1、5 电磁感应现象的两类情况,一、电磁感应现象中的感生电场 一个闭合电路静止于磁场中,由于磁场强弱的变化,闭合电路内将会产生感应电动势。 1.感生电场:磁场变化时在空间激发的一种电场。 2.感生电动势:由感生电场产生的感应电动势。 3.感生电动势中的非静电力:感生电场对自由电荷的作用。 4.感生电场的方向:与所产生的感应电流的方向相同,可根据楞次定律和右手定则判断。,二、电磁感应现象中的洛伦兹力 1.动生电动势:由于导体切割磁感线运动而产生的感应电动势。 2.动生电动势中的“非静电力” 自由电荷因随导体棒运动而受到洛伦兹力,非静电力与洛伦兹力有关。 3.动生电动势中的功能关系 闭合回路中,导体棒
2、做切割磁感线运动时,克服安培力做功,其他形式的能转化为电能。搜索“电磁炮”,了解电磁炮的发射原理,基本构造以及实际应用中需要解决的种种问题。,自我检测 1.正误判断。 (1)如果空间不存在闭合电路,变化的磁场周围不会产生感生电场。 ( ) 解析:麦克斯韦认为,磁场的变化在空间激发一种电场,这种电场与是否存在闭合电路无关。 答案: (2)处于变化磁场中的导体,其内部自由电荷定向移动,是由于受到感生电场的作用。 ( ) 解析:在变化的磁场中,导体中的自由电荷将发生定向移动,产生感应电流,或者说导体中产生感应电动势,其非静电力就是这种感生电场作用产生的。 答案:,(3)感生电场就是感应电动势。 (
3、) 解析:感应电动势是导体中产生的电动势,与感生电场不是一个物理概念。 答案: (4)产生动生电动势的非静电力就是自由电荷受到的洛伦兹力。 ( ) 解析:产生动生电动势的非静电力与洛伦兹力有关,而不是洛伦兹力。 答案: (5)动生电动势是洛伦兹力对导体中自由电荷做功而引起的。 ( ) 解析:洛伦兹力沿导体方向的分力对导体中自由电荷做功是产生动生电动势的本质。 答案:,2.(多选)某空间出现了如图所示的磁场,当磁感应强度变化时,在垂直于磁场的方向上会产生感生电场,有关磁感应强度的变化与感生电场的方向关系,下列描述正确的是( ) A.当磁感应强度均匀增大时,感生电场的 电场线从上向下看应为顺时针方
4、向 B.当磁感应强度均匀增大时,感生电场的 电场线从上向下看应为逆时针方向 C.当磁感应强度均匀减小时,感生电场的 电场线从上向下看应为顺时针方向 D.当磁感应强度均匀减小时,感生电场的 电场线从上向下看应为逆时针方向,解析:感生电场中磁场的方向用楞次定律来判定:原磁场向上且磁感应强度在增大,在周围有闭合导线的情况下,感应电流的磁场方向应与原磁场方向相反,即感应电流的磁场方向向下,再由右手螺旋定则知感应电流的方向即感生电场的方向:从上向下看应为顺时针方向;同理可知,原磁场方向向上且磁感应强度减小时,感生电场的方向从上向下看应为逆时针方向,所以A、D正确。 答案:AD,3.(多选)如图所示,导体
5、AB在做切割磁感线运动时,将产生一个电动势,因而在电路中有电流通过,下列说法中正确的是( )A.因导体运动而产生的感应电动势称为动生电动势 B.动生电动势的产生与洛伦兹力有关 C.动生电动势的产生与电场力有关 D.动生电动势和感生电动势产生的原因是一样的 解析:导体在磁场中做切割磁感线运动时产生的电动势叫动生电动势,原因是导体运动时,自由电荷受到洛伦兹力作用而引起的,感生电动势是由于感生电场引起的,原因不相同,故A、B正确。 答案:AB,探究一,探究二,电磁感应现象中的感生电场 问题探究 如图所示,B增强,那么就会在空间激发一个感生电场E。如果E处空间存在闭合导体,导体中的自由电荷就会在电场力
6、的作用下定向移动,而产生感应电流。(1)感生电场的方向与感应电流的方向有什么关系?如何判断感生电场的方向? (2)上述情况下,哪种作用扮演了非静电力的角色?,探究一,探究二,要点提示:(1)感应电流的方向与正电荷移动的方向相同。感生电场的方向与正电荷受力的方向相同,因此,感生电场的方向与感应电流的方向相同,感生电场的方向可以用楞次定律判定。 (2)感生电场对自由电荷的作用力。,探究一,探究二,知识归纳 1.产生:如图所示,当磁场变化时,产生感生电场。感生电场的电场线是与磁场垂直的曲线。2.方向:闭合环形回路(可假定存在)的电流方向就表示感生电场的电场方向。依据实际存在的或假定存在的回路结合楞次
7、定律判定感生电场的方向。感生电场力虽然是电场力但不是静电力。它是一种非静电力。,探究一,探究二,典例剖析 【例题1】 著名物理学家费曼曾设计过这样一个实验装置:一块绝缘圆板可绕其中心的光滑轴自由转动,在圆板的中部有一个线圈,圆板的四周固定着一圈带电的金属小球,如图所示。当线圈接通电源后,将有图示方向的电流流过,则下列说法正确的是( ) A.接通电源瞬间,圆板不会发生转动 B.线圈中电流的增大或减小会引起 圆板向相同方向转动 C.接通电源后,保持线圈中电流不变, 圆板转动方向与线圈中电流流向相同 D.若金属小球带负电,接通电源瞬间圆板转动方向与线圈中电流流向相同,探究一,探究二,解析:线圈接通电
8、源瞬间,则变化的磁场产生变化的电场,从而导致带电小球受到电场力,使其转动,故A错误;不论线圈中电流增大或减小都会引起磁场的变化,从而产生电场,使小球受到电场力,从而转动,由于电场力与电荷带正负电有关,故B错误;接通电源后,保持线圈中电流不变,则磁场不变,则不会产生电场,小球不受到电场力,故C错误;接通电源瞬间小球受到电场力作用而转动,由于金属小球带负电,再根据电磁场理论可知,圆盘转动方向与线圈中电流流向相同,故D正确。 答案:D,探究一,探究二,判断感生电场方向的思路,探究一,探究二,变式训练1现代科学研究中常用到高速电子,电子感应加速器就是利用感生电场加速电子的设备,如图甲。电子感应加速器主
9、要有上、下电磁铁磁极和环形真空室组成。当电磁铁绕组通以变化的电流时,产生变化的磁场,穿过真空盒所包围的区域内的磁通量也随时间变化,这时真空盒空间内就产生感应涡旋电场,电子将在涡旋电场作用下加速。如图乙所示(上图为侧视图、下图为真空室的俯视图),若电子被“约束”在半径为R的圆周上运动,当电磁铁绕组通有图中所示的电流时( ),探究一,探究二,A.若电子沿逆时针运动,保持电流的方向不变,当电流增大时,电子将加速 B.若电子沿顺时针运动,保持电流的方向不变,当电流增大时,电子将加速 C.若电子沿逆时针运动,保持电流的方向不变,当电流减小时,电子将加速 D.被加速时电子做圆周运动的周期不变 解析:当电磁
10、铁绕组通有题图中所示的电流时,由安培定则可知将产生向上的磁场,当电磁铁绕组中电流增大时,根据楞次定律和安培定则可知,这时真空盒空间内产生顺时针方向的感生电场,电子沿逆时针运动,电子将加速,选项A正确,选项B、C错误;由于电子被“约束”在半径为R的圆周上运动,被加速时电子做圆周运动的周期减小,选项D错误。 答案:A,探究一,探究二,电磁感应现象中的洛伦兹力 问题探究 导体切割磁感线时会产生感应电动势,该电动势形成的原因是什么呢?如图所示CD棒在匀强磁场中运动,回答以下问题: 1.自由电荷会随着导体棒运动,并因此受到洛伦兹力。导体中自由电荷的合运动在空间大致沿什么方向? 2.导体棒一直运动下去,自
11、由电荷是否也会沿着导体棒一直运动下去?为什么? 3.导体棒的哪端电势比较高? 4.如果用导线把C、D两端连到磁场外的一个用 电器上,导体棒中电流是沿什么方向的? 5.什么是动生电动势?如何计算? 6.从做功角度分析能量是如何转化的?,探究一,探究二,要点提示: 1.运动导体中的自由电子,不仅随导体以速度v运动,而且还沿导体以速度u做定向移动,如图所示。因此,导体中的电子的合速度v合等于v和u的矢量和,所以电子受到的洛伦兹力为F合=ev合B,F合与合速度v合垂直。2.自由电荷不会一直运动下去。因为C、D两端聚集电荷越来越多,在CD棒间产生的电场越来越强,当电场力等于洛伦兹力时,自由电荷不再定向运
12、动。,探究一,探究二,3.C端电势高。 4.CD相当于电源,电源内部,电流由低电势流向高电势,电流方向是由D到C。 5.方法一(由电场力与洛伦兹力的关系推导)导体CD运动时自由电子受洛伦兹力的作用,从C端搬运到D端,C、D两端聚集电荷越来越多,在CD棒间产生的电场越来越强,电荷受到的电场力,方法二(由能量守恒定律推导)运动的导体CD中产生感应电流,因而受到向左的安培力F安作用,为了维持其速度大小不变,需在金属杆上施一水平向右的外力F,且F=F安=BIL。,探究一,探究二,力F的功率为P=Fv=BILv,回路的电功率为P=EI,因杆做匀速运动,其动能不变,故力F的功率等于回路的电功率,P=P。所
13、以有BILv=EI,得:E=BLv。 6.从做功角度分析,由于F合与v合垂直,它对电子不做功,更具体地说,F合的一个分量是F1=evB,这个分力做功,产生动生电动势。F合的另一个分量是F2=euB,阻碍导体运动,做负功。可以证明两个分力F1和F2所做功的代数和为零。结果仍然是洛伦兹力并不提供能量,而只是起传递能量的作用,即外力克服洛伦兹力的一个分力F2所做的功通过另一个分力F1转化为电能。,探究一,探究二,知识归纳 1.成因:导体棒做切割磁感线运动时,导体棒中的自由电荷随棒一起定向运动,并因此受到洛伦兹力。 2.动生电动势中的非静电力:与洛伦兹力有关,是洛伦兹力的一个分力。,探究一,探究二,3
14、.感生电动势与动生电动势的比较,任何时候洛伦兹力不做功,产生动生电动势的非静电力是洛伦兹力的一个分力,这个分力做了正功,增加了电势能,同时另一分力一定做了负功,消耗了其他形式的能量。,探究一,探究二,典例剖析 【例题2】如图所示,用铝板制成U形框,将一质量为m的带电小球用绝缘细线悬挂在框的上方,使整体在匀强磁场中沿垂直于磁场方向向左以速度v匀速运动,悬线拉力为FT,则( )A.悬线竖直FT=mg B.悬线竖直FTmg C.悬线竖直FTmg D.无法确定FT的大小和方向,探究一,探究二,解析:设两板间的距离为L,由于向左运动过程中竖直板切割磁感线,产生动生电动势,用右手定则判断下板电势高于上板电
15、势,动生电动势大小E=BLv,即带电小球处于电势差为BLv的电场中。所受,同时小球所受洛伦兹力F洛=qvB,方向由左手定则判断竖直向下,即F电=F洛,反之同样可得出F电=F洛,且方向相反。故无论小球带什么电,怎样运动,都有FT=mg,故选项A正确。 答案:A,探究一,探究二,变式训练2如图所示,矩形线框abcd的ad和bc的中点M、N之间连接一电压表,整个装置处于匀强磁场中,磁场的方向与线框平面垂直。当线框向右匀速平动时,下列说法中正确的是( ) A.穿过线框的磁通量不变化,MN间 无感应电动势 B.MN这段导体做切割磁感线运动, MN间有电势差 C.MN间有电势差,所以电压表有示数 D.因为
16、有电流通过电压表,所以电压表有示数 解析:穿过线框的磁通量不变化,线框中无感应电流,但ab、MN、dc都切割磁感线,它们都有感应电动势,故A错,B对。无电流通过电压表,电压表无示数,C、D错。 答案:B,探究一,探究二,【例题3】 如图所示,两根平行金属导轨固定在水平桌面上,每根导轨每米的电阻为r0=0.10 ,导轨的端点P、Q用电阻可忽略的导线相连,两导轨间的距离l=0.20 m。有随时间变化的磁场垂直于桌面向下,已知磁感应强度B与时间t的关系为B=kt,比例系数k=0.020 T/s。一电阻不计的金属杆可在导轨上无摩擦地滑动,在滑动过程中保持与导轨垂直,在t=0时刻,金属杆紧靠P、Q端,在
17、外力作用下,金属杆以恒定的加速度a=1 m/s2从静止开始向导轨的另一端滑动,求在t=0.6 s时金属杆所受的安培力。,探究一,探究二,解析:t=0.6 s时,回路中动生电动势E1=Blv 又B=kt,v=at代入数据解得E1=1.4410-3 V,代入数据解得E2=0.7210-3V 又由右手定则及楞次定律知E1、E2同向, 故此时回路中总电动势为E=E1+E2=2.1610-3V 回路中电阻R=2xr0=3.610-2,则金属杆受的安培力F=BIl=ktIl=1.4410-4 N,由左手定则知方向向右。 答案:1.4410-4 N,方向向右,探究一,探究二,1,2,3,4,1.在如图所示的
18、四种磁场情况中能产生恒定的感生电场的是( )解析:据麦克斯韦电磁理论,恒定的感生电场由均匀变化的磁场产生,C正确。 答案:C,1,2,3,4,2.内壁光滑的塑料管弯成的圆环平放在水平桌面上,环内有一带负电的小球,整个装置处在竖直向下的磁场中,如图所示。当磁场突然增强时,小球( ) A.沿顺时针方向运动 B.沿逆时针方向运动 C.在原位置附近往复运动 D.仍保持静止状态 解析:磁场突然增强时,激发出逆时针方向的感生电场,对负电荷的作用力为顺时针,故小球沿顺时针方向运动。 答案:A,1,2,3,4,3.研究表明,地球磁场对鸽子识别方向起着重要作用。鸽子体内的电阻大约为103 ,当它在地球磁场中展翅
19、飞行时,会切割磁感线,在两翅端点之间产生动生电动势。这样,鸽子体内灵敏的感受器即可根据动生电动势的大小来判别其飞行方向。若某处地磁场磁感应强度的竖直分量约为0.510-4 T。鸽子以20 m/s速度水平滑翔,则可估算出两翅之间产生的动生电动势约为 ( ) A.30 mV B.3 mV C.0.3 mV D.0.03 mV 解析:鸽子两翅展开可达30 cm左右, 所以E=BLv=0.510-40.320 V=0.3 mV。 答案:C,1,2,3,4,4.如图所示,两个端面半径同为R的圆柱形铁芯同轴水平放置,相对的端面之间有一缝隙,铁芯上绕导线并与直流电源连接,在缝隙中形成一匀强磁场。一铜质细直棒ab水平置于缝隙中,且与圆柱轴线等高、垂直。让铜质细直棒从静止开始自由下落,铜质细直棒下落距离为0.2R时铜质细直棒中电动势大小为E1,下落距离为0.8R时电动势大小为E2,忽略能量损耗和边缘效应。关于E1、E2的大小和铜质细直棒离开磁场前两端的极性,下列判断正确的是(g取10 m/s2)( ) A.E1E2,a端为正 B.E1E2,b端为正 C.E1E2,a端为正 D.E1E2,b端为正,1,2,3,4,解析:通电导线在缝隙中产生的磁场方向向左,所以铜质细直棒下落时由右手定则可判断得b端为正,选项A、C错误;根据E=BLv可知,E1E2,选项B错误,选项D正确。,答案:D,
