2020版高考物理教科版大一轮复习讲义课件:第十章 第2讲 法拉第电磁感应定律、自感和涡流 .pdf
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1、第十章 电磁感应 第2讲 法拉第电磁感应定律、自感和涡流 大一轮复习讲义 NEIRONGSUOYIN 内容索引 过好双基关 研透命题点 课时作业 回扣基础知识 训练基础题目 细研考纲和真题 分析突破命题点 限时训练 练规范 练速度 过好双基关 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 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 成正比. 磁通量 楞次定律 磁通量的变化率 斜率 3.导体切割磁感线时的
2、感应电动势 (1)导体垂直切割磁感线时,感应电动势可用E 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EBl (平均速度等于中点位置的线速度 l). Blv 自测1 教材P17第1题改编 将多匝闭合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 二、自感、涡流、电磁阻尼和电磁驱动 1.自
3、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,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 . (3)自感系数L的影响因素:与线圈的 、形状、 以及是否有铁芯有关. 电流 大小匝数 2.涡流现象 (1)涡流:块状金属放在 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 变化感应电动势感应电流. 3.电磁阻尼 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_ 导体的相对运动. 4.电磁驱动 如果磁场相对于导体转动,在导体中会产生 使导体受到安培力而使 导体运动起来. 变化 磁通量 阻碍 感应电
4、流 自测2 (多选)电吉他中电拾音器的基本结构如图1所示,磁体附近的金属弦被 磁化,因此弦振动时,在线圈中产生感应电流,电流经电路放大后传送到音箱 发出声音,下列说法正确的有 A.选用铜质弦,电吉他仍能正常工作 B.取走磁体,电吉他将不能正常工作 C.增加线圈匝数可以增大线圈中的感应电动势 D.弦振动过程中,线圈中的电流方向不断变化 图1 解析 铜质弦为非磁性材料,不能被磁化,选用铜质弦,电吉他不能正常工 作,A项错误; 若取走磁体,金属弦不能被磁化,其振动时,不能在线圈中产生感应电动势, 电吉他不能正常工作,B项正确; 弦振动过程中,穿过线圈的磁通量大小不断变化,由楞次定律可知,线圈中 感应
5、电流方向不断变化,D项正确. 研透命题点 1.求解感应电动势的常见情况 命题点一 对法拉第电磁感应定律的理解及应用 情景图 研究 对象 回路(不一 定闭合) 一段直导线(或等 效成直导线) 绕一端垂直磁场转 动的一段导体棒 绕与B垂直的轴匀 速转动的导线框 表达式 EnEBLvsin E BL2 ENBSsin t(从 中性面位置开始 计时) 2.应用注意点 例1 (多选)(2018全国卷20)如图2甲,在同一平面内固定有一长直导线PQ和 一导线框R,R在PQ的右侧.导线PQ中通有正弦交流电i,i的变化如图乙所示,规 定从Q到P为电流正方向.导线框R中的感应电动势 图2 变式1 (多选)(20
6、19山东省泰安市质检)如图3甲所示,线圈两端a、b与一电阻 R相连,线圈内有垂直于线圈平面向里的磁场,t0时刻起,穿过线圈的磁通 量按图乙所示的规律变化,下列说法正确的是 A. t0时刻,R中电流方向为由a到b B. t0时刻,R中电流方向为由a到b C.0t0时间内R的电流小于t02t0时间内R的电流 D.0t0时间内R的电流大于t02t0时间内R的电流 图3 解析 由楞次定律可知0t0时间内线圈中的感应电流方向为逆时针方向,t0 2t0时间内线圈中感应电流的方向为顺时针方向,故A正确,B错误; 例2 轻质细线吊着一质量为m0.42 kg、边长为L1 m、匝数n10的正方形 线圈,其总电阻为
7、r1 .在线圈的中间位置以下区域分布着磁场,如图4甲所 示.磁场方向垂直纸面向里,磁感应强度大小随时间变化关系如图乙所示.(g 10 m/s2) 图4 (1)判断线圈中产生的感应电流的方 向是顺时针还是逆时针; 答案 逆时针 解析 由楞次定律知感应电流的方 向为逆时针方向. (2)求线圈的电功率; 答案 0.25 W 解析 由法拉第电磁感应定律得 (3)求在t4 s时轻质细线的拉力大小. 答案 1.2 N 解析 I 0.5 A,由题图乙可知, t4 s时,B0.6 T,F安nBIL F安Tmg 联立解得T1.2 N. 拓展延伸 (1)在例2中磁感应强度为多少时,细线的拉力刚好为0? 答案 0.
8、84 T 解析 细线的拉力刚好为0时满足: F安mg F安nBIL 联立解得:B0.84 T (2)在例2中求6 s内通过线圈横截面的电荷量? 答案 3 C 解析 q0.56 C3 C. 变式2 (多选)(2018湖南省常德市期末检测)图5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n100、电阻r1 、横截面积S 1.5103 m2,外接电阻R7 .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如图乙所示,则 A.在t0.01 s时通过R的电流方向发生改变 B.在t0.01 s时线圈中的感应电动势E 0.6 V C.在00.02 s内通过电阻R的电荷量q
9、1.5103 C D.在0.020.03 s内R产生的焦耳热为Q1.8103 J 图5 解析 根据楞次定律可知,在00.01 s内和在0.010.02 s内电流方向相同,故 A错误; 1.大小计算: 命题点二 导体切割磁感线产生感应电动势 切割方式感应电动势的表达式 垂直切割EBlv 倾斜切割EBlvsin ,其中为v与B的夹角 旋转切割(以一端为轴)E Bl2 说明 (1)导体与磁场方向垂直;(2)磁场为匀强磁场. 2.方向判断:(1)把产生感应电动势的那部分电路或导体当作电源的内电路,那 部分导体相当于电源.(2)若电路是不闭合的,则先假设有电流通过,然后应用 楞次定律或右手定则判断出电流
10、的方向.(3)电源内部电流的方向是由负极(低电 势)流向正极(高电势),外电路顺着电流方向每经过一个电阻电势都要降低. 类型1 平动切割磁感线 例3 (多选)(2017全国卷20)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 的正方形导线框abcd位于纸面 内,cd边与磁场边界平行,如图6甲所示.已知导线框一直向右做匀速直线运动, cd边于t0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 A.磁感应强度的大小为0.5 T B.导线框运动的速度的大小为0.5 m/s C.
11、磁感应强度的方向垂直于纸面向外 D.在t0.4 s至t0.6 s这段时间内,导线框 所受的安培力大小为0.1 N 图6 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; 变式3 (多选)(2018山东省临沂市上学期期末)如图7所示,矩形线框abcd处于 磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向与线框平面垂直,线框ab长为2L,bc 长为L,MN为垂直于ab并可在ab和cd上自由滑动的金属杆,且杆与ab和cd接触 良好,abcd和MN上单位长度的电阻皆为r.让MN从ad处开始以速度v向右匀速滑 动,设MN与ad之间的距离为x(0x2L),则在整个过程中 A.当x0时,M
12、N中电流最小 B.当xL时,MN中电流最小 C.MN中电流的最小值为 D.MN中电流的最大值为图7 类型2 转动切割磁感线 例4 (2018全国卷17)如图8,导体轨道OPQS固定,其中PQS是半圆弧,Q 为半圆弧的中点,O为圆心.轨道的电阻忽略不计.OM是有一定电阻、可绕O转 动的金属杆,M端位于PQS上,OM与轨道接触良好.空间存在与半圆所在平面 垂直的匀强磁场,磁感应强度的大小为B.现使OM从OQ位置以恒定的角速度逆 时针转到OS位置并固定(过程);再使磁感应强度的大小以一定的变化率从B 增加到B(过程).在过程、中,流过OM的电荷量相等,则 等于 图8 解析 在过程中,根据法拉第电磁感
13、应定律,有 根据闭合电路欧姆定律,有 且q1I1t1 在过程中,有 q2I2t2 变式4 (多选)(2016全国卷20)法拉第圆盘发电机的示意图如图9所示.铜圆盘安 装在竖直的铜轴上,两铜片P、Q分别与圆盘的边缘和铜轴接触.圆盘处于方向竖 直向上的匀强磁场B中.圆盘旋转时,关于流过电阻R的电流,下列说法正确的是 A.若圆盘转动的角速度恒定,则电流大小恒定 B.若从上向下看,圆盘顺时针转动,则电流沿a到b的方向流动 C.若圆盘转动方向不变,角速度大小发生变化,则电流方向 可能发生变化 D.若圆盘转动的角速度变为原来的2倍,则电流在R上的热功 率也变为原来的2倍 图9 解析 将圆盘看成无数辐条组成
14、,它们都在切割磁感线从而产生感应电动势和 感应电流,则当圆盘顺时针(俯视)转动时,根据右手定则可知圆盘上感应电流 从边缘流向中心,流过电阻的电流方向从a到b,B对; 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
15、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: 若I2I1,灯泡逐渐变暗; 若I2I1,灯泡闪亮后逐渐 变暗. 两种情况下灯泡中电流方向均 改变 例5 (2017北京理综19)如图10所示,图甲和图乙是教材中演示自感现象的两 个电路图,L1和L2为电感线圈.实验时,断开开关S1瞬间,灯A1突然闪亮,随后 逐渐变暗;闭合开关S2,灯A2逐渐变亮.而另一个相同的灯A3立即变亮,最终A2 与A3的亮度相同.下列说法正确的是 A.图甲中,A1与L1的电阻值相同 B.图甲中,闭合S1,电路稳定后,A1中电流 大于L1中电流 C.图乙中,变阻器R与L2的
16、电阻值相同 D.图乙中,闭合S2瞬间,L2中电流与变阻器R中电流相等 图10 解析 断开开关S1瞬间,线圈L1产生自感电动势,阻碍电流的减小,通过L1 的电流反向通过A1,灯A1突然闪亮,随后逐渐变暗,说明IL1IA1,即RL1RA1, 故A错; 题图甲中,闭合开关S1,电路稳定后,因为RL1RA1,所以A1中电流小于L1中 电流,故B错; 题图乙中,闭合开关S2,灯A2逐渐变亮,而另一个相同的灯A3立即变亮,最 终A2与A3的亮度相同,说明变阻器R与L2的电阻值相同,故C对; 闭合S2瞬间,通过L2的电流增大,由于电磁感应,线圈L2产生自感电动势, 阻碍电流的增大,则L2中电流与变阻器R中电
17、流不相等,故D错. 变式5 (2018湖南省常德市一模)如图11所示的电路,开关闭合,电路处于稳定 状态,在某时刻t1突然断开开关S,则通过电阻R1中的电流I1随时间变化的图线 可能是下图中的 图11 解析 当断开开关,原来通过R1的电流立即消失,由于电磁感应,线圈L产 生自感电动势阻碍自身电流变化,产生的感应电流流过电阻,其方向与原来 流过电阻R1的电流方向相反,慢慢减小最后为0,故D正确. 命题点四 涡流 电磁阻尼和电磁驱动 电磁阻尼与电磁驱动的比较 电磁阻尼电磁驱动 不 同 点 成因 由于导体在磁场中运动而产 生感应电流,从而使导体受 到安培力 由于磁场运动引起磁通量的变化 而产生感应电
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