2019-2020年高中物理 4.4《法拉第電磁感應(yīng)定律》學(xué)案 新人教版選修3-2.doc

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2019-2020年高中物理 4.4《法拉第電磁感應(yīng)定律》學(xué)案 新人教版選修3-2 ［要點(diǎn)導(dǎo)學(xué)］ 1． 這一節(jié)學(xué)習(xí)法拉第電磁感應(yīng)定律，要學(xué)會(huì)感應(yīng)電動(dòng)勢大小的計(jì)算方法。這部分內(nèi)容和楞次定律是本章的兩大重要內(nèi)容，應(yīng)該高度重視。 2． 法拉第電磁感應(yīng)定律告訴我們電路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的大小跟 成正比。若產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的電路是一個(gè)有n匝的線圈，且穿過每匝線圈的磁感量變化率都相同，則整個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢大小E= 。 3． 直導(dǎo)線在勻強(qiáng)磁場中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果運(yùn)動(dòng)方向與磁感線垂直，那么導(dǎo)線中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與 、 和 三者都成正比。用公式表示為E= 。如果導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)方向與導(dǎo)線本身是垂直的，但與磁感線方向有一夾角θ，我們可以把速度分解為兩個(gè)分量，垂直于磁感線的分量v1=vsinθ,另一個(gè)平行于磁感線的分量不切割磁感線，對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢沒有貢獻(xiàn)。所以這種情況下的感應(yīng)電動(dòng)勢為E=Blvsinθ。 4．應(yīng)該知道：用公式E=nΔΦ/Δt計(jì)算的感應(yīng)電動(dòng)勢是平均電動(dòng)勢,只有在電動(dòng)勢不隨時(shí)間變化的情況下平均電動(dòng)勢才等于瞬時(shí)電動(dòng)勢。用公式E=Blv計(jì)算電動(dòng)勢的時(shí)候，如果v是瞬時(shí)速度則電動(dòng)勢是瞬時(shí)值；如果v是平均速度則電動(dòng)勢是平均值。 5.公式E=nΔΦ/Δt是計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢的普適公式，公式E=Blv則是前式的一個(gè)特例。 6．關(guān)于電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢問題。 　?、匐妱?dòng)機(jī)只有在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢（線圈轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢）； 　　 　?、诰€圈轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢方向與電動(dòng)機(jī)的電源電動(dòng)勢方向一定相反，所以稱為反電動(dòng)勢； ③有了反電動(dòng)勢電動(dòng)機(jī)才可能把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,它輸出的機(jī)械 能功率P=E反I； ④電動(dòng)機(jī)工作時(shí)兩端電壓為U=E反+Ir（r是電動(dòng)機(jī)線圈的電阻），電 動(dòng)機(jī)的總功率為P=UI，發(fā)熱功率為P熱=I2r，正常情況下E反>>Ir， 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)或者因負(fù)荷過大停止轉(zhuǎn)動(dòng)，則I=U/r，線圈中電流就會(huì)很大，可能燒毀電動(dòng)機(jī)線圈。 ［范例精析］ 　　例1法拉第電磁感應(yīng)定律可以這樣表述：閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小 （ ） A、跟穿過這一閉合電路的磁通量成正比 B、跟穿過這一閉合電路的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比 C、跟穿過這一閉合電路的磁通量的變化率成正比 D、跟穿過這一閉合電路的磁通量的變化量成正比 　　解析：E=ΔΦ/Δt，ΔΦ與Δt的比值就是磁通量的變化率。所以只有C正確。 　　拓展：這道高考題的命題意圖在于考查對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律的正確理解。考生必須能夠正確理解磁通量、磁通量的變化量、磁通量的變化率這三個(gè)不同的概念。 　　例2 圖4-4-1中abcd是一個(gè)固定的U形金屬框架，ab和cd邊都很長，bc邊長為L，框架的電阻可不計(jì)，ef是放置在框架上與bc平行導(dǎo)體桿，它可在框架上自由滑動(dòng)（摩擦可忽略）。它的電阻為R，現(xiàn)沿垂直于框架平面的方向加一恒定的勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向垂直于紙面向里。已知當(dāng)以恒力F向右拉導(dǎo)體桿ef時(shí)，導(dǎo)體桿最后勻速滑動(dòng)，求勻速滑動(dòng)時(shí)的速度。 　　解析：勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)體桿所受合力應(yīng)等于零，故： 　　F=ILB=B2vL2/R，v=FR/B2L2。 　　拓展：今天看這道高考題好象十分簡單。其實(shí)對(duì)本題的過程進(jìn)行認(rèn)真的分析對(duì)夯實(shí)基礎(chǔ)是十分重要的。在恒定外力作用下導(dǎo)體桿ef向右加速運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體桿ef因切割磁感線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，磁場對(duì)感應(yīng)電流的安培力阻礙導(dǎo)體桿ef向右的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體桿ef的加速度減小、速度增大、電動(dòng)勢增大、電流增大、安培力增大，直到安培力與恒定外力相等時(shí)導(dǎo)體桿ef就作勻速運(yùn)動(dòng)。 　　例3 如圖4-4-2所示，邊長為0.1m正方形線圈ABCD在大小為0.5T的勻強(qiáng)磁場中以AD邊為軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。初始時(shí)刻線圈平面與磁感線平行，經(jīng)過1s線圈轉(zhuǎn)了90，求： （1） 線圈在1s時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢平均值。 （2） 線圈在1s末時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢大小。 　　解析： 初始時(shí)線圈平面與磁感線平行，所以穿過線圈的磁通量為零，而1s末線圈平面與磁感線垂直，磁通量最大，故有磁通量變化，有感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生。 （1）只要用E=ΔΦ/Δt 來進(jìn)行計(jì)算平均電動(dòng)勢。 　　　E=ΔΦ/Δt=0.50.10.1/1=0.005V。 (2)1s末的感應(yīng)電動(dòng)勢是指瞬時(shí)值，應(yīng)該用E=BLvt來進(jìn)行計(jì)算。 　　當(dāng)線圈轉(zhuǎn)了1s時(shí)，恰好轉(zhuǎn)了90，此時(shí)線圈的速度方向與磁感線的方向平行，線圈的BC段不切割磁感線（或認(rèn)為切割磁感線的有效速度為零），所以線圈不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，E=0。 　　拓展： 要把握感應(yīng)電動(dòng)勢計(jì)算公式E=nΔΦ/Δt的條件。公式目前只能用來計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的平均值。 E=BLv公式中的v是與磁感線垂直的有效切割速度，在這個(gè)前提下再來考慮v是即時(shí)值還是平均值就可以求解電動(dòng)勢的即時(shí)值或平均值。 　　例4 矩形線圈abcd，長ab=20cm ,寬bc=10cm,匝數(shù)n=200,線圈回路總電阻R= 50Ω，整個(gè)線圈平面均有垂直于線框平面的勻強(qiáng)磁場穿過，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖4-4-3所示，求： （1）線圈回路的感應(yīng)電動(dòng)勢。 （2）在t=0.3s時(shí)線圈ab邊所受的安培力。 　 　　解析： 從圖象可知，與線圈平面垂直的磁場是隨時(shí)間均勻增大的，穿過線圈平面的磁通量也隨時(shí)間均勻增大，線圈回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢是不變的，可用法拉第電磁感應(yīng)定律來求。 （1） 感應(yīng)電動(dòng)勢E=nΔΦ/Δt=2001510-20.02/0.3=2V （2） I=E/R=2/50 A=0.04A 當(dāng)t=0.3s時(shí)，B=2010-2T 　　 　　F=nBIL=2002010-20.040.2N=0.32N 　　拓展：磁通量的變化量與線圈的匝數(shù)無關(guān)，但考慮感應(yīng)電動(dòng)勢時(shí)因?yàn)槊總€(gè)線圈都是一個(gè)電源，所以總電動(dòng)勢必須乘以線圈的匝數(shù)。計(jì)算線圈所受安培力時(shí)因?yàn)槊恳粭l邊都受到安培力所以還要乘以線圈的匝數(shù)。 　　例5 如圖4-4-4所示，M為一線圈電阻r=0.4Ω的電動(dòng)機(jī)，R=24Ω，電源電動(dòng)勢E=40V。當(dāng)S斷開時(shí)，電流表的示數(shù)，I1=1.6A，當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，電流表的示數(shù)為I2=4.0A求開關(guān)S閉合時(shí)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱消耗的功率和電動(dòng)機(jī)線圈的反電動(dòng)勢E反。 　　解析：設(shè)電源內(nèi)阻為r′,當(dāng)S斷開時(shí)，I1=E/(R+ r′)，即1.6A=40V/(24Ω+ r′)，得r′=1Ω.當(dāng)S合上時(shí)，I2=4A，則U內(nèi)=I2r′=4V 　　U外=E-U內(nèi)=40V-4V=36V，也即電動(dòng)機(jī)兩端電壓為36V。 　　P熱=I2r=（I2－U外/R）2r=(4－36/24)20.4W=2.5W， 　　 　　P機(jī)=P總－P熱=(I2－U外/R)U外－2.5W=87.5W。 　　P機(jī)=E反IM=E反（4-36/24）=87.5，E反=87.5/2.5=35V。 　　拓展：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，或者電動(dòng)機(jī)線圈卡住不轉(zhuǎn)時(shí)，E反=0，則線圈中電流高達(dá)36/0.4=90A，如此之大的電流很容易燒毀電動(dòng)機(jī)線圈，所以大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)都要采用補(bǔ)嘗電路，電動(dòng)機(jī)線圈卡住時(shí)應(yīng)立即切斷電源。 ［能力訓(xùn)練］ 1、一個(gè)200匝、面積200cm2的圓線圈，放在勻強(qiáng)磁場中，磁場的方向與線圈平面垂直，磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.05s內(nèi)由0.1T增加到0.5T，在此過程中，穿過線圈的磁通量變化量是 ，磁通量的變化率是 ，線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小是 。 　　810-3wb 0.16wb/s 32V 2、一導(dǎo)體棒長為40cm，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.1T的勻強(qiáng)磁場中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，速度為5m/s，棒在運(yùn)動(dòng)中能產(chǎn)生的最大感應(yīng)電動(dòng)勢為 V。 　　0.2 3、關(guān)于某一閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小E，下列說法中正確的是 （ Ｃ ） 　　A、E跟穿過這一閉合電路的磁通量的大小成正比 　　B、E跟穿過這一閉合電路的磁通量的變化大小成正比 　　C、E跟穿過這一閉合電路的磁通量的變化快慢成正比 　　D、E跟穿過閉合電路所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小成正比 4、關(guān)于電磁感應(yīng)，下列說法中正確的是（ Ｄ ） 　　A、導(dǎo)體相對(duì)磁場運(yùn)動(dòng)，一定會(huì)產(chǎn)生電流 　B、導(dǎo)體切割磁感線，一定會(huì)產(chǎn)生電流 　C、閉合電路切割磁感線就會(huì)產(chǎn)生電流 　D、穿過電路的磁通量發(fā)生變化，電路中就一定會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢 5、如圖4-4-5所示，在豎直向下的勻強(qiáng)磁場中，將水平放置的金屬棒ab以水平速度v拋出，且棒與磁場垂直，不計(jì)下落過程的空氣阻力，則棒在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢大小的變化是( Ｃ ) A、越來越大 B、越來越小 C、保持不變 D、無法判斷 6、穿過一個(gè)單匝線圈的磁通量，始終為每秒鐘均勻地增加2Wb，則（ Ｃ ） 　　A、線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢每秒鐘增加2V B、線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢每秒鐘減少2V 　　C、線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢始終為2V D、線圈中不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢 7、如圖4-4-6所示，讓線圈abcd從高為h處下落后，進(jìn)入勻強(qiáng)磁場，從cd邊開始進(jìn)入磁場，到ab邊剛進(jìn)入磁場的這一段時(shí)間內(nèi)，在下列幾種表示線圈運(yùn)動(dòng)的v-t圖象中，不可能的是（ Ｄ ） 8、有一個(gè)1000匝的線圈，在0.4秒內(nèi)穿過它的磁通量從0.02Wb增加到0.09Wb，求線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢的平均值。如果線圈的電阻是10Ω，把它跟一個(gè)電阻為990Ω的電熱器串聯(lián)組成閉合電路時(shí)，通過電熱器的電流的平均值多大？ 　　175V 0.175A 9、如圖4-4-7所示，正方形單匝線圈處于勻強(qiáng)磁場中，磁感線垂直穿過線圈平面，線圈每邊長20cm，若磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度在△t1=0.1s內(nèi)由0.1T均勻增加到0.4T，并在緊接著的△t2=0.25s的時(shí)間內(nèi)由0.4T均勻增加到1.6T，則在△t1的時(shí)間內(nèi)線框中的感應(yīng)電動(dòng)勢的大小是多少伏？在△t2時(shí)間內(nèi)，感應(yīng)電動(dòng)勢的大小又是多少伏？在（△t1+△t2）時(shí)間內(nèi)，感應(yīng)電動(dòng)勢的平均值是多少伏？ 　　0.12V、0.192V、0.17V 10、如圖4-4-8所示的矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中繞OOˊ軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈中是否有感應(yīng)電動(dòng)勢？為什么？設(shè)線圈的兩個(gè)邊長分別為L1和 L2,轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。試證明：在圖示的位置時(shí)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢為E=BSω，其中S為線圈的面積,S=L1L2 。 　　有 v=ωL1 E=BL2v=BωL1L2=Bωs 11、如圖4-4-9所示，在勻強(qiáng)磁場（B=0.2T）中，電阻為0.5Ω的金屬桿以速度v=5m/s勻速向右平移，R=1.5Ω，導(dǎo)軌間距L=0.2m且光滑并電阻不計(jì)，則電阻R兩端的電壓是多少伏？ 　　0.15V 12、電磁流量計(jì)如圖4-4-10所示,用非磁性材料做成的圓管道,外加一勻強(qiáng)磁場.當(dāng)管道中導(dǎo)電液體流過此區(qū)域時(shí),測出管壁上一直徑兩端a、b兩點(diǎn)間的電動(dòng)勢為E,就可知道管中液體的流量Q,即單位時(shí)間內(nèi)流過管道橫截面的液體體積(m3／s).已知管道直徑為D,磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,試推導(dǎo)Q的表達(dá)式。 　　Q=πDE/4B