2024-2025學(xué)年高中物理4.4法拉第電磁感應(yīng)定律學(xué)案含解析新人教版選修3-2

PAGE7-4法拉第電磁感應(yīng)定律學(xué)習(xí)目標(biāo)1.知道什么是感應(yīng)電動勢,產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的那部分導(dǎo)體相當(dāng)于電源.2.知道感應(yīng)電動勢的大小與磁通量的變更快慢有關(guān).3.了解法拉第電磁感應(yīng)定律的內(nèi)容及數(shù)學(xué)表達(dá)式,學(xué)會用該定律分析與解決一些簡潔問題.4.知道導(dǎo)體垂直切割磁感線運動時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的表達(dá)式,并能進(jìn)行簡潔的計算.5.會用法拉第電磁感應(yīng)定律解決簡潔的實際問題.自主探究1.法拉第電磁感應(yīng)定律:閉合電路中感應(yīng)電動勢的大小,跟穿過這一電路的成正比.

2.導(dǎo)線切割磁感線時,導(dǎo)線兩端的感應(yīng)電動勢為E=.

3.電動機(jī)轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢總要電源電動勢的作用,這個電動勢稱為反電動勢.

合作探究一、感應(yīng)電動勢自主學(xué)習(xí):閱讀課本P15的內(nèi)容,回答問題.如圖所示,在螺線管中插入一個條形磁鐵.(1)在條形磁鐵向下插入螺線管的過程中,電路中有電流,是誰充當(dāng)電源?(2)上圖中若電路是斷開的,有無感應(yīng)電流?有無感應(yīng)電動勢?(3)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的條件是什么?歸納總結(jié):在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電流叫感應(yīng)電流,在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢就叫做感應(yīng)電動勢.產(chǎn)生電動勢的導(dǎo)體相當(dāng)于.

二、電磁感應(yīng)定律探究試驗:影響感應(yīng)電動勢大小的因素是什么?(1)猜想假設(shè):“猜一猜”感應(yīng)電動勢的大小跟什么因素有關(guān),并說出猜想的理由.(2)設(shè)計試驗:試驗次數(shù)條形磁鐵數(shù)插入線圈的速度指針偏轉(zhuǎn)數(shù)1一根慢2一根快3二根快(3)進(jìn)行試驗:利用供應(yīng)的試驗器材進(jìn)行試驗,視察試驗現(xiàn)象并記錄.(4)分析論證:分析試驗現(xiàn)象,得出結(jié)論.(5)試驗結(jié)論:感應(yīng)電動勢的大小跟磁通量變更量ΔΦ和所用時間Δt都有關(guān).磁通量變更越快,感應(yīng)電動勢越大.(6)類比分析:類比速度和加速度,了解磁通量變更的快慢可以用磁通量的變更率ΔΦΔt表示,且磁通量的自主學(xué)習(xí):閱讀課本P15學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)定律的內(nèi)容.1.內(nèi)容:.

2.表達(dá)式:E=.在國際單位制中,電動勢單位是,磁通量單位是,時間單位是.

3.設(shè)閉合電路是一個n匝線圈,且穿過每匝線圈的都相同,這時相當(dāng)于n個單匝線圈而成,因此感應(yīng)電動勢變?yōu)镋=.

三、導(dǎo)線切割磁感線時的感應(yīng)電動勢公式推導(dǎo):如圖所示,把矩形線框abcd放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場里,線框平面跟磁感線垂直.設(shè)線框可動部分導(dǎo)體棒ab的長度是l,以速度v向右運動,則產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢怎么表示?提出問題:(1)線框中的哪一部分是電源?(2)若不存在線框的固定部分,只有導(dǎo)體棒的上述運動,則電源還存在嗎?歸納總結(jié):1.B、l、v三者相互,導(dǎo)體棒中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E=.此公式是法拉第電磁感應(yīng)定律的一種特別狀況,計算導(dǎo)體做切割磁感線運動產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢時,用此公式比較便利.

2.若導(dǎo)體棒的速度方向與磁場方向平行,則導(dǎo)體棒中的感應(yīng)電動勢為.

3.若B、l、v中只有兩者相互垂直,v與B有一夾角θ,導(dǎo)體棒中感應(yīng)電動勢E=.若v為平均速度,則求得的是;若v為瞬時速度,則求得的是.

四、反電動勢提出問題:電動機(jī)轉(zhuǎn)動時,線圈中也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,這個電動機(jī)是加強(qiáng)了電源產(chǎn)生的電流,還是減弱了電源的電流,是有利于線圈轉(zhuǎn)動還是阻礙線圈的轉(zhuǎn)動?歸納總結(jié):電動機(jī)轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢總要電源電動勢的作用,這個電動勢稱為反電動勢.反電動勢的作用是線圈的轉(zhuǎn)動.這樣,線圈要維持原來的轉(zhuǎn)動就必需向電動機(jī)供應(yīng)電能,電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能.

課堂檢測1.下列說法正確的是()A.線圈中磁通量變更越大,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢肯定越大B.線圈中磁通量越大,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢肯定越大C.線圈處在磁場越強(qiáng)的位置,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢肯定越大D.線圈中磁通量變更得越快,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大2.穿過一個單匝線圈的磁通量,始終為每秒鐘勻稱地增加2Wb,則()A.線圈中的感應(yīng)電動勢每秒鐘增大2VB.線圈中的感應(yīng)電動勢每秒鐘減小2VC.線圈中的感應(yīng)電動勢始終為2VD.線圈中不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢3.在南極(可看成是地磁北極)上空離地面較近處,有一根與地面平行的直導(dǎo)線,現(xiàn)讓直導(dǎo)線由靜止自由下落,在下落過程中,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢()A.增大 B.減小 C.不變 D.無法推斷4.粗細(xì)勻稱的電阻絲圍成的正方形線框置于有界勻強(qiáng)磁場中,磁場方向垂直于線框平面,其邊界與正方形線框的邊平行.現(xiàn)使線框以同樣大小的速度沿四個不同方向平移出磁場,如圖所示,則在移出過程中線框的一邊a、b兩點間電勢差肯定值最大的是()5.如圖所示,勻稱的金屬(電阻率較大)長方形線框從勻強(qiáng)磁場中以勻速v拉出,它的兩邊固定有帶金屬滑輪的導(dǎo)電裝置,金屬框向右運動時總能與兩邊良好接觸,一志向電壓表跨接在PQ兩導(dǎo)電機(jī)構(gòu)上.金屬框的長為a,寬為b,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.在金屬框向右勻速拉出的過程中,電壓表的示數(shù)狀況為()A.恒定不變,示數(shù)為Bbv B.恒定不變,示數(shù)為BavC.示數(shù)變大 D.示數(shù)變小6.電吉他是利用電磁感應(yīng)原理工作的一種樂器.如圖甲為電吉他的原理圖,在金屬弦的下方放置有一個連接到放大器的螺線管.一條形磁鐵固定在管內(nèi),當(dāng)撥動金屬弦后,螺線管內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電流,經(jīng)一系列轉(zhuǎn)化后可將電信號轉(zhuǎn)為聲音信號.若由于金屬弦的振動,螺線管內(nèi)的磁通量隨時間的變更如圖乙所示,則對應(yīng)感應(yīng)電流的變更為()7.如圖所示,每米電阻為1Ω的一段導(dǎo)線被彎成半徑r=1m的三段圓弧組成閉合回路.每段圓弧都是14圓周,位于空間直角坐標(biāo)系的不同平面內(nèi):ab段位于xOy平面內(nèi),bc段位于yOz平面內(nèi),ca段位于zOx平面內(nèi).空間內(nèi)存在著一個沿x軸正方向的磁場,其磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時間變更的關(guān)系式為B=0.7+0.6t(T).則(A.導(dǎo)線中的感應(yīng)電流大小是0.1A,方向是a→c→b→aB.導(dǎo)線中的感應(yīng)電流大小是0.1A,方向是a→b→c→aC.導(dǎo)線中的感應(yīng)電流大小是π20A,方向是a→c→b→D.導(dǎo)線中的感應(yīng)電流大小是π20A,方向是a→b→c→8.一航天飛機(jī)下有一細(xì)金屬桿,桿指向地心.若僅考慮地磁場的影響,則當(dāng)航天飛機(jī)位于赤道上空()A.由東向西水平飛行時,金屬桿中感應(yīng)電動勢的方向肯定由上向下B.由西向東水平飛行時,金屬桿中感應(yīng)電動勢的方向肯定由上向下C.沿經(jīng)過地磁極的那條經(jīng)線由南向北水平飛行時,金屬桿中感應(yīng)電動勢的方向肯定由下向上D.沿經(jīng)過地磁極的那條經(jīng)線由北向南水平飛行時,金屬桿中沒有感應(yīng)電動勢9.一根直導(dǎo)線長0.1m,在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.1T的勻強(qiáng)磁場中以10m/s的速度勻速運動,則導(dǎo)線中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢()A.肯定為0.1V B.可能為零C.可能為0.1V D.最大值為0.1V10.一個200匝、面積為20cm2的線圈放在磁場中,磁場的方向與線圈平面成30°角,若磁感應(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的變更量是Wb;磁通量的平均變更率是Wb/s;線圈中的感應(yīng)電動勢的大小是V.

11.試寫出如圖所示的各種狀況下,導(dǎo)線中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的表達(dá)式(導(dǎo)線長均為l,速度為v,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,圖(3)中導(dǎo)體垂直紙面).12.橫截面積S=0.2m2、n=100匝的圓形線圈A處在如圖所示的磁場內(nèi),磁感應(yīng)強(qiáng)度變更率為0.02T/s.起先時S未閉合,R1=4Ω,R2=6Ω,C=30μF,線圈內(nèi)阻不計,求:(1)閉合S后,通過R2的電流的大小;(2)閉合S一段時間后又?jǐn)嚅_,問S斷開后通過R2的電荷量.13.如圖所示,勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.5T.一個匝數(shù)n=50的矩形線圈邊長ab=0.2m,bc=0.1m,以角速度ω=314rad/s繞ab邊勻速轉(zhuǎn)動.求:(1)圖示位置時的瞬時感應(yīng)電動勢;(2)由圖示位置轉(zhuǎn)過90°這段時間內(nèi)的平均感應(yīng)電動勢.14.如圖甲所示,一個電阻值為R、匝數(shù)為n的圓形金屬線與阻值為2R的電阻R1連接成閉合回路.線圈的半徑為r1.在線圈中半徑為r2的圓形區(qū)域存在垂直于線圈平面對里的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間t變更的關(guān)系圖線如圖乙所示.圖線與橫、縱軸的截距分別為t0和B0.導(dǎo)線的電阻不計.求0~t1時間內(nèi)通過電阻R1上的電流大小和方向.參考答案自主探究1.磁通量的變更率2.Blv3.減弱合作探究一、感應(yīng)電動勢歸納總結(jié):電源二、電磁感應(yīng)定律自主學(xué)習(xí):1.閉合電路中感應(yīng)電動勢的大小,跟穿過這一電路的磁通量的變更率成正比2.ΔΦΔt伏(V)3.磁通量變更率串聯(lián)Δ三、導(dǎo)線切割磁感線時的感應(yīng)電動勢公式推導(dǎo):設(shè)在Δt時間內(nèi)導(dǎo)體棒由ab運動至a'b'由法拉第電磁感應(yīng)定律得,E=Δ其中,ΔΦ=BΔS,ΔS=l·vΔt由上述方程可以推出,E=Blv.提出問題:(1)導(dǎo)體棒ab;(2)存在.歸納總結(jié):1.垂直Blv2.03.Blvsinθ平均感應(yīng)電動勢瞬時感應(yīng)電動勢四、反電動勢歸納總結(jié):減弱阻礙課堂檢測1.D解析:線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為E=nΔΦΔt,即E與ΔΦΔt成正比,與Φ或ΔΦ的大小無干脆關(guān)系.2.C解析:依據(jù)題意,穿過線圈的磁通量始終每秒鐘勻稱增加2Wb,即穿過線圈的磁通量的變更率ΔΦΔt=2Wb/s,由法拉第電磁感應(yīng)定律得,E=nΔ3.C解析:南極上空磁感線豎直向上,當(dāng)直導(dǎo)線自由下落時v與B平行,不切割磁感線,所以感應(yīng)電動勢始終為零,C項正確.4.B解析:由E=Blv知,這四種狀況線框切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢是相同的,而B項表示的是電源的路端電壓,電勢差的肯定值為3E4,而其他三種狀況電勢差的肯定值都為E5.C解析:由E=Bbv知,在金屬框向右勻速拉出的過程中,線框中感應(yīng)電動勢的大小是不變的,而與電壓表并聯(lián)的外電阻的阻值不斷增大,由串聯(lián)分壓知,電壓表的讀數(shù)變大.6.B解析:由感應(yīng)電流公式I=ER=nΔΦRΔt,感應(yīng)電流大小與磁通量的變更率有關(guān),在Φ-t圖線上各點切線的斜率的肯定值表示感應(yīng)電流的大小,斜率的正、負(fù)號表示電流的方向;依據(jù)題圖乙,在0~t0時間內(nèi),感應(yīng)電流I的大小先減小到零,然后再7.A解析:由于空間存在一個沿x軸正方向的磁場,因此產(chǎn)生磁通量的有效面積為14圓,即面bOc,依據(jù)楞次定律可判定導(dǎo)線中的感應(yīng)電流方向是a→c→b→a,B、D兩項錯誤;由法拉第電磁感應(yīng)定律E=nΔΦΔt和閉合電路的歐姆定律I=E8.AD解析:如圖,設(shè)視察方向為面對北方,左西右東,則地磁場方向平行赤道表面對北,若飛機(jī)由東向西飛行時,由右手定則可推斷出電動勢方向為由上向下,若飛機(jī)由西向東飛行時,由右手定則可推斷出電動勢方向為由下向上,A項正確,B項錯誤;沿著經(jīng)過地磁極的那條經(jīng)線運動時,速度方向平行于磁場,金屬桿中沒有感應(yīng)電動勢,C項錯誤,D項正確.9.BCD解析:當(dāng)公式E=Blv中B、l、v兩兩垂直時,導(dǎo)線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大Emax=Blv=0.1×0.1×10V=0.1V,而當(dāng)B、l、v中有隨意兩個量平行時,E=0,除此之外的其他狀況,E的取值介于0~0.1V之間,所以B、C、D三項正確.10.解析:磁通量的變更量是由磁場的變更引起的,所以ΔΦ=ΔBSsinθ=(0.5-0.1)×20×10-4×0.5Wb=4×10-4Wb,磁通量的變更率ΔΦΔt=4×10-40.05Wb/s=8×10-3Wb/s,感應(yīng)電動勢E=nΔΦΔt=200答案:4×10-48×10-31.611.解析:題圖(1)(3)中此時導(dǎo)體不切割磁感線,所以感應(yīng)電動勢E=0;因為(2)中B、l、v兩兩垂直,所以感應(yīng)電動勢E=Blv.答案:(1)E=0(2)E=Blv(3)E=012.解析:(1)磁感應(yīng)強(qiáng)度變更率的大小為ΔBΔt=0.02T/s,所以E=nSΔBΔt=100×0.02×I=ER1+R2=0(2)R2兩端的電壓為U2=R2R1+R2E=64+6×所以Q=CU2=30×10-6×0.24C=7.2×10-6C.答案:(1)