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- 2021-05-27 发布
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第2讲 法拉第电磁感应定律
[目标定位] 1. 知道什么是感应电动势.2.理解磁通量、磁通量的变化量和磁通量的变化率三者的联系与区别.3.了解法拉第电磁感应定律内容及数学表达式,学会用该定律分析与解决一些简单问题.4.培养类比推理和通过观察、实验、归纳寻找物理规律的能力.
一、感应电动势
1.在电磁感应现象中产生的电动势叫感应电动势,在闭合电路里,产生感应电动势的那部分导体相当于电源.
2.感应电动势的大小跟磁通量的变化的快慢有关.
3.我们用磁通量的变化率来表示磁通量变化的快慢,它是磁通量的变化量跟产生这个变化所用时间的比值.
想一想 是不是可以说磁通量的变化量越大,磁通量的变化率越大?
答案 不是.磁通量的变化率指单位时间内磁通量的变化量,它们的关系类似于速度的变化量和速度的变化率.
二、法拉第电磁感应定律
1.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.n为线圈的匝数.ΔΦ是磁通量的变化量.
3.国际单位:ΔΦ的单位是韦伯(Wb),Δt的单位是秒(s),E的单位是伏特.
4.电能的产生一定是以消耗其他形式的能量为代价的.各种获得大规模电能的实用方案,都是以法拉第电磁感应定律为理论基础的.
想一想 电磁感应过程中,能量是如何转化的?
答案 电磁感应过程是其他形式的能转化为电能的过程.
一、感应电动势
1.磁通量Φ、磁通量的变化量ΔΦ、磁通量的变化率的比较
(1)Φ是状态量
8
,是闭合回路在某时刻(某位置)穿过回路的磁感线的条数,当磁场与回路平面垂直时Φ=BS.
(2)ΔΦ是过程量,它表示回路从某一时刻到另一时刻磁通量的改变量,即ΔΦ=Φ2-Φ1.
(3)表示磁通量的变化快慢,即单位时间内磁通量的变化量,又称为磁通量的变化率.
(4)磁通量的变化率是Φ-t图象上某点切线的斜率.如图3-2-1所示,t=0.1 s时,=0,t=0、0.2 s、0.4 s、0.6 s 时图线斜率最大,即最大.
图3-2-1
2.感应电动势
(1)由电磁感应产生的电动势叫感应电动势.在闭合电路里,产生感应电动势的那部分导体相当于电源.
(2)当电路闭合时,回路中有感应电流;当电路断开时,回路中没有感应电流,但感应电动势仍然存在.
例1 把一条形磁铁插入同一个闭合线圈中,第一次是迅速地,第二次是缓慢地,两次初、末位置均相同,则在两次插入的过程中( )
A.磁通量变化率相同
B.磁通量变化量相同
C.产生的感应电流相同
D.产生的感应电动势相同
答案 B
解析 两次以不同速率进入闭合线圈,磁通量的变化量相同,但是时间不同,则磁通量的变化率不同,感应电动势不同,感应电流也不同.
针对训练1 下列说法正确的是( )
A.磁通量大,磁通量变化量一定大
B.磁通量变化大,磁通量变化率一定大
C.磁通量为零,磁通量的变化率为零
8
D.磁通量为零,磁通量的变化率不一定为零
答案 D
解析 磁通量对应一个状态,而磁通量变化对应一个过程,所以磁通量变化的大小与磁通量的大小无直接关系,选项A错误;同理磁通量变化的大小与变化的具体过程有关,包括变化的快慢以及变化的时间,而磁通量的变化率只描述磁通量变化的快慢,所以只有选项D正确.
二、法拉第电磁感应定律
1.内容:电路中感应电动势的大小,跟穿过该电路的磁通量的变化率成正比.
2.公式:E=n.
n为线圈的匝数,ΔΦ是磁通量的变化量.
电动势的大小决定于穿过电路的磁通量的变化率.而与Φ的大小、ΔΦ的大小没有必然
联系.
3.单位:ΔΦ的单位是韦伯(Wb),Δt的单位是秒(s),E的单位是Wb/s,E的国际单位是V.
4.电磁感应现象的本质:在电磁感应现象中,一定产生感应电动势,不一定产生感应电流.能否产生感应电动势是电磁感应现象的本质.
例2 穿过一个单匝线圈的磁通量始终保持每秒钟均匀地增加6 Wb,则( )
A.线圈中感应电动势每秒钟增加6 V
B.线圈中感应电动势每秒钟减少6 V
C.线圈中感应电动势保持不变
D.线圈中无感应电动势
答案 C
解析 磁通量始终保持每秒钟均匀地增加6 Wb,即电动势保持6 V不变.
针对训练2 如图3-2-2所示,两个半径不同的同心圆线圈置于匀强磁场中,当磁场均匀增大时,线圈1和线圈2产生的感应电动势的关系为( )
图3-2-2
8
A.E1=E2 B.E1>E2
C.E1E2.
对法拉第电磁感应定律的理解
1.当线圈中的磁通量发生变化时,下列说法正确的是( )
A.线圈中一定有感应电流
B.线圈中有感应电动势,其大小与磁通量成正比
C.线圈中一定有感应电动势
D.线圈中有感应电动势,其大小与磁通量的变化量成正比
答案 C
解析 线圈中的磁通量发生变化肯定有感应电动势,但不一定有感应电流,由E=n知,感应电动势与ΔΦ不成正比.选项C正确.
2.穿过某单匝线圈的磁通量随时间的变化关系如图3-2-3所示,在线圈内产生感应电动势最大值的时间是( )
图3-2-3
A.0~2 s B.2~4 s
C.4~6 s D.6~10 s
答案 C
解析 由E=,E的大小由的大小来决定,只有C正确.
感应电动势大小的计算
3.有一个单匝线圈,在0.2 s内通过它的磁通量从0.02 Wb均匀增加到0.08 Wb,则线圈中的感应电动势为( )
8
A.0.1 V B.0.2 V
C.0.3 V D.0.4 V
答案 C
解析 由E=得E= V=0.3 V,C正确.
4.如图3-2-4甲所示,某线圈一共50匝,若穿过线圈的磁通量随时间的变化如图3-2-4乙所示,则a、b两点间的电压是多少?
图3-2-4
答案 50 V
解析 求a、b两点的电压就等于求线圈中的感应电动势,
由图乙得= V=1 V,
故E=n=50 V,
所以a、b两点间电压等于50 V.
(时间:60分钟)
题组一、对法拉第电磁感应定律的理解
1.关于感应电动势的大小,下列说法正确的是( )
A.穿过闭合回路的磁通量最大时,其感应电动势一定最大
B.穿过闭合回路的磁通量为零时,其感应电动势一定为零
C.穿过闭合回路的磁通量由不为零变为零时,其感应电动势一定为零
D.穿过闭合回路的磁通量由不为零变为零时,其感应电动势一定不为零
答案 D
解析 感应电动势的大小只与线圈的匝数及磁通量的变化率成正比,与其他因素无关.只要回路的磁通量发生变化,感应电动势就一定不为零,D正确.
2.感应电动势产生的条件是( )
8
A.导体必须做切割磁感线的运动
B.导体回路必须闭合,且回路所包围面积内的磁通量发生变化
C.无论导体回路是否闭合,只要它包围面积内的磁通量发生变化
D.导体回路不闭合
答案 C
解析 产生感应电动势的条件是回路中的磁通量发生变化,与回路闭合与否无关,故C选项正确,B、D选项错;磁通量变化的方式很多,不一定是导体切割磁感线,故选项A错.
3.如图3-2-5所示,让线圈由位置1通过一个匀强磁场的区域运动到位置2,下列说法中正确的是( )
图3-2-5
A.在线圈进入匀强磁场区域的过程中,线圈中有感应电流,而且进入时的速度越大,感应电流越大
B.整个线圈在匀强磁场中匀速运动时,线圈中有感应电流,而且电流是恒定的
C.整个线圈在匀强磁场中加速运动时,线圈中有感应电流,而且电流越来越大
D.在线圈穿出匀强磁场区域的过程中,线圈中有感应电流,而且穿出时的速度越大,感应电流越大
答案 AD
解析 线圈在进入和穿出磁场时,线圈中有感应电流,且运动速度越大,磁通量变化越快,产生的感应电流越大.当线圈全部进入磁场后,穿过线圈的磁通量始终不变,没有感应电流.
4.一个闭合线圈放在变化的磁场中,线圈产生的感应电动势为E.若仅将线圈匝数增加为原来的2倍,则线圈产生的感应电动势变为( )
A.2E B.E
C. D.
答案 A
解析 由法拉第电磁感应定律E=n可知,当仅将线圈的匝数变为原来的2倍时,线圈中的感应电动势变为原来的2倍,故A对,B、C、D错.
8
题组二、感应电动势大小的计算
5.穿过单匝闭合线圈的磁通量每秒连续均匀地增大4 Wb,则( )
A.线圈中的感应电动势将均匀增大
B.线圈中的感应电流将均匀增大
C.线圈中的感应电动势将保持4 V不变
D.线圈中的感应电流保持2 A不变
答案 C
解析 本题是定性分析和定量计算,其核心仍是对法拉第电磁感应定律的正确理解与应用.由E=得E==4 V,C项正确;因线圈电阻不一定是2 Ω,D项错误.故正确答案
为C.
6.如图3-2-6所示,桌面上放一单匝线圈,线圈中心上方一定高度处有一竖立的条形磁体.当磁体竖直向下运动时,穿过线圈的磁通量将______(选填“变大”或“变小”).在上述过程中,穿过线圈的磁通量变化了0.1 Wb,经历的时间为0.5 s,则线圈中的感应电动势为________V.
图3-2-6
答案 变大 0.2 V
解析 当磁体竖直向下运动时,磁场增强,穿过线圈的磁感线的条数增多,磁通量将变大;由E=n= V=0.2 V.
7.一个200匝、面积为20 cm2的线圈,放在磁场中,磁场的方向与线圈平面垂直,若磁感应强度在0.05 s内由0.1 T增加到0.5 T,在此过程中穿过线圈的磁通量的变化量是________Wb;磁通量的平均变化率是________Wb/s;线圈中的感应电动势的大小是________V.
答案 8×10-4 1.6×10-2 3.2
解析 ΔΦ=(B2-B1)S=(0.5-0.1)×20×10-4 Wb=8×10-4 Wb
= Wb/s=1.6×10-2 Wb/s
8
E=n=200×1.6×10-2 V=3.2 V.
8.穿过单匝闭合线圈的磁通量随时间变化的Φ—t图象如图3-2-7所示,由图知0~5 s 线圈中感应电动势大小为________ V,5~10 s 线圈中感应电动势大小为________ V,10~15 s线圈中感应电动势大小为________ V.
图3-2-7
答案 1 0 2
解析 由E=n,可得0~5 s线圈中感应电动势大小;E1= V=1 V;5~10 s线圈中感应电动势大小E2=V=0 V;10~15 s线圈中感应电动势E3= V=-2 V,其大小为2 V.
9.如图3-2-8所示,一单匝线圈从左侧进入磁场.在此过程中,
图3-2-8
(1)线圈的磁通量将如何变?
(2)若上述过程所经历的时间为0.1 s,线圈中产生的感应电动势为0.2 V,则线圈中的磁通量变化了多少?
答案 (1)变大 (2)0.02 Wb
解析 (1)线圈从左侧进入磁场的过程中,穿过线圈的磁感线的条数增加,线圈的磁通量变大.
(2)由E=n得ΔΦ=EΔt=0.1×0.2 Wb=0.02 Wb
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