和A2都要過一會兒才熄滅練6(多選)如圖所示，在線圈上端放置一盛有冷水的金屬杯，現接通交流電源，過了幾分鐘，杯內的水沸騰起來．若要縮短上述加熱時間，下列措施可行的有()A．增加線圈的匝數B．提高交流電源的頻率C．將金屬杯換為瓷杯D．取走線圈中的鐵芯命題點精析（四）電磁阻尼和電磁驅動電磁阻尼電磁驅動不同點成因由于導體在磁場中運動而產生感應電流，從而使導體受到安培力由于磁場運動引起磁通量的變化而產生感應電流，從而使導體受到安培力效果安培力的方向與導體運動方向相反，阻礙導體運動導體受安培力的方向與導體運動方向相同，推動導體運動能量轉化導體克服安培力做功，其他形式的能轉化為電能，最終轉化為內能由于電磁感應，磁場能轉化為電能，通過安培力做功，電能轉化為導體的機械能，從而對外做功相同點兩者都是電磁感應現象，都遵循楞次定律，都是安培力阻礙引起感應電流的導體與磁場間的相對運動例4掃描隧道顯微鏡(STM)可用來探測樣品表面原子尺度上的形貌。為了有效隔離外界振動對STM的擾動，在圓底盤周邊沿其徑向對稱地安裝若干對紫銅薄板，并施加磁場來快速衰減其微小振動，如圖所示。無擾動時，按下列四種方案對紫銅薄板施加恒磁場；出現擾動后，對于紫銅薄板上下及左右振動的衰減最有效的方案是()練7如圖所示，輕質彈簧一端固定在天花板上，另一端拴接條形磁鐵，置于絕緣水平桌面上的圓形鋁質閉合線圈放在條形磁鐵的正下方，開始時整個裝置處于靜止狀態(tài)．在外力作用下將磁鐵豎直向下移動一定距離(未接觸桌面)，然后由靜止釋放，在之后的運動過程中，線圈始終未離開桌面，忽略空氣阻力，下列說法正確的是()A．磁鐵所受彈簧拉力與其重力相等時，磁鐵的加速度為零B．磁鐵上升過程中，從上向下看，線圈中產生順時針方向的電流C．線圈對桌面壓力大小可能大于其重力D．磁鐵最終會靜止，整個過程線圈中產生的熱量等于磁鐵機械能的減少量練8如圖所示，等腰直角三角形金屬線框abc放在光滑絕緣水平桌面上，直角邊長為L，線框的總電阻為R，質量為m，有界勻強磁場垂直于水平桌面向下，磁感應強度大小為B，磁場邊界MN、PQ間距大于L，開始時ab邊與磁場邊界MN平行。給金屬線框一個方向垂直于MN向右、大小為v0的初速度，線框穿過磁場后的速度大小為eq\f(v0,2)，則下列分析正確的是()A．線框進入磁場過程中產生順時針方向的感應電流B．線框剛進入磁場時產生的感應電流為eq\f(BLv0,R)C．線框進入磁場和穿出磁場過程均做勻減速運動D．線框穿過磁場過程產生的熱量為eq\f(3,4)mveq\o\al(2,0)核心素養(yǎng)大提升例5如圖所示裝置中，線圈A、B彼此絕緣繞在一鐵芯上，B的兩端接有一電容器，A的兩端與放在勻強磁場中的導電軌道連接，軌道上放有一根金屬桿ab.要使電容器上極板帶正電，金屬桿ab在磁場中運動的情況可能是：①向右減速滑行②向右加速滑行③向左減速滑行④向左加速滑行以上選項正確的是()A．①④B．②③C．①②D．③④練9如圖所示，某小組利用電流傳感器(接入電腦，圖中未畫出)記錄燈泡A和自感元件L構成的