第四章電磁感應(yīng)5電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解感生電場(chǎng),會(huì)解釋感生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生原因.2.了解動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生條件和洛倫茲力的關(guān)系.3.掌握兩種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的區(qū)別與聯(lián)系,會(huì)應(yīng)用分析實(shí)際問(wèn)題.4.了解電磁感應(yīng)規(guī)律的一般應(yīng)用,會(huì)分析科技實(shí)例.自主探究1.電源是通過(guò)做功把其他形式能轉(zhuǎn)化為電能的裝置.

2.如果電源移送電荷q時(shí),非靜電力所做的功為W,那么W與q的,叫做電源的電動(dòng)勢(shì).定義式為E=.

3.電動(dòng)勢(shì)的作用實(shí)際上是某種對(duì)自由電荷的作用.

4.在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中,扮演了非靜電力的角色.

合作探究一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場(chǎng)自主學(xué)習(xí):閱讀課本P19的內(nèi)容,學(xué)習(xí)感生電動(dòng)勢(shì)的知識(shí).一個(gè)閉合電路靜止于磁場(chǎng)中,由于磁場(chǎng)強(qiáng)弱的變化,閉合電路內(nèi)產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),我們稱之為感生電動(dòng)勢(shì).提出問(wèn)題:(1)電流是怎樣產(chǎn)生的?(2)自由電荷為什么會(huì)運(yùn)動(dòng)?問(wèn)題探究:現(xiàn)代科學(xué)研究中常用到高速電子,電子感應(yīng)加速器就是利用感生電場(chǎng)使電子加速的設(shè)備.它的基本原理如圖所示,上、下為電磁鐵的兩個(gè)磁極,磁極之間有一個(gè)環(huán)形真空室,電子在真空室中做圓周運(yùn)動(dòng).電磁鐵線圈電流的大小、方向可以變化,產(chǎn)生感生電場(chǎng)使電子加速.右圖為俯視圖,如果從上向下看,電子沿逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng).當(dāng)電磁鐵線圈的電流方向與圖示方向一致時(shí),電流的大小應(yīng)該怎樣變化才能使電子加速?歸納總結(jié):1.磁場(chǎng)變化時(shí)會(huì)在空間激發(fā),閉合導(dǎo)體中的在電場(chǎng)力的作用下定向運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生感應(yīng)電流,即產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).

2.由感生電場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為.

3.感生電場(chǎng)的方向可以根據(jù)判斷.

二、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的洛倫茲力自主學(xué)習(xí):閱讀課本P20的電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的洛倫磁力的相關(guān)內(nèi)容,思考討論下列問(wèn)題.(1)導(dǎo)體棒中的自由電荷受到什么力的作用?(注意導(dǎo)體棒中的自由電荷是帶負(fù)電的電子)它將沿導(dǎo)體棒向哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)?(2)導(dǎo)體棒的哪端電勢(shì)比較高?(3)如果導(dǎo)體棒一直運(yùn)動(dòng)下去,自由電荷是否也會(huì)沿著導(dǎo)體棒一直運(yùn)動(dòng)下去?歸納總結(jié):一段導(dǎo)線在做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí),相當(dāng)于一個(gè),通過(guò)上面的分析可以看到,這時(shí)非靜電力與有關(guān).

課堂檢測(cè)1.下列說(shuō)法中正確的是()A.動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)是洛倫茲力對(duì)導(dǎo)體中自由電荷做功而引起的B.因?yàn)槁鍌惼澚?duì)運(yùn)動(dòng)電荷始終不做功,所以動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)不是由洛倫茲力而產(chǎn)生的C.動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的方向可以由右手定則來(lái)判定D.導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流,受到的安培力一定與受到的外力大小相等、方向相反2.一矩形線框置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,線框平面與磁場(chǎng)方向垂直.先保持線框的面積不變,將磁感應(yīng)強(qiáng)度在1s時(shí)間內(nèi)均勻地增大到原來(lái)的兩倍.接著保持增大后的磁感應(yīng)強(qiáng)度不變,在1s時(shí)間內(nèi),再將線框的面積均勻地減小到原來(lái)的一半.先后兩個(gè)過(guò)程中,線框中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的比值為()A.12 B.1 C.2 3.如圖所示,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(chǎng),磁場(chǎng)方向垂直線框平面,MN線與線框的邊成45°角.E、F分別為PS與PQ的中點(diǎn).關(guān)于線框中的感應(yīng)電流,正確的說(shuō)法是()A.當(dāng)E點(diǎn)經(jīng)過(guò)邊界MN時(shí),線框中感應(yīng)電流最大B.當(dāng)P點(diǎn)經(jīng)過(guò)邊界MN時(shí),線框中感應(yīng)電流最大C.當(dāng)F點(diǎn)經(jīng)過(guò)邊界MN時(shí),線框中感應(yīng)電流最大D.當(dāng)Q點(diǎn)經(jīng)過(guò)邊界MN時(shí),線框中感應(yīng)電流最大4.如圖所示,在一水平光滑絕緣塑料板上有一環(huán)形凹槽,有一帶正電小球質(zhì)量為m,電荷量為q,在槽內(nèi)沿順時(shí)針做勻速圓周運(yùn)動(dòng),現(xiàn)加一豎直向上的均勻變化的勻強(qiáng)磁場(chǎng),且B逐漸增加,則()A.小球速度變大B.小球速度變小C.小球速度不變D.以上三種情況都有可能5.如圖所示,平行導(dǎo)軌間有一矩形的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域,細(xì)金屬棒PQ沿導(dǎo)軌從MN處勻速運(yùn)動(dòng)到M'N'的過(guò)程中,棒上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E隨時(shí)間t變化的圖象可能正確的是()6.如圖所示,一個(gè)由導(dǎo)體做成的矩形線圈,以恒定速率v運(yùn)動(dòng),從無(wú)磁場(chǎng)區(qū)域進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū),磁場(chǎng)寬度大于矩形線圈的寬度da,然后從右側(cè)離開磁場(chǎng)區(qū)域,若取逆時(shí)針?lè)较虻碾娏鳛檎较?那么下列選項(xiàng)中能正確地表示回路中電流對(duì)時(shí)間的函數(shù)關(guān)系的是()7.如圖所示,平行導(dǎo)軌間距為d,左端跨接一個(gè)電阻R,勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,方向垂直于平行金屬導(dǎo)軌所在平面.一根金屬棒與導(dǎo)軌成θ角放置,金屬棒與導(dǎo)軌的電阻均不計(jì)且金屬棒足夠長(zhǎng).當(dāng)金屬棒沿垂直于棒的方向以恒定的速度v在金屬導(dǎo)軌上滑行時(shí),通過(guò)電阻R的電流為()A.BdvR B.C.BdvcosθR 8.如圖所示,兩個(gè)互連的金屬圓環(huán),粗金屬環(huán)的電阻為細(xì)金屬環(huán)電阻的二分之一.磁場(chǎng)垂直穿過(guò)粗金屬環(huán)所在區(qū)域.當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間均勻變化時(shí),在粗環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E,則a、b兩點(diǎn)間的電勢(shì)差為()A.12E B.13E C.23E 9.如圖所示,金屬桿ab以恒定的速率v在光滑平行導(dǎo)軌上向右滑行,設(shè)整個(gè)電路中總電阻為R(恒定不變),整個(gè)裝置置于垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,下列敘述正確的是()A.ab桿中的電流與速率v成正比B.磁場(chǎng)作用于ab桿的安培力與速率v成正比C.電阻R上產(chǎn)生的電熱功率與速率v成正比D.外力對(duì)ab桿做功的功率與速率v成正比10.半徑為a右端開小口的導(dǎo)體圓環(huán)和長(zhǎng)為2a的導(dǎo)體直桿,單位長(zhǎng)度電阻均為R0.圓環(huán)水平固定放置,整個(gè)內(nèi)部區(qū)域分布著豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.桿在圓環(huán)上以速度v平行于直徑CD向右做勻速直線運(yùn)動(dòng),桿始終有兩點(diǎn)與圓環(huán)良好接觸,從圓環(huán)中心O開始,桿的位置由θ確定,如圖所示.則()A.θ=0時(shí),桿產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為2BavB.θ=π3時(shí),桿產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為3C.θ=0時(shí),桿受的安培力大小為2D.θ=π3時(shí),桿受的安培力大小為11.如圖甲所示的螺線管,匝數(shù)n=1500,橫截面積S=20cm2,電阻r=1.5Ω,與螺線管串聯(lián)的外電阻R1=3.5Ω,R2=25Ω.穿過(guò)螺線管的勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向向右,磁感應(yīng)強(qiáng)度按圖乙所示規(guī)律變化,試計(jì)算電阻R2的電功率和A、B兩點(diǎn)的電勢(shì)(C點(diǎn)電勢(shì)為零).12.如圖所示,水平放置的平行金屬導(dǎo)軌MN和PQ,相距l(xiāng)=0.50m,導(dǎo)軌左端接一電阻R=0.20Ω,磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.40T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向垂直于導(dǎo)軌平面,導(dǎo)體棒ac垂直導(dǎo)軌放置,并能無(wú)摩擦地沿導(dǎo)軌滑動(dòng),導(dǎo)軌和導(dǎo)體棒的電阻均可忽略不計(jì).當(dāng)ac棒以v=4.0m/s的速度水平向右勻速滑動(dòng)時(shí),求:(1)ac棒中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小;(2)回路中感應(yīng)電流的大小和方向;(3)維持ac棒做勻速運(yùn)動(dòng)的水平外力F的大小和方向.13.如圖所示,兩根足夠長(zhǎng)的光滑直金屬導(dǎo)軌MN、PQ平行放置在傾角為θ的絕緣斜面上,兩導(dǎo)軌間距為l,M、P兩點(diǎn)間接有阻值為R的電阻.一根質(zhì)量為m的均勻直金屬桿ab放在兩導(dǎo)軌上,并與導(dǎo)軌垂直.整套裝置處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)方向垂直于斜面向上.導(dǎo)軌和金屬桿的電阻可忽略.讓金屬桿ab沿導(dǎo)軌由靜止開始下滑,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,金屬桿達(dá)到最大速度vmax,在這個(gè)過(guò)程中,電阻R上產(chǎn)生的熱量為Q.導(dǎo)軌和金屬桿接觸良好,重力加速度為g.求:(1)金屬桿達(dá)到最大速度時(shí)安培力的大小;(2)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小;(3)金屬桿從靜止開始至達(dá)到最大速度的過(guò)程中桿下降的高度.參考答案自主探究1.非靜電力2.比值W3.非靜電力4.感應(yīng)電場(chǎng)對(duì)電荷的作用合作探究一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場(chǎng)提出問(wèn)題:(1)電流是自由電荷定向移動(dòng)產(chǎn)生的.(2)導(dǎo)體中的自由電荷在感生電場(chǎng)的作用下做定向運(yùn)動(dòng).問(wèn)題探究:電子帶負(fù)電,它在電場(chǎng)中受力的方向與電場(chǎng)方向相反.本題中電子沿逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng),所以為使電子加速,產(chǎn)生的電場(chǎng)必須沿順時(shí)針?lè)较?在圖中,磁場(chǎng)方向由下向上.根據(jù)楞次定律,為使真空室中產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较虻母猩妶?chǎng),磁場(chǎng)應(yīng)該由弱變強(qiáng).也就是,為使電子加速,電磁鐵中的電流應(yīng)該由小變大.歸納總結(jié):1.電場(chǎng)自由電子2.感生電動(dòng)勢(shì)3.右手定則二、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的洛倫茲力自主學(xué)習(xí):(1)洛倫茲力;自由電子沿導(dǎo)體棒由C到D運(yùn)動(dòng).(2)C端的電勢(shì)高.(3)當(dāng)導(dǎo)體棒中的感生電場(chǎng)對(duì)自由電子的電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡時(shí),自由電子不會(huì)再沿著導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng).歸納總結(jié):電源洛倫茲力課堂檢測(cè)1.C解析:洛倫茲力沿導(dǎo)體方向的分力對(duì)導(dǎo)體中自由電荷做功是產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的本質(zhì),A、B兩項(xiàng)錯(cuò)誤;C項(xiàng)正確;只有在導(dǎo)體棒做勻速切割時(shí),除安培力以外的力的合力才與安培力大小相等、方向相反,做變速運(yùn)動(dòng)時(shí)不成立,故D項(xiàng)錯(cuò)誤.2.B解析:在相同時(shí)間內(nèi),兩個(gè)過(guò)程中磁通量的變化量相同,由法拉第電磁感應(yīng)定律E=ΔΦΔt可以判斷感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小也相同,即兩次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的比值為1,3.B解析:由題意知在線框進(jìn)入磁場(chǎng)的過(guò)程中B與v都是不變的,根據(jù)公式E=Blv可知,有效長(zhǎng)度l最大時(shí),回路中的感應(yīng)電流最大,當(dāng)P點(diǎn)經(jīng)過(guò)邊界MN時(shí),R點(diǎn)正好經(jīng)過(guò)邊界MN,切割磁感線運(yùn)動(dòng)的有效長(zhǎng)度l有最大值,B項(xiàng)正確.4.A解析:在此空間中,沒(méi)有閉合導(dǎo)體,但磁場(chǎng)的變化,使空間產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng).據(jù)楞次定律得出感應(yīng)電場(chǎng)方向如圖所示,又因小球帶正電荷,電場(chǎng)力與小球速度同向,電場(chǎng)力對(duì)小球做正功,小球速度變大,A項(xiàng)正確.5.A解析:由E=Blv可以直接判斷A項(xiàng)正確.6.C解析:當(dāng)線圈開始運(yùn)動(dòng),尚未進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)時(shí),沒(méi)有產(chǎn)生感應(yīng)電流.ab邊切割磁感線時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為定值,因此感應(yīng)電流也為定值,方向?yàn)槟鏁r(shí)針(正).當(dāng)cd邊進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí),ab和cd邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)互相抵消,沒(méi)有感應(yīng)電流.當(dāng)線圈繼續(xù)運(yùn)動(dòng),在磁場(chǎng)中只有cd邊時(shí),感應(yīng)電流是順時(shí)針(負(fù)),數(shù)值與線圈進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的等大,cd邊離開磁場(chǎng)后,線圈無(wú)感應(yīng)電流,C項(xiàng)正確.7.D解析:能夠引起感應(yīng)電流的電動(dòng)勢(shì)是閉合導(dǎo)體回路中的部分MN產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì),所以有效切割長(zhǎng)度l=dsinθ,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=Blv=Bdvsinθ,感應(yīng)電流I=ER=8.C解析:粗環(huán)相當(dāng)于電源的內(nèi)電路,細(xì)環(huán)相當(dāng)于電源的外電路,a、b間電勢(shì)差即為外電壓.由全電路歐姆定律得,Uab=ER2+R·R,所以U9.AB解析:由E=Blv和I=ER得,ab桿中的電流I=BlvR,A項(xiàng)正確;ab桿受到的安培力F=BIl=B2l2vR,B項(xiàng)正確;電阻上消耗的熱功率Q=I2R=B2l210.AD解析:θ=0時(shí),桿在CD位置,產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為E=B·2av=2Bav,通過(guò)桿的電流為I=2BavπaR0+2aR0=2BvπR0+2R0,桿受到的安培力為F=BI2a=4B2avπR0+2R0,A項(xiàng)正確,C項(xiàng)錯(cuò)誤;θ=π3時(shí),桿切割的有效長(zhǎng)度為a,產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為E=Bav,電路的總電阻為R=(2π-π3)aR011.解析:由題中B-t圖可知,穿過(guò)螺線管的磁通量均勻增加,螺線管中感應(yīng)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)方向向左,感應(yīng)電流在線圈內(nèi)從B流向A,A端的電勢(shì)高于B端的電勢(shì).把螺線管視為電源,由閉合電路歐姆定律可求出通過(guò)螺線管的回路電流,從而求出R2消耗的電功率及A、B兩點(diǎn)的電勢(shì).由題圖乙,螺線管中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B均勻增加,其變化率ΔBΔt=6-22由法拉第電磁感應(yīng)定律,螺線管產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=n·ΔΦΔt=n·SΔBΔt=1500×20×10-4×2V通過(guò)螺線管回路的電流I=Er+R1+R2=61電阻R2上消耗功率P2=I2R2=(0.2)2×25W=1.0W因φC=0,則φA-φC=IR1=0.2×3.5V=0.7V,即φA=0.7V,φC-φB=IR2=0.2×25V=5V因?yàn)棣誄=0,所以φB=-5V.答案:1.0W0.7V-5V12.解析:(1)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,ac棒中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E=Blv=0.40×0.50×4.0V=0.80V.(2)根據(jù)閉合電路歐姆定律,感應(yīng)電流大小為I=ER=0.800.20A由右手定則可知,回路中感應(yīng)電流的方向?yàn)閍→M→P→c→a(或逆時(shí)針?lè)较?.(3)當(dāng)ac棒向右勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),ac棒中有由c向a的電流,根據(jù)左手定則可知,ac棒所受的磁場(chǎng)力F安水平向左.為維持ac棒做勻速運(yùn)動(dòng),應(yīng)施加一個(gè)與F安等值反向的水平外力F,即F=F安=BIl=0.40×4.0×0.50N=0.80N方向