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1、第五节第五节 电磁感应规律的应用电磁感应规律的应用课标课标定位定位学学习习目目标标：1.知道法拉第知道法拉第电电机的工作原理机的工作原理2.理理解解电电磁磁感感应应现现象象中中的的能能量量转转化化，并并会会运运用用能能量量观观点分析点分析电电磁感磁感应问题应问题重点重点难难点：点：1.电电磁磁感感应应现现象象中中内内电电路路、外外电电路路的的分分析析及及感感应电动势应电动势方向的确定方向的确定2.运用运用动动力学力学观观点及能量点及能量观观点分析点分析电电磁感磁感应现应现象象 第第五五节节核心要点突破核心要点突破课堂互动讲练课堂互动讲练知能优化训练知能优化训练课前自主学案课前自主学案课标定位课
2、标定位课前自主学案课前自主学案一、法拉第一、法拉第电电机机1法拉第法拉第电电机的原理机的原理如如图图151所示是所示是_做成的世界上第一台做成的世界上第一台发电发电机模型的原理机模型的原理图图法拉第法拉第把把一一个个铜铜盘盘放放在在磁磁场场里里，使使磁磁感感线线_穿穿过过铜铜盘盘；转转动动铜铜盘盘，就就可可以以使使_获获得得持持续续的的电电流流图图151垂直垂直闭闭合合电电路路2感感应电动势应电动势的大小的大小(1)铜铜盘盘可可以以看看做做由由无无数数根根长长度度等等于于铜铜盘盘半半径径的的导导体体棒棒组组成成，导导体体棒棒在在转转动动过过程程中中要要_磁磁感感线线(如如图图152所示所示)图
3、图152切割切割(2)铜铜盘盘转转动动时时，由由于于棒棒上上各各处处速速率率_，故故不不能能直直接接用用公公式式EBLv进进行行求求解解，由由vr可可知知，棒棒上上各各点点线线速速度度跟跟半半径径成成正正比比，故故可可用用棒棒的的中中点点的的速速度度作作为为平平均均切切割割速速度度代代入入公公式式EBLv计计算算，根根据据 有：有：E_.不等不等3感感应电动势应电动势的方向的方向导导体体Oa在在转动转动切割磁感切割磁感线时产线时产生感生感应电动势应电动势，相，相当于当于_.如果它与用如果它与用电电器器连连接构成接构成闭闭合合电电路，路，则产则产生感生感应电应电流的方向由流的方向由_右手定右手定
4、则则)而而电电源内部源内部电电流方向是由流方向是由负负极流向正极，所以极流向正极，所以O为为电动势电动势的的_，a为电动势为电动势的的_.电电源源aO正极正极负负极极二、二、电电磁感磁感应应中的能量中的能量转转化化1电电磁感磁感应应中的能量中的能量转转化化图图153在在电电磁磁感感应应现现象象中中，产产生生感感应应电电动动势势的的那那部部分分导导体体相相当当于于_.如如果果电电路路闭闭合合，电电路路中中会会产产生生_，而而导导体体又又处处在在磁磁场场中中，因因此此导导体体将将受到受到_的作用如的作用如图图153所示所示导导体体ab向右运向右运动动，会，会产产生由生由_流向流向_的感的感应电应电
5、流，在磁流，在磁场场中，通中，通电导电导体体ab要受到要受到_的安培的安培力作用力作用电电磁磁感感应应现现象象中中产产生生的的电电能能是是通通过过克克服服_做做功功转转化化而而来来的的克克服服_做做了了多多少少功功，就就有有多多少少_产产生生，而而这这些些_又又通通过过电电流流做做功功而而转转化化为为其其它它形形式式的的能能因因此此，电电磁磁感感应应现现象象符符合合能量守恒定律能量守恒定律电电源源感感应电应电流流安培力安培力ba向左向左安培力安培力安培力安培力电电能能电电能能2反反电动势电动势(1)概念：当概念：当电动电动机通机通过过如如图图154所示的所示的电电流流时时,因因线线圈受圈受_作
6、用，作用，电动电动机会按机会按图图示方向示方向转动转动，图图154安培力安培力此此时时ab、cd两两边边因因切切割割磁磁感感线线而而产产生生的的感感应应电电动动势势的的方方向向跟跟令令线线圈圈转转动动的的电电流流方方向向相相反反，因因此此也也跟跟外外加加电电压压的的方方向向相相反反，这这个个电电动动势势被被称称为为反反电电动势动势(2)作用：消弱作用：消弱电电源源电动势电动势；阻碍；阻碍线线圈的圈的转动转动核心要点突破核心要点突破一、一、导导体切割磁感体切割磁感线时线时感感应电动势应电动势的的计计算算1对对于于导导体体切切割割磁磁感感线线时时，所所产产生生的的感感应应电电动动势势不不能能死死记
7、记教教材材中中的的EBLvsin，而而是是要要记记住住处处理理问问题题的方法和普遍适用的公式的方法和普遍适用的公式EBLv.2导导体体水水平平运运动动时时，其其速速度度v与与磁磁感感线线方方向向平平行行，导导体不切割磁感体不切割磁感线线，此，此时产时产生的感生的感应电动势应电动势E0.3导导体体倾倾斜斜切切割割磁磁感感线线时时，应应先先把把速速度度v沿沿平平行行磁磁感感线线方方向向和和垂垂直直磁磁感感线线方方向向分分解解，再再代代入入公公式式EBlv计计算算4导导体体棒棒以以端端点点为为轴轴，在在垂垂直直于于磁磁感感线线的的匀匀强强磁磁场场中中匀匀速速转转动动产产生生的的感感应应电电动动势势：
8、EBL2(平平均均速度取中点位置速度取中点位置线线速度速度L)即即时应时应用用(即即时时突破，小突破，小试试牛刀牛刀)1.如如图图155所示，所示，图图155长长为为1 m的的导导体体棒棒，在在垂垂直直纸纸面面向向里里的的匀匀强强磁磁场场中中以以a点点为为圆圆心心做做圆圆周周运运动动，角角速速度度为为2 rad/s，磁磁感感应应强强度度为为B2 T，则则金金属属导导体体棒棒中中产产生生的的感感应应电动势电动势大小大小为为_答案：答案：2 V二、二、电电磁感磁感应应中的力、中的力、电综电综合合问题问题电电磁磁感感应应的的题题目目往往往往综综合合性性较较强强，与与前前面面的的知知识识联联系系较较多
9、多，涉涉及及到到力力和和运运动动、能能量量、直直流流电电路路、安安培培力力等等多多方方面面的的知知识识应应用用主主要要可可分分为为以以下下两两个方面：个方面：1电电磁感磁感应现应现象中的力学象中的力学问题问题分析分析(1)基本思路是：基本思路是：导导体受力运体受力运动产动产生感生感应电动势应电动势感感应电应电流流通通电导电导体受安培力体受安培力合外力合外力变变化化加加速度速度变变化化速度速度变变化化感感应电动势变应电动势变化化周周而复始地循而复始地循环环，循，循环结环结束束时时，加速度等于零，加速度等于零，导导体达到体达到稳稳定运定运动动状状态态要画好受力要画好受力图图，抓住，抓住a0时时速度
10、速度v达到最大达到最大值值的特点的特点(2)基基本本方方法法是是：用用法法拉拉第第电电磁磁感感应应定定律律和和楞楞次次定律求感定律求感应电动势应电动势的大小和方向的大小和方向求回路中的求回路中的电电流流强强度的大小和方向度的大小和方向分析研究分析研究导导体受力情况体受力情况(包括安培力包括安培力)列列动动力学方程或平衡方程求解力学方程或平衡方程求解(3)电电磁磁感感应应现现象象中中涉涉及及的的具具有有收收尾尾速速度度的的力力学学问问题题关关键键要抓好受力情况和运要抓好受力情况和运动动情况的情况的动态动态分析分析加速度等于零加速度等于零时时，导导体达到体达到稳稳定运定运动动状状态态两种状两种状态
11、处态处理理达到达到稳稳定运定运动动状状态态后，后，导导体匀速运体匀速运动动，受力平衡，受力平衡，应应根据平衡条件合外力根据平衡条件合外力为为零列式分析平衡零列式分析平衡态态；导导体达到体达到稳稳定运定运动动状状态态之前，往往做之前，往往做变变加速运加速运动动，处处于非平衡于非平衡态态，应应根据牛根据牛顿顿第二定律或第二定律或结结合功能合功能关系分析非平衡关系分析非平衡态态特特别别提醒：提醒：对对于于电电磁感磁感应现应现象中，象中，导导体在安培力体在安培力及其他力共同作用下运及其他力共同作用下运动动，最，最终趋终趋于一于一稳稳定状定状态态的的问题问题，利用好，利用好导导体达到体达到稳稳定状定状态
12、时态时的平衡方程，的平衡方程，往往是解答往往是解答该类问题该类问题的突破口的突破口2电电磁感磁感应现应现象中的能量象中的能量问题问题分析分析(1)电电磁感磁感应现应现象中的能量象中的能量转转化化与与感感生生电电动动势势有有关关的的电电磁磁感感应应现现象象中中，磁磁场场能能转转化化为为电电能能，若若电电路路是是纯纯电电阻阻电电路路，转转化化过过来来的的电电能将全部能将全部转转化化为电为电阻的内能阻的内能与与动动生生电电动动势势有有关关的的电电磁磁感感应应现现象象中中，通通过过克克服服安安培培力力做做功功，把把机机械械能能或或其其他他形形式式的的能能转转化化为为电电能能克克服服安安培培力力做做多多
13、少少功功，就就产产生生多多少少电电能能若若电电路路是是纯纯电电阻阻电电路路，转转化化过过来来的的电电能能也也将将全全部部转转化化为电为电阻的内能阻的内能(2)求求解解电电磁磁感感应应现现象象中中能能量量守守恒恒问问题题的的一一般般思思路路分析回路，分清分析回路，分清电电源和外源和外电电路路在在电电磁磁感感应应现现象象中中，切切割割磁磁感感线线的的导导体体或或磁磁通通量量发发生生变变化化的的回回路路将将产产生生感感应应电电动动势势，该该导导体体或或回回路路就就相相当当于于电电源源，其其余余部部分分相相当当于于外外电电路路做功情况做功情况能量能量变变化特点化特点滑滑动动摩擦力摩擦力做功做功有内能有
14、内能产产生生重力做功重力做功重力重力势势能必然能必然发发生生变变化化克服安培力克服安培力做功做功必然有其他形式的能必然有其他形式的能转转化化为电为电能能 ，并且，并且克服安培力做多少功，就克服安培力做多少功，就产产生多少生多少电电能能安培力做正安培力做正功功电电能能转转化化为为其他形式的能其他形式的能分析清楚有哪些力做功，明确有哪些形式的能分析清楚有哪些力做功，明确有哪些形式的能量量发发生了生了转转化如：化如：根据能量守恒列方程求解根据能量守恒列方程求解(3)电电能的三种求解思路能的三种求解思路利利用用克克服服安安培培力力做做功功求求解解：电电磁磁感感应应中中产产生生的的电电能等于克服安培力所
15、做的功能等于克服安培力所做的功利利用用能能量量守守恒恒求求解解：相相应应的的其其他他能能量量的的减减少少量量等于等于产产生的生的电电能能利用利用电电路特征求解：通路特征求解：通过电过电路中所消耗的路中所消耗的电电能能来来计计算算即即时应时应用用(即即时时突破，小突破，小试试牛刀牛刀)2. (双双选选)如如图图156所所示示，位位于于一一水水平平面面内内的的两两根根平平行行的的光光滑滑金金属属导导轨轨，处处在在匀匀强强磁磁场场中中，磁磁场场方方向向垂垂直直于于导导轨轨所所在在的的平平面面，导导轨轨的的一一端端与与一一电电阻阻相相连连；具具有有一一定定质质量量的的金金属属杆杆ab放放在在导导轨轨上
16、上并并与与导导轨轨垂垂直直现现用用一一平平行行于于导导轨轨的的恒恒力力F拉拉杆杆ab，使使它它由由静静止止开开始始向向右右运运动动杆杆和和导导轨轨的的电电阻阻、感感应应电电流流产产生生的的磁磁场场均均可可不不计计用用E表表示示回回路路中中的的感感应应电电动动势势，I表表示示回回路路中中的的感感应应电电流流，在在I随随时时间间增增大的大的过过程中，程中，电电阻消耗的功率等于阻消耗的功率等于()图图156AF的功率的功率B克服安培力的功率克服安培力的功率CF与安培力的合力的功率与安培力的合力的功率DIE解解析析：选选BD.ab棒棒上上产产生生的的是是动动生生电电动动势势，设设两两导导轨轨之之间间的
17、的距距离离为为l，由由题题知知，ab杆杆由由静静止止开开始始向向右右加加速速运运动动，切切割割磁磁感感线线产产生生的的电电动动势势为为EBlv逐逐渐渐增增大大，所所以以电电流流I 逐逐渐渐增增大大，ab杆杆所所受受的的安安培培力力F安安BIl 也也逐逐渐渐增增大大，由由牛牛顿顿第第二定律得二定律得FF安安ma，所以杆的加速度，所以杆的加速度为为a 逐逐渐渐减小，故杆减小，故杆ab开始做的是向右的加开始做的是向右的加速速度度a逐逐渐渐减减小小的的加加速速运运动动；当当a减减小小到到零零时时，速速度度达达到到最最大大，vmax ，以以后后杆杆ab将将以以最最大大速速度度vmax做做匀匀速速直直线线
18、运运动动在在杆杆ab达达到到最最大大速速度度vmax之之前前，通通过过外外力力做做功功与与安安培培力力做做功功，使使其其他他形形式式的的能能转转化化为为电电路路中中的的电电能能与与金金属属杆杆的的动动能能，其其中中克克服服安安培培力力所所做做的的功功等等于于电电路路中中的的电电能能，所所以以电电阻阻消消耗耗的的功功率率等等于于克克服服安安培培力力做做功功的的功功率率，选选项项B正正确确；由由于于电电路路中中的的电电功功率率还还可可以以表表示示为为IE，所所以以选项选项D正确正确课堂互动讲练课堂互动讲练类型一类型一导导体棒体棒转动转动切割磁感切割磁感线电动势线电动势的的计计算算 如如图图157所
19、示，所示，例例例例1 1图图157半半径径为为L的的金金属属圆圆盘盘放放置置在在磁磁感感应应强强度度为为B、方方向向垂垂直直纸纸面面向向里里的的匀匀强强磁磁场场中中，在在圆圆盘盘的的圆圆心心和和边边缘缘间间接接有有一一电电阻阻为为R的的电电阻阻,现现该该金金属属圆圆盘盘以以角角速速度度旋旋转转，在在金金属属圆圆盘盘电电阻阻不不计计的的情情况况下下求求电电阻阻R两两端的端的电压电压的大小的大小【思思路路点点拨拨】该该题题的的金金属属圆圆盘盘中中的的每每一一条条半半径径都都可可以以看看成成一一条条长长为为L的的金金属属棒棒，所所有有这这些些金金属属棒棒一一端端都都在在金金属属圆圆盘盘的的边边缘缘上
20、上，另另一一端端交交于于O点点，且且绕绕O点点以以角角速速度度旋旋转转所所有有这这些些金金属属棒棒并并联联，所所以以电电阻阻R两两端端的的电电压压的的大大小小等等于于每每一一条条金金属属棒棒产产生生的的电动势电动势的大小即的大小即为为 BL2.【精精讲讲精析精析】在在解解答答该该题题之之前前，应应先先回回顾顾一一下下我我们们比比较较熟熟悉悉的的一个物理模型：一个物理模型：如如图图158所示，所示，图图158一一根根长长为为L的的金金属属棒棒AO，在在磁磁感感应应强强度度为为B的的磁磁场场中中绕绕O点点以以角角速速度度旋旋转转，求求棒棒AO两两端端的的电电势势差差【答案答案】 BL2【方法方法总
21、结总结】导导体棒体棒绕绕一固定端点一固定端点转动时转动时，单单位位时间时间内内扫过扫过面面积积S L2，棒的各点平均速，棒的各点平均速率率 L，记记住住这这些公式在解决些公式在解决选择题选择题、填、填空空题时题时可以达到事半功倍的效果可以达到事半功倍的效果类型二类型二电电磁感磁感应应和力学知和力学知识识的的综综合合应应用用 如如图图159例例例例2 2图图159所所示示，水水平平放放置置的的平平行行金金属属导导轨轨，相相距距l0.50 m,左左端端接接一一电电阻阻R0.20 ，磁磁感感应应强强度度B0.40 T的的匀匀强强磁磁场场方方向向垂垂直直导导轨轨平平面面，导导体体棒棒ac垂垂直直放放在
22、在导导轨轨上上，并并能能无无摩摩擦擦地地沿沿导导轨轨滑滑动动，导导轨轨和和导导体体棒棒的的电电阻阻均均可可忽忽略略不不计计，当当ac以以v4.0 m/s的速度水平向右匀速滑的速度水平向右匀速滑动时动时，求：，求：(1)ac棒中感棒中感应电动势应电动势的大小；的大小；(2)回路中感回路中感应电应电流的大小；流的大小；(3)维维持持ac棒做匀速运棒做匀速运动动的水平外力的水平外力F的大小的大小【思路点思路点拨拨】【自自主主解解答答】(1)由由导导体体棒棒切切割割磁磁感感线线产产生生感感应应电电 动动 势势 表表 达达 式式 得得 ac的的 电电 动动 势势 为为 E BLv0.400.504.0
23、V0.80 V.(2)由由闭闭合合电电路欧姆定律得感路欧姆定律得感应电应电流大小流大小为为I A4.0 A.(3)由由于于ac棒棒受受安安培培力力FBIL0.44.00.5 N0.8 N，由平衡条件知外力的大小也，由平衡条件知外力的大小也为为0.8 N.【答案答案】(1)0.8 V(2)4.0 A(3)0.8 N【方方法法总总结结】导导体体中中的的感感应应电电流流在在磁磁场场中中将将受受到到安安培培力力作作用用，所所以以电电磁磁感感应应问问题题常常常常与与力力学学问问题联题联系在一起，系在一起，处处理此理此类问题类问题的基本方法是：的基本方法是：(1)用用法法拉拉第第电电磁磁感感应应定定律律和
24、和楞楞次次定定律律求求感感应应电电动动势势的大小和方向的大小和方向(2)求求电电路中路中电电流流强强度的大小和方向度的大小和方向(3)分析研究分析研究导导体受力情况体受力情况(包括安培力包括安培力)(4)列列动动力学方程或平衡方程求解力学方程或平衡方程求解类型三类型三用能量用能量观观点解析点解析电电磁感磁感应问题应问题 (单选单选)如如图图1510所示，所示，例例例例3 3图图1510虚虚线线框框abcd内内为为一一矩矩形形匀匀强强磁磁场场区区域域，ab2bc，磁磁场场方方向向垂垂直直于于纸纸面面，实实线线框框abcd是是一一正正方方形形导导线线框框，ab边边与与ab边边平平行行若若将将导导线
25、线框框匀匀速速地地拉拉离离磁磁场场区区域域，以以W1表表示示沿沿平平行行于于ab的的方方向向拉拉出出过过程程中中外外力力所所做做的的功功；以以W2表表示示以以同同样样速速率率沿沿平平行行于于bc的方向拉出的方向拉出过过程中外力所做的功程中外力所做的功,则则()AW1W2BW22W1CW12W2 DW24W1【答案答案】B【方方法法总总结结】电电磁磁感感应应过过程程的的实实质质是是不不同同形形式式的的能能量量之之间间的的转转化化过过程程，电电磁磁感感应应过过程程中中产产生生的的感感应应电电流流在在磁磁场场中中必必定定受受到到安安培培力力作作用用，因因此此要要维维持持安安培培力力存存在在，必必须须有有“外外力力”克克服服安安培培力力做做功功，在在此此过过程程中中，其其他他形形式式的的能能转转化化为为电电能能，当当感感应应电电流流通通过过用用电电器器时时，电电能能又又转转化化为为其其他他形形式式的的能能“外外力力”克克服服安安培培力力做做多多少少功功，就就有有多多少少其其他他形形式式的的能能转转化化为为电电能能同同理理，安安培培力力做做功功的的过过程程，是是电电能能转转化化为为其其他他形形式式能能的的过过程程，安安培培力力做多少功就有多少做多少功就有多少电电能能转转化化为为其他形式的能其他形式的能同学们来学校和回家的路上要注意安全同学们来学校和回家的路上要注意安全
