湖南省邵阳市隆回县万和实验学校高中物理 4 8页

‎ 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 ‎