人教版 (新课标)选修34 法拉第电磁感应定律导学案及答案
展开二、知识点解析
1.法拉第电磁感应定律
(1)感应电动势
①定义:当闭合电路中磁通量发生变化时,电路中产生感应电流.则必然存在电动势;若电路不闭合,即使没有感应电流,电动势也依然存在.在电磁感应现象中产生的电动势就称为感应电动势.
②特点:产生感应电动势的那部分导体在电路中相当于电源,在产生感应电动势的导体内部,电流从负极流向正极.
(2)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表达式:.若线圈匝数为n,相当于n个单匝线圈串联,则感应电动势.
③单位:伏特,简称伏,符号V,.
④磁通量变化的三种情况
a.磁感应强度B不变,垂直于磁场方向的回路面积随时间发生变化:,则.
b.垂直于磁场方向的回路面积不变,磁感应强度随时间发生变化:,则,其中叫磁感应强度的变化率,等于图象上某点切线的斜率.
c.磁场和垂直于磁场方向的回路面积同时发生变化,则
2.动生电动势
(1)平动切割磁感线
①探究
如图1所示,金属导轨放置于磁场中,导体棒以速度v向右匀速运动,整个闭合回路的平面与磁场方向垂直,导体棒的长度为l,磁感应强度为B,在Δt的时间内导体棒从MN运动到.
图1
在Δt的时间导体棒向右移动的距离:x = vΔt
这段过程中闭合电路的面积变化为:ΔS = l·x = lvΔt
则穿过闭合电路的磁通量的变化量为:
根据法拉第电磁感应定律:
②理解
a.当B、l、v三者两两垂直时,导体平动切割磁感线产生的感应电动势大小为.在国际单位制中,电动势E、磁感应强度B、导线长度l和速度v的单位分别是伏特(V)、特斯拉(T)、米(m)和米每秒(m/s).
b.速度与磁场不垂直
如图2所示,速度v与磁感应强度B有一定的夹角θ,这时可以将速度v沿磁场方向和垂直于磁场方向正交分解,垂直于磁场方向的速度切割磁感线产生感应电动势,而沿磁场方向的速度没有切割磁感线,因此在这种情况下,导体运动过程中产生的感应电动势为.
图2
c.有效长度
公式或中的l指切割磁感线的有效长度.若研究的导线不是直导线,需将导线的首尾相连,再投影到与速度垂直的方向上,这时的投影长度才是切割磁感线的有效长度.
图3(a)(b)中,半径为R的圆弧形导线在垂直于磁场方向的平面内以不同方向的速度v运动,(a)中导线向右运动,(b)中导线沿与水平方向成角右斜向上运动,两种情况下的有效长度分别为OM和MN,产生的感应电动势分别为和.
图3
(2)转动切割磁感线
如图4所示,长为l的导体棒MN绕M点在垂直于磁场方向的平面内以角速度ω做匀速圆周运动,磁感应强度为B.
图4
从图中可以看出导体棒在Δt内扫过的面积为扇形的面积,设为ΔS,这段时间内导体棒走过的角度为θ,扫过的弧长为.;则
三、考查方向
题型1:法拉第电磁感应定律公式的灵活运用
典例一:(2019年 全国一卷)空间存在一方向与纸面垂直、大小随时间变化的匀强磁场,其边界如图(a)中虚线所示。一硬质细导线的电阻率为、横截面积为,将该导线做成半径为的圆环固定在纸面内,圆心在上。时磁感应强度的方向如图(a)所示;磁感应强度随时间的变化关系如图(b)所示。则在到的时间间隔内
A.圆环所受安培力的方向始终不变B.圆环中的感应电流始终沿顺时针方向
C.圆环中的感应电流大小为D.圆环中的感应电动势大小为
题型2:导体棒平动切割磁感线
典例二:(2020秋•金台区期末)如图所示,在磁感应强度大小为、方向垂直纸面向里的匀强磁场中,金属杆在平行金属导轨上以速度向右匀速滑动,长度为,间电阻为,杆的电阻为,则通过电阻的电流方向及金属杆产生的电动势大小
A.,B.,C., D.,
题型3:导体棒旋转切割磁感线
典例三:(2016•新课标Ⅱ•多选)法拉第圆盘发电机的示意图如图所示。铜圆盘安装在竖直的铜轴上,两铜片、分别于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中,圆盘旋转时,关于流过电阻的电流,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.若从上往下看,圆盘顺时针转动,则电流沿到的方向流动
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,则电流在上的热功率也变为原来的2倍
四、模拟训练
一、基础练习
1.(多选)如图所示,n=100匝的线框垂直放在匀强磁场中,线框面积为S=20 cm2,线框的总电阻为R=20 Ω,若磁场的磁感应强度在△t=0.2 s的时间内由0.1 T增加到0.5 T,则下面说法正确的是( )
A.线框中的感应电流方向是顺时针B.线框中的感应电流方向是逆时针
C.产生的感应电动势大小为E=0.4 VD.产生的感应电流大小为I=0.2 A
2.(多选)如图甲所示,边长为L的正方形单匝线框水平放置,左侧一半置于沿竖直方向的匀强磁场中,线框的左侧接入电阻R,右侧接入电容器,其余电阻不计.若磁场的磁感应强度B随时间t的变化规律如图乙所示(规定竖直向下为正方向),则在0~2t0时间内( )
A.电容器a板带负电B.线框中磁通量变化为零
C.线框中产生的电动势为D.通过电阻R的电流为
3.如图甲所示,一个圆形线圈的匝数n=100,线圈面积S=200 cm2,线圈的电阻r=1 Ω,线圈外接一个阻值R=4 Ω的电阻,把线圈放入一个方向垂直线圈平面向里的匀强磁场中,磁感应强度随时间的变化规律如图乙所示.下列说法中正确的是( )
A.线圈两端的电压逐渐增大B.电阻R上消耗的功率为4×10﹣4 W
C.线圈电阻r消耗的功率为4×10﹣4 WD.前4 s内通过R的电荷量为4×10﹣4 C
4.如图所示,矩形线圈有N匝,长为a,宽为b,每匝线圈电阻为R,从磁感应强度为B的匀强磁场中以速度v匀速拉出来,那么,产生的感应电动势和流经线圈中的感应电流的大小应为( )
A.,B.,
C.,I=D.,
5.(多选)如图,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仑兹力有关
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
6.(2020秋•汾阳市期末)如图所示,磁场中有一导线与“匸”形光滑的金属框组成闭合电路,当给导线向右的初速度时,下列说法正确的是
A.电路中将有顺时针方向的电流B.导线将做匀速直线运动
C.导线的端相当于电源的正极D.导线受到的安培力向左
7.(2013•北京)如图所示,在磁感应强度为,方向垂直纸面向里的匀强磁场中,金属杆在平行金属导轨上以速度向右匀速滑动,中产生的感应电动势为;若磁感应强度增为,其他条件不变,中产生的感应电动势变为,则通过电阻的电流方向及与之比分别为
A.,B.,
C.,D.,
8.(多选)如图所示,abcd为水平放置的平行光滑金属导轨,导轨间距为l,电阻不计.导轨间有垂直于导轨平面的匀强磁场,磁感应强度大小为B.金属杆放置在导轨上,与导轨的接触点为M、N,并与导轨成θ角.金属杆以ω的角速度绕N点由图示位置匀速转动到与导轨ab垂直,转动过程金属杆与导轨始终良好接触,金属杆单位长度的电阻为r.则在金属杆转动过程中( )
A.金属杆中感应电流的方向是由N流向MB.电路中感应电流的大小始终减小
C.M点电势低于N点电势D.M、N两端的电势相同
9.英国物理学家麦克斯韦认为,磁场变化时会在空间激发感生电场.如图所示,一个半径为r的绝缘体圆环水平放置,环内存在竖直向上的匀强磁场B,环上套一带电荷量为+q的小球.已知磁感应强度B随时间均匀增加,其变化率为k,若小球在环上运动一周,则感生电场对小球的作用力所做功的大小是( )
A.0B.r2qkC.2πr2qkD.πr2qk
10.一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,螺旋桨按顺时针方向转动.螺旋桨叶片的近轴端为a,远轴端为b,如图所示.如果忽略a到转轴中心线的距离,用E表示每个叶片中的感应电动势,则( )
A.E=πfL2B,且a点电势高于b点电势B.E=2πfL2B,且a点电势高于b点电势
C.E=πfL2B,且a点电势低于b点电势D.E=2πfL2B,且a点电势低于b点电势
11.(2021•六模拟•多选)1831年10月28日,法拉第展示人类历史上第一台发电机圆盘发电机。结构示意图如甲图,可等效为乙图所示圆盘中任意一个半径都在切割磁感线,在之间接上电阻,已知转盘匀速转动的角速度为,的长度为,每条半径对应的电阻都为,匀强磁场的磁感应强度为,下列说法正确的是
A.点电势比点高
B.电阻两端的电压为
C.流过电阻的电流是
D.相等时间内,电阻产生的热量与圆盘产生的热量之比为
12.如图所示,均匀金属圆环的总电阻为4R,磁感应强度为B的匀强磁场垂直穿过圆环.金属杆OM的长为l,阻值为R,M端与环接触良好,绕过圆心O的转轴以恒定的角速度ω顺时针转动.阻值为R的电阻一端用导线和环上的A点连接,另一端和金属杆的转轴O处的端点相连接.下列判断正确的是( )
A.OM两点间电势差绝对值的最大值为
B.金属杆OM旋转产生的感应电动势恒为
C.通过电阻R的电流的最小值为,方向从Q到P
D.通过电阻R的电流的最大值为,且P、Q两点电势满足φP>φQ
13.如图甲所示,单匝正方形线框abcd的电阻R=0.5 Ω,边长L=20 cm,匀强磁场垂直于线框平面,磁感强度B随时间t的变化规律如图乙所示。求:
(1)0~2 s内通过ab边横截面的电荷量q;
(2)3 s时ab边所受安培力的大小F;
(3)0~4 s内线框中产生的焦耳热Q.
二、提升练习
1.(2015•安徽•多选)如图所示,为水平放置的平行“匸”形光滑金属导轨,间距为,导轨间有垂直与导轨平面的匀强磁场,磁感应强度大小为,导轨电阻不计。已知金属杆倾斜放置,与导轨成角,单位长度的电阻为,保持金属杆以速度沿平行于的方向滑动(金属杆滑动过程中与导轨接触良好)。则下列说法中错误的是
A.电路中感应电动势的大小为B.电路中感应电流的大小为
C.金属杆所受安培力的大小为D.金属杆的热功率为
2.(2015•新课标Ⅱ)如图,直角三角形金属框放置在匀强磁场中,磁感应强度大小为,方向平行于边向上。当金属框绕边以角速度逆时针转动时,、、三点的电势分别为、、.已知边的长度为。下列判断正确的是
A.,金属框中无电流B.,金属框中电流方向沿
C.,金属框中无电流D.,金属框中电流方向沿
3.(2015•重庆)如图为无线电充电技术中使用的受电线圈示意图,线圈匝数为,面积为,若在到时间内,匀强磁场平行于线圈轴线向右穿过线圈,其磁感应强度大小由均匀增加到,则该段时间线圈两端和之间的电势差是
A.恒为B.从0均匀变化到
C.恒为D.从0均匀变化到
4.(2014•江苏)如图所示,一正方形线圈的匝数为,边长为,线圈平面与匀强磁场垂直,且一半处在磁场中. 在△ 时间内,磁感应强度的方向不变,大小由 均匀地增大到.在此过程中,线圈中产生的感应电动势为
A.B.C.D.
5.(2020•天津)如图所示,垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度随时间均匀变化。正方形硬质金属框放置在磁场中,金属框平面与磁场方向垂直,电阻,边长。求
(1)在到时间内,金属框中的感应电动势;
(2)时,金属框边受到的安培力的大小和方向;
(3)在到时间内,金属框中电流的电功率。
目标要求
重、难点
法拉第电磁感应定律
重点
动生电动势
难点
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