高考复习《电磁感应》典型例题复习.doc
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十五、电磁感应
一、知识网络
二、画龙点睛
概念
1、磁通量
设在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面，磁场的磁感应强度为B，平面的面积为S，如图所示。
（1）定义：
在匀强磁场中，磁感应强B与垂直磁场方向的面积S的乘积，叫做穿过这个面的磁通量，简称磁通。
（2）公式：
Φ＝BS
当平面与磁场方向不垂直时，如图所示。
Φ＝BS⊥＝BScosθ
（3）物理意义
物理学中规定：
穿过垂直于磁感应强度方向的单位面积的磁感线条数等于磁感应强度B。
所以，穿过某个面的磁感线条数表示穿过这个面的磁通量。
（4）单位：
在国际单位制中，磁通量的单位是韦伯，简称韦，符号是Wb。
1Wb＝1T·1m2＝1V·s。
（5）磁通密度：
B＝
磁感应强度B为垂直磁场方向单位面积的磁通量，故又叫磁通密度。
2、电磁感应现象
（1）电磁感应现象：
利用磁场产生电流的现象，叫做电磁感应现象。
（2）感应电流：
在电磁感应现象中产生的电流，叫做感应电流。
（3）产生电磁感应现象的条件
①产生感应电流条件的两种不同表述
a．闭合电路中的一部分导体与磁场发生相对运动
b．穿过闭合电路的磁场发生变化
②两种表述的比较和统一
a．两种情况产生感应电流的根本原因不同
闭合电路中的一部分导体与磁场发生相对运动时，是导体中的自由电子随导体一起运动，受到的洛伦兹力的一个分力使自由电子发生定向移动形成电流，这种情况产生的电流有时称为动生电流。
穿过闭合电路的磁场发生变化时，根据电磁场理论，变化的磁场周围产生电场，电场使导体中的自由电子定向移动形成电流，这种情况产生的电流有时称为感生电流。
b．两种表述的统一
两种表述可统一为穿过闭合电路的磁通量发生变化。
③产生电磁感应现象的条件
不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电流产生。
条件：
a．闭合电路；b．磁通量变化
3、电磁感应现象中能量的转化
能的转化守恒定律是自然界普遍规律，同样也适用于电磁感应现象。
3、感应电动势
（1）定义：
在电磁感应现象中产生的电动势，叫做感应电动势。
从低电势位置指向高电势位置。
（2）产生感应电动势的条件：
穿过回路的磁通量发生变化。
（3）物理意义：
感应电动势是反映电磁感应现象本质的物理量。
（4）方向规定：
内电路中的感应电流方向，为感应电动势方向。
规律
1、法拉第电磁感应定律
（1）磁通量变化率：
单位时间内磁通量的变化量，即反映磁通量变化的快慢。
（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变化率成正比。
这就是法拉第电磁感应定律。
②公式：
设t1时刻磁通量为Φ1，t2时刻磁通量为Φ2。
在Δt＝t2－t1时间内磁通量变化量ΔΦ＝Φ2－Φ1。
Δt内磁通量的变化率为。
设感应电动势为E，则有
E＝k
其中k为比例常数。
在国际单位制中，上式中各量的单位都已确定：
E的单位是伏特（V），Φ的单位是韦伯（Wb），t的单位是秒（s）。
同学们可以自己证明1V＝1Wb/s，上式中的k＝1，所以
E＝
设闭合电路是一个n匝线圈，可以看作是由n个单匝线圈串联而成，因此整个线圈中的感应电动势是单匝线圈的n倍，即
E＝n
磁通量改变的方式：
①线圈跟磁体之间发生相对运动，这种改变方式是S不变而相当于B发生变化；②线圈不动，线圈所围面积也不变，但穿过线圈面积的磁感应强度是时间的函数；③线圈所围面积发生变化，线圈中的一部分导体做切割磁感线运动，其实质也是B不变而S增大或减小；④线圈所围面积不变，磁感应强度也不变，但二者之间夹角发生变化，如匀强磁场中转动的矩形线圈就是典型例子．
3.关于磁通量变化
在匀强磁场中，磁通量Φ=B S sinα（α是B与S的夹角），磁通量的变化ΔΦ=Φ2-Φ1有多种形式，主要有：
①S、α不变，B改变，这时ΔΦ=ΔBSsinα
②B、α不变，S改变，这时ΔΦ=ΔSBsinα
③B、S不变，α改变，这时ΔΦ=BS（sinα2-sinα1）
当B、S、α中有两个或三个一起变化时，就要分别计算Φ1、Φ2，再求Φ2-Φ1了。
在非匀强磁场中，磁通量变化比较复杂。
有几种情况需要特别注意：
a
b
c
a
c
b
M
N
S
①如图所示，矩形线圈沿a→b→c在条形磁铁附近移动，试判断穿过线圈的磁通量如何变化？
如果线圈M沿条形磁铁轴线向右移动，穿过该线圈的磁通量如何变化？
（穿过上边线圈的磁通量由方向向上减小到零，再变为方向向下增大；右边线圈的磁通量由方向向下减小到零，再变为方向向上增大）
a
b
c
②如图所示，环形导线a中有顺时针方向的电流，a环外有两个同心导线圈b、c，与环形导线a在同一平面内。
当a中的电流增大时，穿过线圈b、c的磁通量各如何变化？
在相同时间内哪一个变化更大？
b
c
（b、c线圈所围面积内的磁通量有向里的也有向外的，但向里的更多，所以总磁通量向里，a中的电流增大时，总磁通量也向里增大。
由于穿过b线圈向外的磁通量比穿过c线圈的少，所以穿过b线圈的磁通量更大，变化也更大。
）
③如图所示，虚线圆a内有垂直于纸面向里的匀强磁场，虚线圆a外是无磁场空间。
环外有两个同心导线圈b、c，与虚线圆a在同一平面内。
当虚线圆a中的磁通量增大时，穿过线圈b、c的磁通量各如何变化？
在相同时间内哪一个变化更大？
（与②的情况不同，b、c线圈所围面积内都只有向里的磁通量，且大小相同。
因此穿过它们的磁通量和磁通量变化都始终是相同的。
）
2、导体做切割磁感线运动时的感应电动势
（1）导体切割磁感线的速度方向与磁场方向垂直
如图所示，闭合线圈中一部分导体ab处于匀强磁场中，磁感应强度是B，ab以速度v匀速切割磁力线，求产生的感应电动势。
在Δt时间内，线框的面积变化量：
ΔS＝LvΔt
穿过闭合电路的的磁通量的变化量：
ΔΦ＝BΔS
代入公式E＝中，得到
E＝BLv
（2）导体切割磁感线的速度方向与磁场方向有一个夹角θ
当导体运动方向与磁感线方向有一个夹角θ时，可以把速度分解为两个分量：
垂直于磁感线的分量v⊥＝vsinθ和平行于磁感线的分量v∥＝vcosθ。
后者不切割磁感线，不产生感应电动势。
前者切割磁感线，产生感应电动势。
感应电动势的表达式为：
E＝BLv⊥＝BLvsinθ
例题：
如图所示固定于水平面上的金属框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abed构成一个边长L的正方形，棒电阻r，其余电阻不计。
开始时磁感应强度为B。
（1）若以t＝0时起，磁感应强度均匀增加，每秒增加量为k，同时保持棒静止，求棒中的感应电流I；
（2）在上述情况中，棒始终保持静止，当t＝t1时需加垂直于棒的水平外力F＝?
（3）若从t＝0时起，磁感应强度逐渐减小，当棒以恒定速度v向右匀速运动，可使棒中不产生感应电流，则磁感应强度怎样随时间变化?
解析：
（1）E＝＝kL2
I＝＝，逆时针方向。
（2）F外＝BIL＝（B＋kt）·L，方向向右。
（3）没有感应电流，故ΔΦ＝0，则有
B0L2＝BL（L＋vt）
所以B＝
例题：
如图所示，长L1宽L2的矩形线圈电阻为R，处于磁感应强度为B的匀强磁场边缘，线圈与磁感线垂直。
求：
将线圈以向右的速度v匀速拉出磁场的过程中，⑴拉力的大小F；⑵拉力的功率P；⑶拉力做的功W；⑷线圈中产生的电热Q；⑸通过线圈某一截面的电荷量q。
解：
这是一道基本练习题，要注意计算中所用的边长是L1还是L2，还应该思考一下这些物理量与速度v之间有什么关系。
⑴⑵
⑶⑷⑸与v无关
特别要注意电热Q和电荷q的区别，其中与速度无关！
例题：
如图所示，竖直放置的U形导轨宽为L，上端串有电阻R（其余导体部分的电阻都忽略不计）。
磁感应强度为B的匀强磁场方向垂直于纸面向外。
金属棒ab的质量为m，与导轨接触良好，不计摩擦。
从静止释放后ab保持水平而下滑。
试求ab下滑的最大速度vm
解：
释放瞬间ab只受重力，开始向下加速运动。
随着速度的增大，感应电动势E、感应电流I、安培力F都随之增大，加速度随之减小。
当F增大到F=mg时，加速度变为零，这时ab达到最大速度。
由，可得
这道题也是一个典型的习题。
要注意该过程中的功能关系：
重力做功的过程是重力势能向动能和电能转化的过程；安培力做功的过程是机械能向电能转化的过程；合外力（重力和安培力）做功的过程是动能增加的过程；电流做功的过程是电能向内能转化的过程。
达到稳定速度后，重力势能的减小全部转化为电能，电流做功又使电能全部转化为内能。
这时重力的功率等于电功率也等于热功率。
进一步讨论：
如果在该图上端电阻的右边串联接一只电键，让ab下落一段距离后再闭合电键，那么闭合电键后ab的运动情况又将如何？
（无论何时闭合电键，ab可能先加速后匀速，也可能先减速后匀速，还可能闭合电键后就开始匀速运动，但最终稳定后的速度总是一样的）。
（3）说明
①根据E＝求出的一般是Δt时间内的平均感应电动势。
只有当Δt→0时，求出的才是瞬时感应电动势。
②根据E＝BLv⊥＝BLvsinθ，如果用平均量代入，求出的平均感应电动势。
用对应的瞬时量代入，求出的是瞬时感应电动势。
③在B、L、v中如果有任意两个量平行，都不会切割磁感线，感应电动势都等于零。
3、楞次定律──感应电流的方向
（1）楞次定律
①内容：
感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
这就是楞次定律。
②“阻碍”和“变化”的含义
感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，而不是阻碍引起感应电流的磁场。
因此，不能认为感应电流的磁场的方向和引起感应电流的磁场方向相反。
产生
产生
阻碍
磁通量变化感应电流
感应电流的磁场
发生电磁感应现象的这部分电路就相当于电源，在电源的内部，电流的方向是从低电势流向高电势。
（2）利用楞次定律判定感应电流方向的一般步骤是：
①明确闭合回路中引起感应电流的原磁场方向；
②确定原磁场穿过闭合回路中的磁通量如何变化（是增大还是减小）；
③根据楞次定律确定感应电流的磁场方向．注意“阻碍”不是阻止，阻碍磁通量变化指：
磁通量增加时，阻碍增加（感应电流的磁场和原磁场方向相反，起抵消作用）；磁通量减少时，阻碍减少（感应电流的磁场和原磁场方向一致，起补偿作用），简称“增反减同”．
④利用安培定则确定感应电流方向．
例题：
如图所示，有两个同心导体圆环。
内环中通有顺时针方向的电流，外环中原来无电流。
当内环中电流逐渐增大时，外环中有无感应电流？
方向如何？
解：
由于磁感线是闭合曲线，内环内部向里的磁感线条数和内环外部向外的所有磁感线条数相等，所以外环所围面积内（这里指包括内环圆面积在内的总面积，而不只是环形区域的面积）的总磁通向里、增大，所以外环中感应电流磁场的方向为向外，由安培定则，外环中感应电流方向为逆时针。
例题：
如图所示，闭合导体环固定。
条形磁铁S极向下以初速度v0 沿过导体环圆心的竖直线下落过程，导体环中的感应电流方向如何？
解：
从“阻碍磁通量变化”来看，当条形磁铁的中心恰好位于线圈M所在的水平面时，磁铁内部向上的磁感线都穿过了线圈，而磁铁外部向下穿过线圈的磁通量最少，所以此时刻穿过线圈M的磁通量最大。
因此全过程中原磁场方向向上，先增后减，感应电流磁场方向先下后上，感应电流先顺时针后逆时针。
从“阻碍相对运动”来看，线圈对应该是先排斥（靠近阶段）后吸引（远离阶段），把条形磁铁等效为螺线管，该螺线管中的电流是从上向下看逆时针方向的，根据“同向电流互相吸引，反向电流互相排斥”，感应电流方向应该是先顺时针后逆时针的，与前一种方法的结论相同。
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