2024-2025學年高中物理4.4法拉第電磁感應定律學案含解析新人教版選修3-2

PAGE7-4法拉第電磁感應定律學習目標1.知道什么是感應電動勢,產生感應電動勢的那部分導體相當于電源.2.知道感應電動勢的大小與磁通量的變更快慢有關.3.了解法拉第電磁感應定律的內容及數學表達式,學會用該定律分析與解決一些簡潔問題.4.知道導體垂直切割磁感線運動時產生的感應電動勢的表達式,并能進行簡潔的計算.5.會用法拉第電磁感應定律解決簡潔的實際問題.自主探究1.法拉第電磁感應定律: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.導線切割磁感線時,導線兩端的感應電動勢為E=.

3.電動機轉動時產生的感應電動勢總要電源電動勢的作用,這個電動勢稱為反電動勢.

合作探究一、感應電動勢自主學習:閱讀課本P15的內容,回答問題.如圖所示,在螺線管中插入一個條形磁鐵.(1)在條形磁鐵向下插入螺線管的過程中,電路中有電流,是誰充當電源?(2)上圖中若電路是斷開的,有無感應電流?有無感應電動勢?(3)產生感應電動勢的條件是什么?歸納總結:在電磁感應現象中產生的電流叫感應電流,在電磁感應現象中產生的電動勢就叫做感應電動勢.產生電動勢的導體相當于.

二、電磁感應定律探究試驗:影響感應電動勢大小的因素是什么?(1)猜想假設:“猜一猜”感應電動勢的大小跟什么因素有關,并說出猜想的理由.(2)設計試驗:試驗次數條形磁鐵數插入線圈的速度指針偏轉數1一根慢2一根快3二根快(3)進行試驗:利用供應的試驗器材進行試驗,視察試驗現象并記錄.(4)分析論證:分析試驗現象,得出結論.(5)試驗結論:感應電動勢的大小跟磁通量變更量ΔΦ和所用時間Δt都有關.磁通量變更越快,感應電動勢越大.(6)類比分析:類比速度和加速度,了解磁通量變更的快慢可以用磁通量的變更率ΔΦΔt表示,且磁通量的自主學習:閱讀課本P15學習電磁感應定律的內容.1.內容:.

2.表達式:E=.在國際單位制中,電動勢單位是,磁通量單位是,時間單位是.

3.設閉合電路是一個n匝線圈,且穿過每匝線圈的都相同,這時相當于n個單匝線圈而成,因此感應電動勢變為E=.

三、導線切割磁感線時的感應電動勢公式推導:如圖所示,把矩形線框abcd放在磁感應強度為B的勻強磁場里,線框平面跟磁感線垂直.設線框可動部分導體棒ab的長度是l,以速度v向右運動,則產生的感應電動勢怎么表示?提出問題:(1)線框中的哪一部分是電源?(2)若不存在線框的固定部分,只有導體棒的上述運動,則電源還存在嗎?歸納總結:1.B、l、v三者相互,導體棒中所產生的感應電動勢E=.此公式是法拉第電磁感應定律的一種特別狀況,計算導體做切割磁感線運動產生的感應電動勢時,用此公式比較便利.

2.若導體棒的速度方向與磁場方向平行,則導體棒中的感應電動勢為.

3.若B、l、v中只有兩者相互垂直,v與B有一夾角θ,導體棒中感應電動勢E=.若v為平均速度,則求得的是;若v為瞬時速度,則求得的是.

四、反電動勢提出問題:電動機轉動時,線圈中也會產生感應電動勢,這個電動機是加強了電源產生的電流,還是減弱了電源的電流,是有利于線圈轉動還是阻礙線圈的轉動?歸納總結:電動機轉動時產生的感應電動勢總要電源電動勢的作用,這個電動勢稱為反電動勢.反電動勢的作用是線圈的轉動.這樣,線圈要維持原來的轉動就必需向電動機供應電能,電能轉化為其他形式的能.

課堂檢測1.下列說法正確的是()A.線圈中磁通量變更越大,線圈中產生的感應電動勢肯定越大B.線圈中磁通量越大,線圈中產生的感應電動勢肯定越大C.線圈處在磁場越強的位置,線圈中產生的感應電動勢肯定越大D.線圈中磁通量變更得越快,線圈中產生的感應電動勢越大2.穿過一個單匝線圈的磁通量,始終為每秒鐘勻稱地增加2Wb,則()A.線圈中的感應電動勢每秒鐘增大2VB.線圈中的感應電動勢每秒鐘減小2VC.線圈中的感應電動勢始終為2VD.線圈中不產生感應電動勢3.在南極(可看成是地磁北極)上空離地面較近處,有一根與地面平行的直導線,現讓直導線由靜止自由下落,在下落過程中,產生的感應電動勢()A.增大 B.減小 C.不變 D.無法推斷4.粗細勻稱的電阻絲圍成的正方形線框置于有界勻強磁場中,磁場方向垂直于線框平面,其邊界與正方形線框的邊平行.現使線框以同樣大小的速度沿四個不同方向平移出磁場,如圖所示,則在移出過程中線框的一邊a、b兩點間電勢差肯定值最大的是()5.如圖所示,勻稱的金屬(電阻率較大)長方形線框從勻強磁場中以勻速v拉出,它的兩邊固定有帶金屬滑輪的導電裝置,金屬框向右運動時總能與兩邊良好接觸,一志向電壓表跨接在PQ兩導電機構上.金屬框的長為a,寬為b,磁感應強度為B.在金屬框向右勻速拉出的過程中,電壓表的示數狀況為()A.恒定不變,示數為Bbv B.恒定不變,示數為BavC.示數變大 D.示數變小6.電吉他是利用電磁感應原理工作的一種樂器.如圖甲為電吉他的原理圖,在金屬弦的下方放置有一個連接到放大器的螺線管.一條形磁鐵固定在管內,當撥動金屬弦后,螺線管內就會產生感應電流,經一系列轉化后可將電信號轉為聲音信號.若由于金屬弦的振動,螺線管內的磁通量隨時間的變更如圖乙所示,則對應感應電流的變更為()7.如圖所示,每米電阻為1Ω的一段導線被彎成半徑r=1m的三段圓弧組成閉合回路.每段圓弧都是14圓周,位于空間直角坐標系的不同平面內:ab段位于xOy平面內,bc段位于yOz平面內,ca段位于zOx平面內.空間內存在著一個沿x軸正方向的磁場,其磁感應強度隨時間變更的關系式為B=0.7+0.6t(T).則(A.導線中的感應電流大小是0.1A,方向是a→c→b→aB.導線中的感應電流大小是0.1A,方向是a→b→c→aC.導線中的感應電流大小是π20A,方向是a→c→b→D.導線中的感應電流大小是π20A,方向是a→b→c→8.一航天飛機下有一細金屬桿,桿指向地心.若僅考慮地磁場的影響,則當航天飛機位于赤道上空()A.由東向西水平飛行時,金屬桿中感應電動勢的方向肯定由上向下B.由西向東水平飛行時,金屬桿中感應電動勢的方向肯定由上向下C.沿經過地磁極的那條經線由南向北水平飛行時,金屬桿中感應電動勢的方向肯定由下向上D.沿經過地磁極的那條經線由北向南水平飛行時,金屬桿中沒有感應電動勢9.一根直導線長0.1m,在磁感應強度為0.1T的勻強磁場中以10m/s的速度勻速運動,則導線中產生的感應電動勢()A.肯定為0.1V B.可能為零C.可能為0.1V D.最大值為0.1V10.一個200匝、面積為20cm2的線圈放在磁場中,磁場的方向與線圈平面成30°角,若磁感應強度在0.05s內由0.1T增加到0.5T.在此過程中穿過線圈的磁通量的變更量是Wb;磁通量的平均變更率是Wb/s;線圈中的感應電動勢的大小是V.

11.試寫出如圖所示的各種狀況下,導線中所產生的感應電動勢的表達式(導線長均為l,速度為v,磁感應強度為B,圖(3)中導體垂直紙面).12.橫截面積S=0.2m2、n=100匝的圓形線圈A處在如圖所示的磁場內,磁感應強度變更率為0.02T/s.起先時S未閉合,R1=4Ω,R2=6Ω,C=30μF,線圈內阻不計,求:(1)閉合S后,通過R2的電流的大小;(2)閉合S一段時間后又斷開,問S斷開后通過R2的電荷量.13.如圖所示,勻強磁場的磁感應強度B=0.5T.一個匝數n=50的矩形線圈邊長ab=0.2m,bc=0.1m,以角速度ω=314rad/s繞ab邊勻速轉動.求:(1)圖示位置時的瞬時感應電動勢;(2)由圖示位置轉過90°這段時間內的平均感應電動勢.14.如圖甲所示,一個電阻值為R、匝數為n的圓形金屬線與阻值為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的圓形區域存在垂直于線圈平面對里的勻強磁場,磁感應強度B隨時間t變更的關系圖線如圖乙所示.圖線與橫、縱軸的截距分別為t0和B0.導線的電阻不計.求0~t1時間內通過電阻R1上的電流大小和方向.參考答案自主探究1.磁通量的變更率2.Blv3.減弱合作探究一、感應電動勢歸納總結:電源二、電磁感應定律自主學習:1.閉合電路中感應電動勢的大小,跟穿過這一電路的磁通量的變更率成正比2.ΔΦΔt伏(V)3.磁通量變更率串聯Δ三、導線切割磁感線時的感應電動勢公式推導:設在Δt時間內導體棒由ab運動至a'b'由法拉第電磁感應定律得,E=Δ其中,ΔΦ=BΔS,ΔS=l·vΔt由上述方程可以推出,E=Blv.提出問題:(1)導體棒ab;(2)存在.歸納總結:1.垂直Blv2.03.Blvsinθ平均感應電動勢瞬時感應電動勢四、反電動勢歸納總結:減弱阻礙課堂檢測1.D解析:線圈中產生的感應電動勢為E=nΔΦΔt,即E與ΔΦΔt成正比,與Φ或ΔΦ的大小無干脆關系.2.C解析:依據題意,穿過線圈的磁通量始終每秒鐘勻稱增加2Wb,即穿過線圈的磁通量的變更率ΔΦΔt=2Wb/s,由法拉第電磁感應定律得,E=nΔ3.C解析:南極上空磁感線豎直向上,當直導線自由下落時v與B平行,不切割磁感線,所以感應電動勢始終為零,C項正確.4.B解析:由E=Blv知,這四種狀況線框切割磁感線產生的感應電動勢是相同的,而B項表示的是電源的路端電壓,電勢差的肯定值為3E4,而其他三種狀況電勢差的肯定值都為E5.C解析:由E=Bbv知,在金屬框向右勻速拉出的過程中,線框中感應電動勢的大小是不變的,而與電壓表并聯的外電阻的阻值不斷增大,由串聯分壓知,電壓表的讀數變大.6.B解析:由感應電流公式I=ER=nΔΦRΔt,感應電流大小與磁通量的變更率有關,在Φ-t圖線上各點切線的斜率的肯定值表示感應電流的大小,斜率的正、負號表示電流的方向;依據題圖乙,在0~t0時間內,感應電流I的大小先減小到零,然后再7.A解析:由于空間存在一個沿x軸正方向的磁場,因此產生磁通量的有效面積為14圓,即面bOc,依據楞次定律可判定導線中的感應電流方向是a→c→b→a,B、D兩項錯誤;由法拉第電磁感應定律E=nΔΦΔt和閉合電路的歐姆定律I=E8.AD解析:如圖,設視察方向為面對北方,左西右東,則地磁場方向平行赤道表面對北,若飛機由東向西飛行時,由右手定則可推斷出電動勢方向為由上向下,若飛機由西向東飛行時,由右手定則可推斷出電動勢方向為由下向上,A項正確,B項錯誤;沿著經過地磁極的那條經線運動時,速度方向平行于磁場,金屬桿中沒有感應電動勢,C項錯誤,D項正確.9.BCD解析:當公式E=Blv中B、l、v兩兩垂直時,導線產生的感應電動勢最大Emax=Blv=0.1×0.1×10V=0.1V,而當B、l、v中有隨意兩個量平行時,E=0,除此之外的其他狀況,E的取值介于0~0.1V之間,所以B、C、D三項正確.10.解析:磁通量的變更量是由磁場的變更引起的,所以ΔΦ=ΔBSsinθ=(0.5-0.1)×20×10-4×0.5Wb=4×10-4Wb,磁通量的變更率ΔΦΔt=4×10-40.05Wb/s=8×10-3Wb/s,感應電動勢E=nΔΦΔt=200答案:4×10-48×10-31.611.解析:題圖(1)(3)中此時導體不切割磁感線,所以感應電動勢E=0;因為(2)中B、l、v兩兩垂直,所以感應電動勢E=Blv.答案:(1)E=0(2)E=Blv(3)E=012.解析:(1)磁感應強度變更率的大小為ΔBΔt=0.02T/s,所以E=nSΔBΔt=100×0.02×I=ER1+R2=0(2)R2兩端的電壓為U2=R2R1+R2E=64+6×所以Q=CU2=30×10-6×0.24C=7.2×10-6C.答案:(1)