法拉第电磁感应定律应用(1).ppt
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1、物理选修3-2法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律(2)(2)1 1. .会用法拉第电磁感应定律求感应电动势会用法拉第电磁感应定律求感应电动势。2 2. .会用楞次定律(右手定则)判断感应电流方向会用楞次定律(右手定则)判断感应电流方向。3 3. .掌握电磁感应中电路问题的解题思路和方法。掌握电磁感应中电路问题的解题思路和方法。4 4. .掌握电磁感应中掌握电磁感应中能量转化问题的解题能量转化问题的解题思路和方法思路和方法。物理选修3-2法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律(2)(2)1 1. .会用法拉第电磁感应定律求感应电动势会用法拉第电磁感应定律求感应电动势。2 2. .会用楞次定律(右
2、手定则)判断感应电流方向会用楞次定律(右手定则)判断感应电流方向。3 3. .掌握电磁感应中电路问题的解题思路和方法。掌握电磁感应中电路问题的解题思路和方法。4 4. .掌握电磁感应中掌握电磁感应中能量转化问题的解题能量转化问题的解题思路和方法思路和方法。物理选修3-2法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律(2)(2)一、法拉第电磁感应定律应用的研究历程一、法拉第电磁感应定律应用的研究历程物理选修3-2法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律(2)(2)一、法拉第发电机构造与原理一、法拉第发电机构造与原理1 1. .构造构造 物理选修3-2法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律(2)(2)2 2. .
3、原理原理 把圆盘看作是由无数根长度等于半径的紫铜辐条组把圆盘看作是由无数根长度等于半径的紫铜辐条组成的,在转动圆盘时,每根辐条都做切割磁感线的运动成的,在转动圆盘时,每根辐条都做切割磁感线的运动,当辐条转到,当辐条转到OAOA位置时,辐条和外电路中的电流表构成位置时,辐条和外电路中的电流表构成闭合回路,电路中便有电流产生。闭合回路,电路中便有电流产生。物理选修3-2法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律(2)(2)要点要点1 1:公式:公式的基本应用与的基本应用与计算问题计算问题【方法思路方法思路】 法拉第电磁感应定律的计算一般都会与闭合电路的法拉第电磁感应定律的计算一般都会与闭合电路的分析计算
4、结合起来,用到的知识包括楞次定律、直流电分析计算结合起来,用到的知识包括楞次定律、直流电路的规律和电路的连接等知识。这类题分析时要注意两路的规律和电路的连接等知识。这类题分析时要注意两点:一是正确计算磁感应强度的变化率,二是线圈两端点:一是正确计算磁感应强度的变化率,二是线圈两端的电压不等于感应电动势,而是电路的电压不等于感应电动势,而是电路( (或电源或电源) )的路端电的路端电压。压。物理选修3-2法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律(2)(2)典典例例:在磁感应强度为在磁感应强度为B B的匀强磁场中的匀强磁场中,有一个矩形线圈有一个矩形线圈, ,边长边长ab=Lab=L1 1,bc=Lb
5、c=L2 2 。线圈绕中心轴以角速度线圈绕中心轴以角速度由图示位由图示位置置按按逆时针方向转动逆时针方向转动。试求试求: :(1)(1)线圈中产生线圈中产生的的感应电动势的最大值感应电动势的最大值。 (2)(2)线圈转过线圈转过1/41/4周的过程中的平均感应电动势周的过程中的平均感应电动势。分析:分析:当线圈转到与磁感线方向平行时,当线圈转到与磁感线方向平行时,abab段和段和cdcd段都段都垂直切割磁感线,它们相当于两个串联的电源,此时线垂直切割磁感线,它们相当于两个串联的电源,此时线圈中产生的感应电动势最大,可以利用公式圈中产生的感应电动势最大,可以利用公式E=BLE=BLv v求解求解
6、. .而求解平均电动势应当利用公式而求解平均电动势应当利用公式 。 解析:解析:(1)(2)物理选修3-2法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律(2)(2)练习练习1 1:单匝矩形线圈在匀强磁场中匀速转动,转轴垂直单匝矩形线圈在匀强磁场中匀速转动,转轴垂直于磁场于磁场. .若线圈所围面积里磁通量随时间变化的规律如图若线圈所围面积里磁通量随时间变化的规律如图所示,则所示,则:( )( )A.A.线圈中线圈中0 0时刻感应电动势最大时刻感应电动势最大B.B.线圈中线圈中D D时刻感应电动势为零时刻感应电动势为零C.C.线圈中线圈中D D时刻感应电动势最大时刻感应电动势最大D.D.线圈中线圈中0 0到
7、到D D时间内平均感应电动势为时间内平均感应电动势为0.4V0.4VABD物理选修3-2法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律(2)(2)练习练习2 2:如图,将一条形磁铁插入某一闭合线圈,第一次如图,将一条形磁铁插入某一闭合线圈,第一次用用0.05s0.05s,第二次用,第二次用0.1s.0.1s.试求:试求:(1)(1)两次线圈中的平均感应电动势之比两次线圈中的平均感应电动势之比? ?(2)(2)两次通过线两次通过线圈的圈的电荷量之比电荷量之比? ?解:物理选修3-2法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律(2)(2)【例例1 1】如图所示,边长为如图所示,边长为a a的正方形闭合线框的正方形闭
8、合线框ABCDABCD在匀在匀强磁场中绕强磁场中绕ABAB边匀速转动,磁感应强度为边匀速转动,磁感应强度为B B,初始时刻线,初始时刻线框所在面与磁感线垂直,经过时间框所在面与磁感线垂直,经过时间t t转过转过1201200 0角,角,求:求: (1)(1)线框内感应电动势在线框内感应电动势在t t时间内的平均值;时间内的平均值; (2)(2)转过转过1201200 0角时角时, ,感应电动势的瞬时值。感应电动势的瞬时值。 【解析解析】(1)(1)设初始时刻线框朝纸外的一面设初始时刻线框朝纸外的一面为正面时,此时刻磁通量磁能量为正面时,此时刻磁通量磁能量1 1=Ba=Ba2 2,磁感线从正面穿
9、入;磁感线从正面穿入; t t时刻后,时刻后, 且此时刻磁通量的变化且此时刻磁通量的变化量应当是量应当是=(1 1+2 2) ),而不是,而不是=(1 1-2 2) ),( (学生学生可比较一下转过可比较一下转过1201200 0与转过与转过60600 0时的区别时的区别) )。而由。而由 求出平均电动势求出平均电动势(2)(2)计算感应电动势的瞬时值要用公式计算感应电动势的瞬时值要用公式 ,且且 、 ;代入上式解得:;代入上式解得: 。物理选修3-2法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律(2)(2)【例例2 2】(20122012亳州高二检测)与磁感应强度亳州高二检测)与磁感应强度B=0.8T
10、B=0.8T垂垂直的线圈面积为直的线圈面积为0.05m0.05m2 2,线圈绕有,线圈绕有5050匝,线圈的磁通量匝,线圈的磁通量是多少?若在是多少?若在0.5s0.5s内线圈位置转过内线圈位置转过5353,磁通量的平均,磁通量的平均变化率是多少?线圈中平均感应电动势的大小是多少变化率是多少?线圈中平均感应电动势的大小是多少? ?【思路思路】解答本题时可按以下思路分析:解答本题时可按以下思路分析:【解答解答】由由=BS=BS得:得:1 1=BS=0.80.05Wb=0.04Wb=BS=0.80.05Wb=0.04Wb,磁通量的变化量是由线圈有效面积的变化引起的,磁通量的变化量是由线圈有效面积的
11、变化引起的,2 2= =BScosBScos=0.80.050.6Wb=0.024Wb=0.80.050.6Wb=0.024Wb则则=2 2-1 1=0.016Wb=0.016Wb磁通量平均变化率磁通量平均变化率根据法拉第电磁感应定律得平均感应电动势的大小为:根据法拉第电磁感应定律得平均感应电动势的大小为:答案:答案:0.04 0.04 WbWb 0.032 0.032 Wb/sWb/s 1.6 V 1.6 V物理选修3-2法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律(2)(2)【思路思路】这是一个导体做切割磁感线运动产生感应电动这是一个导体做切割磁感线运动产生感应电动势的问题。感应电动势的大小可由公
12、式势的问题。感应电动势的大小可由公式E EB Bl lv v求出;感求出;感应电流的大小可由闭合电路欧姆定律求出;匀速运动时应电流的大小可由闭合电路欧姆定律求出;匀速运动时, ,水平外力的大小应该与安培力的大小相等。水平外力的大小应该与安培力的大小相等。例例3 3:如图,水平放置的平行金属导轨相距如图,水平放置的平行金属导轨相距l l0.50m0.50m,左,左端接一电阻端接一电阻R R0.200.20,磁感应强度,磁感应强度B B0.40T0.40T的匀强磁场的匀强磁场方向垂直于导轨平面。导体棒方向垂直于导轨平面。导体棒abab垂直放在导轨上,并能垂直放在导轨上,并能无摩擦地沿导轨滑动,导轨
13、和导体棒的电阻均可忽略不无摩擦地沿导轨滑动,导轨和导体棒的电阻均可忽略不计,当计,当abab以以v v4.0m/s4.0m/s的速度水平向右匀速滑动时的速度水平向右匀速滑动时, ,求求: :(1)ab(1)ab棒中感应电动势的大小;棒中感应电动势的大小;(2)(2)回路中感应电流的大小;回路中感应电流的大小;(3)ab(3)ab棒中哪端电势高;棒中哪端电势高;(4)(4)维持维持abab棒做匀速运动的水平外力棒做匀速运动的水平外力F F的大小。的大小。物理选修3-2法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律(2)(2)例例3 3:如图,水平放置的平行金属导轨相距如图,水平放置的平行金属导轨相距l l
14、0.50m0.50m,左,左端接一电阻端接一电阻R R0.200.20,磁感应强度,磁感应强度B B0.40T0.40T的匀强磁场的匀强磁场方向垂直于导轨平面。导体棒方向垂直于导轨平面。导体棒abab垂直放在导轨上,并能垂直放在导轨上,并能无摩擦地沿导轨滑动,导轨和导体棒的电阻均可忽略不无摩擦地沿导轨滑动,导轨和导体棒的电阻均可忽略不计,当计,当abab以以v v4.0m/s4.0m/s的速度水平向右匀速滑动时的速度水平向右匀速滑动时, ,求求: :(1)ab(1)ab棒中感应电动势的大小;棒中感应电动势的大小;(2)(2)回路中感应电流的大小;回路中感应电流的大小;(3)ab(3)ab棒中哪
15、端电势高;棒中哪端电势高;(4)(4)维持维持abab棒做匀速运动的水平外力棒做匀速运动的水平外力F F的大小。的大小。【解解】( (1)ab1)ab棒的感应电动势棒的感应电动势(3)ab(3)ab相当于电源,根据右手定则知,相当于电源,根据右手定则知,a a端电势高。端电势高。(2)(2)感应电流的大小为感应电流的大小为 。(4)ab(4)ab棒受安培力棒受安培力F FB BI Il l0.404.00.50N0.404.00.50N0.80N0.80N 由于由于abab以以v v4.0m/s4.0m/s的速度水平向右匀速滑动,此时的速度水平向右匀速滑动,此时杆受力平衡,故外力的大小也为杆受
16、力平衡,故外力的大小也为0.80N0.80N。物理选修3-2法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律(2)(2)【例例4 4】如图,有一半径为如图,有一半径为R R的圆形匀强磁场区域,磁感的圆形匀强磁场区域,磁感应强度为应强度为B B,一条足够长的直导线以速度,一条足够长的直导线以速度v v进入磁场,则从直导线进入磁场至离开磁场进入磁场,则从直导线进入磁场至离开磁场区域的过程中,求:区域的过程中,求:(1)(1)感应电动势的最大值为多少?感应电动势的最大值为多少?(2)(2)在这一过程中感应电动势随时间变化的规律如何?在这一过程中感应电动势随时间变化的规律如何?(3)(3)从开始运动至经过圆心的过
17、程中直导线中的平均感应从开始运动至经过圆心的过程中直导线中的平均感应电动势为多少?电动势为多少?【思路思路】求解此题应注意以下三点:求解此题应注意以下三点:【解答解答】(1)(1)由由E=E=B Bl lv v可知,当直导线切割磁感线的有效可知,当直导线切割磁感线的有效长度长度l l最大时,最大时,E E最大,最大,l l最大为最大为2R2R,所以感应电动势的最,所以感应电动势的最大值大值E=2BRvE=2BRv。(2)(2)对于对于E E随随t t变化的规律应求的是瞬时感应电动势,由几变化的规律应求的是瞬时感应电动势,由几何关系可求出直导线切割磁感线的有效长度何关系可求出直导线切割磁感线的有
18、效长度l l 随时间随时间t t变变化的情况为化的情况为所以所以(3)(3)从开始运动至经过圆心的过程中直导线的平均感应电从开始运动至经过圆心的过程中直导线的平均感应电动势:动势:答案:答案:(1)2BRv(1)2BRv物理选修3-2法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律(2)(2)【例例5 5】如图所示,导轨如图所示,导轨OMOM和和ONON都在纸面内,导体都在纸面内,导体ABAB可在可在导轨上无摩擦滑动,若导轨上无摩擦滑动,若ABAB以以5m/s5m/s的速度从的速度从O O点开始沿导轨点开始沿导轨匀速向右滑动,导体与导轨都足够长,它们每米长度的匀速向右滑动,导体与导轨都足够长,它们每米长度
19、的电阻都是电阻都是0.20.2,磁场的磁感应强度为,磁场的磁感应强度为0.2T0.2T。求:。求:(1)3s(1)3s末电路上的电流为多少末电路上的电流为多少? ?(2)3s(2)3s内电路中产生的平均感应电动势为多少内电路中产生的平均感应电动势为多少? ?【解析解析】(1)(1)导轨间的部分导体切割磁感导轨间的部分导体切割磁感线产生的感应电动势为电路中的电动势线产生的感应电动势为电路中的电动势, ,3s3s末时刻,夹在导轨间导体的长度为:末时刻,夹在导轨间导体的长度为:l l=OBtan30=vttan30=OBtan30=vttan30=所以所以此时电阻为:此时电阻为:R=(OB+OA+A
20、B)0.2=8.20R=(OB+OA+AB)0.2=8.20,所以,所以(2)(2)3s3s内的感应电内的感应电动势的平均值为:动势的平均值为:物理选修3-2法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律(2)(2)【例例6 6】如图甲所示的螺线管,匝数如图甲所示的螺线管,匝数n=1500n=1500匝,横截面积匝,横截面积S=20cmS=20cm2 2,电阻,电阻r=1.5r=1.5,与螺线管串联的外电阻,与螺线管串联的外电阻R R1 1=3.5=3.5,R R2 2=2.5=2.5,向右穿过螺线管的匀强磁场的磁感应强度,向右穿过螺线管的匀强磁场的磁感应强度按图乙所示规律变化。求:按图乙所示规律变化。
21、求:(1)(1)螺线管产生的感应电动势大小;螺线管产生的感应电动势大小;(2)(2)通过螺线管的电流大小和方向;通过螺线管的电流大小和方向;(3)(3)螺线管两端的电压大小,并判螺线管两端的电压大小,并判 断断M M、P P两端的电势高低。两端的电势高低。 【解解】(1)(1)由由B-tB-t图像知,图像知, 由由 得:得: E=15002010E=15002010-4-42V=6V2V=6V。(2)(2)由楞次定律判断,当由楞次定律判断,当B B随时间增大时,穿过线圈的磁随时间增大时,穿过线圈的磁通量增大,因此感应电流的磁场方向向左,再由安培定通量增大,因此感应电流的磁场方向向左,再由安培定
22、则知,感应电流方向为则知,感应电流方向为MacbPMMacbPM。根据根据 得:得:物理选修3-2法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律(2)(2)【例例6 6】如图甲所示的螺线管,匝数如图甲所示的螺线管,匝数n=1500n=1500匝,横截面积匝,横截面积S=20cmS=20cm2 2,电阻,电阻r=1.5r=1.5,与螺线管串联的外电阻,与螺线管串联的外电阻R R1 1=3.5=3.5,R R2 2=2.5=2.5,向右穿过螺线管的匀强磁场的磁感应强度,向右穿过螺线管的匀强磁场的磁感应强度按图乙所示规律变化。求:按图乙所示规律变化。求:(1)(1)螺线管产生的感应电动势大小;螺线管产生的感应
23、电动势大小;(2)(2)通过螺线管的电流大小和方向;通过螺线管的电流大小和方向;(3)(3)螺线管两端的电压大小,并判螺线管两端的电压大小,并判 断断M M、P P两端的电势高低。两端的电势高低。 (3)(3)由电流方向知,由电流方向知,M M端电势高,螺线管两端的电压既是端电势高,螺线管两端的电压既是电源的路端电压,也是电阻电源的路端电压,也是电阻R R1 1、R R2 2两端的电压之和,所以两端的电压之和,所以:U UMPMP=I(R=I(R1 1+R+R2 2)=0.8(3.5+2.5)V=4.8V)=0.8(3.5+2.5)V=4.8V。答案答案:(1)6V (1)6V (2)0.8A
24、 MacbPM(2)0.8A MacbPM(3)4.8V M(3)4.8V M端电势高端电势高物理选修3-2法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律(2)(2)【总结提升总结提升】三种求感应电动势的方法三种求感应电动势的方法(2)(2)公式公式E=E=B Bl lvsinvsin。该公式一般用来计算导体棒切割磁。该公式一般用来计算导体棒切割磁感线时产生的瞬时感应电动势,式中感线时产生的瞬时感应电动势,式中B B表示磁感应强度表示磁感应强度, ,l l表示导体棒的有效长度,表示导体棒的有效长度,v v表示瞬时速度,表示瞬时速度,表示表示v v与与B B之间的夹角。之间的夹角。(3)(3)公式公式E=
25、 BE= Bl l2 2。主要适用于导体棒绕一个端点垂直。主要适用于导体棒绕一个端点垂直于磁感线并匀速转动切割磁感线的情形。于磁感线并匀速转动切割磁感线的情形。(1)(1)应用公式应用公式 。这里主要有两种情况:一是面积。这里主要有两种情况:一是面积不变,这时公式为不变,这时公式为E=E=nSnS ;另一种是磁感应强度;另一种是磁感应强度B B不变不变, ,这时公式为这时公式为 。物理选修3-2法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律(2)(2)要点要点2 2电磁感应现象中的电路问题电磁感应现象中的电路问题1.1.电路分析电路分析(1)(1)明确哪部分导体或电路产生感应电动势,该导体或电明确哪部分
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