高考物理一轮复习 第九章 电磁感应 第2讲 法拉第电磁感应定律 自感 涡流教案-高三全册物理教案
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第2讲 法拉第电磁感应定律 自感 涡流知识点一 法拉第电磁感应定律 1.感应电动势(1)概念:在 中产生的电动势.(2)产生条件:穿过回路的 发生改变,与电路是否闭合 . (3)方向判断:感应电动势的方向用 或 判断. 2.法拉第电磁感应定律(1)内容:感应电动势的大小跟穿过这一电路的 成正比. (2)公式:E =n ΔΦΔt,其中n 为线圈匝数.(3)感应电流与感应电动势的关系:遵守闭合电路的 定律,即I = . 3.导体切割磁感线的情形(1)若B 、l 、v 相互垂直,则E = . (2)v ∥B 时,E =0.答案:1.(1)电磁感应现象 (2)磁通量 无关 (3)楞次定律 右手定则 2.(1)磁通量的变化率 (3)欧姆ER +r3.(1)Blv知识点二 自感、涡流 1.自感现象(1)概念:由于导体本身的 变化而产生的电磁感应现象称为自感. (2)自感电动势①定义:在自感现象中产生的感应电动势叫做 . ②表达式:E = . (3)自感系数L①相关因素:与线圈的 、形状、 以及是否有铁芯有关. ②单位:亨利(H),1 mH = H,1 μH = H. 2.涡流当线圈中的电流发生变化时,在它附近的任何导体中都会产生 ,这种电流像水的漩涡所以叫涡流.答案:1.(1)电流 (2)①自感电动势 ②L ΔIΔt (3)①大小 匝数②10-310-62.感应电流(1)磁通量变化越大,产生的感应电动势也越大.( ) (2)磁通量变化越快,产生的感应电动势就越大.( ) (3)磁通量的变化率描述的是磁通量变化的快慢.( ) (4)感应电动势的大小与线圈的匝数无关.( ) (5)线圈中的自感电动势越大,自感系数就越大.( )(6)磁场相对导体棒运动时,导体棒中也能产生感应电动势.( ) (7)对于同一线圈,当电流变化越快时,线圈中的自感电动势越大.( ) (8)自感电动势阻碍电流的变化,但不能阻止电流的变化.( ) 答案:(1) (2)√ (3)√ (4) (5) (6)√ (7)√ (8)√动生电动势和感生电动势当线圈匝数为1时,法拉第电磁感应定律的数学式是E =d Φd t ,E 表示电动势的大小.中学教材中写成E =ΔΦΔt ,既表示平均也表示瞬时.应用时常遇到两种情况,一是S 不变而B 随时间变化,则可用形式E =S ΔB Δt ;二是B 不变而S 变化,则可应用形式E =B ΔSΔt .至于导体棒切割磁感线产生的电动势E =Blv ,教材则是通过一典型模型利用E =B ΔSΔt推出的.我们知道,B 不随时间变化(恒定磁场)而闭合电路的整体或局部在运动,这样产生的感应电动势叫动生电动势,其非静电力是洛伦兹力.B 随时间变化而闭合电路的任一部分都不动,这样产生的感应电动势叫感生电动势,其非静电力是涡旋电场(非静电场)对电荷的作用力.上述两种电动势统称感应电动势,其联系何在?分析磁通量Φ的定义公式Φ=BS 可见Φ与BS 两个变量有关,既然E =d Φd t ,那么根据全导数公式有d Φd t =S ∂B ∂t +B ∂S ∂t ,其中S ∂B∂t 即感生电动势,体现了因B 随时间变化而产生的影响.B ∂S∂t 同样具有电动势的单位,其真面目是什么呢?我们采用和现行中学教材一样的方法,建立一物理模型分析.如图所示,MN 、PQ 是两水平放置的平行光滑金属导轨,其宽度为L ,ab 是导体棒,切割速度为v .设匀强磁场磁感应强度为B ,方向垂直纸面向里.在Δt 时间内,回路面积变化为ΔS =L Δx ,面积的平均变化率ΔS Δt =L Δx Δt .当Δt →0时,Δx Δt →v ,即d S d t =Lv ,d S d t 对应全导数公式中的∂S ∂t ,可见B ∂S ∂t =BLv ,这就是动生电动势,体现了因面积变化而产生的影响.推而广之,线圈在匀强磁场中做收缩、扩张、旋转等改变面积的运动而产生的电动势也是动生电动势.两种电动势可以同时出现.考点一 法拉第电磁感应定律的理解和应用1.感应电动势的决定因素(1)由E =n ΔΦΔt 知,感应电动势的大小由穿过电路的磁通量的变化率ΔΦΔt 和线圈匝数n 共同决定,而与磁通量Φ、磁通量的变化量ΔΦ的大小没有必然联系.(2)ΔΦΔt 为单匝线圈产生的感应电动势大小.2.法拉第电磁感应定律的两个特例(1)回路与磁场垂直的面积S 不变,磁感应强度发生变化,则ΔΦ=ΔB ·S ,E =n ΔBΔt ·S .(2)磁感应强度B 不变,回路与磁场垂直的面积发生变化,则ΔΦ=B ·ΔS ,E =nB ΔSΔt.[典例1] (2017·安徽安庆质检)如图甲所示,一个电阻值为R 、匝数为n 的圆形金属线圈与阻值为2R 的电阻R 1连接成闭合回路,线圈的半径为r 1.在线圈中半径为r 2的圆形区域内存在垂直于线圈平面向里的匀强磁场,磁感应强度B 随时间t 变化的关系图线如图乙所示(规定图甲中B 的方向为正方向).图线与横、纵轴的截距分别为t 0和B 0,导线的电阻不计.求0~t 1时间内:甲 乙 (1)通过电阻R 1的电流大小和方向;(2)通过电阻R 1的电荷量q 及电阻R 1上产生的热量.[解题指导] (1)B t 图象为一条倾斜直线,表示磁场均匀变化,即变化率恒定. (2)本题应区分磁场的面积和线圈的面积.[解析] (1)根据楞次定律可知,通过R 1的电流方向为由b 到a .根据法拉第电磁感应定律得,线圈中的电动势E =n ΔB πr 22Δt =n ·B 0πr 22t 0根据闭合电路欧姆定律得,通过R 1的电流I =E 3R =nB 0πr 223Rt 0. (2)通过R 1的电荷量q =It 1=nB 0πr 22t 13Rt 0R 1上产生的热量Q =I 2R 1t 1=2n 2B 20π2r 42t 19Rt 2. [答案] (1)nB 0πr 223Rt 0方向由b 到a(2)nB 0πr 22t 13Rt 0 2n 2B 20π2r 42t 19Rt 2[变式1] 如图所示,一正方形线圈的匝数为n ,边长为a ,线圈平面与匀强磁场垂直,且一半处在磁场中.在Δt 时间内,磁感应强度的方向不变,大小由B 均匀地增大到2B .在此过程中,线圈中产生的感应电动势为( )A.Ba 22ΔtB.nBa 22ΔtC.nBa 2ΔtD.2nBa 2Δt答案:B 解析:磁感应强度的变化率ΔB Δt=2B -B Δt =B Δt ,法拉第电磁感应定律公式可写成E =n ΔΦΔt =n ΔBΔt S ,其中磁场中的有效面积S =12a 2,代入得E =n Ba 22Δt,选项B 正确,A 、C 、D 错误. [变式2](2016·北京卷)如图所示,匀强磁场中有两个导体圆环a 、b ,磁场方向与圆环所在平面垂直.磁感应强度B 随时间均匀增大.两圆环半径之比为2∶1,圆环中产生的感应电动势分别为E a 和E b .不考虑两圆环间的相互影响.下列说法正确的是( )A.E a ∶E b =4∶1,感应电流均沿逆时针方向B.E a ∶E b =4∶1,感应电流均沿顺时针方向C.E a ∶E b =2∶1,感应电流均沿逆时针方向D.E a ∶E b =2∶1,感应电流均沿顺时针方向答案:B 解析:由法拉第电磁感应定律E =ΔΦΔt =ΔB Δt πr 2,ΔB Δt 为常数,E 与r 2成正比,故E a ∶E b =4∶1.磁感应强度B 随时间均匀增大,故穿过圆环的磁通量增大,由楞次定律知,感应电流产生的磁场方向与原磁场方向相反,垂直纸面向里,由安培定则可知,感应电流均沿顺时针方向,故B 项正确.应用电磁感应定律应注意的三个问题(1)公式E =n ΔΦΔt 求解的是一个回路中某段时间内的平均感应电动势,在磁通量均匀变化时,瞬时值才等于平均值.(2)利用公式E =nS ΔBΔt求感应电动势时,S 为线圈在磁场范围内的有效面积.(3)通过回路截面的电荷量q 仅与n 、ΔΦ和回路电阻R 有关,与时间长短无关.推导如下:q =I Δt =n ΔΦΔtR Δt =n ΔΦR. 考点 导体切割磁感线产生感应电动势的计算1.平动切割(1)常用公式:若运动速度v 和磁感线方向垂直,则感应电动势E =BLv .注意:公式E =BLv 要求B ⊥L 、B ⊥v 、L ⊥v ,即B 、L 、v 三者两两垂直,式中的L 应该取与B 、v 均垂直的有效长度(即导体的有效切割长度).(2)有效长度:公式中的L 为有效切割长度,即导体在与v 垂直的方向上的投影长度. (3)相对性:E =BLv 中的速度v 是相对于磁场的速度,若磁场也运动时,应注意速度间的相对关系.2.转动切割在磁感应强度为B 的匀强磁场中,长为L 的导体棒绕一端为轴以角速度ω匀速转动时,此时产生的感应电动势E =BLv 中=12B ωL 2.若转动的是圆盘,则可以把圆盘看成由很多根半径相同的导体杆组合而成的.考向1 导体棒平动切割磁感线[典例2] (2015·安徽卷)如图所示,abcd 为水平放置的平行“”形光滑金属导轨,间距为l ,导轨间有垂直于导轨平面的匀强磁场,磁感应强度大小为B ,导轨电阻不计.已知金属杆MN 倾斜放置,与导轨成θ角,单位长度的电阻为r ,保持金属杆以速度v 沿平行于cd 的方向滑动(金属杆滑动过程中与导轨接触良好).则( )A.电路中感应电动势的大小为Blvsin θB.电路中感应电流的大小为Bv sin θrC.金属杆所受安培力的大小为B 2lv sin θrD.金属杆的热功率为B 2lv 2r sin θ[解题指导] 解答该题要明确以下几点:(1)金属杆切割磁感线的有效长度并不是它的实际长度,而是它的长度沿垂直速度方向的投影长度.(2)金属杆相当于电源,电路中的电流可利用欧姆定律求得. (3)金属杆的热功率可用公式P =I 2R 求得.[解析] 金属杆的运动方向与金属杆不垂直,电路中感应电动势的大小为E =Blv (l为切割磁感线的有效长度),选项A 错误;电路中感应电流的大小为I =ER =Blv lsin θr=Bv sin θr ,选项B 正确;金属杆所受安培力的大小为F =BIl ′=B ·Bv sin θr ·l sin θ=B 2lvr ,选项C 错误;金属杆的热功率为P =I 2R =B 2v 2sin 2θr 2·lr sin θ=B 2lv 2sin θr,选项D 错误.[答案] B考向2 导体棒旋转切割磁感线[典例3] (多选)1831年,法拉第发明的圆盘发电机(图甲)是利用电磁感应的原理制成的,是人类历史上第一台发电机.图乙是这个圆盘发电机的示意图:铜盘安装在水平的铜轴上,它的边缘正好在两磁极之间,两块铜片C 、D 分别与转动轴和铜盘的边缘良好接触,使铜盘转动,电阻R 中就有电流通过.若所加磁场为匀强磁场,方向水平向右,回路的总电阻恒定,从左往右看,铜盘沿顺时针方向匀速转动,下列说法正确的是( )甲 乙A.铜盘转动过程中,穿过铜盘的磁通量不变B.电阻R 中有正弦式交变电流通过C.若不给铜盘施加任何外力,铜盘最终会停下来D.通过R 的电流方向是从a 流向b[解析] 铜盘切割磁感线产生感应电动势,铜盘相当于电源,从而在电路中形成方向不变的电流,内部电流方向是从负极(D 点)到正极(C 点).由于铜盘在运动中受到安培力的阻碍作用,故最终会停下来.故选A 、C.[答案] AC [变式3](2015·新课标全国卷Ⅱ)如图所示,直角三角形金属框abc 放置在匀强磁场中,磁感应强度大小为B ,方向平行于ab 边向上.当金属框绕ab 边以角速度ω逆时针转动时,a 、b 、c 三点的电势分别为U a 、U b 、U c .已知bc 边的长度为l .下列判断正确的是( )A.U a >U c ,金属框中无电流B.U b >U c ,金属框中电流方向沿a →b →c →aC.U bc =-12Bl 2ω,金属框中无电流D.U ac =12Bl 2ω,金属框中电流方向沿a →c →b →a答案:C 解析:闭合金属框在匀强磁场中以角速度ω逆时针转动时,穿过金属框的磁通量始终为零,金属框中无电流.由右手定则可知U b =U a <U c ,A 、B 、D 选项错误;b 、c 两点的电势差U bc =-Blv 中=-12Bl 2ω,选项C 正确.公式E =Blv 与E =n ΔΦΔt的比较考点通电自感和断电自感1.对自感现象的理解(1)自感电动势总是阻碍导体中原电流的变化. (2)通过线圈中的电流不能发生突变,只能缓慢变化. (3)电流稳定时,自感线圈就相当于普通导体.(4)线圈的自感系数越大,自感现象越明显,自感电动势只是延缓了过程的进行,但它不能使过程停止,更不能使过程反向.2.自感中“闪亮”与“不闪亮”问题考向1 通电自感[典例4] 如图所示,A 、B 是两个完全相同的灯泡,L 的自感系数较大的线圈,其直流电阻忽略不计.当开关S 闭合时,下列说法正确的是( )A.A 比B 先亮,然后A 熄灭B.B 比A 先亮,然后B 逐渐变暗,A 逐渐变亮C.A、B一起亮,然后A熄灭D.A、B一起亮,然后A逐渐变亮,B的亮度不变[解析] 开关闭合的瞬间,线圈由于自感阻碍电流通过,相当于断路,B灯先亮,之后线圈阻碍作用减弱,相当于电阻减小,则总电阻减小,总电流增大,路端电压减小,B灯所在支路电流减小,B灯变暗,A灯所在支路电流增大,A灯变亮.[答案] B考向2 断电自感[典例5] 如图所示电路中,L是一电阻可忽略不计的电感线圈,a、b为L的左、右两端点,A、B、C为完全相同的三个灯泡,原来开关S是闭合的,三个灯泡均在发光.某时刻将开关S断开,则下列说法正确的是( )A.a点电势高于b点,A灯闪亮后缓慢熄灭B.b点电势高于a点,B、C灯闪亮后缓慢熄灭C.a点电势高于b点,B、C灯闪亮后缓慢熄灭D.b点电势高于a点,B、C灯不会闪亮只是缓慢熄灭[解题指导] (1)断电自感现象中电流方向不改变.(2)L电阻不计,开关闭合时电流满足I A>I B=I C.[解析] 开关S闭合稳定时,电感线圈支路的总电阻较B、C灯支路电阻小,故流过A灯的电流I1大于流过B、C灯的电流I2,且电流方向由a到b,a点电势高于b点.当开关S断开,电感线圈会产生自感现象,相当于电源,b点电势高于a点,阻碍流过A灯电流的减小,瞬间流过B、C灯支路的电流比原来的大,故B、C灯闪亮后再缓慢熄灭,故B正确.[答案] B考向3 自感现象中的图象问题[典例6]在如图所示的电路中,L为一个自感系数很大、直流电阻不计的线圈,D1、D2是两个完全相同的灯泡,E是一内阻不计的电源.t=0时刻,闭合开关S,经过一段时间后,电路达到稳定,t1时刻断开开关S.I1、I2分别表示通过灯泡D1和D2的电流,规定图中箭头所示的方向为电流正方向,选项中能定性描述电流I 随时间t 变化关系的是( )A B C D[解析] 当S 闭合时,D 1、D 2同时亮且通过的电流大小相等,但由于L 的自感作用,D 1被短路,I 1逐渐减小到零,I 2逐渐增大至稳定;当S 再断开时,D 2马上熄灭,D 1与L 组成回路,由于L 的自感作用,D 1慢慢熄灭,电流反向且减小;综上所述知A 正确.[答案] A分析自感现象时的两点注意(1)通电自感线圈中的电流不能发生突变,即通电过程中,电流是逐渐变大的;断电过程中,电流是逐渐变小的,此时线圈可等效为“电源”,该“电源”与其他元件形成回路.(2)断电自感中,灯泡是否闪亮问题的判断 ①通过灯泡的自感电流大于原电流时,灯泡闪亮; ②通过灯泡的自感电流小于等于原电流时,灯泡不会闪亮.1.[公式E =BLv 的应用]如图所示,空间有一匀强磁场,一直金属棒与磁感应强度方向垂直,当它以速度v 沿与棒和磁感应强度都垂直的方向运动时,棒两端的感应电动势大小为ε;将此棒弯成两段长度相等且相互垂直的折线,置于与磁感应强度相垂直的平面内,当它沿两段折线夹角平分线的方向以速度v 运动时,棒两端的感应电动势大小为ε′,则ε′ε等于( )A.12B.22C.1D. 2答案:B 解析:设弯折前金属棒切割磁感线的长度为L ,弯折后,金属棒切割磁感线的有效长度为l =22L ,故产生的感应电动势为ε′=Blv =22BLv =22ε,所以ε′ε=22,B 正确.2.⎣⎢⎡⎦⎥⎤公式E =n ΔΦΔt 的应用如图所示为无线充电技术中使用的受电线圈示意图,线圈匝数为n ,面积为S .若在t 1到t 2时间内,匀强磁场平行于线圈轴线向右穿过线圈,其磁感应强度大小由B 1均匀增加到B 2,则该段时间线圈两端a 和b 之间的电势差φa -φb ( )A.恒为nS (B 2-B 1)t 2-t 1B.从0均匀变化到nS (B 2-B 1)t 2-t 1 C.恒为-nS (B 2-B 1)t 2-t 1D.从0均匀变化到-nS (B 2-B 1)t 2-t 1答案:C 解析:由楞次定律判定,感应电流从a 流向b ,b 点电势高于a 点电势,故φa -φb =-nS B 2-B 1t 2-t 1,因为磁场均匀增加,所以φa -φb 为恒定的,可见C 正确. 3.⎣⎢⎡⎦⎥⎤公式E =12BL 2ω的应用如图所示,半径为r 的金属圆盘在垂直于盘面的匀强磁场B 中,绕O 轴以角速度ω沿逆时针方向匀速运动,则通过电阻R 的电流的方向和大小是(金属圆盘的电阻不计)( )A.由c 到d ,I =Br 2ωRB.由d 到c ,I =Br 2ωRC.由c 到d ,I =Br 2ω2RD.由d 到c ,I =Br 2ω2R答案:D 解析:由右手定则判定通过电阻R 的电流的方向是由d 到c ;而金属圆盘产生的感应电动E =12Br 2ω,所以通过电阻R 的电流大小是I =Br 2ω2R,选项D 正确. 4.[通电自感与断电自感]在如图所示的电路中,a 、b 为两个完全相同的灯泡,L 为电阻可忽略不计的自感线圈,E 为电源,S 为开关.关于两灯泡点亮和熄灭的先后次序,下列说法正确的是( )A.合上开关,a 先亮,b 后亮;断开开关,a 、b 同时熄灭B.合上开关,b 先亮,a 后亮;断开开关,a 先熄灭,b 后熄灭C.合上开关,b 先亮,a 后亮;断开开关,a 、b 同时熄灭D.合上开关,a 、b 同时亮;断开开关,b 先熄灭,a 后熄灭答案:C 解析:由于L 是自感线圈,当合上S 时,自感线圈L 将产生自感电动势,阻碍电流的增加,故有b 灯先亮,a 灯后亮;当S 断开时,L 、a 、b 组成回路,L 产生自感电动势阻碍电流的减弱,由此可知,a 、b 同时熄灭,C 正确.5.公式E =12BL 2ω和E =n ΔΦΔt的应用如图所示,均匀磁场中有一由半圆弧及其直径构成的导线框,半圆直径与磁场边缘重合;磁场方向垂直于半圆面(纸面)向里,磁感应强度大小为B 0.使该线框从静止开始绕过圆心O 、垂直于半圆面的轴以角速度ω匀速转动半周,在线框中产生感应电流.现使线框保持图中所示位置,磁感应强度大小随时间线性变化.为了产生与线框转动半周过程中同样大小的电流,磁感应强度随时间的变化率ΔB Δt的大小应为( )A.4ωB 0πB.2ωB 0πC.ωB 0πD.ωB 02π答案:C 解析:当导线框匀速转动时,设半径为r ,导线框电阻为R ,在很小的Δt 时间内,转过圆心角Δθ=ωΔt ,由法拉第电磁感应定律及欧姆定律可得感应电流I 1=B 0ΔS R Δt =B 0·πr 2Δθ2πR Δt =B 0r 2ω2R ;当导线框不动,而磁感应强度发生变化时,同理可得感应电流I 2=ΔBS R Δt =ΔB ·πr 22R Δt ,令I 1=I 2,可得ΔB Δt =B 0ωπ,C 对.。
第2讲 法拉第电磁感应定律、自感和涡流目标要求 1.理解法拉第电磁感应定律,会应用E =n ΔΦΔt 进行有关计算.2.会计算导体切割磁感线产生的感应电动势.3.了解自感现象、涡流、电磁驱动和电磁阻尼.考点一 法拉第电磁感应定律的理解及应用1.感应电动势(1)感应电动势:在电磁感应现象中产生的电动势.(2)产生条件:穿过回路的磁通量发生改变,与电路是否闭合无关. 2.法拉第电磁感应定律(1)内容:闭合电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比. (2)公式:E =n ΔΦΔt ,其中n 为线圈匝数.(3)感应电流与感应电动势的关系:I =ER +r.(4)说明:E 的大小与Φ、ΔΦ无关,决定于磁通量的变化率ΔΦΔt.1.Φ=0,ΔΦΔt不一定等于0.( √ )2.穿过线圈的磁通量变化越大,感应电动势也越大.( × ) 3.穿过线圈的磁通量变化越快,感应电动势越大.( √ )4.线圈匝数n 越多,磁通量越大,产生的感应电动势也越大.( × )对公式E =n ΔΦΔt的理解1.若已知Φ-t 图像,则图线上某一点的切线斜率为ΔΦΔt.2.当ΔΦ仅由B 的变化引起时,E =n ΔB ·SΔt,其中S 为线圈在磁场中的有效面积.若B =B 0+kt ,则ΔBΔt=k .3.当ΔΦ仅由S 的变化引起时,E =nB ΔSΔt.4.当B 、S 同时变化时,则E =n B 2S 2-B 1S 1Δt ≠n ΔB ·ΔSΔt.例1 (2022·全国甲卷·16)三个用同样的细导线做成的刚性闭合线框,正方形线框的边长与圆线框的直径相等,圆线框的半径与正六边形线框的边长相等,如图所示.把它们放入磁感应强度随时间线性变化的同一匀强磁场中,线框所在平面均与磁场方向垂直,正方形、圆形和正六边形线框中感应电流的大小分别为I 1、I 2和I 3.则( )A .I 1<I 3<I 2B .I 1>I 3>I 2C .I 1=I 2>I 3D .I 1=I 2=I 3答案 C解析 设圆线框的半径为r ,则由题意可知正方形线框的边长为2r ,正六边形线框的边长为r ;所以圆线框的周长为C 2=2πr ,面积为S 2=πr 2.同理可知正方形线框的周长和面积分别为C 1=8r ,S 1=4r 2,正六边形线框的周长和面积分别为C 3=6r ,S 3=33r 22,三个线框材料粗细相同,根据电阻定律R =ρLS 横截面,可知三个线框电阻之比为R 1∶R 2∶R 3=C 1∶C 2∶C 3=8∶2π∶6 根据法拉第电磁感应定律有I =E R =ΔB Δt ·SR可得电流之比为I 1∶I 2∶I 3=2∶2∶ 3 即I 1=I 2>I 3,故选C.例2 (多选)(2023·广东名校联考)如图甲所示,等边三角形金属框ACD 的边长均为L ,单位长度的电阻为r ,E 为CD 边的中点,三角形ADE 所在区域内有磁感应强度垂直纸面向外、大小随时间变化的匀强磁场,图乙是匀强磁场的磁感应强度B 随时间t 变化的图像.下列说法正确的是( )A .t 0时刻,穿过金属框的磁通量为3B 0L 24B .5t 0时刻,金属框内的感应电流由大变小C .0~5t 0时间内的感应电动势小于5t 0~8t 0时间内的感应电动势D .5t 0~8t 0时间内,A 、E 两点的电势差的绝对值恒为3B 0L 248t 0答案 CD解析 t 0时刻,穿过金属框的磁通量Φ=15B 0×12×12L ×32L =3B 0L 240,A 错误;根据法拉第电磁感应定律可知E =ΔΦΔt ,结合题图乙可知,0~5t 0时间内的感应电动势小于5t 0~8t 0时间内的感应电动势,结合闭合电路欧姆定律可知,5t 0时刻,金属框内的感应电流由小变大,B 错误,C 正确;5t 0~8t 0时间内,A 、E 两点的电势差的绝对值恒为U =I ×12R =ΔΦR Δt ×12R =3B 0L 248t 0,D 正确.考点二 动生电动势1.导体平动切割磁感线产生感应电动势的算式E =BL v 的理解(1)直接使用E =BL v 的条件是:在匀强磁场中,B 、L 、v 三者互相垂直.如果不相互垂直,应取垂直分量进行计算. (2)有效长度公式E =BL v 中的L 为导体两端点连线在垂直于速度方向上的投影长度.如图,导体的有效长度分别为:图甲:L =cd sin β.图乙:沿v 方向运动时,L =MN .图丙:沿v 1方向运动时,L =2R ;沿v 2方向运动时,L =R . (3)相对速度E =BL v 中的速度v 是导体相对磁场的速度,若磁场也在运动,应注意速度间的相对关系. 2.导体转动切割磁感线如图,当长为L 的导体在垂直于匀强磁场(磁感应强度为B )的平面内,绕一端以角速度ω匀速转动,当导体运动Δt 时间后,转过的弧度θ=ωΔt ,扫过的面积ΔS =12L 2ωΔt ,则E =ΔΦΔt =B ΔS Δt =12BL 2ω(或E =BL v =BL v A +vC 2=BL ωL 2=12BL 2ω).1.公式E =BL v 中的L 是导体棒的总长度.( × )2.磁场相对导体棒运动,导体棒中也可能产生感应电动势.( √ ) 考向1 有效长度问题例3 如图所示,由均匀导线制成的半径为R 的圆环,以速度v 匀速进入一磁感应强度大小为B 的匀强磁场.当圆环运动到图示位置(∠aOb =90°)时,a 、b 两点的电势差U ab 为( )A.2BR vB.22BR v C .-24BR v D .-324BR v答案 D解析 有效切割长度即a 、b 连线的长度,如图所示由几何关系知有效切割长度为2R ,所以产生的电动势为E =BL v =B ·2R v ,电流的方向为a →b ,所以U ab <0,由于在磁场部分的阻值为整个圆的14,所以U ab =-34B ·2R v =-324BR v ,故选D.考向2 平动切割磁感线例4 (多选)两条平行虚线间存在一匀强磁场,磁感应强度方向与纸面垂直.边长为0.1 m 、总电阻为0.005 Ω的正方形导线框abcd 位于纸面内,cd 边与磁场边界平行,如图(a)所示.已知导线框一直向右做匀速直线运动,cd 边于t =0时刻进入磁场.线框中感应电动势随时间变化的图线如图(b)所示(感应电流的方向为顺时针时,感应电动势取正).下列说法正确的是( )A .磁感应强度的大小为0.5 TB .导线框运动速度的大小为0.5 m/sC .磁感应强度的方向垂直于纸面向外D .在t =0.4 s 至t =0.6 s 这段时间内,导线框所受的安培力大小为0.1 N 答案 BC解析 由题图(b)可知,导线框经过0.2 s 全部进入磁场,则速度v =l t =0.10.2 m/s =0.5 m/s ,选项B 正确;由题图(b)可知,cd 边切割磁感线产生的感应电动势E =0.01 V ,根据E =Bl v 得,B =E l v =0.010.1×0.5 T =0.2 T ,选项A 错误;根据右手定则及正方向的规定可知,磁感应强度的方向垂直于纸面向外,选项C 正确;在t =0.4 s 至t =0.6 s 这段时间内,导线框中的感应电流I =E R =0.010.005A =2 A, 所受的安培力大小为F =BIl =0.2×2×0.1 N =0.04 N ,选项D 错误.考向3 转动切割磁感线例5 (多选)金属棒ab 长度L =0.5 m ,阻值r =1 Ω,放在半径分别为r 1=0.5 m 和 r 2=1.0 m 的水平同心圆环导轨上,两圆环之间有竖直向上的匀强磁场,磁感应强度为B =2 T ;从两圆环下端引出导线连接一阻值为R =2 Ω的电阻,ab 在外力作用下以角速度ω=4 rad/s 绕圆心顺时针(从上往下看)做匀速圆周运动,不计圆环导轨的电阻和一切摩擦,下列说法正确的是( )A .a 点的电势高于b 点的电势B .电阻R 两端的电压为2 VC .在金属棒旋转一周的时间内,金属棒上产生的焦耳热为π4 JD .在金属棒旋转半周的时间内,金属棒上产生的焦耳热为π4 J答案 ABD解析 由右手定则可知,金属棒顺时针转动时,感应电流方向由b 到a ,金属棒充当电源,则a 点的电势高于b 点的电势,故A 正确;金属棒产生的感应电动势E =BLω·r 1+r 22=3 V ,则电阻R 两端的电压为U R =R R +r·E =2 V ,故B 正确;金属棒旋转半周的时间t ′=πω=π4 s ,通过的电流I =E R +r=1 A ,产生的焦耳热为Q =I 2rt ′=π4 J ,故C 错误,D 正确.考点三 自感现象1.概念:当一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场在线圈本身激发出感应电动势.这种现象称为自感,由于自感而产生的感应电动势叫作自感电动势. 2.表达式:E =L ΔIΔt.3.自感系数L 的影响因素:与线圈的大小、形状、匝数以及是否有铁芯有关.1.线圈中电流越大,自感系数也越大.(×)2.对于同一个线圈,电流变化越快,线圈中的自感电动势也越大.(√) 3.自感电动势总是阻止原电流的变化.(×)通电自感和断电自感的比较电路图器材要求A1、A2同规格,R=R L,L较大L很大(有铁芯)通电时在S闭合瞬间,灯A2立即亮起来,灯A1逐渐变亮,最终一样亮灯A立即亮,然后逐渐变暗达到稳定断电时回路电流减小,灯泡逐渐变暗,A1电流方向不变,A2电流反向①若I2≤I1,灯泡逐渐变暗;②若I2>I1,灯泡闪亮后逐渐变暗.两种情况下灯泡中电流方向均改变总结自感电动势总是阻碍原电流的变化例6(2023·湖南省长郡中学模拟)某同学想对比自感线圈和小灯泡对电路的影响,他设计了如图甲所示的电路,电路两端电压U恒定,A1、A2为完全相同的电流传感器.先闭合开关K 得到如图乙所示的i-t图像,等电路稳定后,断开开关(断开开关的实验数据未画出).下列关于该实验的说法正确的是()A.闭合开关时,自感线圈中电流为零,其自感电动势也为零B.图乙中的a曲线表示电流传感器A2测得的数据C.断开开关时,小灯泡会明显闪亮后逐渐熄灭D.t1时刻小灯泡与线圈的电阻相等答案 D解析闭合开关时,其线圈自感电动势等于电源电动势,自感线圈中电流为零,故A错误;A2中电流等于自感线圈中电流,自感线圈中电流从零开始逐渐增大,最后趋于稳定,故A2中数据应为题图乙中b曲线,故B错误;断开开关前,两支路中电流相等,刚断开开关时,回路中的电流不变,故灯泡不会发生明显闪亮,而是逐渐熄灭,故C错误;t1时刻,两支路中电压相等,电流相等,则电阻相等,即小灯泡与线圈的电阻相等,故D正确.分析自感问题的三个技巧考点四涡流电磁阻尼和电磁驱动1.涡流现象(1)涡流:块状金属放在变化磁场中,或者让它在非均匀磁场中运动时,金属块内产生的漩涡状感应电流.(2)产生原因:金属块内磁通量变化→感应电动势→感应电流.2.电磁阻尼当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力,安培力总是阻碍导体的运动.3.电磁驱动如果磁场相对于导体转动,在导体中会产生感应电流使导体受到安培力而运动起来.1.电磁阻尼体现了能量守恒定律.(√)2.电磁阻尼阻碍相对运动,电磁驱动促进二者相对运动.(×)例7如图所示,关于涡流的下列说法中错误的是()A.真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置B.家用电磁炉锅体中的涡流是由恒定磁场产生的C.阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动D.变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成能减小涡流答案 B例8(2023·广东深圳市建文外国语学校模拟)如图是汽车上使用的电磁制动装置示意图.电磁制动是一种非接触的制动方式,其原理是当导体在通电线圈产生的磁场中运动时,会产生涡流,使导体受到阻碍运动的制动力.下列说法正确的是()A.制动过程中,导体不会产生热量B.如果导体反向转动,此装置将不起制动作用C.制动力的大小与线圈中电流的大小无关D.线圈中电流一定时,导体运动的速度越大,制动力就越大答案 D解析电磁制动的原理是当导体在通电线圈产生的磁场中运动时,会产生涡流,电流流过导体时会产生热量,A错误;如果改变线圈中的电流方向,铁芯产生的磁感线的方向反向,此时产生的涡流方向也相反,电流和磁场方向同时反向,安培力方向不变,故仍使导体受到阻碍运动的制动力,B错误;线圈中电流越大,则产生的磁场越强,转盘转动产生的涡流越强,则制动器对转盘的制动力越大,C错误;线圈电流一定时,导体运动的速度越大,转盘转动产生的涡流越强,制动力就越大,D正确.课时精练1.如图所示,在某次阅兵盛典上,我国预警机“空警-2000”在通过天安门上空时机翼保持水平,以4.5×102 km/h的速度自东向西飞行.该机的翼展(两翼尖之间的距离)为50 m,北京地区地磁场向下的竖直分量大小为4.7×10-5 T,则()A .两翼尖之间的电势差为2.9 VB .两翼尖之间的电势差为1.1 VC .飞机左方翼尖的电势比右方翼尖的电势高D .飞机左方翼尖的电势比右方翼尖的电势低 答案 C解析 飞机的飞行速度为 4.5×102 km/h =125 m/s ,飞机两翼尖之间的电动势为E =Bl v =4.7×10-5×50×125 V ≈0.29 V ,A 、B 项错误;飞机从东向西飞行,磁场竖直分量向下,根据右手定则可知,飞机左方翼尖的电势高于右方翼尖的电势,C 项正确,D 项错误. 2.(2022·江苏卷·5)如图所示,半径为r 的圆形区域内有垂直于纸面的匀强磁场,磁感应强度B 随时间t 的变化关系为B =B 0+kt ,B 0、k 为常量,则图中半径为R 的单匝圆形线圈中产生的感应电动势大小为( )A .πkr 2B .πkR 2C .πB 0r 2D .πB 0R 2答案 A解析 由题意可知磁场的变化率为ΔB Δt =kt t =k ,根据法拉第电磁感应定律可知E =ΔΦΔt =ΔB πr 2Δt =k πr 2,故选A.3.(2023·广东广州市模拟)如图所示,电路中A 、B 是规格相同的灯泡,L 是电阻可忽略不计的自感线圈,那么( )A .合上S ,A 、B 一起亮,然后A 变暗,最后熄灭 B .合上S ,B 先亮,A 逐渐变亮,最后A 、B 一样亮C .断开S ,A 立即熄灭,B 由亮变暗,最后熄灭D.断开S,A、B同时熄灭答案 A解析合上S,线圈中电流要增加,会产生自感电动势,故只能缓慢增加,所以A、B一起亮,然后A变暗,最后熄灭,B更亮,故A正确,B错误;断开S,线圈中电流要减小,会产生自感电动势,故只能缓慢减小,通过灯泡A构成回路,所以B立即熄灭,A闪亮一下后熄灭,故C、D错误.4.(2023·广东省模拟)在油电混合小轿车上有一种装置,刹车时能将车的动能转化为电能,启动时再将电能转化为动能,从而实现节能减排.图中,甲、乙磁场方向与轮子的转轴平行,丙、丁磁场方向与轮子的转轴垂直,轮子是绝缘体,则采取下列哪个措施,能有效地借助磁场的作用,让转动的轮子停下()A.如图甲,在轮上固定如图绕制的线圈B.如图乙,在轮上固定如图绕制的闭合线圈C.如图丙,在轮上固定一些细金属棒,金属棒与轮子转轴平行D.如图丁,在轮上固定一些闭合金属线框,线框长边与轮子转轴平行答案 D解析题图甲和题图乙中当轮子转动时,穿过线圈的磁通量都是不变的,不会产生感生电流,则不会有安培力阻碍轮子的运动,选项A、B错误;题图丙中在轮上固定一些细金属棒,当轮子转动时会产生感应电动势,但是不会形成感应电流,则也不会产生安培力阻碍轮子转动,选项C错误;题图丁中在轮上固定一些闭合金属线框,线框长边与轮子转轴平行,当轮子转动时会产生感应电动势,形成感应电流,则会产生安培力阻碍轮子转动,使轮子很快停下来,选项D正确.5.(2023·广东深圳市模拟)电磁阻尼可以无磨损地使运动的线圈快速停下来.如图所示,扇形铜框abcd在绝缘细杆作用下绕转轴O在同一水平面内快速逆时针转动,虚线把圆环分成八等份,扇形铜框恰好可以与其中一份重合.为使线框快速停下来,实验小组设计了以下几种方案,其中虚线为匀强磁场的理想边界,边界内磁场大小均相同,其中最合理的是()答案 C解析扇形铜框逆时针转动时,对于A、D选项,通过铜框的磁通量不发生变化,无感应电流产生,则线圈不会受到安培力作用;对于B、C选项,通过铜框的磁通量发生变化,产生感应电流,B项的铜框只有单边ad或bc受到安培力作用,而C项的铜框ad边、bc边同时受到安培力作用,所以最合理的是C选项.6.(多选)(2023·湖北省模拟)如图所示,在距地面高h=1.25 m处固定有两根间距为l=0.5 m 水平放置的平行金属导轨,导轨的左端接有电源E,右端边缘处静置有一长l=0.5 m、质量m=0.2 kg、电阻R=5.0 Ω的导体棒ab,导体棒所在空间有磁感应强度大小B=1.0 T、方向竖直向上的匀强磁场.闭合开关后,导体棒ab以某一初速度水平向右抛出,已知导体棒落地点到抛出点的水平距离d=2.5 m,重力加速度g=10 m/s2,则()A.在空中运动过程中,导体棒a端的电势低于b端的电势B.导体棒抛出时的初速度大小为5 m/sC.在空中运动过程中,导体棒上产生的感应电动势大小恒定D.在空中运动过程中,导体棒的速度逐渐变大,棒上产生的感应电动势增大答案BC解析由右手定则可知,导体棒在空中运动过程中,在水平方向上要切割磁感线,从而产生感应电动势,但无感应电流,不受安培力,故导体棒在平抛运动过程中水平方向上的速度v0不变,由E =Bl v 0可知,导体棒上产生的感应电动势大小不变,且a 端电势高于b 端电势,故A 、D 错误,C 正确;导体棒从抛出到落地的时间为t =2h g =0.5 s ,故导体棒做平抛运动的初速度v 0=d t=5 m/s ,故B 正确. 7.(多选)如图所示,一导线弯成半径为a 的半圆形闭合回路.虚线MN 右侧有磁感应强度为B 的范围足够大的匀强磁场,方向垂直于回路所在的平面.回路以速度v 向右匀速进入磁场,直径CD 始终与MN 垂直.从D 点到达边界开始到C 点进入磁场为止,下列结论正确的是( )A .CD 段直导线不受安培力B .CD 段直导线受安培力C .感应电动势最大值E m =2Ba vD .感应电动势平均值E =14πBa v 答案 BD解析 由楞次定律可知,感应电流始终沿逆时针方向,由左手定则判断,CD 段直导线所受安培力始终向下,A 错误,B 正确;当线框有一半进入磁场时,切割磁感线的有效长度最大,最大感应电动势为E m = Ba v ,C 错误;根据法拉第电磁感应定律可得,平均感应电动势E=BS Δt =B ·πa 222a v=14πBa v ,D 正确.8.(多选)如图所示,固定在水平面上的半径为r 的金属圆环内存在方向竖直向上、磁感应强度大小为B 的匀强磁场.长为l 的金属棒,一端与圆环接触良好,另一端固定在竖直导电转轴OO ′上,随轴以角速度ω匀速转动.在圆环的A 点和电刷间接有阻值为R 的电阻和电容为C 、板间距为d 的平行板电容器,有一带电微粒在电容器极板间处于静止状态.已知重力加速度为g ,不计其他电阻和摩擦,下列说法正确的是( )A .电阻R 两端的电势差为12Br 2ωB .微粒的电荷量与质量之比为2gd Br 2ωC .电阻消耗的电功率为πB 2r 4ω2RD .若增大角速度ω和电阻R 的阻值,微粒有可能仍保持静止状态答案 AB解析 如图所示,金属棒绕OO ′轴切割磁感线转动,棒产生的电动势即为电阻R 两端的电势差,E =Br ·ωr 2=12Br 2ω,故A 正确;电容器两极板间电压等于电源电动势E ,带电微粒在两极板间处于静止状态,则q E d =mg ,即q m =dg E =dg 12Br 2ω=2dg Br 2ω,故B 正确;电阻消耗的功率P =E 2R =B 2r 4ω24R,故C 错误;若增大角速度ω,则电动势增大,即电容器的电压E ′增大,q E ′d>mg ,则微粒向上运动,故D 错误. 9.(多选)(2023·广东深圳市光明区高级中学模拟)发光竹蜻蜓是一种常见的儿童玩具.某同学对竹蜻蜓的电路作如下简化:如图所示,导电圆环绕垂直于圆环平面、通过圆心O 的金属轴O 1O 2以角速度ω逆时针(俯视)匀速转动.圆环上接有三根金属辐条OP 、OQ 、OR ,辐条互成120°角.在圆环左半部分张角也为120°角的范围内(两条虚线之间)分布着垂直圆环平面向下、磁感应强度大小为B 的匀强磁场,在转轴O 1O 2与圆环的边缘之间通过电刷M 、N 与一个LED 灯(二极管)相连.除LED 灯电阻外,其他电阻不计.下列说法中正确的是( )A .若OP 棒进入磁场中,P 点电势小于O 点电势B .金属辐条在磁场中旋转产生的是正弦式交变电流C .若导电圆环顺时针转动(俯视),也能看到LED 灯发光D .角速度比较大时,能看到LED 灯更亮答案 AD解析 由右手定则可知OP 切割磁感线产生的感应电流在OP 辐条上从P 流向O ,则OP 为电源时O 为正极,P 为负极,所以P 点电势小于O 点电势,故A 正确;金属辐条在磁场中旋转产生的感应电流大小和方向都恒定,为直流电,故B 错误;导电圆环顺时针(俯视)转动产生的感应电流与逆时针转动时产生的感应电流方向相反,逆时针转动时二极管发光,由二极管的单向导电性可知顺时针转动时二极管不发光,故C 错误;假设辐条长度为L ,辐条切割磁感线产生的感应电动势大小为E =BL v =BL ωL 2=BωL 22, 可知角速度变大时,感应电动势变大,感应电流变大,则LED 灯更亮,故D 正确.10.(2022·重庆卷·13)某同学以金属戒指为研究对象,探究金属物品在变化磁场中的热效应.如图所示,戒指可视为周长为L 、横截面积为S 、电阻率为ρ的单匝圆形线圈,放置在匀强磁场中,磁感应强度方向垂直于戒指平面.若磁感应强度大小在Δt 时间内从0均匀增加到B 0,求:(1)戒指中的感应电动势和电流;(2)戒指中电流的热功率.答案 (1)B 0L 24πΔt B 0LS 4πρΔt (2)B 02L 3S 16π2ρ(Δt )2解析 (1)设戒指环的半径为r ,则有L =2πr磁感应强度大小在Δt 时间内从0均匀增加到B 0,产生的感应电动势为E =B 0Δt·πr 2 可得E =B 0L 24πΔt戒指的电阻为R =ρL S则戒指中的感应电流为I =E R =B 0LS 4πρΔt(2)戒指中电流的热功率为P =I 2R =B 02L 3S 16π2ρ(Δt )2.11.(2023·广东广州市第七中学月考)如图甲所示,ACD 是固定在水平面上的半径为2r 、圆心为O 的金属半圆弧导轨,EF 是半径为r 、圆心也为O 的半圆弧,在半圆弧EF 与导轨ACD 之间的半圆环区域内存在垂直导轨平面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为B ,B 随时间t 变化的图像如图乙所示.OA 间接有电阻P ,金属杆OM 可绕O 点转动,M 端与轨道接触良好,金属杆OM 与电阻P 的阻值均为R ,其余电阻不计.(1)0~t 0时间内,OM 杆固定在与OA 夹角为θ1=π3的位置不动,求这段时间内通过电阻P 的感应电流大小和方向;(2)t 0~2t 0时间内,OM 杆在外力作用下以恒定的角速度逆时针转动,2t 0时转过角度θ2=π3到达OC 位置,求电阻P 在这段时间内产生的焦耳热Q .答案 (1)πB 0r 24t 0R 方向为A →O (2)π2B 02r 416t 0R解析 (1)0~t 0时间内的感应电动势E 1=ΔΦΔt =ΔB Δt ·S 1其中ΔB Δt =B 0t 0S 1=16·π(2r )2-16πr 2=πr 22感应电流I 1=E 12R联立解得I 1=πB 0r 24t 0R由楞次定律可判断通过电阻P 的感应电流方向为A →O .(2)t 0~2t 0时间内,OM 转动的角速度为ω=π3t 0感应电动势为E 2=B 0r v其中v =ωr +2ωr 2又I 2=E 22R则电阻P 在这段时间内产生的焦耳热Q =I 22Rt 0联立得Q=π2B02r416t0R.。
第2讲 法拉第电磁感应定律 自感 涡流一、法拉第电磁感应定律 1.感应电动势(1)感应电动势:在电磁感应现象中产生的电动势.(2)产生条件:穿过回路的磁通量发生改变,与电路是否闭合无关. (3)方向判断:感应电动势的方向用楞次定律或右手定则判断. 2.法拉第电磁感应定律(1)内容:闭合电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比. (2)公式:E =n ΔΦΔt,其中n 为线圈匝数.(3)感应电流与感应电动势的关系:遵循闭合电路的欧姆定律,即I =ER +r.3.导体切割磁感线时的感应电动势(1)导体垂直切割磁感线时,感应电动势可用E =Blv 求出,式中l 为导体切割磁感线的有效长度;(2)导体棒在磁场中转动时,导体棒以端点为轴,在匀强磁场中垂直于磁感线方向匀速转动产生感应电动势E =Bl v =12Bl 2ω(平均速度等于中点位置的线速度12l ω).自测1 将闭合的多匝线圈置于仅随时间变化的磁场中,关于线圈中产生的感应电动势和感应电流,下列表述正确的是( ) A.感应电动势的大小与线圈的匝数无关 B.穿过线圈的磁通量越大,感应电动势越大 C.穿过线圈的磁通量变化越快,感应电动势越大 D.感应电流产生的磁场方向与原磁场方向始终相同 答案 C自测2 (多选)如图1所示是穿过一个单匝闭合线圈的磁通量随时间变化的图象,则以下判断正确的是( )图1A.第0.6s 末线圈中的感应电动势是4VB.第0.9s 末线圈中的感应电动势比第0.2s 末的大C.第1s 末线圈的感应电动势为零D.第0.2s 末和第0.4s 末的感应电动势的方向相同 答案 AB 二、自感、涡流 1.自感现象(1)概念:由于导体本身的电流变化而产生的电磁感应现象称为自感,由于自感而产生的感应电动势叫做自感电动势. (2)表达式:E =L ΔI Δt.(3)自感系数L 的影响因素:与线圈的大小、形状、匝数以及是否有铁芯有关. 2.涡流现象(1)涡流:块状金属放在变化磁场中,或者让它在磁场中运动时,金属块内产生的旋涡状感应电流.(2)产生原因:金属块内磁通量变化→感应电动势→感应电流.命题点一 法拉第电磁感应定律的理解与应用1.求解感应电动势的常见情况2.说明(1)当ΔΦ仅由B 的变化引起时,则E =n ΔB ·S Δt ;当ΔΦ仅由S 的变化引起时,则E =n B ·ΔSΔt ;当ΔΦ由B 、S 的变化同时引起时,则E =nB 2S 2-B 1S 1Δt ≠n ΔB ·ΔSΔt.(2)磁通量的变化率ΔΦΔt是Φ-t 图象上某点切线的斜率.例1 (2018·常州市一模)如图2甲所示,单匝正方形线框abcd 的电阻R =0.5Ω,边长L =20cm ,匀强磁场垂直于线框平面,磁感应强度B 随时间t 的变化规律如图乙所示.求:图2(1)0~2s 内通过ab 边横截面的电荷量q ; (2)3s 时ab 边所受安培力的大小F ; (3)0~4s 内线框中产生的焦耳热Q .答案 (1)4.8×10-2C (2)1.44×10-3N (3)1.152×10-3J 解析 (1)由法拉第电磁感应定律得,感应电动势E =S ΔB Δt =L 2ΔBΔt感应电流I =ER,电荷量q =I Δt 代入数据解得q =4.8×10-2C ;(2)安培力F =BIL ,由题图乙得3 s 时,B =0.3 T 代入数值得F =1.44×10-3 N ; (3)由焦耳定律得Q =I 2Rt 代入数值得Q =1.152×10-3 J.变式1 (多选)(2018·扬州市一模)如图3所示,两根平行金属导轨置于水平面内,导轨之间接有电阻R .金属棒ab 与两导轨垂直并保持良好接触,整个装置放在匀强磁场中,磁场方向垂直于导轨平面向下.现使磁感应强度随时间均匀减小,ab 始终保持静止,下列说法正确的是( )图3A.ab 中的感应电流方向由a 到bB.ab 中的感应电流逐渐减小C.ab 所受的安培力保持不变D.ab 所受的静摩擦力逐渐减小 答案 AD解析 磁感应强度均匀减小,磁通量减小,根据楞次定律得,ab 中的感应电流方向由a 到b ,故A 正确;由于磁感应强度均匀减小,根据法拉第电磁感应定律E =S ΔBΔt 得,感应电动势恒定,则ab 中的感应电流不变,故B 错误;根据安培力公式F =BIL 知,感应电流不变,B 均匀减小,则安培力减小,故C 错误;导体棒受安培力和静摩擦力处于平衡,F f =F ,安培力减小,则静摩擦力减小,故D 正确.命题点二 导体切割磁感线产生电动势1.平动切割如图4(a),在磁感应强度为B 的匀强磁场中,长为L 的导体棒以速度v 垂直切割磁感线时,感应电动势E =BLv .图42.转动切割如图(b),在磁感应强度为B 的匀强磁场中,长为L 的导体棒以一端为轴以角速度ω垂直磁场匀速转动,此时产生的感应电动势E =12BL 2ω.3.有效切割长度图5图5(a)中的有效切割长度为cd sin θ;图(b)中的有效切割长度为MN ;图(c)中的导体沿v 1方向运动时,有效切割长度为2R ;沿v 2的方向运动时,有效切割长度为R .例2 (多选)(2018·丰县中学月考)如图6所示,在一磁感应强度B =0.5T 的匀强磁场中,垂直于磁场方向水平放着两根相距为h =0.1m 的平行金属导轨MN 和PQ ,导轨电阻忽略不计,在两根导轨的端点N 、Q 之间连接一阻值R =0.3Ω的电阻,导轨上跨放着一根长为L =0.2m ,每米阻值r =2.0Ω的金属棒ab ,金属棒与导轨正交放置,交点为c 、d ,当金属棒在水平拉力作用下以速度v =4.0m/s 向左做匀速运动时,则下列说法正确的是( )图6A.金属棒a 、b 两端点间的电势差为0.2VB.水平拉金属棒的力的大小为0.02NC.金属棒a 、b 两端点间的电势差为0.32VD.回路中的发热功率为0.06W 答案 BC解析 金属棒cd 段产生的感应电动势为E cd =Bhv =0.5×0.1×4 V=0.2 V ;cdQN 中产生的感应电流为I =E cd R +hr =0.20.3+0.2A =0.4 A ;金属棒ab 两端的电势差等于U ac 、U cd 、U db 三者之和,由于U cd =E cd -Ir cd ,所以U ab =E ab -Ir cd =BLv -Ir cd =0.32 V ,故A 错误,C 正确;使金属棒匀速运动的外力与安培力是一对平衡力,方向向左,大小为F =F 安=BIh =0.5×0.4×0.1 N =0.02 N ,选项B 正确;回路中的发热功率P 热=I 2(R +r cd )=0.08 W ,D 错误.变式2 (多选)两条平行虚线间存在一匀强磁场,磁感应强度方向与纸面垂直.边长为0.1m 、总电阻为0.005Ω的正方形导线框abcd 位于纸面内,cd 边与磁场边界平行,如图7甲所示.已知导线框一直向右做匀速直线运动,cd 边于t =0时刻进入磁场.线框中感应电动势随时间变化的图线如图乙所示(感应电流的方向为顺时针时,感应电动势取正).下列说法正确的是( )图7A.磁感应强度的大小为0.5TB.导线框运动的速度的大小为0.5m/sC.磁感应强度的方向垂直于纸面向外D.在t =0.4s 至t =0.6s 这段时间内,导线框所受的安培力大小为0.1N 答案 BC解析 由E -t 图象可知,导线框经过0.2s 全部进入磁场,则速度v =l t =0.10.2m/s =0.5 m/s ,选项B 正确;由题图乙可知,感应电动势E =0.01V ,根据E =Blv 得,磁感应强度B =E lv=0.010.1×0.5T =0.2T ,选项A 错误;根据右手定则及正方向的规定可知,磁感应强度的方向垂直于纸面向外,选项C 正确;在t =0.4s 至t =0.6s 这段时间内,导线框中的感应电流I =E R=0.010.005A =2A ,所受的安培力大小为F =BIl =0.2×2×0.1N=0.04N ,选项D 错误. 命题点三 自感现象1.自感现象的四大特点(1)自感电动势总是阻碍导体中原电流的变化. (2)通过线圈中的电流不能发生突变,只能缓慢变化. (3)电流稳定时,自感线圈就相当于普通导体.(4)线圈的自感系数越大,自感现象越明显,自感电动势只是延缓了过程的进行,但它不能使过程停止,更不能使过程反向. 2.自感中“闪亮”与“不闪亮”问题例3 (多选)(2018·南通市等六市一调)用电流传感器研究自感现象的电路如图8甲所示,线圈L 中未插入铁芯,直流电阻为R .闭合开关S ,传感器记录了电路中电流i 随时间t 变化的关系图象,如图乙所示,t 0时刻电路中电流达到稳定值I .下列说法中正确的是( )图8A.t =t 0时刻,线圈中自感电动势最大B.若线圈中插入铁芯,上述过程电路中电流达到稳定值经历的时间大于t 0C.若线圈中插入铁芯,上述过程中电路达到稳定时电流值仍为ID.若将线圈匝数加倍,上述过程中电路达到稳定时电流值仍为I 答案 BC解析 t =t 0时刻,线圈中电流稳定,自感现象消失,线圈中没有自感电动势,故A 错误;若线圈中插入铁芯,线圈自感系数增大,自感现象延长,题述过程电路中电流达到稳定值经历的时间大于t0,故B正确;线圈中插入铁芯,但线圈的直流电阻不变,所以稳定时电流不变,故C正确;若将线圈匝数加倍,线圈直流电阻增大,稳定时电流减小,故D错误.变式3(2018·南京市三模)如图9所示,电源电动势为E,其内阻r不可忽略,L1、L2是完全相同的灯泡,线圈L的直流电阻不计,电容器的电容为C.下列说法正确的是( )图9A.刚接通开关S的瞬间,L2立即亮,L1逐渐变亮B.合上开关S,电路稳定后,灯泡L1、L2的亮度相同C.电路稳定后在断开S的瞬间,通过灯泡L1的电流方向向右D.电路稳定后在断开S的瞬间,通过灯泡L2的电流为零答案 C命题点四涡流例4(多选)(2018·南通市等七市三模)健身车上装有金属电磁阻尼飞轮,飞轮附近固定一电磁铁,示意图如图10所示,人在健身时带动飞轮转动.则( )图10A.飞轮转速越大,阻尼越大B.电磁铁所接电压越大,阻尼越大C.飞轮材料电阻率越大,阻尼越大D.飞轮材料密度越大,阻尼越大答案AB变式4(2018·南京市、盐城市一模)下列图中,A图是真空冶炼炉,可以冶炼高质量的合金;B图是充电器,工作时绕制线圈的铁芯中会发热;C图是安检门,可以探测人身是否携带金属物品;D图是工人穿上金属丝织成的衣服,可以高压带电作业,不属于涡流现象的是( )答案 D解析线圈接有交变电流,在线圈中会产生变化的磁场,变化的磁场在冶炼炉中产生电场,使自由电荷在电场力的作用下定向移动形成涡流,故A属于涡流现象;充电器工作时有交变电流通过,交变电流产生的交变磁场穿过铁芯,在铁芯中产生电场,使自由电荷在电场力的作用下定向移动形成涡流,故B属于涡流现象;线圈中交变电流产生交变的磁场,会在金属物品中产生交变的感应电流(涡流),而金属物品中感应电流产生的交变磁场会影响线圈中的交变电流,从而被探测到,故C属于涡流现象;工作服用包含金属丝的织物制成,形成一个导体壳,壳外有电场,壳内场强保持为0,高压外电场不会对内部产生影响,故D属于静电屏蔽.1.(多选)(2018·南京市期中)如图11甲所示,面积S=1m2的导体圆环内通有垂直于圆平面向里的磁场,磁场的磁感应强度B随时间t变化的关系如图乙所示(B取向里为正),以下说法正确的是( )图11A.环中产生顺时针方向的感应电流B.环中产生逆时针方向的感应电流C.环中产生的感应电动势大小为1VD.环中产生的感应电动势大小为2V答案BC2.(2018·东台创新学校月考)一单匝矩形线框置于匀强磁场中,线框平面与磁场方向垂直.先保持线框的面积不变,将磁感应强度在1s时间内均匀地增大到原来的两倍.接着保持增大后的磁感应强度不变,在1s时间内,再将线框的面积均匀地减小到原来的一半.先后两个过程中,线框中感应电动势的比值为( )A.12B.4C.2D.1 答案 D解析 由法拉第电磁感应定律:E =ΔΦΔt ,且ΔΦ1=ΔB ·S 、ΔΦ2=B ΔS ,则有E 1=ΔB ·St =(2B -B )S t =BS t ,E 2=2B ·ΔS t =BS t .故两过程线框中感应电动势的比值为E 1E 2=1,故选D.3.(多选)(2018·泰州中学月考)如图12甲所示,螺线管内有一平行于轴线的磁场,规定图中箭头所示方向为磁感应强度B的正方向,螺线管与U形导线框cdef相连,导线框cdef内有一半径很小的金属圆环L,圆环与导线框cdef在同一平面内,当螺线管内的磁感应强度随时间按图乙所示规律变化时,下列选项中正确的是( )图12A.在t1时刻,金属圆环L内的磁通量最大B.在t2时刻,金属圆环L内的磁通量最大C.在t1~t2时间内,金属圆环L内有逆时针方向的感应电流D.在t1~t2时间内,金属圆环L有收缩的趋势答案BD解析由题图乙知,t1时刻磁通量的变化率为零,则感应电流为零,金属圆环L内的磁通量为零,故A错误;在t2时刻,磁感应强度为零,但是磁通量的变化率最大,则感应电流最大,金属圆环L内的磁通量最大,故B正确;在t1~t2时间内,磁通量的变化率不断变大,则线圈内的感应电流不断变大,根据楞次定律,在线圈中的电流方向为f到c,根据右手螺旋定则,穿过圆环的磁通量向外增大,则根据楞次定律,在金属圆环中产生顺时针方向的感应电流,故C错误;在t1~t2时间内,通过金属圆环L的磁通量增加,由楞次定律可以确定L必须减小面积以达到阻碍磁通量的增加,故金属圆环有收缩的趋势,故D正确.4.(多选)(2018·丰县中学月考)如图13甲、乙所示的电路中,电阻R和自感线圈L的电阻值都很小,且小于灯泡A的电阻,接通S,使电路达到稳定,灯泡A发光,则( )图13A.在电路甲中,断开S后,A将逐渐变暗B.在电路甲中,断开S后,A将先变得更亮,才逐渐变暗C.在电路乙中,断开S后,A将逐渐变暗D.在电路乙中,断开S后,A将先变得更亮,才逐渐变暗答案AD解析 在电路甲中,断开S ,由于线圈产生自感电动势阻碍电流变小,导致回路中的电流逐渐减小,A 将逐渐变暗,故A 正确,B 错误;在电路乙中,由于电阻R 和自感线圈L 的电阻值都很小,所以通过灯泡的电流比通过线圈的电流小,断开S 时,由于线圈阻碍电流变小,于是原来通过线圈的电流现在通过灯泡形成新的回路,由于通过灯泡A 的电流比原来的大,导致A 将变得更亮一下,然后逐渐变暗,故C 错误,D 正确.5.(2018·江苏百校12月大联考)图14甲为兴趣小组制作的无线充电装置中的受电线圈示意图,已知线圈匝数n =100、电阻r =1Ω、横截面积S =1.5×10-3m 2,外接电阻R =7Ω.线圈处在平行于线圈轴线的匀强磁场中,磁场的磁感应强度随时间变化图象如图乙所示,求:图14(1)t =0.01s 时线圈中的感应电动势E ;(2)0~0.02s 内通过电阻R 的电荷量q ;(3)0~0.03s 内电阻R 上产生的热量Q .答案 (1)0.6V (2)1.5×10-3C (3)2.3625×10-3J解析 (1)由题图乙可知,t =0.01 s 时刻ΔB Δt=4 T/s 根据法拉第电磁感应定律:E =n ΔΦΔt =n S ΔB Δt解得:E =0.6 V.(2)0~0.02 s 内,设感应电动势为E 1,磁感应强度B 的变化率相同,所以E 1=E ,则I 1=E 1R +r =0.075 A ,电荷量q =I 1Δt ,解得:q =1.5×10-3 C.(3)0~0.02 s 内,E 1=0.6 V ,I 1=0.075 A ,根据焦耳定律可以得到,电阻R 上产生的热量Q 1=I 12Rt 1=7.875×10-4 J0.02~0.03 s 内,E 2=n ΔB ′Δt ′s =1.2 V ,I 2=0.15 A ,根据焦耳定律可以得到,电阻R 上产生的热量Q 2=I 22Rt 2=1.575×10-3 J ,故0~0.03 s 内产生的总热量Q 总=Q 1+Q 2=2.362 5×10-3 J.1.(多选)如图1所示,闭合金属导线框放置在竖直向上的匀强磁场中,匀强磁场的磁感应强度随时间变化.下列说法正确的是( )图1A.当磁感应强度增加时,线框中的感应电流可能减小B.当磁感应强度增加时,线框中的感应电流一定增大C.当磁感应强度减小时,线框中的感应电流一定增大D.当磁感应强度减小时,线框中的感应电流可能不变答案AD2.(多选)(2018·泰州中学月考)如图2所示,L是自感系数很大的线圈,但其自身的电阻几乎为零.A和B是两个完全相同的灯泡,则下列说法中正确的有( )图2A.当开关S闭合瞬间,A、B两灯同时亮,最后B灯熄灭B.当开关S断开瞬间,A、B两灯同时熄灭C.当开关S断开瞬间,a点电势比b点电势低D.当开关S断开瞬间,流经灯泡B的电流是由a到b答案AD解析开关S闭合瞬间,线圈L对电流有阻碍作用,则相当于灯泡A与B串联,因此两灯同时亮,且亮度相同,稳定后B被短路熄灭,故A正确;稳定后当开关S断开后,A马上熄灭,由于自感,线圈中的电流只能慢慢减小,其相当于电源,线圈左端为高电势,与灯泡B构成闭合回路放电,流经灯泡B的电流是由a到b,a点电势比b点电势高,B闪一下再熄灭,故D正确,B、C错误.3.(多选)(2018·苏州市期初调研)如图3甲所示,矩形导线框固定在匀强磁场中,磁感线方向与导线框所在平面垂直.规定垂直纸面向里方向为磁场的正方向,磁感应强度B随时间t 变化的规律如图乙所示.则( )图3A.从0到t2时间内,导线框中电流的方向先为adcba再为abcdaB.从0到t 2时间内,导线框中电流的方向始终为adcbaC.从0到t 1时间内,导线框中电流越来越小D.从0到t 1时间内,导线框ab 边受到的安培力越来越小答案 BD解析 从0到t 2时间内,线圈中磁通量的变化率相同,则感应电动势不变,电路中电流大小和方向不变,根据楞次定律可知电流方向为adcba ,故A 、C 错误,B 正确;从0到t 1时间内,电路中电流大小恒定不变,故由F =BIL 可知,F 与B 成正比,因为B 逐渐减小,所以导线框ab 边受到的安培力越来越小,故D 正确.4.(2018·丰县中学月考)如图4所示,匀强磁场的方向垂直纸面,规定向里的方向为正,在磁场中有一细金属圆环,圆环平面位于纸面内,现令磁感应强度B 随时间t 变化,先按图所示的Oa 图线变化,后来又按bc 和cd 变化,令E 1、E 2、E 3分别表示这三段变化过程中感应电动势的大小,I 1、I 2、I 3分别表示对应的感应电流的大小,则下列说法正确的是( )图4A.E 1<E 2,I 1沿逆时针方向,I 2沿顺时针方向B.E 1<E 2,I 1沿顺时针方向,I 2沿逆时针方向C.E 2<E 3,I 2沿逆时针方向,I 3沿顺时针方向D.E 2=E 3,I 2沿逆时针方向,I 3沿顺时针方向答案 A解析 由法拉第电磁感应定律可知E =n ΔBS Δt,由题图知Oa 段中磁感应强度的变化率较小,而bc 、cd 两段中磁感应强度的变化率相同,故有E 1<E 2=E 3.由楞次定律可判断出I 1沿逆时针方向,I 2与I 3均沿顺时针方向,故选A.5.(多选)(2018·海安中学开学考)如图5所示,A 为一固定的圆环,条形磁铁B 从左侧无穷远处以初速度v 0沿圆环轴线移向圆环,穿过后移到右侧无穷远处.下列说法中正确的是( )图5A.若圆环A 是电阻为R 的线圈,磁铁移近圆环直至离开圆环这一过程中圆环中的感应电流方向发生变化B.若圆环A 是一超导线圈,磁铁移近圆环直至离开圆环这一过程中圆环中的感应电流方向发生变化C.若圆环A是电阻为R的线圈,磁铁的中点通过环面时,圆环中电流为零D.若圆环A是一超导线圈,磁铁的中点通过环面时,圆环中电流最大答案ACD6.(多选)(2019·黄桥中学模拟)将四根完全相同的表面涂有绝缘层的金属丝首尾连接,扭成如图所示四种形状的闭合线圈,图中大圆半径均为小圆半径的两倍,将线圈先后完全置于同一匀强磁场中,线圈平面均与磁场方向垂直.若磁感应强度从B增大到2B,则线圈中通过的电荷量最少的是( )答案BC7.(多选)(2018·苏锡常镇一调)如图6所示,a、b、c为三只完全相同的灯泡,L为电阻不计的自感线圈,电源内阻不计.下列判断正确的是( )图6A.S闭合的瞬间,b、c两灯亮度相同B.S闭合足够长时间后,b、c两灯亮度相同C.S断开的瞬间,a、c两灯立即熄灭D.S断开后,b灯先突然闪亮后再逐渐变暗熄灭答案AD解析S闭合的瞬间,b、c两灯串联,则此时b、c两灯亮度相同,选项A正确;由于L的电阻不计,则S闭合足够长时间后,b灯被L短路,则b灯熄灭,c灯变得更亮,选项B错误;S断开的瞬间,通过各个灯原来的电流立即消失,而通过L的电流要通过三盏灯形成新的回路,则a、c两灯将逐渐熄灭,b灯中因为原来电流为零,所以b灯先突然闪亮后再逐渐变暗熄灭,选项C错误,D正确.8.(多选)(2018·苏州市模拟)如图7甲所示,半径为r 带小缺口的刚性金属圆环固定在竖直平面内,在圆环的缺口两端用导线分别与两块水平放置的平行金属板A 、B 连接,两板间距为d 且足够大.有一变化的磁场垂直于圆环平面,规定向里为正,其变化规律如图乙所示.在平行金属板A 、B 正中间有一电荷量为q 的带电液滴,液滴在0~14T 内处于静止状态.重力加速度为g .下列说法正确的是( )图7A.液滴带负电B.液滴的质量为4B 0q πr 2gdTC.t =34T 时液滴的运动方向改变 D.t =T 时液滴与初始位置相距12gT 2 答案 BD9.(2018·江苏一模)如图8所示,匝数为N =100、边长为L =0.5m 、阻值为r =1.5Ω的正方形导线框与间距为d =0.5m 的竖直导轨相连,正方形线框的上半部分处在水平向外的磁场B 1中,导轨的下部存在着水平向里的磁感应强度为B 2=1T 的匀强磁场.质量为m =0.2kg 、接入电路的电阻为R =0.5Ω的导体棒ab 可以沿竖直导轨无摩擦地滑动,导体棒始终与导轨接触良好.当磁场B 1发生变化时,导体棒ab 刚好能处于静止状态.重力加速度g 取10m/s 2,试求:图8(1)此时通过ab 棒的电流I 的大小和方向;(2)此过程中磁场B 1的变化率;(3)开始的5s 内回路中产生的焦耳热Q .答案 (1)4A 方向由a 到b (2)0.64T/s (3)160J解析 (1)导体棒ab 静止,由受力平衡有:mg =B 2Id可得:I =mg B 2d =0.2×101×0.5A =4A 由左手定则判断知,电流方向由a 到b .(2)根据法拉第电磁感应定律得:E =N ΔB 1ΔtS 式中S =L 22由闭合电路欧姆定律得: E =I (R +r )代入数据解得:ΔB 1Δt=0.64T/s (3)开始的5s 内回路中产生的焦耳热为:Q =I 2(R +r )t =42×(0.5+1.5)×5J=160J.10.(2018·南京市、盐城市二模)如图9甲所示,正方形闭合线圈abcd 边长为10cm ,总电阻为2Ω,匝数为100匝,放在垂直于纸面向里的匀强磁场中,磁感应强度B 随时间t 的变化关系如图乙所示.求:图9(1)在0~2s 内线圈中感应电动势的大小;(2)在t =1s 时线圈的ad 边所受安培力的大小和方向;(3)线圈中感应电流的有效值.答案 (1)1V (2)5N 方向向右 (3)22A 解析 (1)设在0~2 s 内线圈中感应电动势的大小为E 1,则E 1=n ΔΦ1Δt =nS ΔB 1Δt=1 V (2)在t =1 s 时,I 1=E 1R=0.5 A由题图乙可知B 1=1 T则F =nB 1I 1L =5 N由左手定则可知,方向向右(3)在0~2 s 内,I 1=0.5 A在2~3 s 内,设线圈中感应电动势的大小为E 2,则E 2=n ΔΦ2Δt =nS ΔB 2Δt=2 V I 2=E 2R=1 A 设线圈中感应电流的有效值为I ,则I 12Rt 1+I 22·Rt 2=I 2Rt解得I =22 A. 11.(2018·东台创新学校月考)在范围足够大、方向竖直向下的匀强磁场中,磁感应强度B =0.2T ,有一水平放置的光滑框架,宽度L =0.4m ,如图10所示,框架上放置一质量m =0.05kg 、电阻R =1 Ω的金属杆cd ,框架电阻不计.若杆cd 在水平外力F 的作用下以恒定加速度a =2m/s 2,由静止开始做匀变速直线运动,求:图10(1)在5s 内平均感应电动势E 是多少?(2)第5s 末回路中的电流I 多大?(3)第5s 末作用在杆cd 上的水平外力F 多大?答案 (1)0.4V (2)0.8A (3)0.164N解析 (1)5 s 内的位移为:x =12at 2=12×2×52 m =25 m 5 s 内的平均速度为:v =x t =255m/s =5 m/s , 所以平均感应电动势为:E =BL v =0.2×0.4×5 V=0.4 V ;(2)第5 s 末速度为:v =at =10 m/s此时感应电动势为:E =BLv ,回路中的电流为:I =E R =BLv R =0.2×0.4×101A =0.8 A. (3)杆cd 做匀加速运动,由牛顿第二定律得:F -F 安=ma ,即:F =BIL +ma =0.164 N.精美句子1、善思则能“从无字句处读书”。
第2讲 法拉第电磁感应定律 自感 涡流一、法拉第电磁感应定律1.感应电动势(1)概念:在电磁感应现象中产生的电动势. ①感生电动势:由于磁场的变化而激发出感生电场,由感生电场而产生的感应电动势. ②动生电动势:由于导体在磁场中运动而产生的感应电动势.(2)条件:无论电路是否闭合,只要穿过电路的磁通量发生变化,电路中就一定有感应电动势.(3)与感应电流的关系:遵守闭合电路欧姆定律,即I =E R +r .2.法拉第电磁感应定律(1)定律内容:电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比.(2)公式:E =n ΔΦΔt.其中n 为线圈的匝数. 二、导体切割磁感线产生的感应电动势导体棒切割磁感线时,可有以下三种情况: 切割方式 电动势表达式 说 明垂直切割 E =BLv ①导体棒与磁场方向垂直1.自感现象(1)概念:由于导体本身的电流变化而产生的电磁感应现象称为自感,由于自感而产生的感应电动势叫做自感电动势.(2)表达式:E =L ΔI Δt. (3)自感系数L①相关因素:与线圈的大小、形状、匝数以及是否有铁芯有关. ②单位:亨利(H,1 mH =10-3 H,1 μH=10-6H).2.涡流当线圈中的电流发生变化时,在它附近的任何导体中都会产生感应电流,这种电流像水的旋涡所以叫做涡流.(1)电磁阻尼:当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力,安培力的方向总是阻碍导体的运动.(2)电磁驱动:如果磁场相对于导体运动,在导体中会产生感应电流使导体受到安培力的作用,安培力使导体运动起来.交流感应电动机就是利用电磁驱动的原理工作的.(3)电磁阻尼和电磁驱动的原理体现了楞次定律的推广应用.1.关于电路中感应电动势的大小,下列说法正确的是( )A .穿过电路的磁通量越大,感应电动势就越大B .电路中磁通量的改变量越大,感应电动势就越大C .电路中磁通量改变越快,感应电动势就越大D .若电路中某时刻磁通量为零,则该时刻感应电流一定为零 答案: C2.穿过一个单匝闭合线圈的磁通量始终为每秒均匀增加 2 Wb ,则( )A .线圈中感应电动势每秒增加2 VB .线圈中感应电动势每秒减少2 VC .线圈中感应电动势始终为2 VD .线圈中感应电动势始终为一个确定值,但由于线圈有电阻,电动势小于2 V解析: 由E =ΔΦΔt知:ΔΦ/Δt 恒定,所以E =2 V. 答案: C3.如图所示,L 为一个自感系数很大的自感线圈,开关闭合后,小灯泡能正常发光,那么闭合开关和断开开关的瞬间,能观察到的现象分别是( )A .小灯泡逐渐变亮,小灯泡立即熄灭B .小灯泡立即亮,小灯泡立即熄灭C .小灯泡逐渐变亮,小灯泡比原来更亮一下再慢慢熄灭D .小灯泡立即亮,小灯泡比原来更亮一下再慢慢熄灭解析: 开关闭合瞬间,通过自感线圈的电流逐渐增大,自感线圈产生自感电动势阻碍原电流的增加,故小灯泡逐渐变亮;开关断开瞬间,回路处于断开状态,故小灯泡立即熄灭,选项A 正确.答案: A4.如图所示,正方形线圈abcd 位于纸面内,边长为L ,匝数为N ,线圈内接有电阻值为R 的电阻,过ab 中点和cd 中点的连线OO ′恰好位于垂直纸面向里的匀强磁场的右边界上,磁场的磁感应强度为B .当线圈转过90°时,通过电阻R 的电荷 量为( ) A.BL 22R B.NBL 22RC.BL 2RD.NBL 2R解析: 初状态时,通过线圈的磁通量为Φ1=BL 22,当线圈转过90°时,通过线圈的磁通量为0,由q =N ΔΦR 可得通过电阻R的电量为NBL 22R. 答案: B5.如图所示,一段导线弯曲成半径为R 的半圆形闭合回路.虚线MN 、PQ 间有磁感应强度为B 的匀强磁场,磁场的宽度等于R ,方向垂直于回路所在的平面.现让回路以速度v向右匀速穿过磁场,直径CD始终与MN垂直.关于此过程,下列结论正确的是( )A.穿过的过程中回路中感应电流一直不为零B.感应电流的方向一直不变C.感应电动势先增大后减小再增大再减小D.感应电动势最大值E m=2BRv解析:当回路的圆心到磁场的中间时,回路中的感应电动势为零,电流为零,A项错误;磁通量先向里增大,后向里减小,根据楞次定律,感应电流的方向先沿逆时针方向后沿顺时针方向,B 项错误;当回路的圆心到MN或PQ上时,切割磁感线的有效长度最长,感应电动势最大为BRv,D项错误;在穿过磁场的过程中,回路切割磁感线的有效长度先变大,后变小,再变大,再变小,因此感应电动势先增大后减小再增大再减小,C项正确.答案:C法拉第电磁感应定律的应用1.决定感应电动势大小的因素感应电动势E的大小决定于穿过电路的磁通量的变化率ΔΦΔt和线圈的匝数n.而与磁通量的大小、磁通量变化量ΔΦ的大小无必然联系.2.磁通量变化通常有两种方式(1)磁感应强度B不变,垂直于磁场的回路面积发生变化,此时E =nB ΔS Δt ; (2)垂直于磁场的回路面积不变,磁感应强度发生变化,此时E =n ΔB Δt S ,其中ΔB Δt是B -t 图象的斜率. (2012·新课标全国卷)如图,均匀磁场中有一由半圆弧及其直径构成的导线框,半圆直径与磁场边缘重合;磁场方向垂直于半圆面(纸面)向里,磁感应强度大小为B 0.使该线框从静止开始绕过圆心O 、垂直于半圆面的轴以角速度ω匀速转动半周,在线框中产生感应电流.现使线框保持图中所示位置,磁感应强度大小随时间线性变化.为了产生与线框转动半周过程中同样大小的电流,磁感应强度随时间的变化率ΔB Δt的大小应为( )A.4ωB 0πB.2ωB 0πC.ωB 0π D.ωB 02π解析: 当线框绕过圆心O 的转动轴以角速度ω匀速转动时,由于面积的变化产生感应电动势,从而产生感应电流.设半圆的半径为r ,导线框的电阻为R ,即I 1=E R =ΔΦR Δt =B 0ΔS R Δt =12πr 2B 0R πω=B 0r 2ω2R .当线圈不动,磁感应强度变化时,I 2=E R =ΔΦR Δt =ΔBS R Δt =ΔB πr 2Δt 2R,因I 1=I 2,可得ΔB Δt =ωB 0π,C 选项正确. 答案: C(1)应用法拉第电磁感应定律解题的一般步骤①分析穿过闭合电路的磁场方向及磁通量的变化情况;②利用楞次定律确定感应电流的方向;③灵活选择法拉第电磁感应定律的不同表达形式列方程求解.(2)应注意的问题通过回路的电荷量q 仅与n 、ΔΦ和回路电阻R 有关,与变化过程所用的时间长短无关,推导过程:q =I Δt =n ΔΦΔt R Δt =n ΔΦR. 1-1:在竖直向上的匀强磁场中,水平放置一个不变形的单匝金属圆线圈,线圈所围的面积为0.1 m 2,线圈电阻为1 Ω.规定线圈中感应电流I 的正方向从上往下看是顺时针方向,如图甲所示.磁场的磁感应强度B 随时间t 的变化规律如图乙所示.则下列说法正确的是( )A .在时间0~5 s 内,I 的最大值为0.1 AB .在第4 s 时刻,I 的方向为逆时针C .前2 s 内,通过线圈某截面的总电量为0.01 CD .第3 s 内,线圈的发热功率最大解析: 根据B -t 图象的斜率表示ΔB Δt ,由E =n ΔΦΔt=nSk ,因此刚开始时,图象的斜率为0.1,代入得电源的电动势为0.01 V .电流为0.01 A ,故A 项错误;在第4 s 时,根据楞次定律,电流为逆时针,故B 项正确;由q =ΔΦR,代入得C 项正确;第3 s 内,B 不变,故不产生感应电流,因此发热功率为零,D 项错误.答案: BC导体切割磁感线产生感应电动势的计算 1.理解E =Blv 的“四性”(1)正交性:本公式是在一定条件下得出的,除磁场为匀强磁场外,还需B 、l 、v 三者互相垂直.(2)瞬时性:若v 为瞬时速度,则E 为相应的瞬时感应电动势.(3)有效性:公式中的l 为导体切割磁感线的有效长度.(4)相对性:E =Blv 中的速度v 是导体相对磁场的速度,若磁场也在运动,应注意速度间的相对关系.2.公式E =Blv 与E =n ΔΦΔt的区别与联系E =n ΔΦΔt E =Blv区别研究对象闭合回路 回路中做切割磁感线运动的那部分导体 适用范围 对任何电磁感应现象普遍适用 只适用于导体切割磁感线运动的情况 联系 导体切割磁感线是电磁感应现象的特例,E =Blv 可由E =n ΔΦΔt推导得出 (2012·四川理综)半径为a 右端开小口的导体圆环和长为2a 的导体直杆,单位长度电阻均为R 0.圆环水平固定放置,整个内部区域分布着竖直向下的匀强磁场,磁感应强度为B .杆在圆环上以速度v 平行于直径CD 向右做匀速直线运动,杆始终有两点与圆环良好接触,从圆环中心O 开始,杆的位置由θ确定,如图所示.则( )A .θ=0时,杆产生的电动势为2BavB .θ=π3时,杆产生的电动势为3Bav C .θ=0时,杆受的安培力大小为2B 2av π+2R 0D .θ=π3时,杆受的安培力大小为3B 2av 5π+3R 0解析: 当θ=0时,杆切割磁感线的有效长度l 1=2a ,所以杆产生的电动势E 1=Bl 1v =2Bav ,选项A 正确.此时杆上的电流I 1=E 1πa +2a R 0=2Bv π+2R 0,杆受的安培力大小F 1=BI 1l 1=4B 2av π+2R 0,选项C 错误. 当θ=π3时,杆切割磁感线的有效长度l 2=2a cos π3=a ,杆产生的电动势E 2=Bl 2v =Bav ,选项B 错误.此时杆上的电流I 2=E 22πa -2πa 6+a R 0=3Bv 5π+3R 0,杆受的安培力大小F 2=BI 2l 2=3B 2av 5π+3R 0,选项D 正确. 答案: AD 2-1:如图所示,水平放置的U 形框架上接一个阻值为R 0的电阻,放在垂直纸面向里的、场强大小为B 的匀强磁场中,一个半径为L 、质量为m 的半圆形硬导体AC 在水平向右的恒定拉力F 作用下,由静止开始运动距离d 后速度达到v ,半圆形硬导体AC 的电阻为r ,其余电阻不计.下列说法正确的是( )A .此时AC 两端电压为U AC =2BLvB .此时AC 两端电压为U AC =2BLvR 0R 0+rC .此过程中电路产生的电热为Q =Fd -12mv 2 D .此过程中通过电阻R 0的电荷量为q =2BLd R 0+r解析: AC 的感应电动势为:E =2BLv ,两端电压为U AC =ER 0R 0+r =2BLvR 0R 0+r ,A 错、B 对;由功能关系得Fd =12mv 2+Q +W μ,C 错;此过程中平均感应电流为I =2BLd R 0+r Δt ,通过电阻R 0的电荷量为q =I Δt =2BLd R 0+r,D 对. 答案: BD通电自感与断电自感的比较通电自感 断电自感 电路图器材要求 A 1,A 2同规格,R =R L ,L 较大 L 很大(有铁蕊)R L <RA现象在S 闭合瞬间,A 2灯立即亮起来,A 1灯逐渐变亮,最终一样亮在开关S 断开时,灯A 逐渐熄灭 原因由于开关闭合时,流过电感线圈的电流迅速增大,使线圈产生自感电动势,阻碍了电流的增大,使流过A 1灯的电流比流过A 2灯的电流增加得慢 断开开关S 时,流过线圈L 的电流减小,产生自感电动势,阻碍了电流的减小,使电流继续存在一段时间;在S 断开后,通过L 的电流反向通过电灯A ,灯A 不会立即熄灭.若R L <R A ,原来的电流I L >I A ,则A 灯熄灭前要闪亮一下.若R L ≥R A ,原来的电流I L ≤I A ,则灯A 逐渐熄灭,不再闪亮一下能量转化 电能转化为磁场能 磁场能转化为电能(2011·北京理综)某同学为了验证断电自感现象,自己找来带铁芯的线圈L、小灯泡A、开关S和电池组E,用导线将它们连接成如图所示的电路.检查电路后,闭合开关S,小灯泡发光;再断开开关S,小灯泡仅有不显著的延时熄灭现象.虽经多次重复,仍未见老师演示时出现的小灯泡闪亮现象,他冥思苦想找不出原因.你认为最有可能造成小灯泡未闪亮的原因是( )A.电源的内阻较大 B.小灯泡电阻偏大C.线圈电阻偏大 D.线圈的自感系数较大解析:小灯泡没有出现闪亮现象是因为断电后电路中的小灯泡两端电压太小、因断电后电路与电源脱离关系,线圈与灯泡组成闭合回路,故电源内阻大小对自感无影响,A错误;若小灯泡电阻偏大,则分得的电压就大,这有助于出现闪亮现象,B错误;若线圈电阻偏大,在自感电动势一定的情况下,线圈内阻上的电压偏大,相应灯泡两端的电压就偏小,这不利于出现闪亮现象,C正确;线圈自感系数越大,产生的自感电动势越大,这有利于闪亮现象的出现,故D错误.答案:C3-1:如图所示的电路中,A1和A2是完全相同的灯泡,线圈L的电阻可以忽略.下列说法中正确的是( )A.合上开关K接通电路时,A2先亮,A1后亮,最后一样亮B.合上开关K接通电路时,A1和A2始终一样亮C.断开开关K切断电路时,A2立刻熄灭,A1过一会儿才熄灭D.断开开关K切断电路时,A1和A2都要过一会儿才熄灭解析:由于自感现象,合上开关时,A1中的电流缓慢增大到某一个值,故过一会儿才亮;断开开关时,A1中的电流缓慢减小到0,A1、A2串联,电流始终相等,都是过一会儿才熄灭.故选A、D.答案:AD高考常考“杆+导轨”模型的突破[模型特点]“杆+导轨”模型是电磁感应问题高考命题的“基本道具”,也是高考的热点.“杆+导轨”模型问题的物理情境变化空间大,涉及的知识点多,如力学问题、电路问题、磁场问题及能量问题等,常用的规律有法拉第电磁感应定律、楞次定律、右手定则、左手定则、欧姆定律及力学中的运动规律、动能定理、功能关系、能的转化和守恒定律等.[求解思路][模型分类]模型一单杆水平式物理模型匀强磁场与导轨垂直,磁感应强度为B,棒ab长为L,质量为m,初速度为零,拉力恒为F,水平导轨光滑,除电阻R外,其他电阻不计动态分析设运动过程中某时刻棒的速度为v,由牛顿第二定律知棒ab的加速度为a=Fm-B2L2vmR,a、v同向,随速度的增加,棒的加速度a减小,当a=0时,v最大,I=BIvR恒定收尾状态运动形式匀速直线运动力学特征a=0 v恒定不变电学特征I恒定(2012·天津理综)如图所示,一对光滑的平行金属导轨固定在同一水平面内,导轨间距l=0.5 m,左端接有阻值R=0.3 Ω的电阻.一质量m=0.1 kg,电阻r=0.1 Ω的金属棒MN放置在导轨上,整个装置置于竖直向上的匀强磁场中,磁场的磁感应强度B=0.4 T.棒在水平向右的外力作用下,由静止开始以a=2 m/s2的加速度做匀加速运动,当棒的位移x=9 m时撤去外力,棒继续运动一段距离后停下来,已知撤去外力前后回路中产生的焦耳热之比Q1∶Q2=2∶1.导轨足够长且电阻不计,棒在运动过程中始终与导轨垂直且两端与导轨保持良好接触.求:(1)棒在匀加速运动过程中,通过电阻R的电荷量q;(2)撤去外力后回路中产生的焦耳热Q2;(3)外力做的功W F .解析: (1)设棒匀加速运动的时间为Δt ,回路的磁通量变化量为ΔΦ,回路中的平均感应电动势为E ,由法拉第电磁感应定律得 E =ΔΦΔt① 其中ΔΦ=Blx ②设回路中的平均电流为I ,由闭合电路欧姆定律得 I =E R +r ③则通过电阻R 的电荷量为q =I Δt ④联立①②③④式,代入数据得q =4.5 C . ⑤(2)设撤去外力时棒的速度为v ,对棒的匀加速运动过程,由运动学公式得v 2=2ax ⑥设棒在撤去外力后的运动过程中安培力所做的功为W ,由动能定理得W =0-12mv 2 ⑦ 撤去外力后回路中产生的焦耳热Q 2=-W ⑧联立⑥⑦⑧式,代入数据得Q2=1.8 J.⑨(3)由题意知,撤去外力前后回路中产生的焦耳热之比Q1∶Q2=2∶1,可得Q1=3.6 J ⑩在棒运动的整个过程中,由功能关系可知W F=Q1+Q2 ⑪由⑨⑩⑪式得W F=5.4 J.答案:(1)4.5 C(2)1.8 J (3)5.4 J模型二单杆倾斜式物理模型匀强磁场与导轨垂直,磁感应强度为B,导轨间距L,导体棒质量m,电阻R,导轨光滑,电阻不计(如图)动态分析棒ab释放后下滑,此时a=g sin α,棒ab速度v↑→感应电动势E=BLv↑→电流I=ER↑→安培力F =BIL↑→加速度a↓,当安培力F=mg sin α时,α=0,v最大收尾状态运动形式匀速直线运动力学特征 a =0 v 最大v m =mgR sin αB 2L 2电学特征I 恒定 (2012·山东理综)如图所示,相距为L 的两条足够长的光滑平行金属导轨与水平面的夹角为θ,上端接有定值电阻R ,匀强磁场垂直于导轨平面,磁感应强度为B .将质量为m 的导体棒由静止释放,当速度达到v 时开始匀速运动,此时对导体棒施加一平行于导轨向下的拉力,并保持拉力的功率恒为P ,导体棒最终以2v 的速度匀速运动.导体棒始终与导轨垂直且接触良好,不计导轨和导体棒的电阻,重力加速度为g .下列选项正确的是( )A .P =2mgv sin θB .P =3mgv sin θC .当导体棒速度达到v 2时加速度大小为g 2sin θ D .在速度达到2v 以后匀速运动的过程中,R 上产生的焦耳热等于拉力所做的功解析: 导体棒由静止释放,速度达到v 时,回路中的电流为I ,则根据共点力的平衡条件,有mg sin θ=BIL .对导体棒施加一平行于导轨向下的拉力,以2v 的速度匀速运动时,则回路中的电流为2I ,则根据平衡条件,有F +mg sin θ=B ·2IL 所以拉力F =mg sin θ,拉力的功率P =F ×2v =2mgv sin θ,故选项A 正确.选项B 错误;当导体棒的速度达到v 2时,回路中的电流为I 2,根据牛顿第二定律,得mg sin θ-B I 2L =ma ,解得a =g 2sin θ,选项C 正确;当导体棒以2v 的速度匀速运动时,根据能量守恒定律,重力和拉力所做的功之和等于R 上产生的焦耳热,故选项D 错误.答案: AC1.将闭合多匝线圈(匝数为n )置于仅随时间变化的磁场中,线圈平面与磁场方向垂直,关于线圈中产生的感应电动势,下列表述正确的是( )A .穿过线圈的磁通量越大,感应电动势越大B .穿过线圈的磁通量变化越快,感应电动势越大C .若磁感应强度B 不变,Δt 时间内线圈面积变化ΔS ,则E =n ΔS ΔtB D .若Δt 时间内磁感应强度变化ΔB ,线圈面积变化ΔS ,则E =n ΔB ·ΔS Δt解析: 由法拉第电磁感应定律表达式E =n ΔΦΔt可知,感应电动势E 的大小与线圈的匝数n 和磁通量的变化率ΔΦΔt有关,与磁通量无关,故A 错误,B 正确.当仅有磁感应强度变化时,磁通量的变化量ΔΦ=Φ2-Φ1=(B 2-B 1)S =ΔB ·S ,同理可得当仅有线圈面积变化时磁通量的变化量ΔΦ=B ·ΔS ,而当磁感应强度和线圈面积同时变化时磁通量的变化量ΔΦ=B 2S 2-B 1S 1≠ΔB ·ΔS ,故C 正确.D 错误.答案: BC2.如图所示是测定自感系数很大的线圈L 直流电阻的电路,L 两端并联一只电压表,用来测自感线圈的直流电压,在测量完毕后,将电路拆开时应先( )A .断开S 1B .断开S 2C .拆除电流表D .拆除电阻R解析: 将电路拆开时,如果先断开S 1,而电压表与线圈L 仍组成闭合回路,由于L 的自感系数很大,可能产生很大的自感电动势使电压表的指针被打弯,因此,应先断开S 2,B 项正确.答案: B3.一矩形线框置于匀强磁场中,线框平面与磁场方向垂直.先保持线框的面积不变,将磁感应强度在1 s 时间内均匀地增大到原来的两倍.接着保持增大后的磁感应强度不变,在1 s 时间内,再将线框的面积均匀地减小到原来的一半.先后两个过程中,线框中感应电动势的比值为( ) A.12B .1C .2D .4 解析: 根据法拉第电磁感应定律E =ΔΦΔt =ΔBS Δt,设初始时刻磁感应强度为B 0,线框面积为S 0,则第一种情况下的感应电动势为E 1=ΔBS Δt =2B 0-B 0S 01=B 0S 0;则第二种情况下的感应电动势为E 2=ΔBS Δt =2B 0S 0-S 0/21=B 0S 0,所以两种情况下线框中的感应电动势相等,比值为1,故选项B 正确.答案: B4.2013广州亚运会上100 m 赛跑跑道两侧设有跟踪仪,水平面上两根足够长的金属导轨平行固定放置,间距为L =0.5 m ,一端通过导线与阻值为R =0.5 Ω的电阻连接;导轨上放一质量为m =0.5 kg 的金属杆(如图甲),金属杆与导轨的电阻忽略不计;均匀磁场竖直向下.用与导轨平行的拉力F 作用在金属杆上,使杆运动.当改变拉力的大小时,相对应的速度v 也会变化,从而使跟踪仪始终与运动员保持一致.已知v 和F 的关系如图乙.(取重力加速度g =10 m/s 2)则( )A .金属杆受到的拉力与速度成正比B .该磁场磁感应强度为1 TC .图线在横轴的截距表示金属杆与导轨间的阻力大小D .导轨与金属杆之间的动摩擦因数为μ=0.4解析: 由图象可知选项A 错误、C 正确;由F -BIL -μmg =0及I =BLv R 可得:F -B 2L 2v R-μmg =0,从图象上分别读出两组F 、v 数据代入上式即可求得B =1 T ,μ=0.4.所以选项B 、D 正确.答案: BCD5.如图,足够长的U 型光滑金属导轨平面与水平面成θ角(0<θ<90°),其中MN 与PQ 平行且间距为L ,导轨平面与磁感应强度为B 的匀强磁场垂直,导轨电阻不计.金属棒ab 由静止开始沿导轨下滑,并与两导轨始终保持垂直且良好接触,ab 棒接入电路的电阻为R ,当流过ab 棒某一横截面的电荷量为q 时,棒的速度大小为v ,则金属棒ab 在这一过程中( )A .运动的平均速度大小为12vB .下滑的位移大小为qR BLC .产生的焦耳热为qBLvD .受到的最大安培力大小为B 2L 2v Rsin θ 解析: 对棒受力分析如图所示.F 安=BIL =B 2L 2v R,故D 错;F 安随棒的速度的增大而增大,故棒做的不是匀加速直线运动.因此运动的平均速度v ≠12v ,A 错;由q =n ΔφR 总可得:q =BLx R ,故棒下滑的位移x =qR BL,B 正确;求焦耳热应该用有效值,故C 错. 答案: B。
第2讲 法拉第电磁感应定律 自感 涡流 知识点一 法拉第电磁感应定律1.感应电动势(1)概念:在 中产生的电动势.(2)产生条件:穿过回路的 发生改变,与电路是否闭合 .(3)方向判断:感应电动势的方向用 或 判断.2.法拉第电磁感应定律(1)内容:感应电动势的大小跟穿过这一电路的 成正比.(2)公式:E =n ΔΦΔt,其中n 为线圈匝数. (3)感应电流与感应电动势的关系:遵守闭合电路的 定律,即I = .3.导体切割磁感线的情形(1)若B 、l 、v 相互垂直,则E = .(2)v ∥B 时,E =0.答案:1.(1)电磁感应现象 (2)磁通量 无关 (3)楞次定律 右手定则 2.(1)磁通量的变化率 (3)欧姆E R +r 3.(1)Blv知识点二 自感、涡流1.自感现象(1)概念:由于导体本身的 变化而产生的电磁感应现象称为自感.(2)自感电动势①定义:在自感现象中产生的感应电动势叫做.②表达式:E=.(3)自感系数L①相关因素:与线圈的、形状、以及是否有铁芯有关.②单位:亨利(H),1 mH=H,1 μH=H.2.涡流当线圈中的电流发生变化时,在它附近的任何导体中都会产生,这种电流像水的漩涡所以叫涡流.答案:1.(1)电流(2)①自感电动势②L ΔIΔt(3)①大小匝数②10-310-6 2.感应电流(1)磁通量变化越大,产生的感应电动势也越大.( )(2)磁通量变化越快,产生的感应电动势就越大.( )(3)磁通量的变化率描述的是磁通量变化的快慢.( )(4)感应电动势的大小与线圈的匝数无关.( )(5)线圈中的自感电动势越大,自感系数就越大.( )(6)磁场相对导体棒运动时,导体棒中也能产生感应电动势.( )(7)对于同一线圈,当电流变化越快时,线圈中的自感电动势越大.( )(8)自感电动势阻碍电流的变化,但不能阻止电流的变化.( )答案:(1)(2)√ (3)√ (4) (5) (6)√(7)√ (8)√动生电动势和感生电动势当线圈匝数为1时,法拉第电磁感应定律的数学式是E =d Φd t ,E 表示电动势的大小.中学教材中写成E =ΔΦΔt,既表示平均也表示瞬时.应用时常遇到两种情况,一是S 不变而B 随时间变化,则可用形式E =S ΔB Δt ;二是B 不变而S 变化,则可应用形式E =B ΔS Δt.至于导体棒切割磁感线产生的电动势E =Blv ,教材则是通过一典型模型利用E =B ΔS Δt推出的. 我们知道,B 不随时间变化(恒定磁场)而闭合电路的整体或局部在运动,这样产生的感应电动势叫动生电动势,其非静电力是洛伦兹力.B 随时间变化而闭合电路的任一部分都不动,这样产生的感应电动势叫感生电动势,其非静电力是涡旋电场(非静电场)对电荷的作用力.上述两种电动势统称感应电动势,其联系何在?分析磁通量Φ的定义公式Φ=BS 可见Φ与BS 两个变量有关,既然E =d Φd t,那么根据全导数公式有d Φd t =S ∂B ∂t +B ∂S ∂t ,其中S ∂B ∂t即感生电动势,体现了因B 随时间变化而产生的影响.B ∂S ∂t同样具有电动势的单位,其真面目是什么呢?我们采用和现行中学教材一样的方法,建立一物理模型分析.如图所示,MN 、PQ 是两水平放置的平行光滑金属导轨,其宽度为L ,ab 是导体棒,切割速度为v .设匀强磁场磁感应强度为B ,方向垂直纸面向里.在Δt 时间内,回路面积变化为ΔS =L Δx ,面积的平均变化率ΔS Δt =L Δx Δt .当Δt →0时,Δx Δt →v ,即d S d t =Lv ,d S d t对应全导数公式中的∂S ∂t ,可见B ∂S ∂t=BLv ,这就是动生电动势,体现了因面积变化而产生的影响.推而广之,线圈在匀强磁场中做收缩、扩张、旋转等改变面积的运动而产生的电动势也是动生电动势.两种电动势可以同时出现.考点一 法拉第电磁感应定律的理解和应用1.感应电动势的决定因素(1)由E =n ΔΦΔt知,感应电动势的大小由穿过电路的磁通量的变化率ΔΦΔt和线圈匝数n 共同决定,而与磁通量Φ、磁通量的变化量ΔΦ的大小没有必然联系.(2)ΔΦΔt为单匝线圈产生的感应电动势大小.2.法拉第电磁感应定律的两个特例(1)回路与磁场垂直的面积S 不变,磁感应强度发生变化,则ΔΦ=ΔB ·S ,E =n ΔB Δt·S . (2)磁感应强度B 不变,回路与磁场垂直的面积发生变化,则ΔΦ=B ·ΔS ,E =nB ΔS Δt. [典例1] (2017·安徽安庆质检)如图甲所示,一个电阻值为R 、匝数为n 的圆形金属线圈与阻值为2R 的电阻R 1连接成闭合回路,线圈的半径为r 1.在线圈中半径为r 2的圆形区域内存在垂直于线圈平面向里的匀强磁场,磁感应强度B 随时间t 变化的关系图线如图乙所示(规定图甲中B 的方向为正方向).图线与横、纵轴的截距分别为t 0和B 0,导线的电阻不计.求0~t 1时间内:甲 乙(1)通过电阻R 1的电流大小和方向;(2)通过电阻R 1的电荷量q 及电阻R 1上产生的热量.[解题指导] (1)B t 图象为一条倾斜直线,表示磁场均匀变化,即变化率恒定.(2)本题应区分磁场的面积和线圈的面积.[解析] (1)根据楞次定律可知,通过R 1的电流方向为由b 到a .根据法拉第电磁感应定律得,线圈中的电动势E =n ΔB πr 22Δt =n ·B 0πr 22t 0根据闭合电路欧姆定律得,通过R 1的电流I =E 3R =nB 0πr 223Rt 0. (2)通过R 1的电荷量q =It 1=nB 0πr 22t 13Rt 0R 1上产生的热量Q =I 2R 1t 1=2n 2B 20π2r 42t 19Rt 20. [答案] (1)nB 0πr 223Rt 0方向由b 到a (2)nB 0πr 22t 13Rt 0 2n 2B 20π2r 42t 19Rt 20[变式1] 如图所示,一正方形线圈的匝数为n ,边长为a ,线圈平面与匀强磁场垂直,且一半处在磁场中.在Δt 时间内,磁感应强度的方向不变,大小由B 均匀地增大到2B .在此过程中,线圈中产生的感应电动势为( )A.Ba 22ΔtB.nBa 22ΔtC.nBa 2ΔtD.2nBa 2Δt答案:B 解析:磁感应强度的变化率ΔB Δt= 2B -B Δt =B Δt ,法拉第电磁感应定律公式可写成E =n ΔΦΔt =n ΔB ΔtS ,其中磁场中的有效面积S =12a 2,代入得E =n Ba 22Δt ,选项B 正确,A 、C 、D 错误.[变式2](2016·北京卷)如图所示,匀强磁场中有两个导体圆环a 、b ,磁场方向与圆环所在平面垂直.磁感应强度B 随时间均匀增大.两圆环半径之比为2∶1,圆环中产生的感应电动势分别为E a 和E b .不考虑两圆环间的相互影响.下列说法正确的是( )A.E a ∶E b =4∶1,感应电流均沿逆时针方向B.E a ∶E b =4∶1,感应电流均沿顺时针方向C.E a ∶E b =2∶1,感应电流均沿逆时针方向D.E a ∶E b =2∶1,感应电流均沿顺时针方向答案:B 解析:由法拉第电磁感应定律E =ΔΦΔt =ΔB Δt πr 2,ΔB Δt为常数,E 与r 2成正比,故E a ∶E b =4∶1.磁感应强度B 随时间均匀增大,故穿过圆环的磁通量增大,由楞次定律知,感应电流产生的磁场方向与原磁场方向相反,垂直纸面向里,由安培定则可知,感应电流均沿顺时针方向,故B 项正确.应用电磁感应定律应注意的三个问题(1)公式E =n ΔΦΔt求解的是一个回路中某段时间内的平均感应电动势,在磁通量均匀变化时,瞬时值才等于平均值.(2)利用公式E =nS ΔB Δt求感应电动势时,S 为线圈在磁场范围内的有效面积.(3)通过回路截面的电荷量q 仅与n 、ΔΦ和回路电阻R 有关,与时间长短无关.推导如下:q =I Δt =n ΔΦΔtR Δt =n ΔΦR. 考点 导体切割磁感线产生感应电动势的计算1.平动切割(1)常用公式:若运动速度v 和磁感线方向垂直,则感应电动势E =BLv .注意:公式E =BLv 要求B ⊥L 、B ⊥v 、L ⊥v ,即B 、L 、v 三者两两垂直,式中的L 应该取与B 、v 均垂直的有效长度(即导体的有效切割长度).(2)有效长度:公式中的L 为有效切割长度,即导体在与v 垂直的方向上的投影长度.(3)相对性:E =BLv 中的速度v 是相对于磁场的速度,若磁场也运动时,应注意速度间的相对关系.2.转动切割在磁感应强度为B 的匀强磁场中,长为L 的导体棒绕一端为轴以角速度ω匀速转动时,此时产生的感应电动势E =BLv 中=12BωL 2.若转动的是圆盘,则可以把圆盘看成由很多根半径相同的导体杆组合而成的.考向1 导体棒平动切割磁感线[典例2] (2015·安徽卷)如图所示,abcd 为水平放置的平行“”形光滑金属导轨,间距为l ,导轨间有垂直于导轨平面的匀强磁场,磁感应强度大小为B ,导轨电阻不计.已知金属杆MN 倾斜放置,与导轨成θ角,单位长度的电阻为r ,保持金属杆以速度v 沿平行于cd 的方向滑动(金属杆滑动过程中与导轨接触良好).则( )A.电路中感应电动势的大小为Blv sin θB.电路中感应电流的大小为Bv sin θrC.金属杆所受安培力的大小为B 2lv sin θrD.金属杆的热功率为B 2lv 2r sin θ[解题指导] 解答该题要明确以下几点:(1)金属杆切割磁感线的有效长度并不是它的实际长度,而是它的长度沿垂直速度方向的投影长度.(2)金属杆相当于电源,电路中的电流可利用欧姆定律求得.(3)金属杆的热功率可用公式P =I 2R 求得.[解析] 金属杆的运动方向与金属杆不垂直,电路中感应电动势的大小为E =Blv (l 为切割磁感线的有效长度),选项A 错误;电路中感应电流的大小为I =E R =Blv l sin θr =Bv sin θr ,选项B 正确;金属杆所受安培力的大小为F =BIl ′=B ·Bv sin θr ·l sin θ=B 2lv r,选项C 错误;金属杆的热功率为P =I 2R =B 2v 2sin 2θr 2·lr sin θ=B 2lv 2sin θr,选项D 错误. [答案] B考向2 导体棒旋转切割磁感线[典例3] (多选)1831年,法拉第发明的圆盘发电机(图甲)是利用电磁感应的原理制成的,是人类历史上第一台发电机.图乙是这个圆盘发电机的示意图:铜盘安装在水平的铜轴上,它的边缘正好在两磁极之间,两块铜片C 、D 分别与转动轴和铜盘的边缘良好接触,使铜盘转动,电阻R 中就有电流通过.若所加磁场为匀强磁场,方向水平向右,回路的总电阻恒定,从左往右看,铜盘沿顺时针方向匀速转动,下列说法正确的是( )甲 乙A.铜盘转动过程中,穿过铜盘的磁通量不变B.电阻R 中有正弦式交变电流通过C.若不给铜盘施加任何外力,铜盘最终会停下来D.通过R 的电流方向是从a 流向b[解析] 铜盘切割磁感线产生感应电动势,铜盘相当于电源,从而在电路中形成方向不变的电流,内部电流方向是从负极(D 点)到正极(C 点).由于铜盘在运动中受到安培力的阻碍作用,故最终会停下来.故选A 、C.[答案] AC[变式3](2015·新课标全国卷Ⅱ)如图所示,直角三角形金属框abc 放置在匀强磁场中,磁感应强度大小为B ,方向平行于ab 边向上.当金属框绕ab 边以角速度ω逆时针转动时,a 、b 、c 三点的电势分别为U a 、U b 、U c .已知bc 边的长度为l .下列判断正确的是( )A.U a >U c ,金属框中无电流B.U b >U c ,金属框中电流方向沿a →b →c →aC.U bc =-12Bl 2ω,金属框中无电流 D.U ac =12Bl 2ω,金属框中电流方向沿a →c →b →a 答案:C 解析:闭合金属框在匀强磁场中以角速度ω逆时针转动时,穿过金属框的磁通量始终为零,金属框中无电流.由右手定则可知U b =U a <U c ,A 、B 、D 选项错误;b 、c 两点的电势差U bc =-Blv 中=-12Bl 2ω,选项C 正确. 公式E =Blv 与E =n ΔΦΔt的比较考点通电自感和断电自感1.对自感现象的理解(1)自感电动势总是阻碍导体中原电流的变化.(2)通过线圈中的电流不能发生突变,只能缓慢变化.(3)电流稳定时,自感线圈就相当于普通导体.(4)线圈的自感系数越大,自感现象越明显,自感电动势只是延缓了过程的进行,但它不能使过程停止,更不能使过程反向.2.自感中“闪亮”与“不闪亮”问题与线圈串联的灯泡与线圈并联的灯泡电路图通电时电流逐渐增大,灯泡逐渐变亮电流突然增大,然后逐渐减小达到稳定断电时电流逐渐减小,灯泡逐渐变暗,电流方向不变电路中稳态电流为I1、I2:①若I2≤I1,灯泡逐渐变暗;②若I2>I1,灯泡闪亮后逐渐变暗.两种情况灯泡中电流方向均改变[典例4] 如图所示,A、B是两个完全相同的灯泡,L的自感系数较大的线圈,其直流电阻忽略不计.当开关S闭合时,下列说法正确的是( )A.A比B先亮,然后A熄灭B.B比A先亮,然后B逐渐变暗,A逐渐变亮C.A、B一起亮,然后A熄灭D.A、B一起亮,然后A逐渐变亮,B的亮度不变[解析] 开关闭合的瞬间,线圈由于自感阻碍电流通过,相当于断路,B灯先亮,之后线圈阻碍作用减弱,相当于电阻减小,则总电阻减小,总电流增大,路端电压减小,B灯所在支路电流减小,B灯变暗,A灯所在支路电流增大,A灯变亮.[答案] B考向2 断电自感[典例5] 如图所示电路中,L是一电阻可忽略不计的电感线圈,a、b为L的左、右两端点,A、B、C为完全相同的三个灯泡,原来开关S是闭合的,三个灯泡均在发光.某时刻将开关S断开,则下列说法正确的是( )A.a点电势高于b点,A灯闪亮后缓慢熄灭B.b点电势高于a点,B、C灯闪亮后缓慢熄灭C.a点电势高于b点,B、C灯闪亮后缓慢熄灭D.b点电势高于a点,B、C灯不会闪亮只是缓慢熄灭[解题指导] (1)断电自感现象中电流方向不改变.(2)L电阻不计,开关闭合时电流满足I A>I B=I C.[解析] 开关S闭合稳定时,电感线圈支路的总电阻较B、C 灯支路电阻小,故流过A灯的电流I1大于流过B、C灯的电流I2,且电流方向由a到b,a点电势高于b点.当开关S断开,电感线圈会产生自感现象,相当于电源,b点电势高于a点,阻碍流过A灯电流的减小,瞬间流过B、C灯支路的电流比原来的大,故B、C灯闪亮后再缓慢熄灭,故B正确.[答案] B考向3 自感现象中的图象问题[典例6]在如图所示的电路中,L为一个自感系数很大、直流电阻不计的线圈,D1、D2是两个完全相同的灯泡,E是一内阻不计的电源.t =0时刻,闭合开关S,经过一段时间后,电路达到稳定,t1时刻断开开关S.I1、I2分别表示通过灯泡D1和D2的电流,规定图中箭头所示的方向为电流正方向,选项中能定性描述电流I随时间t变化关系的是( )A B C D[解析] 当S闭合时,D1、D2同时亮且通过的电流大小相等,但由于L的自感作用,D1被短路,I1逐渐减小到零,I2逐渐增大至稳定;当S再断开时,D2马上熄灭,D1与L组成回路,由于L的自感作用,D1慢慢熄灭,电流反向且减小;综上所述知A正确.[答案] A分析自感现象时的两点注意(1)通电自感线圈中的电流不能发生突变,即通电过程中,电流是逐渐变大的;断电过程中,电流是逐渐变小的,此时线圈可等效为“电源”,该“电源”与其他元件形成回路.(2)断电自感中,灯泡是否闪亮问题的判断①通过灯泡的自感电流大于原电流时,灯泡闪亮;②通过灯泡的自感电流小于等于原电流时,灯泡不会闪亮.1.[公式E =BLv 的应用]如图所示,空间有一匀强磁场,一直金属棒与磁感应强度方向垂直,当它以速度v 沿与棒和磁感应强度都垂直的方向运动时,棒两端的感应电动势大小为ε;将此棒弯成两段长度相等且相互垂直的折线,置于与磁感应强度相垂直的平面内,当它沿两段折线夹角平分线的方向以速度v 运动时,棒两端的感应电动势大小为ε′,则ε′ε等于( ) A.12 B.22 C.1 D.2 答案:B 解析:设弯折前金属棒切割磁感线的长度为L ,弯折后,金属棒切割磁感线的有效长度为l =22L ,故产生的感应电动势为ε′=Blv =22BLv =22ε,所以ε′ε=22,B 正确. 2.⎣⎢⎡⎦⎥⎤公式E =n ΔΦΔt 的应用如图所示为无线充电技术中使用的受电线圈示意图,线圈匝数为n ,面积为S .若在t 1到t 2时间内,匀强磁场平行于线圈轴线向右穿过线圈,其磁感应强度大小由B 1均匀增加到B 2,则该段时间线圈两端a 和b 之间的电势差φa -φb ( )A.恒为nS (B 2-B 1)t 2-t 1B.从0均匀变化到nS (B 2-B 1)t 2-t 1C.恒为-nS (B 2-B 1)t 2-t 1D.从0均匀变化到-nS (B 2-B 1)t 2-t 1答案:C 解析:由楞次定律判定,感应电流从a 流向b ,b 点电势高于a 点电势,故φa -φb =-nS B 2-B 1t 2-t 1,因为磁场均匀增加,所以φa -φb 为恒定的,可见C 正确.3.⎣⎢⎡⎦⎥⎤公式E =12BL 2ω的应用如图所示,半径为r 的金属圆盘在垂直于盘面的匀强磁场B 中,绕O 轴以角速度ω沿逆时针方向匀速运动,则通过电阻R 的电流的方向和大小是(金属圆盘的电阻不计)( )A.由c 到d ,I =Br 2ωRB.由d 到c ,I =Br 2ωRC.由c 到d ,I =Br 2ω2RD.由d 到c ,I =Br 2ω2R答案:D 解析:由右手定则判定通过电阻R 的电流的方向是由d 到c ;而金属圆盘产生的感应电动E =12Br 2ω,所以通过电阻R 的电流大小是I =Br 2ω2R,选项D 正确. 4.[通电自感与断电自感]在如图所示的电路中,a 、b 为两个完全相同的灯泡,L 为电阻可忽略不计的自感线圈,E 为电源,S 为开关.关于两灯泡点亮和熄灭的先后次序,下列说法正确的是( )A.合上开关,a 先亮,b 后亮;断开开关,a 、b 同时熄灭B.合上开关,b 先亮,a 后亮;断开开关,a 先熄灭,b 后熄灭C.合上开关,b 先亮,a 后亮;断开开关,a 、b 同时熄灭D.合上开关,a 、b 同时亮;断开开关,b 先熄灭,a 后熄灭 答案:C 解析:由于L 是自感线圈,当合上S 时,自感线圈L 将产生自感电动势,阻碍电流的增加,故有b 灯先亮,a 灯后亮;当S 断开时,L 、a 、b 组成回路,L 产生自感电动势阻碍电流的减弱,由此可知,a 、b 同时熄灭,C 正确.5.公式E =12BL 2ω和E =n ΔΦΔt的应用如图所示,均匀磁场中有一由半圆弧及其直径构成的导线框,半圆直径与磁场边缘重合;磁场方向垂直于半圆面(纸面)向里,磁感应强度大小为B 0.使该线框从静止开始绕过圆心O 、垂直于半圆面的轴以角速度ω匀速转动半周,在线框中产生感应电流.现使线框保持图中所示位置,磁感应强度大小随时间线性变化.为了产生与线框转动半周过程中同样大小的电流,磁感应强度随时间的变化率ΔB Δt的大小应为( ) A.4ωB 0π B.2ωB 0π C.ωB 0π D.ωB 02π答案:C 解析:当导线框匀速转动时,设半径为r ,导线框电阻为R ,在很小的Δt 时间内,转过圆心角Δθ=ωΔt ,由法拉第电磁感应定律及欧姆定律可得感应电流I 1=B 0ΔS R Δt=B 0·πr 2Δθ2πR Δt =B 0r 2ω2R ;当导线框不动,而磁感应强度发生变化时,同理可得感应电流I 2=ΔBS R Δt =ΔB ·πr 22R Δt ,令I 1=I 2,可得ΔB Δt =B 0ωπ,C 对.。