高三物理最新教案八电磁感应定律楞次定律教案 精品.docx

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高三物理最新教案八电磁感应定律楞次定律教案精品

八、电磁感应定律楞次定律

教学目标

1．知道电磁感应现象，知道产生感应电流的条件．

2．会运用楞次定律和左手定则判断感应电流的方向．

3．会计算感应电动势的大小（切割法、磁通变化法）．

教学重点、难点分析

1．在学科知识中的地位

电磁感应一章主要解决三个基本问题：

而楞次定律解决了感应电流的方向判断问题，法拉第电磁感应定律用于计算感应电动势的大小，而感应电流的大小只需运用闭合电路欧姆定律即可确定．因此，楞次定律、法拉第电磁感应定律是电磁感应一章的重点．另外，电磁感应的规律也是自感、交流电、变压器等知识的基础，因而在电磁学中占据了举足轻重的地位．

2．在高考中的地位

在考试说明中，楞次定律、法拉第电磁感应定律都属B级要求，每年的高考试题中都会出现相应考题，题型也多种多样，在历年高考中，以选择、填空、实验、计算各种题型都出现过．分值占全卷的比例约为5％～8％（其中在1990年、1995年的高考中占到16％、17％的比例），属高考必考内容．同时，由电磁感应与力学、电学知识相结合的题目更是高考中的热点内容，题目内容变化多端，需要学生有扎实的知识基础，又有一定的解题技巧，因此在复习中要重视这方面的训练．

3．电磁感应现象及规律在复习中并不难，但是能熟练应用则需要适量的训练．关于楞次定律的推广含义、法拉第电磁感应定律在应用中何时用其计算平均值、何时要考虑瞬时值等问题都需通过训练来达到深刻理解、熟练掌握的要求，因此要根据具体的学情精心选择一些针对性强、有代表性的题目组织学生分析讨论达到提高能力的目的．

教学过程设计

一、楞次定律及其推广

复习引入：

在复习楞次定律的过程中，应理解、掌握以下几点：

（1）“阻碍”不是阻止．

（2）“阻碍”的不是磁感强度B，也不是磁通

，而是阻碍穿过闭合回路的磁通变化．

（3）由于“阻碍”作用才导致了电磁感应中的能量转化．

（4）楞次定律强调的是感应电流的方向，感应电流的磁场阻碍原磁通的变化．我们可将其含义推广为：

感应电流对产生的原因（包括外磁场的变化、线圈面积的变化、相对位置的变化、导体中电流的变化等）都有阻碍作用．因此用推广含义考虑问题可以提高运用楞次定律解题的速度和准确性．

[例1]如图3-8-1所示，蹄形磁铁的N、S极之间放置一个线圈abcd，磁铁和线圈都可以绕OO′轴转动，若磁铁按图示方向绕OO′轴转动，线圈的运动情况是：

　　　　　　　　　　　　　[　　　]

A．俯视，线圈顺时针转动，转速与磁铁相同

B．俯视，线圈逆时针转动，转速与磁铁相同

C．线圈与磁铁转动方向相同，但开始时转速小于磁铁的转速，以后会与磁铁转速一致．

D．线圈与磁铁转动方向相同，但转速总小于磁铁的转速．

师：

本题目中由于磁铁转动，就使穿过线圈的磁感线数目发生变化（开始图3-8-1转时，

从零增加），因而会产生感应电流，线圈因通有电流又受磁场的作用力（安培力）而转动．这样分析虽然正确，但较费时间．若应用楞次定律的推广意义来判断就省时多了．大家可以试试．具体地说，就是先要解决两个问题：

①引起

变化的原因是什么？

②由于“阻碍”这个“原因”，线圈表现出来的运动应是怎样的？

（学生思考后回答）

（设置这样的定向思维的提问，目的不是了解学生怎样解题，而是着重让学生体会楞次定律的推广含义的具体应用方法．学生很容易回答上述提问：

引起

的变化原因是线圈转动，由于要“阻碍”转动，表现为线圈跟着磁铁同向转动，所以，可以排除选项A）

师：

进一步推理，线圈由于阻碍铁相对线圈的转动而跟着转起来后，线圈的转速能与磁铁一致吗？

（回答：

不会一致，若一致就不是阻碍而阻止了）

师：

楞次定律的核心是“阻碍”，让我们做出线圈转速小于磁铁转速的结论，因此可以排除选项B．同时，线圈依靠磁铁对线圈施以安培力而跟着转起来后，始终两者转速都不会一样的．（为什么，这个推理请自己用反证法论证）其实这就是异步感应电动机的工作原理．答案：

D

[例2]如图3-8-2，水平导轨上放着一根金属导体，外磁场竖直穿过导轨框．当磁感强度B减小时，金属棒将怎样运动？

师：

请大家不光会用楞次定律去分析，更要学会用楞次定律的推广含义去判断．

本题中产生感应电流的原因是外磁场B的减少，使穿过回路的

减少．为阻碍

减少，应表现出回路面积增大，所以可动的金属棒ab应向外运动．

指点：

本题的分析也可以用逆向思维方法推知感应电流的方向．由于阻碍磁通

↓，导体棒向右运动，作用在导体棒上的安培力方向一定向右，用左手定则可知导体棒中的感应电流方向一定是从b→a．

[例3]如图3-8-3所示，一闭合的铜环从静止开始由高处下落通过条形磁铁后继续下降，空气阻力不计，则在铜环的运动过程中，下列说法正确的是：

A．铜环在磁铁的上方时，环的加速度小于g，在下方时大于g

B．铜环在磁铁的上方时，加速度小于g，在下方时也小于g

C．铜环在磁铁的上方时，加速度小于g，在下方时等于g

D．铜环在磁铁的上方时，加速度大于g，在下方时小于g

师：

正确答案是B．本题中引起铜环内产生感应电流的原因是铜环在磁铁的磁场中相对磁铁发生运动，使铜环内

先增加后减少，铜环内产生感应电流，磁场对通有感应电流的铜环又施以磁场力．要判断磁场力的方向，还依赖于对磁铁周围的磁场空间分布的了解．但是用“阻碍引起感应电流的原因”来判断就简捷的多．由于铜环下落而产生感应电流，使铜环受到磁场力，而磁场力一定对铜环的下

[例4]如图3-8-4所示，当磁铁竖直向下穿向水平面上的回路中央时（未达到导轨所在平面），架在导轨上的导体棒P、Q将会怎样运动？

（设导轨M、N光滑）P、Q对导轨M、N的压力等于P、Q受的重力吗？

师：

除了直接用楞次定律判断外，请用阻碍相对运动来分析．（经过上面几题的指导，学生肯定会判断．）

生：

由于磁铁靠近回路使回路中

↑，则为使阻碍

增加，P、Q一定向回路内侧运动，即回路面积会缩小．另一方面，欲使回路阻碍磁铁向下靠近，回路应向下后退，但因“无路可退”而使回路与支承面，P、Q与导轨之间都压得更紧！

因此P、Q对导轨施加的压力大于P、Q受的重力．

[例5]如图3-8-5所示，MN是一根固定的通电长直导线，电流方向向上．今将一金属线框abcd放在导线上，让线框的位置偏向导线的左边，两者彼此绝缘，当导线中的电流I突然增大时，线框整体受力情况为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　[　　　]

A．受力向右　　　　　　　　　　　　　B．受力向左

C．受力向上　　　　　　　　　　　　　D．受力为零

分析：

首先判断由于电流I增大使穿过回路abcd的磁通量

增大还是减小．由于线框位置偏向导线左边，使跨在导线左边的线圈面积大于右边面积，线圈左边部分内磁感线穿出，右边部分内磁感线穿入，整个线框中的合磁通是穿出的，并且随电流增大而增大．

再用“阻碍磁通变化”来考虑线框受磁场力而将要发生运动的方向．显然线框只有向右发生运动，才与阻碍合磁通增加相符合，因此线框受的合磁场力应向右．正确选项为A．

说明；以上5个例题都可以按楞次定律的应用步骤去分析．而我们特意采用了楞次定律含义的推广：

“阻碍使

变化的原因”去判断，意图是让大家缩简思维活动程序，提高做题速度，加深对楞次定律中“阻碍”含义的理解．但同时需注意的是，绝不能用简化方法代替基本方法，基本方法能使我们对电磁感应的发生过程了解得更细致，而简化方法只能快速地看到电磁感应的结果，在答题时显示出简捷性和灵活性．

楞次定律中的“阻碍”作用也导致了电磁感应过程中能量的转化，因而电磁感应过程就是能量转化的过程．因此，运用楞次定律也可判断能量的转化．

[例6]如图3-8-6所示，在O点正下方有一个具有理想边界的磁场，将铜环从A点由静止释放，向右摆至最高点B，不计空气阻力，则以下说法正确的是

A．A、B两点等高　　　　　　　　　B．A点高于B点

C．A点低于B点　　　　　　　　　　D．铜环将做等幅摆动

师：

铜环进入磁场又离开磁场的两个过程，铜环中的磁通

都是变化的，故产生感应电流．现进一步分析，铜环在摆动中机械能守恒吗？

（学生回答．）

师；此题的思维过程为：

由于铜环进入、离开磁场的过程中都有磁通

的变比，一定会产生感应电流，一定会使铜环受到安培力作用，而安培力一定阻碍铜环相对磁场的进、出运动．正因铜环需克服安培力做功→使铜环的机械能转化为电能→铜环做减幅振动．因而正确答案为B．

同学们还可思考：

若将铜环改为铜片或球，答案不同吗？

（答案一样）只要将铜片或铜球看成是许多并联在一起的铜环即可，它们都会产生感应电流（涡流），使自身发热，机械能损失．这种由于电磁感应而使振动的机械能减小的因素叫电磁阻尼．在磁电式仪表中，为防止仪表通电后指针偏转到某处后来回振动，就利用了这种电磁阻尼原理．反之，若不希望振动的机械能由于电磁阻尼而损失，则需采取使钢环不闭合（留有小缺口），将铜片上开许多缺口以使之不产生感应电流，或产生的感应电流很小的措施．

最后还需指出的是楞次定律与右手定则的关系．两者是一般规律与特殊规律的关系．各种产生感应电流的情况下都可用楞次定律判断其方向，而用右手定则只用于判断闭合电路中一部分导体做切割磁感线运动时产生的感应电流方向．

二、法拉第电磁感应定律

引入：

“由于磁通量的变化，使闭合回路中产生感应电流”，这只是表现出来的电磁感应现象，而其实质是由于磁通量的变化，使闭合回路中产生了电动势

——感应电动势．感应电动势比感应电流更能反映电磁感应的本质．而法拉第电磁感应定律就解决了感应电动势大小的决定因素和计算方法．

法拉第电磁感应定律：

在电磁感应现象中产生的感应电动势大小，

圈匝数，做为特例，当回路中的一部分导体做切割磁感线运动时，运用法拉第电磁感应定律可推出感应电动势为

=Blv⊥，v⊥为有效切割速度．

用磁通变化计算感应电动势常见有三种情况：

导体“切割”计算感应电动势时要区分两种切割时的算法：

（见图3-8-7）

的算术平均值．

[例1]用均匀导线做成的正方形线框每边长为0.2m，正方形的一半放在垂直纸面向里的匀强磁场中，如图3-8-8所示，当磁场以每秒10T的变化率增强时，线框中点　a、b两点电势差Uab是多少？

设问：

本题显然是属于磁场变化、线圈面积不变而产生感应电动势的问题．但所求的Uab等于a、b两点间的感应电动势吗？

此回路的等效电路应为怎样的？

哪一部分相当于电源，哪一部分相当于外电路？

（学生经过以上几个问题的分析，都会画出等效电路图并求解Uab．）

等效电路如图3-8-9所示．方形线框的左半部分内磁通变化，产生感应电动势，故左半部分相当于电源，右半部分相当于外电路，且内外电阻相等（图中用r表示）．

再提问：

本题的计算中，S应取回路面积还是回路中的磁场面积？

（让学生讨论后回答．这是本题的一个知识陷阱）

启发：

计算磁场的磁通量

，应该用什么面积（S）？

——回答是用磁场的面积．因而本题中计算磁通变化△

=△（BS）=S△B当然同

用楞次定律判断知感应电流是从左半边线框的b点流出，a点流入，b点相当于电源的正极，故Ub＞Ua，所以

Uab=-U=-0.1V

说明：

在电磁感应与电路计算的习题中，只要把电源部分和外电路区分开，找出等效电路，然后利用法拉第电磁感应定律求电动势．利用闭合电路欧姆定律和串联关系进行求解是解决这类问题应采用的一般方法．

[例2]如图3-8-10所示，导线全都是裸导线，半径为r的圆内有垂直圆平面的匀强磁场，磁感强度为B．一根长度大于2r的导线MN以速率v在圆环上无摩擦地自左端匀速滑动到右端，电路中的定值电阻为R，其余电阻不计．求：

MN从圆环的左端滑到右端的全过程中电阻R上的电流强度的平均值及通过R的电量q．

设问：

此题属磁通变化类型还是切割类型？

（学生会一看就说是切割类型的．）

再问：

你能用

=Blv计算出感应电动势吗？

（让学生经讨论后达到共识：

因有效切割长度在不断变化，且为非线性变化，故难以用上式计算出平均感应电动势．）

师：

本题难以用特例公式

=Blv计算，可从一般情况看，MN向右运动，使回路中的磁通不断减少，可以用法拉第电磁感应定律求平均电

追问：

本题中何时感应电流最大？

感应电流最大值为多少？

学生：

当MN运动到圆环中央时，有效切割长度最长，等于圆环直径2r，这时感应电动势最大，回路中感应电流最大．最大值为

反思：

想一想，感应电流的平均值I为什么不等于最大电流Imax与最小电流Imin=0的算术平均值？

（因I是非线性变化的．）

说明：

在电磁感应现象中流过电路的电量

此式具有一般意义．用此式计算电量q时，电流强度应该用平均值，而非有效值，更不能用最大值．这是因为此式是根据电流强度的定义式

再加一问：

为使MN能保持匀速运动，需外加的拉力是恒力还是变力？

生：

使MN保持匀速运动，应满足合力为零的平衡条件，而MN运动中产生感应电流，磁场会对MN施加安培力阻碍MN的运动，因此外力应与安培力二力平衡．又因为MN中的感应电流I是变化的，所以安培力F=BIl也是变化的，需要外力也随之变化．

师：

若要求计算外力的最大功率，你又应该怎样思考？

生：

首先确定何时外力的功率最大．由前面的分析，当MN运动到圆环中央位置时电流最大，则此时安培力也最大，所需外力最大，由P=Fv知，外力的功率最大．由此可以计算最大功率为

问：

还有其它算法吗？

（提示：

若从能量转化角度考虑可以怎样计算？

）

生：

外力做多少功，就产生多少电能，电路就产生多少焦耳热．因此还可以根据P外力=P电计算：

[例3]如图3-8-11所示，竖直向上的匀强磁场的磁感应强度

不计电阻，不计摩擦阻力，宽度l=0.5m，在导轨上浮放着一金属棒MN，电阻R0=0.1Ω，并用水平细线通过定滑轮悬吊着质量M=2kg的重物．导轨上的定值电阻R=0.4Ω，与P、Q端点相连组成回路．又知PN长d=0.8m，求：

从磁感强度为B．开始计时，经过多少时间金属棒MN恰能将重物拉起？

（题目条件较多，要给学生审题时间．）

师：

本题属于磁通变化型．首先请一位学生简述一下物理情景．

物理情景是：

由于磁通

变化使回路中产生感应电流，方向由M→N，根据左手定则判断，MN棒将受方向向左的安培力作用，当F安≥mg时，重物被拉起．

师：

物体刚刚被拉离地面时的临界条件一定为F安-mg=0时，即F安=mg．那么在此之前，MN棒未动，则回路面积S不变，仅仅是磁场B变化．由题意推知，在此过程中，安培力一定是逐渐增大的．那么，究竟是什么原因导致安培力F安增大呢？

显然只能是因B不断增大而使F安变大的．

师：

根据以上推理和题意，磁感强度随时间t变化的函数表达式应写为何种形式？

生：

根据题意，B是均匀变化的，应为线性函数，又由以上推理知

师：

对．以下就可根据重物被拉起的临界条件确定该时刻的磁感强度Bt，再由上式确定物体被拉起的时刻t．请同学们自己计算一下．（并让一同学到黑板上写出过程）

物体刚被拉起时：

F安=mg

再代入B=B0+0.1t得t=495s

说明：

①本题中经过分析判断写出B的函数式，是运用了数学知识表达物理规律的体现，这种能力也是高考说明中要求的．②本题分析的是金属棒MN尚未运动之前的情况，回路中只有外磁场的磁感增强引起的磁通变化，而无“切割”，即只有“感生”而无“动生”．当MN棒与重物一起运动以后，由于回路面积减小，同时B↑，回路中磁通变化规律就不好定性分析了．

[例4]如图3-8-12所示，匀强磁场中固定的金属框架ABC，导体棒DE

在框架上沿图示方向匀速平移，框架和导体棒材料相同、同样粗细，接触良好．则　　[　　　]

A．电路中感应电流保持一定

B．电路中磁通量的变化率一定

C．电路中感应电动势一定

D．棒受到的外力一定

分析：

本题属于切割型．DE棒相当于电源，电路中的有效切割长度L不断增大，由

=Blv知，感应电动势

随之增大，而非定值．所以选项C错．

又因为本题的回路中磁通变化就是DE棒做“切割”运动而引起的，

所以选项B错．

设问：

电路中的感应电流由什么因素确定？

师：

对．但是随着DE棒运动，回路中

=Blv随L增大，回路的总电阻R总也随回路总边长增加而增大，你下一步怎样做才能分析感应电流变还是不变？

学生：

计算

师：

请自己计算一下感应电流的瞬时值，以便能确定它是否随时间变化．

（学生活动：

在座位上运算．）

师：

请一位同学说一下是怎样算的．

学生：

先计算DE棒在任意时刻t在电路中的有效切割长度l=2·vt·tanθ，θ为顶角B的一半．再代入

=Blv求出感应电动势：

=B·2vt·tanθ，而电路的总电阻与电路总周长成正比．设该电路材料单位长度的电阻为R0，则此时电路总电阻为R=R0（2vt·tanθ+

从上面推导的结果看出，I与时间t无关．上式中各量均为定值，因而I也为定值，A项对

师：

分析正确．其实还可以用更简捷的思维方式，即分析

的增量

恒量，反之则为变量．按此思路考虑，当DE运动一段位移后，电路中有效切割长度增加了△l，而电动势增量△

∝△l；另一方面，回路增加的长度2ab+△l也与△l成正比（见图3-8-13），即回路中切割长度每增加△l时，回路总长度都增加相同的2ab+△l，而回路电阻增量与回路

确．显然，这种推理方式无需计算，能省时间．这是一种半定量式的分析．由于本题是选择题，要求我们尽快做出判断，因而无需经仔细计算后再得结论，只要找到比例关系即可．一般来说，高考中的选择题不考那种需经复杂计算才能做出判断的题，即无需“小题大做”，充其量有半定量分析和简单的计算．

最后，关于棒受的外力应该根据什么关系确定？

生：

根据DE棒匀速运动，应满足受力平衡关系，即外力与棒受到的安培力相等．而安培力F=BIl随L变化，故外力也随之变化．

师：

对．根据公式F=BIl计算安培力时，为什么不是将DE棒的总长度代入公式分析而是只考虑回路中的那一部分长度？

生：

因DE棒上只有接入回路的那部分才有电流通过，而磁场是对通电导体施以安培力的．

师：

安全正确．本题的D选项是错的．如果概念不清楚，会在D选项的判断上出现失误的．我们平时的练习中，一定要重视基本知识，基本规律、基本方法，而不要只会背公式、套公式，那样就学不好物理．

同步练习

一、选择题

1．如图3-8-14所示，线框ABCD和abcd可分别绕竖直轴转动，当线框abcd绕轴逆时针转动（俯视，下同），则（开始时两线圈同平面）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　[　　　]

A．绕框ABCD有感应电流，方向ABCDA，线框顺时针转动

B．感应电流方向为ABCDA，线框逆时针转动

C．感应电流方向为ADCBA，线框顺时针转动

D．感应电流方向为ADCBA，线框逆时针转动

2．弹簧上端固定，下端挂一只条形磁铁，使磁铁上下做简谐振动．若在振动过程中把线圈靠近磁铁，如图3-8-15所示，观察磁铁的振幅，将会发现：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　[　　　]

A．S闭合时振幅逐渐减小，S断开时振幅不变

B．S闭合时振幅逐渐增大，S断开时振幅不变

C．S闭合或断开时，振幅的变化相同

D．S闭合或断开时，振幅不会改变

3．如图3-8-16所示为两组同心闭合线圈的俯视图，若内线圈通有图示的I1，方向的电流，则当I1增大时，外线圈中的感应电流I2的方向及I2受到安培力F的方向分别是：

　　　　　[　　　]

A．I2顺时针方向，F沿半径指向圆心

B．I2顺时针方向，F沿半径背离圆心向外

C．I2逆时针方向，F沿半径指向圆心

D．I2逆时针方向，F沿半径背离圆心向外

4．如图3-8-17所示，通有稳恒电流的螺线管竖直放置，闭合铜环R沿螺线管的轴线加速下落，在下落过程中，环面始终保持水平．铜环先后经过轴线1、2、3位置时的加速度分别为a1、a2、a3．位置2处于螺线管的中心，位置1、3与位置2等距离．则[　　　]

A．a1＜a2=g　　　　　　　　　　　　　B．a3＜a1＜g

C．a1=a3＜a2　　　　　　　　　　　　　　　　　D．a3＜a1＜a2

5．如图3-8-18所示，粗细均匀的电阻为r的金属圆环，放在图示

属棒ab放在圆环上，以速度v0向左运动，当ab棒运动到图示虚线位置时，金属棒两棒电势差为　　　[　　　]

6．如图3-8-19所示，竖直向下的匀强磁场中，将一水平放置的金属棒ab以水平的初速v0抛出，设在整个过程中棒的取向不变且不计空气阻力，则在金属棒运动过程中产生的感应电动势大小变化情况是：

　[　　　]

A．越来越大　　　　　　　　B．越来越小

C．保持不变　　　　　　　　D．无法判断

二、非选择题

7．A、B两闭合线圈为同样导线绕成且均为10匝，半径为rA=2rB，内有如图3-8-20所示的有理想边界的匀强磁场，若磁场均匀地减小，则A、B环中感应电动势之比为

A∶

B=______，产生的感应电流之比为IA∶IB=______．

8．如图3-8-21所示，面积为0.2m2的100匝线圈A处在磁场中，磁场方向垂直于线圈平面．磁感强度随时间变化的规律是B=（6-0.2t）T，已知R1=4Ω，R2=6Ω，电容C=3OμF．线圈A的电阻不计．求：

（1）闭合S后，通过R2的电流强度大小和方向．

（2）闭合S一段时间后再断开S，S断开后通过R2的电量是多少？

参考答案

1．B　　　2．A　　　　　　　　　3．D　　　　　　4．ABD　　　　5．D

6．C　　　7．1∶1，1∶2　8．①0.4A，a→b，②7.2×10-5C．