自主学习自主学习基础知识基础知识5 电磁感应现象的两类情况电磁感应现象的两类情况学学习习目目标标1.知知道道感感生生电电动动势势、动动生生电电动动势势的的概概念念知知道道产产生生感感生生电电动动势势的的非非静静电电力力是是感感生生电电场场的的作作用用产产生生动动生生电电动动势势的的非非静静电电力力与与洛洛伦伦兹兹力力有有关关2.会会用用楞楞次次定定律律判判断断感感生生电电场场的的方方向向，用用左左手手定定则则判判断断洛洛伦伦兹兹力力的的方方向向(重重点点)3.知知道道电电磁磁感感应应现现象象遵遵守守能能量量守守恒恒定定律律4.电电磁磁感应与力学、电路等知识的综合问题感应与力学、电路等知识的综合问题(难点难点)合作探究合作探究重难疑点重难疑点解题技巧解题技巧素养培优素养培优1感感生生电电场场：磁磁场场_时时在在空空间间激激发发的的一一种种电电场场，它是由英国物理学家它是由英国物理学家_提出的提出的2感感生生电电动动势势：由由_产产生生的的感感应应电电动动势势，它它的的方方向向与与感感生生电电场场的的方方向向_，与与感感应应电电流流的的方方向向_3感感生生电电动动势势中中的的非非静静电电力力：就就是是_对对自自由由电电荷的作用力荷的作用力变化变化麦克斯韦麦克斯韦感生电场感生电场相同相同相同相同感生电场感生电场感感应应电电动动势势和和感感应应电电流流，哪哪一一个个更更能能反反映映电电磁磁感感应应的的本本质质？【提提示示】当当穿穿过过回回路路的的磁磁通通量量发发生生变变化化时时，回回路路中中将将产产生生感感应应电电动动势势，如如果果回回路路闭闭合合，就就会会产产生生感感应应电电流流，而而不不论论回回路路是是否否闭闭合合，都都有有感感应应电电动动势势产产生生，但但不不一一定定有有感感应应电电流流所所以以感感应应电电动动势势比比感感应应电电流流更更能能反反映映电电磁磁感感应应的本质的本质1磁磁场场可以可以对电对电荷做功荷做功( )2感生感生电场电场可以可以对电对电荷做功荷做功( )3磁磁场场越越强强，磁磁场场变变化化时时产产生生的的感感生生电电场场越越强强( )1成因成因导导体体棒棒做做切切割割磁磁感感线线运运动动时时，导导体体棒棒中中的的自自由由电电荷荷随随棒一起定向运棒一起定向运动动，并因此受到洛，并因此受到洛伦兹伦兹力力2动动生生电电动动势势：由由于于_而而产产生生的的感感应应电电动动势势3动生电动势中的非静电力：动生电动势中的非静电力：与与_有关有关导体运动导体运动洛伦兹力洛伦兹力感生感生电动势电动势与与动动生生电动势产电动势产生原因是否相同？生原因是否相同？【提提示示】不不相相同同感感生生电电动动势势是是由由于于磁磁场场变变化化而而引引起的；动生电动势是由于导体切割磁感线而引起的起的；动生电动势是由于导体切割磁感线而引起的 预预习习完完成成后后，请请把把你你认认为为难难以以解解决决的的问问题题记记录录在在下下面面的表格中的表格中问题问题1问题问题2问题问题3问题问题4学生分学生分组组探究一探究一对感生电动势与动生电动势的理解对感生电动势与动生电动势的理解第第1步探究步探究分层设问，破解疑难分层设问，破解疑难1(1)什什么么叫叫动动生生电电动动势势？(2)动动生生电电动动势势的的产产生生与与电电路是路是闭闭合合还还是断开有关是断开有关吗吗？【提提示示】(1)由由于于导导体体棒棒做做切切割割磁磁感感线线的的运运动动，而而在在导体棒两端产生的感应电动势，叫做动生电动势导体棒两端产生的感应电动势，叫做动生电动势(2)无无关关无无论论电电路路闭闭合合还还是是断断开开，只只要要有有导导体体做做切切割割磁磁感感线线的的运运动动，电电路路中中就就有有动动生生电电动动势势产产生生当当电电路路闭闭合合，其其一一部部分分导导体体做做切切割割磁磁感感线线的的运运动动时时，电电路路中中有有感感应应电电流流产生产生2什什么么是是感感生生电电场场？感感生生电电场场与与感感应应电电流流的的关关系系是是什什么？么？3感生感生电动势电动势和和动动生生电动势电动势的的产产生原因是否相同？生原因是否相同？【提提示示】不不同同感感生生电电动动势势是是感感生生电电场场对对自自由由电电荷荷作作用用产产生生的的，动动生生电电动动势势是是洛洛伦伦兹兹力力对对自自由由电电荷荷作作用用产产生生的的第第2步步结论结论自我总结，素能培养自我总结，素能培养1感生电动势与动生电动势产生机理的理解感生电动势与动生电动势产生机理的理解(1)磁磁感感应应强强度度变变化化产产生生的的感感生生电电动动势势是是由由变变化化的的磁磁场场产产生生感感生生电电场场，线线圈圈中中的的自自由由电电荷荷受受到到静静电电力力作作用用定定向向移移动动形成的形成的(2)导导体体切切割割磁磁感感线线产产生生的的动动生生电电动动势势是是由由于于自自由由电电荷荷受到洛受到洛伦兹伦兹力作用定向移力作用定向移动动形成的形成的2感生电动势与动生电动势的比较感生电动势与动生电动势的比较感生感生电动势电动势动动生生电动势电动势产产生原因生原因磁磁场场的的变变化化导导体做切割磁感体做切割磁感线线运运动动移移动电动电荷的荷的非静非静电电力力感生感生电场对电场对自由自由电电荷的静荷的静电电力力导导体中自由体中自由电电荷荷所受洛所受洛伦兹伦兹力沿力沿导导体方向的分力体方向的分力回路中相当于回路中相当于电电源的部分源的部分处处于于变变化磁化磁场场中中的的线线圈部分圈部分做切割磁感做切割磁感线线运运动动的的导导体体方向判方向判断方法断方法由楞次定律判断由楞次定律判断通常由右手定通常由右手定则则判断，判断，也可由楞次定律判断也可由楞次定律判断大小大小计计算方法算方法由由En 计计算算通常由通常由EBlvsin 计计算，算，也可由也可由En 计计算算第第3步例步例证证典例印证，思维深化典例印证，思维深化(多多选选)某某空空间间出出现现了了如如图图451所所示示的的磁磁场场，当当磁磁感感应应强强度度变变化化时时，在在垂垂直直于于磁磁场场的的方方向向上上会会产产生生感感生生电电场场，下下列列有有关关磁磁感感应应强强度度的的变变化化与与感感生生电电场场的的方方向向关关系系的的描描述述正正确的是确的是()A当磁感当磁感应应强强度均匀增大度均匀增大时时，感生，感生电电场场的的电场线电场线从上向下看从上向下看应为顺时针应为顺时针方向方向B当磁感当磁感应应强强度均匀增大度均匀增大时时，感生，感生电场电场的的电场线电场线从上向下看从上向下看应为应为逆逆时针时针方向方向C当当磁磁感感应应强强度度均均匀匀减减小小时时，感感生生电电场场的的电电场场线线从从上向下看上向下看应为顺时针应为顺时针方向方向D当当磁磁感感应应强强度度均均匀匀减减小小时时，感感生生电电场场的的电电场场线线从从上向下看上向下看应为应为逆逆时针时针方向方向【思思路路点点拨拨】感感生生电电场场的的方方向向与与感感生生电电动动势势、感感应应电流的方向相同，因此可以用楞次定律分析电流的方向相同，因此可以用楞次定律分析【解解析析】感感生生电电场场中中电电场场线线的的方方向向用用楞楞次次定定律律来来判判定定原原磁磁场场向向上上且且磁磁感感应应强强度度在在增增大大，在在周周围围有有闭闭合合导导线线的情况下的情况下，感应电流的磁场方向应与原磁场方向相反感应电流的磁场方向应与原磁场方向相反，即即感感应应电电流流的的磁磁场场方方向向向向下下， 再再由由右右手手螺螺旋旋定定则则得得到到感感应应电电流流的的方方向向从从上上向向下下看看应应为为顺顺时时针针方方向向，则则感感生生电电场场的的方方向向从从上上向向下下看看也也为为顺顺时时针针方方向向；同同理理可可知知，原原磁磁场场方方向向向向上上且且磁磁感感应应强强度度减减小小时时，感感生生电电场场的的方方向向从从上上向向下下看看应为逆时针方向，所以应为逆时针方向，所以A、D对对【答案】【答案】AD感生电场的特点：感生电场的特点：1感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的2感生电场的产生跟空间中是否存在闭合电路无关感生电场的产生跟空间中是否存在闭合电路无关3感感生生电电场场的的方方向向根根据据闭闭合合电电路路(或或假假想想的的闭闭合合电电路路)中感应电流的方向确定中感应电流的方向确定 第第4步巧步巧练练精选习题，落实强化精选习题，落实强化1如如图图452所所示示的的是是一一个个水水平平放放置置的的玻玻璃璃圆圆环环形形小小槽槽，槽槽内内光光滑滑，槽槽宽宽度度和和深深度度处处处处相相同同现现将将一一直直径径略略小小于槽于槽宽宽的的带带正正电电小球放在槽中，小球放在槽中，让让它它获获得一初速度得一初速度v0，与此同，与此同时时，有一，有一变变化的磁化的磁场场垂直穿垂直穿过过玻璃玻璃圆环圆环形小槽形小槽外径所外径所对应对应的的圆圆面面积积，磁感，磁感应应强强度度的的大大小小跟跟时时间间成成正正比比例例增增大大，方方向向竖竖直直向向下下设设小小球球在运在运动过动过程中程中电电荷量不荷量不变变，则则()A小球受到的向心力大小不小球受到的向心力大小不变变B小球受到的向心力大小不断增大小球受到的向心力大小不断增大C磁磁场场力力对对小球做了功小球做了功D小球受到的磁小球受到的磁场场力大小与力大小与时间时间成正比成正比【解解析析】本本题题解解题题关关键键是是由由楞楞次次定定律律判判断断出出感感生生电电场场的的方方向向当当磁磁感感应应强强度度随随时时间间均均匀匀增增大大时时，将将产产生生一一恒恒定定的的感感生生电电场场，由由楞楞次次定定律律知知，电电场场方方向向和和小小球球初初速速度度方方向相同，因小球带正电，向相同，因小球带正电，电电场场力力对对小小球球做做正正功功，小小球球速速率率逐逐渐渐增增大大，向向心心力力也也随随着着增增大大，故故A错错，B对对；洛洛伦伦兹兹力力对对运运动动电电荷荷不不做做功功，故故C错错；带带电电小小球球所所受受洛洛伦伦兹兹力力FqBv，随随着着速速率率的的增增大大而而增大，同时增大，同时Bt，则，则F和和t不成正比，故不成正比，故D错错【答案】【答案】B2(多多选选)某某空空间间出出现现了了如如453图图所所示示的的一一组组闭闭合合的的电电场线场线，这这可能是可能是()A沿沿AB方向的磁方向的磁场场迅速减弱迅速减弱B沿沿AB方向的磁方向的磁场场迅速增迅速增强强C沿沿BA方向的磁方向的磁场场迅速增迅速增强强D沿沿BA方向的磁方向的磁场场迅速减弱迅速减弱图图453【解解析析】假假设设存存在在圆圆形形闭闭合合回回路路，回回路路中中应应产产生生与与电电场场同同向向的的感感应应电电流流，由由安安培培定定则则知知，感感应应电电流流的的磁磁场场方方向向向向下下，所所以以根根据据楞楞次次定定律律，引引起起感感应应电电流流的的应应是是方方向向向向下下的的磁磁场场迅迅速速减减弱弱或或方方向向向向上上的的磁磁场场迅迅速速增增强强，故故A、C正正确确【答案】【答案】AC学生分学生分组组探究二探究二电磁感应现象中的能量转化与守恒电磁感应现象中的能量转化与守恒第第1步探究步探究分层设问，破解疑难分层设问，破解疑难1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，能能量量怎怎样样转转化？化？【提提示示】变变化化的的磁磁场场产产生生非非静静电电场场，由由电电场场力力推推动动电荷做功，将磁场能转化为电能电荷做功，将磁场能转化为电能 2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，能能量量怎怎样样转转化？化？【提提示示】随随导导体体棒棒运运动动的的电电荷荷受受到到洛洛伦伦兹兹力力，从从导导体体棒棒一一端端移移动动到到另另一一端端，是是一一个个与与洛洛伦伦兹兹力力有有关关的的非非静静电电力做功，将其它形式的能转变为电能力做功，将其它形式的能转变为电能第第2步步结论结论自我总结，素能培养自我总结，素能培养1等等效效电电路路的的分分析析：将将产产生生感感应应电电动动势势的的那那部部分分电电路路等等效效为为电电源源，画画出出等等效效电电路路图图，分分析析内内外外电电路路结结构构，应应用用闭闭合合电电路欧姆定律、串并路欧姆定律、串并联电联电路的性路的性质质等知等知识进识进行分析行分析2电磁感应现象中涉及收尾速度问题时的动态分析：电磁感应现象中涉及收尾速度问题时的动态分析：周周而而复复始始地地循循环环，达达到到最最终终状状态态时时，加加速速度度等等于于零零，导导体达到体达到稳稳定运定运动动状状态态3能能量量转转化化与与守守恒恒的的分分析析：电电磁磁感感应应过过程程往往往往涉涉及及多多种能量形式的种能量形式的转转化化如如图图454中金属棒中金属棒ab沿沿导轨导轨由静止由静止下滑下滑时时，重力，重力势势能减少，一部分用能减少，一部分用来克服安培力做功来克服安培力做功转转化化为电为电路中的路中的电电图图454能能，最最终终在在R上上转转化化为为焦焦耳耳热热；另另一一部部分分转转化化为为金金属属棒棒的的动动能能若若导导轨轨足足够够长长，棒棒最最终终达达到到稳稳定定状状态态匀匀速速运运动动时时，重重力力势势能能的的减减少少则则完完全全用用来来克克服服安安培培力力做做功功转转化化为为电电路中的路中的电电能能第第3步例步例证证典例印证，思维深化典例印证，思维深化(2013安安徽徽高高考考)如如图图455所所示示，足足够够长长的的平平行行金金属属导导轨倾轨倾斜放置，斜放置，倾倾角角为为37，宽宽度度为为0.5 m，电电阻忽略不阻忽略不计计，其上，其上端接一小灯泡，端接一小灯泡，电电阻阻为为1 .一一导导体棒体棒MN垂直于垂直于导轨导轨放置，放置，质质量量为为0.2 kg，接接入入电电路路的的电电阻阻为为1 ，两两端端与与导导轨轨接接触触良良好好，与与导导轨轨间间的的动动摩摩擦擦因因数数为为0.5.在在导导轨轨间间存存在在着着垂垂直直于于导轨导轨平面的匀平面的匀强强磁磁场场，磁磁感感应应强强度度为为0.8 T将将导导体体棒棒MN由由静静止止释释放放，运运动动一一段段时时间间后后，小小灯灯泡泡稳稳定定发发光光，此此后后导导体体棒棒MN的的运运动动速速度度以以及及小小灯灯泡泡消消耗耗的的电电功功率率分分别别为为(重重力力加加速速度度g取取10 m/s2，sin 370.6)()A2.5 m/s1 WB5 m/s1 WC7.5 m/s9 W D15 m/s9W【思思路路点点拨拨】(1)由由小小灯灯泡泡稳稳定定发发光光，可可知知感感应应电电流流和感应电动势恒定及和感应电动势恒定及v不变不变(2)由由v不变，考虑到导体棒不变，考虑到导体棒MN的平衡的平衡(3)根据物体的平衡和功能关系确定根据物体的平衡和功能关系确定v和和P.【解解析析】把把立立体体图图转转为为平平面面图图，由由平平衡衡条条件件列列出出方方程程是是解解决决此此类类问问题题的的关关键键对对导导体体棒棒进进行行受受力力分分析析做做出出截截面面图图，如如图图所所示示，导导体体棒棒共共受受四四个个力力作作用用，即即重重力力、支支持持力、摩擦力和安培力力、摩擦力和安培力由平衡条件得由平衡条件得mgsin 37F安安FfFfFNFNmgcos 37而而F安安BIL电能的三种求解思路电能的三种求解思路(1)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能等于克服安培力所做的功等于克服安培力所做的功(2)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等于于产生的电能产生的电能(3)利利用用电电路路特特征征求求解解：通通过过电电路路中中所所消消耗耗的的电电能能来来计计算算第第4步巧步巧练练精选习题，落实强化精选习题，落实强化1(多多选选)如如图图456所所示示，两两根根足足够够长长的的光光滑滑导导轨轨竖竖直直放放置置，间间距距为为L，底底端端接接阻阻值值为为R的的电电阻阻将将质质量量为为m的的金金属棒属棒悬悬挂在一个固定的挂在一个固定的轻弹轻弹簧下端，金簧下端，金属棒和属棒和导轨导轨接触良好，接触良好，导轨导轨所在平面所在平面与磁感与磁感应应强强度度为为B的匀的匀强强磁磁场场垂直，垂直，除除电电阻阻R外其余外其余电电阻均不阻均不计计现现将金将金属棒从属棒从弹弹簧原簧原长长位置位置由静止由静止释释放，放，则则()A释释放瞬放瞬间间金属棒的加速度等于重力加速度金属棒的加速度等于重力加速度gB金属棒向下运金属棒向下运动时动时，流，流过电过电阻阻R的的电电流方向流方向为为ab金金属属棒棒减减少少的的重重力力势势能能转转化化为为弹弹簧簧的的弹弹性性势势能能、金金属属棒的动能以及电阻棒的动能以及电阻R上产生的内能，因此选项上产生的内能，因此选项D错误错误【答案】【答案】AC2法法拉拉第第曾曾提提出出一一种种利利用用河河流流发发电电的的设设想想，并并进进行行了了实实验验研研究究实实验验装装置置的的示示意意图图如如图图457所所示示，两两块块面面积积均均为为S的的矩矩形形金金属属板板，平平行行、正正对对、竖竖直直地地全全部部浸浸在在河河水水中中，间间距距为为d，水水流流速速度度处处处处相相同同，大大小小为为v，方方向向水水平平金金属属板板与与水水流流方方向向平平行行，地地磁磁场场磁磁感感应应强强度度的的竖竖直直分分量量为为B，水水的的电电阻率阻率为为，水面上方有，水面上方有一阻一阻值为值为R的的电电阻通阻通过绝缘导线过绝缘导线和开关和开关S连连接到两金属板上，忽接到两金属板上，忽略略边缘边缘效效应应，求：，求：图图457(1)该发电该发电装置的装置的电动势电动势；(2)通通过电过电阻阻R的的电电流大小；流大小；(3)电电阻阻R消耗的消耗的电电功率功率 电磁感应中的力学问题的分析方法电磁感应中的力学问题的分析方法由由于于通通过过导导体体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，因此电磁感应问题往往和力学问题综合在一起考查因此电磁感应问题往往和力学问题综合在一起考查1理理解解电电磁磁感感应应问问题题中中的的两两个个研研究究对对象象及及其其之之间间的的相相互制约关系互制约关系2理解力和运动的动态关系理解力和运动的动态关系3解决电磁感应现象中的力学问题的思路解决电磁感应现象中的力学问题的思路(1)对电对电学学对对象要画好必要的等效象要画好必要的等效电电路路图图(2)对对力力学学对对象象要要画画好好必必要要的的受受力力分分析析图图和和过过程程示示意意图图(3)电电磁磁感感应应中中切切割割磁磁感感线线的的导导体体要要运运动动，产产生生的的感感应应电电流流又又要要受受到到安安培培力力的的作作用用在在安安培培力力作作用用下下，导导体体的的运运动动状状态发态发生生变变化，化，这这就可能需要就可能需要应应用牛用牛顿顿运运动动定律定律4解决电磁感应现象中的力学问题的基本步骤解决电磁感应现象中的力学问题的基本步骤(1)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定律律求求感感应应电电动动势势的的大小和方向；大小和方向；(2)求回路中的求回路中的电电流；流；(3)分分析析研研究究导导体体受受力力情情况况(包包含含安安培培力力，用用左左手手定定则则确确定其方向定其方向)；(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如如图图458所所示示，AB、CD是是两两根根足足够够长长的的固固定定平平行行金金属属导导轨轨，两两导导轨轨间间的的距距离离为为L，导导轨轨平平面面与与水水平平面面间间的的夹夹角角为为，在在整整个个导导轨轨平平面面内内都都有有垂垂直直于于导导轨轨平平面面斜斜向向上上的的匀匀强强磁磁场场，磁磁感感应应强强度度为为B，在在导导轨轨的的AC端端连连接接一一个个阻阻值值为为R的的电电阻，一根阻，一根质质量量为为m、垂直于、垂直于导轨导轨放放置的金属棒置的金属棒ab，从静止开始沿，从静止开始沿导导轨轨下滑，求此下滑，求此过过程中程中ab棒的最大棒的最大速度已知速度已知ab与与导轨间导轨间的的动动摩擦摩擦因数因数为为，导轨导轨和金属棒的和金属棒的电电阻都不阻都不计计【思思路路点点拨拨】ab沿沿导导轨轨下下滑滑过过程程中中受受四四个个力力作作用用，即即重重力力mg、支支持持力力FN、摩摩擦擦力力Ff和和安安培培力力F安安，如如图图所所示示，ab由由静静止止开开始始下下滑滑后后，将将是是vEIF安安a(为为增增大大符符号号)，所所以以这这是是个个变变加加速速过过程程，当当加加速速度度减减到到a0时时，其其速速度度增增到到最最大大vvmax，此此时时处处于于平平衡衡状状态态，以以后后将将以以vmax匀速下滑匀速下滑【解解析析】ab下下滑滑时时因因切切割割磁磁感感线线，要要产产生生感感应应电电动动势势，根据电磁感应定律根据电磁感应定律EBLv闭闭合合电电路路ACba中中将将产产生生感感应应电电流流，根根据据闭闭合合电电路路欧欧姆姆定律定律IE/R据据右右手手定定则则可可判判定定感感应应电电流流方方向向为为aACba，再再据据左左手手定则判断它受的安培力定则判断它受的安培力F安安方向如图所示，其大小为方向如图所示，其大小为F安安BIL取取平平行行和和垂垂直直导导轨轨的的两两个个方方向向对对ab所所受受的的力力进进行行正正交交分解，应有分解，应有FNmgcos ，Ffmgcos ，先看名师指津先看名师指津 1电电磁磁感感应应中中的的动动态态分分析析，是是处处理理电电磁磁感感应应问问题题的的关关键键，要要学学会会从从动动态态分分析析的的过过程程中中来来选选择择是是从从动动力力学学方方面面，还是从能量、动量方面来解决问题还是从能量、动量方面来解决问题2在在分分析析运运动动导导体体的的受受力力时时，常常需需画画出出平平面面示示意意图图和和物体受力图物体受力图再演练应用再演练应用 如如图图459所所示示，平平行行导导轨轨MN和和PQ相相距距0.5 m，电电阻阻忽忽略略不不计计其其水水平平部部分分粗粗糙糙，倾倾斜斜部部分分光光滑滑且且水水平平部部分分置置于于B0.6 T竖竖直直向向上上的的匀匀强强磁磁场场中中，倾倾斜斜部部分分处处没没有有磁磁场场已知导线已知导线a和和b的质量均为的质量均为0.2 kg，电阻均为电阻均为0.15 ，开始时，开始时a、b相相距足够远，距足够远，b放置在水平导轨上，放置在水平导轨上，现现将将a从从倾倾斜斜导导轨轨上上高高0.05 m处处由由静静止止开开始始释释放放，求求：(g10 m/s2)(1)回路中的最大感回路中的最大感应电应电流是多少？流是多少？(2)如如果果导导线线和和导导轨轨间间动动摩摩擦擦因因数数0.1，当当导导线线b的的速速度最大度最大时时，导线导线a的加速度是多少？的加速度是多少？