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1、电磁感应的综合应用电磁感应综合与拓展 电磁感应综合与拓展一、学问地图依据考纲的要求，本章内容可以分成这样几部分，即：电磁感应现象、楞次定律；法拉第电磁感应定律、自感；电磁感应与电路规律的综合应用；电磁感应与力学规律的综合应用。其中楞次定律和法拉第电磁感应定律是电磁感应这一章中最重要、最基本的定律，电磁感应与电路规律的综合应用、电磁感应与力学规律的综合应用，也是复习的重点和难点。另外，电磁感应学问在实际中的应用广泛如：自感、日光灯原理、磁悬浮原理、电磁阻尼、超导技术应用等。二、应考指南电磁感应是中学物理中的主干和核心学问之一，本章从探讨电磁感应现象入手，通过试验总结出了产生感应电流的条件和判定感
2、应电流方向的一般方法楞次定律，给出了确定感应电动势大小的一般规律法拉第电磁感应定律楞次定律和法拉第电磁感应定律是解决电磁感应问题的重要依据，复习中必需深化理解和娴熟驾驭；同时由于电磁感应的题型大多与实际问题相联系，往往综合性较强，与前面的学问联系较多，涉及到力和运动、动量、能量、直流电路、安培力等多方面的学问，解题时一般要从以下两个方面分析：（1）受力状况、运动状况的动态分析。（2）功能分析，电磁感应过程往往涉及多种能量形式的转化。力学与本章内容结合的题目以及电学与本章结合的题目是复习中应强化训练的重要内容本章重在考查学生综合运用学问、分析解决实际问题的实力，综合性强，实力要求高，在高考中常以
3、压轴题出现。电磁感应的图像问题也是高考中常见的题型之一。全章蕴含了丰富的科学思维方法，如：归纳与演绎、抽象与概括、能的观点、等效的方法、数学方法等。三、好题精析例1、近期科学中文版的文章介绍了一种新技术航天飞缆，航天飞缆是用柔性缆索将两个物体连接起来在太空飞行的系统。飞缆系统在太空飞行中能为自身供应电能和拖曳力，它还能清理“太空垃圾”等。从1967年至1999年的17次试验中，飞缆系统试验已获得部分胜利。该系统的工作原理可用物理学的基本定律来说明。下图为飞缆系统的简化模型示意图，图中两个物体P，Q的质量分别为mp，mQ，柔性金属缆索长为Z，外有绝缘层，系统在近地轨道作圆周运动，运动过程中Q距地
4、面高为h。设缆索总保持指向地心，P的速度为p。已知地球半径为R，地面的重力加速度为g。(1)飞缆系统在地磁场中运动，地磁场在缆索所在处的磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面对外。设缆索中无电流，问缆索P、Q哪端电势高?此问中可认为缆索各处的速度均近似等于p，求P、Q两端的电势差；(2)设缆索的电阻为R1，假如缆索两端物体P、Q通过四周的电离层放电形成电流，相应的电阻为R2，求缆索所受的安培力多大；(3)求缆索对Q的拉力FQ。 例2、如图所示，固定于水平桌面上的金属框架cdef，处在竖直向下的匀强磁场中，金属棒ab搁在框架上，可无摩擦滑动。此时，adeb构成一个边长为l的正方形。棒的电阻为r，其余
5、部分电阻不计。起先时磁感强度为B0。若从t=0时刻起，磁感强度匀称增加，每秒增量为k，同时保持棒静止。求棒中的感应电流。在图上标出感应电流的方向。在上述状况中。始终保持棒静止，当t=t1s末时需加的垂直于棒的水平拉力为多大？若从t=0时刻起，磁感强度渐渐减小，当棒以恒定速度v。向右做匀速运动时，可使棒中不产生感应电流，则磁感强度应怎样随时间改变(写出B与t的关系式)。 例3、图中a1b1c1d1和a2b2c2d2为在同一竖直平面内的金属导轨，处在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于导轨所在平面（纸面）向里。导轨的a1b1段与a2b2段是竖直的，距离为l1；c1d1段与c2d2段也是竖直的
6、，距离为l2。x1y1与x2y2为两根用不行伸长的绝缘轻线相连的金属细杆，质量分别为和m1和m2，它们都垂直于导轨并与导轨保持光滑接触。两杆与导轨构成的回路的总电阻为R。F为作用于金属杆x1y1上的竖直向上的恒力。已知两杆运动到图示位置时，已匀速向上运动，求此时作用于两杆的重力的功率的大小和回路电阻上的热功率。 例4、如图所示，两根竖直放置在绝缘地面上的金属导轨的上端，接有一个电容为C的电容器，框架上有一质量为m、长为l的金属棒，平行于地面放置，与框架接触良好且无摩擦，棒离地面的高度为h，磁感强度为B的匀强磁场与框架平面垂直起先时，电容器不带电将金属棒由静止释放，问：棒落地时的速度为多大？（整
7、个电路电阻不计）例5、在有线电话网中，电话机是通过两条导线和电信局的交换机传送和接收电信号。假如不实行措施，发话者的音频信号必会传到自己的受话器中，使自己听到自己的讲话声音，这就是“侧音”。较大的侧音会影响接听对方的讲话，故必需减小或消退。如图所示是一电话机的消“侧音”电路与交换机的连接示意图。图中的两个变压器是完全相同的，a、b、c、d、e、f六个线圈的匝数相同。打电话时，对着话筒发话，把放大后的音频电压加到变压器的线圈a，从线圈c和b输出大小相等但随声频改变的电压，c两端的电压产生的电流IL通过线圈e和两导线L、电信局的交换机构成回路，再通过交换机传到对方电话机,对方就听到发话者的声音。同
8、时由于线圈e中有电流通过，在线圈f中也会有电压输出，放大后在自己的电话机的受话器上发出自己的讲话声，这就是上面讲的“侧音”。为了消退这个侧音，可以把线圈b的电压加在线圈d上，并通过R调整d中的电流Id。那么为达到消侧音的目的，1应与（）相接；4应与（）相接，并使Id()IL(填“小于”、“大于”、或“等于”)。对方讲话时，音频电压通过交换机和两条导线L加到本机，那么通过R的电流为多少？四、变式迁移1、两根足够长的固定的平行金属导轨位于同一水平面内，两导轨间的距离为L。导轨上面横放着两根导体棒ab和cd，构成矩形回路，如图所示两根导体棒的质量皆为m，电阻皆为R，回路中其余部分的电阻可不计在整个导
9、轨平面内都有竖直向上的匀强磁场，磁感应强度为B设两导体棒均可沿导轨无摩擦地滑行起先时，棒cd静止，棒ab有指向棒cd的初速度v0若两导体棒在运动中始终不接触，求：（1）在运动中产生的焦耳热最多是多少（2）当ab棒的速度变为初速度的3/4时，cd棒的加速度是多少？ 2、如下图所示，固定在竖直平面内的两根平行金属导轨的间距为L，上端连一电容为C的电容器，其耐压足够大。空间有垂直于导轨平面的匀强磁场，其磁感强度为B。一根质量为m的金属杆PP水平地卡在导轨上，释放后，此杆沿导轨无摩擦地下滑。经过一段时间，到图示时刻其下落速度为v1。假定导轨足够长，导轨、金属杆和连接导线的电阻均可忽视。试求：金属板PP
10、的速度从v1改变到v2的过程中，电容器汲取的能量E。 参考答案三、好题精析例1、解析（1）缆索的电动势EBlv0，P、Q两点电势差UPQBlvP，P点电势高缆索电流安培力（2）Q的速度设为vQ，Q受地球引力和缆索拉力FQ作用P、Q角速度相等又联立、解得点评本题综合性较强，是电磁感应、万有引力、向心力等学问的综合，同时考察考生理解实力、推理实力、分析综合实力和考查考生信息摄取、提炼、加工实力及构建物理模型的抽象概括实力.具有肯定的难度。例2、解析磁感强度匀称增加时，感应电动势，感应电流，由楞次定律，判定感应电流逆时针方向。t=t1s末棒静止，水平方向受拉力F外和安培力F安，F外=F安=BIl，又
11、B=B0+kt1，故F外=(B0+kt1)。棒中不产生感应电流，由法拉第电磁感应定律，知，也就是回路内总磁通量保持不变。而在t时刻的磁通量=BS=Bl(l+vt)，由0=可得：B0l2=B(l+vt)l，.点评考查法拉第电磁感应定律、楞次定律、闭合电路欧姆定律、安培力和磁通量等电磁学的重要概念和规律，在实力上考查综合分析问题实力和应用数学处理物理问题的实力。本题第问中回路面积和磁场都改变，以往考题要么回路面积不变，磁场匀称改变，要么磁场不变，回路面积发生改变。在第问中，其实有两个电动势，一是ab棒切割磁感线产生的向上的感应电动势，二是由磁场改变产生的感应电动势，这两个电动势方向相反，从而回路本
12、身无电流。在第问中，若磁场仍以k匀称增加，且ab棒向右匀速运动，则t时刻回路的总电动势E等于ba棒切割磁感线产生的Eba与磁场增加产生的感应电动势E法之和。，故例3、解析解法1：设杆向上的速度为v，因杆的运动，两杆与导轨构成的回路的面积削减，从而磁通量也削减。由法拉第电磁感应定律，回路中的感应电动势的大小回路中的电流电流沿顺时针方向。两金属杆都要受到安培力作用，作用于杆x1y1的安培力为方向向上，作用于杆x2y2的安培力为方向向下，当杆作匀速运动时，依据牛顿其次定律有解以上各式得作用于两杆的重力的功率的大小电阻上的热功率由式，可得解法2：回路中电阻上的热功率等于运动过程中克服安培力做功功率，当
13、杆作匀速运动时，依据牛顿其次定律有电路中克服安培力做功功率为：将代入可得点评本题是双杆的平衡问题，难点在于金属棒不等长即导轨不等间距。当杆作匀速运动时，安培力合力向下，对整体受力分析，处于平衡状态，列出方程就能顺当求解I与v值。例4、解析本题要抓几个要点：电路中有无电流？金属棒受不受安培力作用？若有电流，受安培力作用，它们怎样计算？金属棒做什么运动？金属棒向下加速，因而电路中有给电容器充电形成的电流，金属棒除了重力外，还受安培力作用。在很短一段时间t内，电容极板上增加了电量Q时，电路中瞬间电流为I=,而Q=CUc，Q=CUc,又因电路无电阻，故电源路端电压U=E=Blv,而U=Uc，有Uc=B
14、LvI=CBla依据牛顿其次定律：mg-BIl=ma由得a=,a=恒量，所以金属棒做匀加速运动落地瞬时速度v=点评本题中电流强度的确定是关键，是本题的难点，突破了这一难点，以后的问题即可迎刃而解金属棒下落过程中克服安培力做功，使金属棒的机械能削减，转化为电能，储存在电容器里，故机械能不守恒金属棒下落中削减的重力势能一部分转化的电能，还有一部分转化为动能例5、解析：发话时，假定某一时刻通过线圈a的电流是从上端流入，而且增大，则在线圈c和b上感应的电压都是上正下负，e中形成的电流在变压器铁芯中产生的磁场的磁感线是逆时针方向的；1和3，2和4相接时，b的感应电压在d中形成的电流在铁芯中产生的磁感线是
15、顺时针的，由于e和d的匝数相同，只要调整R使e、d中的电流强度相等，则e和d产生的磁场就完全抵消，通过线圈f的磁通量始终为零，f中没有感应电动势，受话器中没有发话者的声音，从而消退侧音。对方发话时，从交换机传来的音频电压加到电话机上，假设某一时刻在线圈e和c中形成的电流是从c的下端流入且增大，则b线圈的1端为负，d线圈的3端为负，感应电压值相同，在bdR回路中没有电流，d中不会产生磁场抵消e的磁场，f中有e产生的磁场的磁感线通过，磁通量会发生改变，产生感应电动势，放大后在受话器中发出对方的声音。四、变式迁移12E=m(v22-v12)CB2l2。 电磁感应 课题运动电荷在磁场中受到的力课型1演
16、示试验：视察阴极射线在磁场中的偏转没有磁场存在，电子束呈直线有磁场存在，电子束偏转，变更磁场方向，电子束偏转方向变更2洛伦兹力运动电荷在磁场中受到的力叫洛伦兹力。安培力是洛伦兹力的宏观表现。从这个角度分析洛伦兹力的方向和大小。方向：左手定则（留意：四指为正电荷运动的方向，假如是负电荷，四指指向其反方向）FV且FB大小：由安培力F=BIL和电流的微观表达式I=nqsv推导。FqvB在一般状况下，当电荷运动的方向与磁场的方向有夹角时，电荷所受的洛伦兹力为FqvBsin由左手定则推断，洛伦兹力的方向总与电荷速度方向垂直，因此洛伦兹力只变更速度方向不变更速度大小。对电荷不做功。要特别留意，洛伦兹力是一
17、种与运动状态（即速度）有关的力，这一点与其它力不同。电荷的速度改变了（大小或方向）洛伦兹力肯定发生改变。 下列说法正确的是（D）A、运动电荷在磁感应不为零的地方，肯定受洛伦兹力的作用B、运动电荷在某处不受洛伦兹力作用，则该处的磁感应强度肯定为零C、洛伦兹力既不能变更带电粒子的动能，也不能变更带电粒子的速度D、洛伦兹力对带电粒子不做功 如图，没有磁场时，显像管内电子束打在荧光屏正中的O点，加磁场后电子束打在荧光屏O点上方的P点，则所加磁场的方向可能是()A垂直于纸面对内B垂直于纸面对外C平行于纸面对上D平行于纸面对下 电磁感应现象 教学目标学问目标1、知道磁通量的定义，公式的适用条件，会用这一公
18、式进行简洁的计算2、知道什么是电磁感应现象3、理解“不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生改变，闭合电路中就有电流产生”4、知道能量守恒定律依旧适用于电磁感应现象 实力目标1、通过试验的视察和分析，培育学生运用所学学问，分析问题的实力 情感目标1、学生相识“从特性中发觉共性，再从共性中理解特性，从现象相识本质以及事物有普遍联系的辨证唯物主义观点 教学建议 关于电磁感应现象的教学分析1电磁感应现象利用磁场产生电流的现象叫做电磁感应产生的电流叫做感应电流。2产生感应电流的条件当闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，电路中产生了感应电流。当磁体相对静止的闭合电路运动时，电路中产生了
19、感应电流当磁体和闭合电路都保持静止，而使穿过闭合电路的磁通量发生变更时，电路中产生了感应电流其实上述、两种状况均可归结为穿过闭合电路的磁通量发生变更，所以，不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生改变，闭合电路中就有电流产生3电磁感应现象中的能量守恒电磁感应现象中产生的电能不是凭空产生的，它们或者是其他形式的能转化为电能，或者是电能在不同电路中的转移，电磁感应现象遵循能量守恒定律 教法建议1、课本中得出结论后的思索与探讨，是一个进一步启发学生手脑并用、独立思索，全面相识电磁感应现象的题目，老师可依据学生实际状况引导学生思索和探讨2、本节课文的最终分析了两种状况下电磁感应现象中的能量转化，这
20、不但能从能量的观点让学生对电磁感应有明确的相识，而且进一步强化了能量守恒定律的普遍意义有条件的，可以由老师引导学生自行分析，以培育学生运用所学学问独立分析问题的实力 教学重点和教学难点教学重点：感应电流的产生条件是本节的教学重点，而正确理解感应电流的产生条件是本节教学的难点由于学生在初中时已经接触过相关的电磁感应现象，因此在讲解电流的产生时可以让学生通过试验加深对现象的相识，假如条件允许可以让学生自己动手试验，并在老师引导下进行分组探讨，老师可以通过问题的设计来引导试验的进行，例如：对试验数据表格的设计以及相关问题的探讨，让学生明白感应电流产生的条件正确理解感应电流产生的条件 电磁感应现象教学
21、设计方案 教学目的： 1、知道磁通量的定义，知道磁通量的国际单位，知道公式的适用条件，会用公式计算 2、启发学生视察试验现象，从中分析归纳通过磁场产生电流的条件 3、通过试验的视察和分析，培育学生运用所学学问，分析问题的实力 教学重点：感应电流的产生条件 教学难点：正确理解感应电流的产生条件 教学仪器：电池组，电键，导线，大磁针，矩形线圈，碲形磁铁，条形磁铁，原副线圈，演示用电流表等 教学过程： 一、教学引入： 在磁可否生电这个问题上，英国物理学家法拉第坚信，电与磁决不孤立，有着亲密的联系为此，他做了很多试验，把导线放在各种磁场中想得到电流须要肯定的条件，他以坚韧不拔的意志历时10年，最终找到
22、了这个条件，从而开拓了物理学又一崭新天地 电磁感应现象： 二、教学内容 1、磁通量（） 复习：磁感应强度的概念 引入：老师：我们知道，磁场的强弱（即磁感应强度）可以用磁感线的疏密来表示假如一个面积为的面垂直一个磁感应强度为的匀强磁场放置，则穿过这个面的磁感线的条数就是确定的我们把与的乘积叫做穿过这个面的磁通量 （1）定义：面积为，垂直匀强磁场放置，则与乘积,叫做穿过这个面的磁通量，用表示 （2）公式： （3）单位：韦伯（Wb）1Wb=1Tm2 磁通量就是表示穿过这个面的磁感线条数 留意强调： 只要知道匀强磁场的磁感应强度和所探讨面的面积，在面与磁场方向垂直的条件下（不垂直可将面积做垂直磁场方向
23、上的投影）磁通量是表示穿过探讨面的磁感线条数的多少在今后的应用中往往依据穿过面的净磁感线条数的多少定性推断穿过该面的磁通量的大小假如用公式来计算磁通量，但是只适合于匀强磁场 磁通量是标量，但是有正负之分，磁感线穿过某一个平面，要留意是从哪一面穿入，哪一面穿出 2、电磁感应现象： 内容引入：奥斯特试验架起了一座连通电和磁的桥梁，此后人们对电能生磁已深信不疑，但磁能否生电呢？ 在磁可否生电这个问题上，英国物理学家法拉第坚信，电与磁决不孤立，有着亲密的联系为此，他做了很多试验，把导线放在各种磁场中想得到电流须要肯定的条件，他以坚韧不拔的意志历时10年，最终找到了这个条件，从而开拓了物理学又一崭新天地
24、 3、试验演示 试验1：学生试验导体在磁场中切割磁力线的运动 视察现象：AB做切割磁感线运动，可见电流表指针偏转 学生得到初步结论：当闭合回路中的部分导体做切割磁感线的运动时，电路中有了电流 现象分析：如图1导体不切割磁力线时，电路中没有电流；而切割磁力线时闭合电路中有电流回忆磁通量定义（师生探讨）对闭合回路而言，所处磁场未变，仅因为AB的运动使回路在磁场中部分面积变了，使穿过回路的磁通改变，故回路中产生了电流 设问：那么在其它状况下磁通改变是否也会产生感应电流呢？ 试验2：演示试验条形磁铁插入线圈 视察提问： A、条形磁铁插入或取出时，可见电流表的指针偏转 B、磁铁与线圈相对静止时，可见电流
25、表指针不偏转 现象分析：（师生探讨）对线圈回路，当线圈与磁铁有沿轴线的相对运动时，所处磁场因磁铁的远离和靠近而改变，而未变，故穿过线圈的磁通改变，产生感应电流，而当磁铁不动时，线圈处，不变，故无感应电流 试验3：演示试验关于原副线圈的试验演示 试验视察：移动变阻器滑片（或通断开关），电流表指针偏转当A中电流稳定时，电流表指针不偏转 现象分析：对线圈，滑片移动或开关通断，引起A中电流变，则磁场变，穿过B的磁通变，故B中产生感应电流当A中电流稳定时，磁场不变，磁通不变，则B中无感应电流 老师总结：不同的试验，其共同处在于：只要穿过闭合回路的磁通量的改变，不管引起磁通量改变的缘由是什么，闭合电路中都
26、有感应电流产生 结论： 无论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生改变，闭合电路就有电流产生，这种利用磁场产生电流的现象叫电磁感应，产生的电流叫感应电流 电磁感应现象中的能量转化： 引导学生探讨分析上述三个试验中能量的转化状况 3、例题讲解 4、老师总结： 能量守恒定律是一个普遍定律，同样适合于电磁感应现象电磁感应现象中产生的电能不是凭空产生的，它们或者是其它形式的能转化为电能，或者是电能在不同电路中的转移 5、布置作业 电磁感应教学设计 电磁感应教学设计 一、教学目标 1、学问与技能 知道电磁感应现象及其产生的条件。 知道感应电流的方向与哪些因素有关。 2、过程与方法 经验试验探研过程，体
27、验磁生电的过程 通过探究磁生电的条件，进一步体会电和磁之间的联系 3、情感看法和价值观 相识到自然现象之间是相互联系的 培育学生视察试验的实力和从试验事实中归纳、概括物理概念与规律的实力 三、重点、难点 重点：电磁感应现象，感应电流的方向跟哪些因素有关，电磁感应中能量的转化 难点：电磁感应现象 四、教学过程 引入新课 前面我们学习过了电流的磁场，我们知道奥斯特试验揭示了电和磁之间的联系，说明电可以生磁。那么，我们可不行以反过来进行逆向思索：磁场能否产生电流呢？怎样才能使磁生电呢？下面我们来共同设计试验进行探究。 新课教学 1通过试验探究电磁感应现象 向学生交待试验设计思想，明的确验目的，师生共
28、同探讨要达到此目的须要选择哪些试验器材？为什么？如何组装成试验电路？ 2老师展示以上试验器材，留意让学生连接电路，尝试如何能产生电流长 老师启发学生：电流能产生磁场，把导体放在磁场中会不会产生电流？磁场的强弱对试验是否有影响？导体在磁场中是静止的还是运动的，请学生将视察结果填写在上面表格里。 次序 试验条件 电流表的偏转状况 1 2 3 4 5 试验完毕，提出问题让学生思索： 上述试验说明磁能生电吗？（能） 在什么条件下才能产生这种现象？是否导体在磁场中运动就够了？该怎样运动呢？ 师生共同探讨分析上述问题，最终由学生归纳，概括得出结论，并由老师板书： 试验表明：闭合电路的一部分导体在磁场中做切
29、割磁感线运动时，导体中就产生电流。这种现象叫做电磁感应，产生的电流叫做感应电流。 讲解并描述：电磁感应现象是英国的物理学家法拉第发觉的。这一现象的发觉进一步揭示了电和磁之间的联系，导致了发电机的独创，开拓了电的时代。 4探究感应电流的方向 提问：我们知道，电流是有方向的，那么感应电流的方向是怎样的呢？它的方向与哪些因素有关？请同学们视察下面的试验。 演示试验：保持上述试验装置不变，反复变更磁场方向或变更导体在磁场中的运动方向，请同学们细致视察电流表的偏转方向。 师：在上述试验中，当导体在磁场中左右运动时，你们发觉电流表的指针方向偏转有什么改变？这个现象说明白什么？ 生：感应电流有方向 师：那感
30、应电流方向跟哪些因素有关呢？ 让学生猜想感应电流方向可能跟什么有关：是跟导体运动方向有关还是跟磁场方向有关？ 学生进行试验进行探究，让学生探讨、思索、归纳、概括。 老师板书：导体中感应电流的方向，跟导体运动方向和磁感线方向有关。 5探究电磁感应现象中能的转化 师：在电磁感应现象中，当导体做切割磁感线运动时是什么力做功？它消耗了什么能？（机械能）得到了什么能？（电能） 在电磁感应现象中实现了什么能与什么能之间的转化？（机械能与电能的转化） 五、小结：学生总结 第19页 共19页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页