2022-2023学年高中物理 第一章 电磁感应 3 法拉第电磁感应定律学案 教科版选修3-2

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1、2022-2023学年高中物理 第一章 电磁感应 3 法拉第电磁感应定律学案 教科版选修3-2目标定位1.理解法拉第电磁感应定律的内容、数学表达式.2.会用EBLvsin和En解决问题.一、法拉第电磁感应定律1.感应电动势由电磁感应产生的电动势，叫感应电动势.产生感应电动势的那部分导体相当于电源，导体本身的电阻相当于电源内阻.当电路断开时，无(填“有”或“无”)感应电流，但有(填“有”或“无”)感应电动势.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：En.3.对感应电动势的理解(1)磁通量的变化常由B的变化或S的变化引起.当仅由

2、B的变化引起时，EnS.当仅由S的变化引起时，EnB.(2)En计算的是t时间内平均感应电动势，当t0时，En的值才等于瞬时感应电动势.深度思考(1)感应电动势的大小与或的大小有没有关系？(2)、与线圈匝数有关吗？感应电动势E与线圈匝数有关吗？答案(1)E的大小与或的大小没有关系.(2)、均与某一面积相联系，与线圈匝数无关；n匝线圈时相当于n个单匝线圈的串联，所以感应电动势E与线圈匝数有关.例1一闭合圆形线圈放在匀强磁场中，线圈的轴线与磁场方向成30角，磁感应强度随时间均匀变化在下列方法中能使线圈中感应电流增加一倍的是()A把线圈匝数增大一倍B把线圈面积增大一倍C把线圈半径增大一倍D把线圈匝数

3、减少到原来的一半解析设感应电流为I，电阻为R，匝数为n，线圈半径为r，线圈面积为S，导线横截面积为S.由法拉第电磁感应定律知Enn，由闭合电路欧姆定律知I，由电阻定律知R，则Icos 30.其中、S均为恒量，所以Ir，故选C.答案C例2如图1甲所示的螺线管，匝数n1500匝，横截面积S20cm2，方向向右穿过螺线管的匀强磁场的磁感应强度按图乙所示规律变化，图1(1)2s内穿过螺线管的磁通量的变化量是多少？(2)磁通量的变化率多大？(3)螺线管中感应电动势的大小为多少？解析(1)磁通量的变化量是由磁感应强度的变化引起的，则1B1S2B2S21，所以BS(62)20104Wb8103Wb.(2)磁

4、通量的变化率为Wb/s4103 Wb/s.(3)根据法拉第电磁感应定律得感应电动势的大小En15004103V6V.答案(1)8103Wb(2)4103Wb/s(3)6V应用En时应注意的三个问题：(1)此公式适用于求平均感应电动势.(2)计算电动势大小时，取绝对值不涉及正、负.(3)S，为t图像的斜率，为Bt图像的斜率.针对训练如图2甲所示，一个圆形线圈的匝数n1000，线圈面积S200cm2，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2(1)前4s内的感应电动势；(2)前5s内的感应电动势.答案(1

5、)1V(2)0解析(1)前4s内磁通量的变化21S(B2B1)200104(0.40.2) Wb4103Wb由法拉第电磁感应定律得En1000V1V.(2)前5s内磁通量的变化21S(B2B1)200104(0.20.2) Wb0由法拉第电磁感应定律得En0.二、导体切割磁感线产生的感应电动势1.垂直切割：导体棒垂直于磁场运动，B、L、v两两垂直时，如图3甲所示，EBLv.图32.不垂直切割：导体的运动方向与导体本身垂直，但与磁感线方向夹角为时，如图乙所示，则EBLv1BLvsin_.3.公式EBLvsin的理解(1)该公式可看成法拉第电磁感应定律的一个推论，通常用来求导体做切割磁感线运动时的

6、感应电动势.(2)式中L应理解为导体切割磁感线时的有效长度，即导体在与v垂直方向上的投影长度.如图4甲中，感应电动势EBLv2BrvBrv(半圆形导线做切割磁感线运动).在图乙中，感应电动势EBLvsinBLv.图4(3)公式中的v应理解为导体和磁场间的相对速度，当导体不动而磁场运动时，同样有感应电动势产生.深度思考导体棒的运动速度越大，产生的感应电动势越大吗？答案导体棒切割磁感线时，产生的感应电动势的大小与垂直磁感线的速度有关，而速度大，垂直磁感线方向的速度不一定大.所以，导体棒运动速度越大，产生的感应电动势不一定越大.例3如图5所示，一金属弯杆处在磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强

7、磁场中，已知abbcL，当它以速度v向右平动时，a、c两点间的电势差为()图5A.BLvB.BLvsinC.BLvcosD.BLv(1sin)解析导体杆切割磁感线的有效长度为Lsin ，故B正确.答案B在公式EBLv中，L是指导体棒的有效切割长度，即导体棒在垂直于速度v方向上的投影长度.三、En及EBLvsin 的对比应用例4在范围足够大、方向竖直向下的匀强磁场中，B0.2T，有一水平放置的光滑框架，宽度为l0.4m，如图6所示，框架上放置一质量为0.05kg、电阻为1的金属杆cd，框架电阻不计.若cd杆以恒定加速度a2m/s2，由静止开始做匀变速直线运动，则：图6(1)在5s内平均感应电动势

8、是多少？(2)第5s末，回路中的电流多大？解析(1)方法一：5s内的位移：xat2E由得：E0.4V方法二：5s内的平均速度v5m/s(也可用vm/s5 m/s求解)故平均感应电动势EBlv0.4V.(2)第5s末：vat10m/s，此时感应电动势：EBlv则回路中的电流为：IA0.8A.答案(1)0.4V(2)0.8AEBLv和En本质上是统一的.前者是后者的一种特殊情况.但是，当导体做切割磁感线运动时，用EBLv求E比较方便；当穿过电路的磁通量发生变化时，用En求E比较方便.1.(对法拉第电磁感应定律的理解)关于感应电动势的大小，下列说法正确的是()A.穿过闭合电路的磁通量最大时，其感应电

9、动势一定最大B.穿过闭合电路的磁通量为零时，其感应电动势一定为零C.穿过闭合电路的磁通量由不为零变为零时，其感应电动势一定为零D.穿过闭合电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解析磁通量的大小与感应电动势的大小不存在内在的联系，故A、B错误；当磁通量由不为零变为零时，闭合电路的磁通量一定改变，一定有感应电流产生，有感应电流就一定有感应电动势，故C错，D对.2.(公式En的应用)(多选)如图7甲所示，线圈的匝数n100匝，横截面积S50cm2，线圈总电阻r10，沿轴向有均匀变化的磁场，设图示磁场方向为正，磁场的磁感应强度随时间做如图乙所示规律变化，则在开始的0.1s内()图7

10、A.磁通量的变化量为0.25WbB.磁通量的变化率为2.5102Wb/sC.a、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0.25A答案BD解析通过线圈的磁通量与线圈的匝数无关，若设2B2S为正，则线圈中磁通量的变化量为B2S(B1S)，代入数据得(0.10.4)50104Wb2.5103Wb，A错；磁通量的变化率Wb/s2.5102 Wb/s，B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En2.5V且恒定，C错；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IA

11、0.25A，D项正确.3.(公式En的应用)(多选)单匝线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间t变化的关系图像如图8所示，则()图8A.在t0时刻，线圈中磁通量最大，感应电动势也最大B.在t1102s时刻，感应电动势最大C.在t2102s时刻，感应电动势为零D.在02102s时间内，线圈中感应电动势的平均值为零答案BC解析由法拉第电磁感应定律知E，故t0及t2102s时刻，E0，A错，C对；t1102s时E最大，B对；02102s时间内，0，E0，D错.4.(公式EBLv的应用)如图9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

12、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运动时，棒两端的感应电动势大小为E.则等于()图9A.B.C.1D.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，导体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.题组一对法拉第电磁感应定律的理解1.(多选)如图1所示，闭合开关S，将条形磁铁插入闭合线圈，第一次用时0.2s，第二次用时0.4s，并且两次磁铁的起始和终止位置相同，则()图1A.第一次线圈中的磁通量变化较快B.第一次电流表

13、G的最大偏转角较大C.第二次电流表G的最大偏转角较大D.若断开开关S，电流表G均不偏转，故两次线圈两端均无感应电动势答案AB解析磁通量变化相同，第一次时间短，则第一次线圈中磁通量变化较快，故A正确；感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比，磁通量的变化率大，感应电动势大，产生的感应电流大，故B正确，C错误；断开开关，电流表不偏转，知感应电流为零，但感应电动势不为零，故D错误.故选A、B.2.穿过某线圈的磁通量随时间变化的关系，如图2所示，在下列几段时间内，线圈中感应电动势最小的是()图2A02 s B2 s4 sC4 s5 s D5 s10 s答案D解析图像斜率越小，表明磁通量的变化率越小，感应

14、电动势也就越小题组二公式En的应用3.穿过一个单匝闭合线圈的磁通量始终为每秒均匀增加2Wb，则()A.线圈中感应电动势每秒增加2VB.线圈中感应电动势每秒减少2VC.线圈中感应电动势始终为2VD.线圈中感应电动势始终为一个确定值，但由于线圈有电阻，电动势小于2V答案C解析由En知：恒定，n1，所以E2 V.4.(多选)单匝矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，转轴垂直于磁场，若线圈所围面积里的磁通量随时间变化的规律如图3所示，则线圈中()图3A.t0时感应电动势最大B.t0.05s时感应电动势为零C.t0.05s时感应电动势最大D.00.05s这段时间内的平均感应电动势为0.4V答案ABD解析由法拉第

15、电磁感应定律En，在t图像中，为该时刻图线的斜率，t0时和t0.1s时的斜率绝对值最大，感应电动势最大，t0.05s时的斜率为零，则感应电动势为零，00.05s时间内平均感应电动势为0.4V，故选项A、B、D正确，C错误.5.一矩形线框置于匀强磁场中，线框平面与磁场方向垂直.先保持线框的面积不变，将磁感应强度在1s时间内均匀地增大到原来的两倍.接着保持增大后的磁感应强度不变，在1s时间内，再将线框的面积均匀地减小到原来的一半.先后两个过程中，线框中感应电动势大小的比值为()A.B.1C.2D.4答案B解析设原磁感应强度是B，线框面积是S.第1s内12BSBSBS，第2s内22B2BSBS.因为

16、En，所以两次感应电动势大小相等，B正确.6.如图4所示，一正方形线圈的匝数为n，边长为a，线圈平面与匀强磁场垂直，且一半处在磁场中.在t时间内，磁感应强度的方向不变，大小由B均匀地增大到2B.在此过程中，线圈中产生的感应电动势为()图4A.B.C.D.答案B解析线圈中产生的感应电动势EnnSn，选项B正确.7.如图5所示，A、B两单匝闭合圆形导线环用相同规格的导线制成，它们的半径之比rArB21，在两导线环包围的空间内存在一正方形边界的匀强磁场区域，磁场方向垂直于两导线环所在的平面.在磁场的磁感应强度随时间均匀增大的过程中，流过两导线环的感应电流大小之比为()图5A.1B.2C.D.答案D解

17、析A、B两导线环的半径不同，它们所包围的面积不同，但某一时刻穿过它们的磁通量相等，所以两导线环上的磁通量变化率是相等的，ES相同，得1，I，R(S1为导线的横截面积)，l2r，所以，代入数值得.题组三公式EBLv的应用8.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.乙和丁B.甲、乙、丁C.甲、乙、丙、丁D.只有乙答案B9.如图7所示，平行导轨间距为d，其左端接一个电阻R，匀强磁场的磁感应强度为B，方向垂直于平行金属导轨所在平面，一根金属棒与导轨成角放置，金属棒与导轨的电阻均不计.当金属棒沿垂直于棒的方向以恒定的速度v在导轨上滑行时，通过电阻R的电流大小是()图7A.B

18、.C.D.答案D解析金属棒MN垂直于磁场放置，运动速度v与棒垂直，且vB，即已构成两两互相垂直关系，MN接入导轨间的有效长度为l，所以EBlv，I，故选项D正确.10.如图8所示，PQRS是一个正方形的闭合导线框，F为PS的中点，MN为一个匀强磁场的边界，磁场方向垂直于纸面向里，如果线框以恒定的速度沿着PQ方向向右运动，速度方向与MN边界成45角，在线框进入磁场的过程中()图8A.当Q点经过边界MN时，线框的磁通量为零，感应电流最大B.当S点经过边界MN时，线框的磁通量最大，感应电流最大C.P点经过边界MN时，跟F点经过边界MN时相比较，线框的磁通量小，感应电流大D.P点经过边界MN时，跟F点

19、经过边界MN时相比较，线框的磁通量小，感应电流也小答案C解析P点经过MN时，正方形闭合导线框切割磁感线的有效长度最大，感应电流最大.题组四综合应用11如图9所示，在宽为0.5 m的平行导轨上垂直导轨放置一个有效电阻为r0.6 的直导体棒，在导轨的两端分别连接两个电阻R14 、R26 ，其他电阻不计整个装置处在垂直导轨向里的匀强磁场中，如图所示，磁感应强度B0.1 T当直导体棒在导体上以v6 m/s的速度向右运动时，求：直导体棒两端的电压和流过电阻R1和R2的电流大小图9答案0.24 V0.06 A0.04 A解析由题意可画出如图所示的电路图EBlv0.10.56 V0.3 VUab V0.24

20、 V，I1 A0.06 AI2 A0.04 A.12.如图10所示，一两端闭合的正方形线圈共有n10匝，每边长L10cm，所用导线每米长的阻值R02，一个范围较大的匀强磁场与线圈平面垂直，磁场随时间变化的规律B0.5t (T)时，线圈导线中的电流有多大？图10答案6.25103A解析根据法拉第电磁感应定律知，EnnL2线圈的电阻Rn4LR0根据闭合电路欧姆定律知，I0.5A6.25103A.13.如图11甲所示，平行导轨MN、PQ水平放置，电阻不计，两导轨间距d10cm，导体棒ab、cd放在导轨上，并与导轨垂直.每根棒在导轨间的部分，电阻均为R1.0.用长为l20cm的绝缘丝线(丝线不可伸长)将两棒系住，整个装置处在匀强磁场中.t0时刻，磁场方向竖直向下，丝线刚好处于未被拉伸的自然状态.此后，磁感应强度B随时间t的变化规律如图乙所示.不计感应电流对磁场的影响，整个过程中丝线未被拉断.求：图11(1)02.0s时间内，电路中感应电流的大小；(2)t1.0s时刻丝线的拉力大小.答案(1)1.0103A(2)1.0105N解析(1)由题图乙可知0.1 T/s由法拉第电磁感应定律有ES2.0103 V则I1.0103 A.(2)导体棒在水平方向上所受丝线拉力和安培力平衡由图乙可知t1.0 s时B0.1 T则TF安BId1.0105 N.