湖南省邵阳市隆回县万和实验学校高中物理 4

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湖南省邵阳市隆回县万和实验学校高中物理 4

‎ 4.5 电磁感应现象的两类情况 导学案 ‎ ‎【学习目标】‎ ‎1、了解电磁感应两种情况下电动势的产生机理。2、能够运用电磁感应规律熟练解决相关问题。‎ ‎【学习重点和难点】‎ 理解电磁感应两种情况下电动势的产生机理。‎ ‎【自主学习】‎ 一、电磁感应现象中的感生电场 ‎1.感生电场 ‎(1)产生 英国物理学家麦克斯韦在他的电磁场理论中指出:变化的磁场能在周围空间激发电场,这种电场与静电场不同,它不是由电荷产生的,我们把它叫做 电场.‎ ‎(2)特点 感生电场线与 垂直.感生电场的强弱与磁感应强度的 有关.‎ ‎2.感生电动势 ‎(1)磁场变化时,感应电动势的成因 →→→ ‎(2)感生电场的作用 感生电场对自由电荷的 就相当于电源内部的非静电力.‎ ‎(3)感生电动势 磁场变化时,感应电动势是由感生电场产生的,它也叫感生电动势.‎ ‎3.感生电场的方向 磁场变化时,垂直磁场的闭合环形回路(可假定存在)中感应电流的方向就表示感生电场的方向.‎ 二、电磁感应现象中的洛伦兹力 ‎1.成因:导体棒做切割磁感线运动时,导体棒中的自由电荷随棒一起定向运动,并因此受到洛伦兹力.‎ ‎2.动生电动势:由于 而产生的感应电动势.‎ ‎3.动生电动势中的非静电力:与 有关.‎ ‎【精讲点拨】‎ 一、感生电动势是如何产生的?如何判断其方向?‎ ‎1.产生:如图所示,当磁场变化时,产生感生电场.感生电场的电场线是与磁场垂直的曲线.如果空间存在闭合导体,导体中的自由电荷就会在电场力作用下定向移动而产生感应电流.或者说导体中产生了感生电动势.‎ ‎(2)特点:‎ ‎①变化的磁场周围产生感生电场,与闭合电路是否存在无关.如果在变化的磁场中放一个闭合电路,电路中的自由电荷在感生电场作用下,做定向移动,形成电流.在这种情况下所谓的非静电力就是感生电场的作用.‎ ‎②感应电场是电场的一种形式,是客观存在的一种特殊物质.‎ ‎③感生电场可用电场线形象描述,但感生电场的电场线是闭合曲线,所以感生电场又称为涡旋电场.这一点与静电场不同,静电场的电场线不闭合.‎ ‎④感生电场可以对带电粒子做功,可使带电粒子加速和偏转.‎ ‎(3)感生电场方向的判定 据楞次定律和右手螺旋定则判定.判定时可先假设有导体存在,推出的感应电流的方向,就是感生电场的方向.‎ 例、某空间出现了如图所示的磁场,当磁感应强度B变化时,在垂直于磁场的方向上会产生感生电场,有关磁感应强度B的变化与感生电场的方向关系描述正确的是(  )‎ A.当磁感应强度均匀增大时,感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向 B.当磁感应强度均匀增大时,感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向 C.当磁感应强度均匀减小时,感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向 D.当磁感应强度均匀减小时,感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向 二、变化的磁场周围所产生的电场与电荷周围的静电场的区别 ‎1.静电场由电荷激发,而感生电场是由变化的磁场激发.‎ ‎2.静电场的电场线不闭合,总是出发于正电荷,终止于负电荷,且单位正电荷在电场中沿闭合路径运动一周时,电场力所做的功为零.而变化磁场周围的电场中的电场线是闭合曲线(如图所示),没有终点与起点,这种情况与磁场中的磁感线类似,所以,单位正电荷在此电场中沿闭合路径运动一周时,电场力所做的功不为零.‎ 三、电磁感应现象中的洛伦兹力 ‎(1)一段导体在做切割磁感线的运动时相当于一个电源,这时的非静电力与洛伦兹力有关.‎ ‎(2)产生感应电动势原因分析 ‎①导体在磁场中做切割磁感线运动时,产生感应电动势(它也叫做“动生电动势”),它是由于导体中自由电子受洛伦兹力作用而引起的.‎ ‎②感应电动势的产生实质是洛伦兹力(非静电力)对自由电荷做了功;‎ ‎③导体棒在磁场中运动过程中要受到安培力作用,要维持导体棒运动,外力必须克服安培力做功,因此产生电流的过程是其他形式的能转化为电能的过程.‎ 四、感生电动势与动生电动势的区别 感生电动势 动生电动势 产生原因 磁场的变化 导体做切割磁感线运动 移动电荷的非静电力 感生电场对自由电荷的电场力 导体中自由电荷所受洛伦兹力沿导体方向的分力 回路中相当于电源的部分 处于变化磁场中的线圈部分 做切割磁感线运动的导体 方向判断方法 由楞次定律判断 通常由右手定则判断,也可由楞次定律判断 大小计算方法 由E=n计算 通常由E=Blvsinθ计算,也可由 E=n计算 有些情况下,动生电动势和感生电动势具有相对性.例如,将条形磁铁插入线圈中,如果在相对磁铁静止的参考系内观察,线圈运动,产生的是动生电动势;如果在相对线圈静止的参考系中观察,线圈中磁场变化,产生感生电动势.‎ 如图所示,固定于水平桌面上的金属框架cdef,处在竖直向下的匀强磁场中,金属棒ab搁在框架上,可无摩擦滑动.此时adeb构成一个边长为l的正方形.棒的电阻为r,其余部分电阻不计.开始时磁感应强度为B0.‎ ‎(1)若从t=0时刻起,磁感应强度均匀增加,每秒增加k,同时保持棒静止,求棒中的感应电流大小和方向.‎ ‎(2)在上述(1)情况中,始终保持棒静止,当t=t1秒末时需加的垂直于棒的水平拉力为多大?‎ 五、产生动生电动势时,洛伦兹力对导体棒中的自由电荷是否做功?‎ 不做功.当导体棒处于闭合回路中做切割磁感线运动时,导体棒中产生感应电流,根据前面的讨论,我们知道,自由电荷既随导体棒一起运动,又沿导体棒运动,其合运动与导体棒成一定夹角,所以洛伦兹力与合运动方向垂直,如图所示,此时洛伦兹力沿棒方向的分力就是非静电力,对自由电荷做正功,但洛伦兹力的另一个分力垂直于导体棒且与切割运动的方向相反,对自由电荷做负功,这两个分力的总功恰好为零.结果仍然是洛伦兹力并不提供能量,而只是起传递能量的作用,即外力克服洛伦兹力的一个分力F2所做的功通过另一个分力F1转化为感应电流的能量.‎ 六、感生电动势和动生电动势方向关系的判定 如果同一电路中同时存在感生电动势和动生电动势,应考虑两者的方向,弄清连接方式,是串联还是并联,如果串联,方向相同则电动势相加,相反则电动势相减.‎ 例、如图所示,两根平行金属导轨固定在水平桌面上,每根导轨的单位长度电阻为r0‎ ‎=0.10 Ω/m,导轨的端点P、Q用电阻可忽略的导线相连,两导轨间的距离l=‎0.20 m.有随时间变化的匀强磁场垂直于桌面,已知磁感应强度B与时间t的关系为B=kt,比例系数k=0.02 T/s.一电阻不计的金属杆可在导轨上无摩擦地滑动,在滑动过程中保持与导轨垂直,在t=0时刻,金属杆紧靠在P、Q端,在外力作用下,杆以恒定的加速度从静止开始向导轨的另一端滑动,求在t=6.0 s时金属杆所受的安培力.‎ ‎【合作探究】‎ 教材P20〔思考与讨论〕‎ ‎【典例剖析】‎ 例1、如图所示,L1=‎0.5 m,L2=‎0.8 m,回路总电阻为R=0.2 Ω,M=‎0.04 kg,导轨光滑,开始时磁感应强度B0=1 T.现使磁感应强度以0.2 T/s的变化率均匀地增大,求当t为多少时M离开地面.(g取‎10 m/s2)‎ ‎【跟踪发散】在一水平光滑绝缘塑料板上有一环形凹槽,有一带电小球质量为m,电荷量为q,在槽内沿顺时针作匀速圆周运动,现加一竖直向上的均匀变化的匀强磁场,且B逐渐增加,则(  )‎ A.小球速度变大   B.小球速度变小 C.小球速度不变 D.以上三种情况都有可能 例2、法拉第曾提出一种利用河流发电的设想,并进行了实验研究.实验装置的示意图可用图所示,两块面积均为S的矩形金属板,平行、正对、竖直地全部浸在河水中,间距为d,水流速度处处相同,大小为v,方向水平.金属板与水流方向平行,地磁场磁感应强度的竖直分量为B,水的电阻率为ρ,水面上方有一阻值为R的电阻通过绝缘导线和电键K 连接到两金属板上,忽略边缘效应.求:(1)该发电装置的电动势;(2)通过电阻R的电流强度;(3)电阻R消耗的电功率.‎ ‎【跟踪发散】一航天飞机下有一细金属杆,杆指向地心.若仅考虑地磁场的影响,则当航天飞机位于赤道上空(  )‎ A.由东向西水平飞行时,金属杆中感应电动势的方向一定由上向下 B.由西向东水平飞行时,金属杆中感应电动势的方向一定由上向下 C.沿经过地磁极的那条经线由南向北水平飞行时,金属杆中感应电动势的方向一定由下向上 D.沿经过地磁极的那条经线由北向南水平飞行时,金属杆中一定没有感应电动势 ‎【巩固拓展训练】‎ ‎1.在空间某处存在一变化的磁场,则下列说法中正确的是(  )‎ A.在磁场中放一闭合线圈,线圈中一定会产生感应电流 B.在磁场中放一闭合线圈,线圈中不一定产生感应电流 C.在磁场中不放闭合线圈,在变化的磁场周围一定不会产生电场 D.在磁场中不放闭合线圈,在变化的磁场周围一定会产生电场 ‎2.在如图所示的四种磁场情况中能产生恒定的感生电场的是(  )‎ ‎3.如图所示,导体AB 在做切割磁感线运动时,将产生一个电动势,因而在电路中有电流通过,下列说法中正确的是(  )‎ A.因导体运动而产生的感应电动势称为动生电动势 B.动生电动势的产生与洛伦兹力有关 C.动生电动势的产生与电场力有关 D.动生电动势和感生电动势产生的原因是一样的 ‎4.某空间出现了如右图所示的一组闭合的电场线,这可能是(  )‎ A.沿AB方向的磁场在迅速减弱 B.沿AB方向的磁场在迅速增强 C.沿BA方向的磁场在迅速增强 D.沿BA方向的磁场在迅速减弱 ‎5.如右图所示,内壁光滑的塑料管弯成的圆环平放在水平桌面上,环内有一带负电的小球,整个装置处于竖直向下的磁场中,当磁场突然增大时,小球将(  )‎ A.沿顺时针方向运动 B.沿逆时针方向运动 C.在原位置附近往复运动 D.仍然保持静止状态 ‎6.一直升机停在南半球的地磁极上空.该处地磁场的方向竖直向上,磁感应强度为B.直升机螺旋桨叶片的长度为L,螺旋桨转动的频率为f,顺着地磁场的方向看螺旋桨,螺旋桨顺时针方向转动.螺旋桨叶片的近轴端为a,远轴端为b,如果忽略a到转轴中心线的距离,用ε表示每个叶片中的感应电动势,如图所示则(   )‎ A.ε=πfL2B,且a点电势低于b点电势 B.ε=2πfL2B,且a点电势低于b点电势 C.ε=πfL2B,且a点电势高于b点电势 D.ε=2πfL2B,且a点电势高于b点电势 ‎7、内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内,有一直径略小于圆环直径的带正电的小球,以速率v0沿逆时针方向匀速转动,若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场.设运动过程中小球带电荷量不变,那么(如图所示)(   )‎ A.小球对玻璃圆环的压力一定不断增大 B.小球所受的磁场力一定不断增大 C. 小球先沿逆时针方向减速运动,之后沿顺时针方向加速运动 D.磁场力对小球一直不做功 ‎
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