1、第四节法拉第电磁感应定律学科素养与目标要求物理观念：1.知道感应电动势的概念.2.理解和掌握法拉第电磁感应定律科学思维：1.通过比较区分、和.2.运用法拉第电磁感应定律推导出导线切割磁感线的电动势公式.3.在进行感应电动势的计算时培养综合分析能力科学探究：利用控制变量法、验证实验猜想与假设，得出影响电动势大小的因素科学态度与责任：经历实验探究，体会探究实验的一般顺序和思路一、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)电源：产生感应电动势的那部分导体相当于电源(3)在电磁感应现象中，只要闭合电路中有感应电流，这个回路就一定有感应电动势；电路断开时，虽然没有感应电
2、流，但感应电动势依然存在2探究影响感应电动势大小的因素(1)猜想依据：感应电流的产生条件穿过闭合电路的磁通量发生变化(2)猜想与假设可能与磁通量的变化量有关可能与完成一定的磁通量变化所用的时间有关(3)制定计划与设计实验方法：控制变量法程序：先控制时间不变，探究磁通量的变化量变化时，感应电动势的大小如何变化；再控制探究器材：灵敏电流计、螺线管、条形磁铁(2根)、导线若干(4)信息收集与归纳实验条件控制a通过改变所用条形磁铁的数目，改变螺线管中磁通量的变化量.b通过改变条形磁铁插入或拔出螺线管的时间，改变螺线管中磁通量变化所用的时间t.结论：在相同时间内，磁通量变化量越大，感应电动势越大；在磁通
3、量变化量相同时，时间越短，感应电动势越大即：感应电动势的大小跟磁通量变化的快慢有关3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.若闭合电路是一个匝数为n的线圈，则En.(3)在国际单位制中，磁通量的单位是韦伯(Wb)，感应电动势的单位是伏特(V).1 V1 Wb/s.二、感应电动势的另一种表述1导线的运动方向与导线本身垂直，但与磁感线方向夹角为时，如图1所示，EBlvsin . 图1图22导线垂直于磁场运动，B、l、v两两垂直时，如图2所示，EBlv.1判断下列说法的正误(1)在电磁感应现象中，有感应电流，就一定有感应电动势；反之，
4、有感应电动势，就一定有感应电流()(2)线圈中磁通量的变化量越大，线圈中产生的感应电动势一定越大()(3)线圈放在磁场越强的位置，线圈中产生的感应电动势一定越大()(4)线圈中磁通量变化越快，线圈中产生的感应电动势一定越大()2图3甲、乙中，金属导体中产生的感应电动势分别为E甲 ，E乙 .图3答案BlvBlvsin 一、对电磁感应定律的理解如图所示，将条形磁铁从同一高度插入线圈的实验中(1)快速插入和缓慢插入磁通量的变化量相同吗？指针偏转角度相同吗？(2)分别用一根磁铁和两根磁铁以同样速度快速插入，磁通量的变化量相同吗？指针偏转角度相同吗？(3)指针偏转角度取决于什么？答案(1)磁通量变化量相
5、同，但磁通量变化的快慢不同，快速插入比缓慢插入时指针偏转角度大(2)用两根磁铁快速插入时磁通量变化量较大，磁通量变化率也较大，指针偏转角度较大(3)指针偏转角度大小取决于的大小1感应电动势的大小由穿过电路的磁通量的变化率和线圈的匝数n共同决定，而与磁通量、磁通量的变化量的大小没有必然联系，和电路的电阻R无关2当仅由B的变化引起时，则En；当仅由S的变化引起时，则En；当由B、S的变化同时引起时，则Enn.3在t图象中，图象上某点切线的斜率表示磁通量的变化率；在Bt图象中，某点切线的斜率表示磁感应强度的变化率.例1关于感应电动势的大小，下列说法中正确的是 ()A穿过线圈的磁通量最大时，所产生的感
6、应电动势就一定最大B穿过线圈的磁通量的变化量增大时，所产生的感应电动势也增大C穿过线圈的磁通量等于0，所产生的感应电动势就一定为0D穿过线圈的磁通量的变化率越大，所产生的感应电动势就越大答案D解析根据法拉第电磁感应定律可知，感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比，与磁通量及磁通量的变化量没有必然联系当磁通量很大时，感应电动势可能很小，甚至为0.当磁通量等于0时，其变化率可能很大，产生的感应电动势也可能很大，而增大时，可能减小如图所示，t1时刻，最大，但E0；0t1时间内增大，但减小，E减小；t2时刻，0，但最大，E最大故D正确例2如图4甲所示，一个圆形线圈的匝数n1 000匝，线圈面积S200
7、 cm2，线圈的电阻r1 ，线圈外接一个阻值R4 的电阻，把线圈放入一方向垂直于线圈平面向里的匀强磁场中，磁感应强度随时间变化的规律如图乙所示，求：图4(1)前4 s内的感应电动势的大小及电阻R上消耗的功率；(2)前5 s内的平均感应电动势答案(1)1 V0.16 W(2)0解析(1)前4 s内磁通量的变化量21S(B2B1)200104(0.40.2) Wb4103 Wb由法拉第电磁感应定律得En1 000 V1 V.I APRI2R()24 W0.16 W.(2)由题图乙知，46 s内0.2 T/s，则第5 s末的磁感应强度B20.2 T，前5 s内磁通量的变化量21S(B2B1)2001
8、04(0.20.2) Wb0由法拉第电磁感应定律得n0.二、导线切割磁感线时的感应电动势1导线切割磁感线时感应电动势表达式的推导如图5所示，闭合电路一部分导线ab处于匀强磁场中，磁感应强度为B，ab的长度为l，ab以速度v匀速垂直切割磁感线图5则在t时间内穿过闭合电路磁通量的变化量为BSBlvt根据法拉第电磁感应定律得EBlv.2对公式的理解(1)当B、l、v三个量方向互相垂直时，EBlv；当有任意两个量的方向互相平行时，E0.(2)当l垂直于B、l垂直于v，而v与B成角时，导线切割磁感线产生的感应电动势大小为EBlvsin .(3)若导线是曲折的，或l与v不垂直时，EBlv中的l应为导线在与
9、v垂直的方向上的投影长度，即有效切割长度例3如图6所示的情况中，金属导体中产生的感应电动势为Blv的是()图6A丙和丁 B甲、乙、丁C甲、乙、丙、丁 D只有乙答案B解析公式EBlv中的l应指导体的有效切割长度，甲、乙、丁中的有效切割长度均为l，电动势EBlv；而丙的有效切割长度为0，电动势为0，故选项B正确学科素养例3旨在理解公式EBlv，注意导体在垂直于磁场的平面内运动，l为有效切割长度，即在垂直于速度方向的投影长度本题通过有效长度的理解锻炼了“科学思维”能力，也注重了“物理观念”的形成针对训练如图7所示，PQRS为一正方形导线框，它以恒定速度向右进入以MN为边界的匀强磁场中，磁场方向垂直线
10、框平面，MN与水平直线成45角，E、F分别为PS和PQ的中点关于线框中的感应电流()图7A当E点经过边界MN时，感应电流最大B当P点经过边界MN时，感应电流最大C当F点经过边界MN时，感应电流最大D当Q点经过边界MN时，感应电流最大答案B解析当P点经过边界MN时，有效切割长度最长，感应电动势最大，所以感应电流最大1(对法拉第电磁感应定律的理解)如图8所示，半径为R的n匝线圈套在边长为a的正方形abcd之外，匀强磁场垂直穿过该正方形，当磁场以的变化率变化时，线圈产生的感应电动势的大小为()图8AR2 Ba2CnR2 Dna2答案D解析由题意可知，线圈中磁场的面积为a2，根据法拉第电磁感应定律可知
11、，线圈中产生的感应电动势大小为Enna2，故只有选项D正确2(公式En的应用)(多选)如图9甲所示，线圈的匝数n100匝，横截面积S50 cm2，线圈总电阻r10 ，沿轴向有匀强磁场，设图示磁场方向为正方向，磁场的磁感应强度随时间按如图乙所示规律变化，则在开始的0.1 s内()图9A磁通量的变化量为0.25 WbB磁通量的变化率为2.5102 Wb/sCa、b间电压为0D在a、b间接一个理想电流表时，电流表的示数为0.25 A答案BD解析通过线圈的磁通量与线圈的匝数无关，由于0时刻和0.1 s时刻的磁场方向相反，磁通量穿入的方向不同，则(0.10.4)50104 Wb2.5103 Wb，A项错
12、误；磁通量的变化率 Wb/s2.5102 Wb/s，B项正确；根据法拉第电磁感应定律可知，当a、b间断开时，其间电压等于线圈产生的感应电动势，感应电动势大小为En2.5 V且恒定，C项错误；在a、b间接一个理想电流表时相当于a、b间接通而形成回路，回路总电阻即为线圈的总电阻，故感应电流大小I A0.25 A，D项正确3(公式EBlv的应用)如图10所示，空间有一匀强磁场，一直金属棒与磁感应强度方向垂直，当它以速度v沿与棒和磁感应强度都垂直的方向运动时，棒两端的感应电动势大小为E，将此棒弯成两段长度相等且相互垂直的折线，置于与磁感应强度相互垂直的平面内，当它沿两段折线夹角平分线的方向以速度v运动
13、时，棒两端的感应电动势大小为E.则等于()图10A. B. C1 D.答案B解析设折弯前金属棒切割磁感线的长度为L，EBLv；折弯后，金属棒切割磁感线的有效长度为lL，故产生的感应电动势为EBlvBLvE，所以，B正确4(公式En的应用)(2018南通中学高二上学期期中)如图11甲所示，在一个正方形金属线圈区域内存在着磁感应强度B随时间变化的匀强磁场，磁场的方向与线圈平面垂直金属线圈所围的面积S200 cm2，匝数n1 000，线圈电阻r2.0 .线圈与电阻R构成闭合回路，电阻的阻值R8.0 .匀强磁场的磁感应强度随时间变化的情况如图乙所示，求：图11(1)t12.0 s时线圈产生感应电动势的
14、大小；(2)在t12.0 s时通过电阻R的感应电流的大小和方向；(3)在t25.0 s时刻，线圈端点a、b间的电压答案(1)1 V(2)0.1 A方向bRa(3)3.2 V解析(1)根据法拉第电磁感应定律，04.0 s时间内线圈中磁通量均匀变化，产生恒定的感应电流，t12.0 s时的感应电动势E1nn1 V.(2)根据闭合电路欧姆定律，闭合回路中的感应电流I1解得I10.1 A，由楞次定律可判断流过电阻R的感应电流方向为bRa.(3)由题图乙可知，在4.06.0 s时间内，线圈中产生的感应电动势E2nnS4 V根据闭合电路欧姆定律，t25.0 s时闭合回路中的感应电流I20.4 A，方向aRbUabI2R3.2 V.
