物理选修四电磁感应知识点汇总.docx
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物理选修四电磁感应知识点汇总
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物理选修3--2第四章电磁感应知识点汇总
(训练版)
知识点一、电磁感应现象
1、电磁感应现象与感应电流.
(1)利用磁场产生电流的现象,叫做电磁感应现象。
(2)由电磁感应现象产生的电流,叫做感应电流。
物理模型
上下移动导线AB,不产生感应电流
左右移动导线AB,产生感应电流
原因:
闭合回路磁感线通过面积发生变化
不管是N级还是S级向下插入,都会产生感应电流,
抽出也会产生,唯独磁铁停止在线圈力不会产生
原因闭合电路磁场B发生变化。
开关闭合、开关断开、开关闭合,迅速滑动变阻器,只要线圈A中电流发生变化,线圈B就有感应电流。
知识点二、产生感应电流的条件
1、产生感应电流的条件:
闭合电路中磁通量发生变化。
2、产生感应电流的常见情况.
(1)线圈在磁场中转动。
(法拉第电动机)
(2)闭合电路一部分导线运动(切割磁感线)。
(3)磁场强度B变化或有效面积S变化。
(比如有电流产生的磁场,电流大小变化或者开关断开)
3、对“磁通量变化”需注意的两点.
(1)磁通量有正负之分,求磁通量时要按代数和(标量计算法则)的方法求总的磁通量(穿过平面的磁感线的净条数)。
(2)“运动不一定切割,切割不一定生电”。
导体切割磁感线,不是在导体中产生感应电流的充要条件,归根结底还要看穿过闭合电路的磁通量是否发生变化。
知识点三、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是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
(2)“阻碍”的含义.
从阻碍磁通量的变化理解为:
当磁通量增大时,会阻碍磁通量增大,当磁通量减小时,会阻碍磁通量减小。
从阻碍相对运动理解为:
阻碍相对运动是“阻碍”的又一种体现,表现在“近斥远吸,来拒去留”。
(3)“阻碍”的作用.
楞次定律中的“阻碍”作用,正是能的转化和守恒定律的反映,在克服这种阻碍的过程中,其他形式的能转化成电能。
(4)“阻碍”的形式.
①.阻碍原磁通量的变化,即“增反减同”。
②.阻碍相对运动,即“来拒去留”。
③.使线圈面积有扩大或缩小的趋势,即“增缩减扩”。
④.阻碍原电流的变化(自感现象),即“增反减同”。
(5)适用范围:
一切电磁感应现象.
(6)使用楞次定律的步骤:
①明确(引起感应电流的)原磁场的方向.
②明确穿过闭合电路的磁通量的变化情况,是增加还是减少
③根据楞次定律确定感应电流的磁场方向.
④利用安培定则(右手)确定感应电流的方向.
2、右手定则.
(1)内容:
伸开右手,让拇指跟其余四个手指垂直,并且都跟手掌在一个平面内,让磁感线垂直(或倾斜)从手心进入,拇指指向导体运动的方向,其余四指所指的方向就是感应电流的方向。
(2)作用:
判断感应电流的方向与磁感线方向、导体运动方向间的关系。
(3)适用范围:
导体切割磁感线。
(4)研究对象:
回路中的一部分导体。
(5)右手定则与楞次定律的区别.
右手定则只适用于导体切割磁感线的情况,不适合导体不运动,磁场或者面积变化的情况;若导体不动,回路中磁通量变化,应该用楞次定律判断感应电流方向;若是回路中一部分导体做切割磁感线运动产生感应电流,用右手定则判断较为简单,用楞次定律进行判定也可以,但较为麻烦。
3、“三定则”
比较项目
右手定则
左手定则
安培定则
基本现象
部分导体切割磁感线
磁场对运动电荷、电流的作用力
运动电荷、电流产生磁场
作用
判断磁场B、速度v、感应电流I方向关系
判断磁场B、电流I、磁场力F方向
电流与其产生的磁场间的方向关系
图例
因果关系
因动而电
因电而动
电流→磁场
应用实例
发电机
电动机
电磁铁
推论:
两平行的同向电流间有相互吸引的磁场力;两平行的反向电流间有相互排斥的磁场力。
安培定则判断磁场方向,然后左手定则判断导线受力。
知识点四、法拉第电磁感应定律.
1、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。
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。
(即:
由负到正)
(2)公式:
(单匝线圈)或
(n匝线圈).
对表达式的理解:
1
本式是确定感应电动势的普遍规律,适用于所有电路,此时电路不一定闭合。
②在
中(ΔΦ取绝对值,此公式只计算感应电动势E的大小,E的方向根据楞次定律或右手定则判断),E的大小是由匝数及磁通量的变化率(即磁通量变化的快慢)决定的,与Φ或ΔΦ之间无大小上的必然联系(类比学习:
关系类似于a、v和Δv的关系)。
③当Δt较长时,
求出的是平均感应电动势;当Δt趋于零时,
求出的是瞬时感应电动势。
2、E=BLv的推导过程.
如图所示闭合线圈一部分导体ab处于匀强磁场中,磁感应强度是B,ab以速度v匀速切割磁感线,求产生的感应电动势?
推导:
回路在时间t内增大的面积为:
ΔS=L(vΔt).
穿过回路的磁通量的变化为:
ΔΦ=B·ΔS=BLv·Δt.
产生的感应电动势为:
(v是相对于磁场的速度).
此时磁感线方向和运动方向垂直。
3、E=BLv的四个特性.
(1)相互垂直性.
公式E=BLv是在一定得条件下得出的,除了磁场是匀强磁场外,还需要B、L、v三者相互垂直,实际问题中当它们不相互垂直时,应取垂直的分量进行计算。
若B、L、v三个物理量中有其中的两个物理量方向相互平行,感应电动势为零。
(2)L的有效性.
公式E=BLv是磁感应强度B的方向与直导线L及运动方向v两两垂直的情形下,导体棒中产生的感应电动势。
L是直导线的有效长度,即导线两端点在v、B所决定平面的垂线方向上的长度。
实际上这个性质是“相互垂直线”的一个延伸,在此是分解L,事实上,我们也可以分解v或者B,让B、L、v三者相互垂直,只有这样才能直接应用公式E=BLv。
E=BL(vsinθ)或E=Bv(Lsinθ)E=B·2R·v
有效长度——直导线(或弯曲导线)在垂直速度方向上的投影长度.
(3)瞬时对应性.
对于E=BLv,若v为瞬时速度,则E为瞬时感应电动势;若v是平均速度,则E为平均感应电动势。
(4)v的相对性.
公式E=BLv中的v指导体相对磁场的速度,并不是对地的速度。
只有在磁场静止,导体棒运动的情况下,导体相对磁场的速度才跟导体相对地的速度相等。
4、公式
和E=BLvsinθ的区别和联系.
(1)两公式比较.
E=BLvsinθ
区
别
研究对象
整个闭合电路
回路中做切割磁感线运动的那部分导体
适用范围
各种电磁感应现象
只适用于导体切割磁感线运动的情况
计算结果
一般情况下,求得的是Δt内的平均感应电动势
一般情况下,求得的是某一时刻的瞬时感应电动势
适用情形
常用于磁感应强度B变化所产生的电磁感应现象(磁场变化型)
常用于导体切割磁感线所产生的电磁感应现象(切割型)
联系
E=Blvsinθ是由
在一定条件下推导出来的,该公式可看作法拉第电磁感应定律的一个推论或者特殊应用。
(2)两个公式的选用.
①求解导体做切割磁感线运动产生感应电动势的问题时,两个公式都可以用。
②求解某一过程(或某一段时间)内的感应电动势、平均电流、通过导体横截面的电荷量(q=IΔt)等问题,应选用
.
③求解某一位置(或某一时刻)的感应电动势,计算瞬时电流、电功率及某段时间内的电功、电热等问题,应选用E=BLvsinθ。
小结:
感应电动势的大小计算公式
1)E=BLV(垂直平动切割,动生电动势)
2)
(普适公式)ε∝
(法拉第电磁感应定律)
3)E=nBSωsin(ωt+Φ);Em=nBSω(线圈转动切割)
4)E=BL2ω/2(直导体绕一端转动切割)
感应电量的计算
N
感应电量
知识点五、电磁感应规律的应用.
1、法拉第电机.
(1)电机模型.
(2)原理:
应用导体棒在磁场中切割磁感线而产生感应电动势。
.
①铜盘可以看作由无数根长度等于铜盘半径的导体棒组成,导体棒在转动过程中要切割磁感线。
②大小:
(其中L为棒的长度,ω为角速度)
③方向:
在内电路中,感应电动势的方向是由电源的负极指向电源的正极,跟内电路的电流方向一致。
产生感应电动势的那部分电路就是电源,用右手定则或楞次定律所判断出的感应电动势的方向,就是电源内部的电流方向。
2、电磁感应中的电路问题.
(1)解决与电路相联系的电磁感应问题的基本步骤和方法:
①明确哪部分导体或电路产生感应电动势,该导体或电路就是电源,其他部分是外电路。
②用法拉第电磁感应定律确定感应电动势的大小,用楞次定律确定感应电动势的方向。
③画出等效电路图。
分清内外电路,画出等效电路图是解决此类问题的关键。
④运用闭合电路欧姆定律、串并联电路特点、电功率、电热等公式联立求解。
(2).在电磁感应中对电源的理解
①电源的正、负极可用右手定则或楞次定律判定,电源中电流从负极流向正极。
②电源电动势的大小可由E=BLv或
求得。
(3).对电磁感应电路的理解
①在电磁感应电路中,相当于电源的部分把其他形式的能转化为电能。
②电源两端的电压为路端电压,而不是感应电动势。
(考虑电源内阻)
3、电磁感应中的能量转换.
电磁感应过程实质是不同形式的能量转化的过程。
电磁感应过程中产生的感应电流在磁场中必定受到安培力作用,因此要维持感应电流的存在,必须有“外力”克服安培力做功。
此过程中,其他形式的能转化为电能。
“外力”克服安培力做多少功,就有多少其他形式的能转化为电能。
当感应电流通过用电器时,电能又转化为其他形式的能。
同理,安培力做功的过程是电能 转化为其他形式的能的过程。
安培力做多少功,就有多少电能 转化为其他形式的能。
4、电磁感应中的电容问题.
在电路中含有电容器的情况下,导体切割磁感线产生感应电动势,使电容器充电或放电。
因此,搞清电容器两极板间的电压及极板上电荷量的多少、正负和如何变化是解题的关键。
知识点六、自感现象及其应用.
1、自感现象.
(1)自感现象与自感电动势的定义:
当导体中的电流发生变化时,导体本身就产生感应电动势,这个电动势总是阻碍导体中原来电流的变化。
这种由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象,叫做自感现象。
这种现象中产生的感应电动势,叫做自感电动势。
(2)自感现象的原理:
当导体线圈中的电流发生变化时,电流产生的磁场也随之发生变化。
由法拉第电磁感应定律可知,线圈自身会产生阻碍自身电流变化的自感电动势。
(3)自感电动势的作用.
自感电动势阻碍自身电流的变化,“阻碍”不是“阻止”。
“阻碍”电流变化实质是使电流不发生“突变”,使其变化过程有所延慢。
但它不能使过程停止,更不能使过程反向.
(4)自感现象的三个要点:
①要点一:
自感线圈产生感应电动势的原因。
是通过线圈本身的电流变化引起穿过自身的磁通量变化。
②要点二:
自感电流的方向。
自感电流总是阻碍线圈中原电流的变化,当自感电流是由原电流的增强引起时(如通电瞬间),自感电流的方向与原电流方向相反;当自感电流时由原电流的减少引起时(如断电瞬间),自感电流的方向与原电流方向相同。
③要点三:
对自感系数的理解。
自感系数L的单位是亨特(H),常用的较小单位还有毫亨(mH)和微亨(μH)。
自感系数L的大小是由线圈本身的特性决定的:
线圈越粗、越长、匝数越密,它的自感系数就越大。
此外,有铁芯的线圈的自感系数比没有铁芯的大得多。
(5)通电自感和断电自感的比较
电路
现象
自感电动势的作用
通电自感
接通电源的瞬间,灯泡L2马上变亮,而灯泡L1是逐渐变亮.
阻碍电流的增加
断电自感
断开开关的瞬间,灯泡L1逐渐变暗,有时灯泡会闪亮一下,然后逐渐变暗.
阻碍电流的减小
通电瞬间线圈产生的自感电动势阻碍电流的增加且与电流方向相反,此时含线圈L的支路相当于断路;当电路稳定,自感线圈相当于定值电阻,如果线圈没有电阻,则自感线圈相当于导线(短路);断开瞬间线圈产生的自感电动势与原电流方向相同,在与线圈串联的回路中,线圈相当于电源,它提供的电流从原来的IL逐渐变小.但流过灯A的电流方向与原来相反
〖针对性训练题〗
一、选择题
1.如右图所示,在垂直于纸面的范围足够大的匀强磁场中,有一个矩形线圈abcd,线圈平面与磁场垂直,O1O2与O3O4都是线圈的对称轴,应使线圈怎样运动才能使其中产生感应电流?
()
A.向左或向右平动B.向上或向下平动
C.绕O1O2转动D.绕O3O4转动
2.下列哪些做法能使线圈中产生感应电流?
()
图2
3.我国已经制定了登月计划。
假如宇航员登月后想探测一下月球表面是否有磁场,他手边有一个灵敏电流表和一个线圈,则下列推断正确的是()
A.直接将灵敏电流表放在月球表面,看是否有电流来判断是否有磁场
B.将灵敏电流表与线圈组成闭合回路,使线圈沿某一方向运动,如无电流,则可判断月球表面无磁场
C.将灵敏电流表与线圈组成闭合回路,使线圈沿某一方向运动,如有电流,则月球表面可能有磁场
D.将灵敏电流表与线圈组成闭合回路,使线圈在某一平面内沿各方向运动,如无电流,则可判断月球表面无磁场
4.在磁感应强度为B、方向如图3所示的匀强磁场中,金属杆PQ在宽为l的平行金属导轨上以速度v向右匀速滑动,PQ中产生的感应电动势为E1;若磁感应强度增为2B,其它条件不变,所产生的感应电动势大小变为E2,则E1与E2之比及通过电阻R的感应电流方向为()
A.2∶1,b→aB.1∶2,b→a
C.2∶1,a→bD.1∶2,a→b
5.如图4所示,绕在铁芯上的线圈与电源、滑动变阻器和电键组成闭合回路,在铁芯的右端套有一个表面绝缘的铜环A,下列各种情况中铜环A中有感应电流的是( )
A.线圈中通以恒定的电流
B.通电过程中,使变阻器的滑片P作匀速移动
C.通电过程中,使变阻器的滑片P作加速移动
D.将电键突然断开的瞬间
6.如图5所示,abcd为一匀强磁场区域,现在给竖直放置的环以某种约束,以保持它不转动地匀速下落,在下落过程中,它的左半部通过磁场,圆环用均匀电阻丝做成,F、O、E为环的上、中、下三点,下列说法中正确的是()
A.当E和d重合时,环中电流最大
B.当O和d重合时,环中电流最大
C.当F和d重合时,环中电流最大
D.以上说法都不对
7.如图6所示,A、B两闭合圆形线圈用同样导线且均绕成10匝,半径RA=2RB,内有以B线圈作为理想边界的匀强磁场,若磁场均匀减小,则A、B环中感应电动势EA∶EB与产生的感应电流IA∶IB分别是()
A.EA∶EB=1∶1;IA∶IB=1∶2
B.EA∶EB=1∶2;IA∶IB=1∶2
C.EA∶EB=1∶4;IA∶IB=2∶1
D.EA∶EB=1∶2;IA∶IB=1∶4
8.如图7所示,一宽40cm的匀强磁场区域,磁场方向垂直纸面向里。
一边长为20cm的正方形导线框位于纸面内,以垂直于磁场边界的恒定速度v=20cm/s通过磁场区域,在运动过程中,线框有一边始终与磁场区域的边界平行,取它刚进入磁场的时刻为t=0,下面所示图线中,正确反映感应电流随时间变化规律的是()
9.如图8所示,在一个左右延伸很远的上、下有界的匀强磁场上方有一闭合线圈,当闭合线圈从上方下落穿过磁场的过程中()
A.进入磁场时加速度可能小于g,离开磁场时加速度可能大于g,也可能小于g
B.进入磁场时加速度大于g,离开时小于g
C.进入磁场和离开磁场,加速度都大于g
D.进入磁场和离开磁场,加速度都小于g
10.一个环形线圈放在磁场中,如图9-a所示,以磁感线垂直于线圈平面向外的方向为正方向,若磁感强度B随时间t的变化的关系如图9-b,那么在第2秒内线圈中的感应电流的大小和方向是()
A.大小恒定,顺时针方向
B.逐渐减小,顺时针方向
C.大小恒定,逆时针方向
D.逐渐增加,逆时针方向
11.如图10所示,A是长直密绕通电螺线管。
小线圈B与电流表连接,并沿A的轴线Ox从O点自左向右匀速穿过螺线管A。
能正确反映通过电流表中电流I随x变化规律的是()
12.如图11所示,虚线框和实线框在同一水平面内。
虚线框内有矩形匀强磁场区,矩形的长是宽的2倍。
磁场方向垂直于纸面向里。
实线框abcd是一个正方形导线框。
若将导线框以相同的速率匀速拉离磁场区域,第一次沿ab方向拉出,第二次沿ad方向拉出,两次外力做的功分别为W1、W2,则()
A.W1=W2B.W1=2W2
C.W2=2W1D.W2=4W1
13.现代汽车中有一种先进的制动系统——防抱死(ABS)系统,它有一个自动控制刹车系统的装置,原理如图12。
铁质齿轮P与车轮同步转动。
右端有一个绕有线圈的磁体,M是一个电流检测器。
当车轮带动齿轮转动时,线圈中会产生感应电流。
这是由于齿靠近线圈时被磁化,使穿过线圈的磁通量增大,齿离开线圈时又使磁通量减小,从而能使线圈中产生感应电流。
这个电流经电子装置放大后能控制制动机构。
齿轮P从图示位置按顺时针方向转过α角的过程中,通过M的感应电流的方向是()
A.总是从左向右B.总是从右向左
C.先从左向右,然后从右向左D.先从右向左,然后从左向右
图13
14.北半球地磁场的竖直分量向下。
如图13所示,在北京某中学实验室的水平桌面上,放置边长为L的正方形闭合导体线圈abcd,线圈的ab边沿南北方向,ad边沿东西方向。
下列说法中正确的是()
A.若使线圈向东平动,则a点的电势比b点的电势低
B.若使线圈向北平动,则a点的电势比b点的电势低
C.若以ab为轴将线圈向上翻转,则线圈中感应电流方向为a→b→c→d→a
D.若以ab为轴将线圈向上翻转,则线圈中感应电流方向为a→d→c→b→a
15.图14-a是用电流传感器(相当于电流表,其电阻可以忽略不计)研究自感现象的实验电路,图中两个电阻的阻值均为R,L是一个自感系数足够大的自感线圈,其直流电阻值也为R。
图14-b是某同学画出的在t0时刻开关S切换前后,通过传感器的电流随时间变化的图像。
关于这些图像,下列说法中正确的是()
图14-b
A.甲图是开关S由断开变为闭合,通过传感器1的电流随时间变化的情况
B.乙图是开关S由断开变为闭合,通过传感器1的电流随时间变化的情况
C.丙图是开关S由闭合变为断开,通过传感器2的电流随时间变化的情况
D.丁图是开关S由闭合变为断开,通过传感器2的电流随时间变化的情况
二、填空题
16.闭合线圈abcd在磁场中向左运动,如图15所示,则ab边受到的磁场力方向_______。
17.由于地磁场的存在,飞机在一定高度水平飞行时,其机翼就会切割磁感线,机翼的两端之间会有一定的电势差。
若飞机在我国东北上空水平飞行,则从飞行员的角度看,机翼左端的电势比右端的电势_______。
18.如图16所示,矩形线圈abcd的一半放在B=0.1T的匀强磁场中,ab边长10cm,bc边长20cm,若线圈绕ab边以角速度=100rad/s匀速旋转,由图示位置转过90°的时刻,线圈中瞬时感应电动势大小为,线圈转过90°过程中平均感应电动势大小为。
19.如图17所示,a、b灯是两个完全相同的电灯,电路导通时,调节R,使a、b都正常发光。
先断开开关,再闭合电键瞬间看到两灯没有同时发光,请判断_______灯比______灯先发光,原因是:
___________________________________。
20.现将电池组、滑动变阻器、带铁芯的线圈A、线圈B、电流计及开关如下图18连接。
在开关闭合、线圈A放在线圈B中的情况下,某同学发现当他将滑动变阻器的滑动端P向左加速滑动时,电流计指针向右偏转。
图18
若将线圈A中铁芯向上拔出,则能引起电流计的指针向____偏转;若断开开关,能引起电流计指针_______偏转;若滑动变阻器的滑动端P匀速向右滑动,能使电流计指针______偏转。
三、解答题
21.如图19所示,处于光滑水平面上的矩形线圈边长分别为L1和L2,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。
将线圈以向右的速度v匀速拉出磁场的过程。
求:
(1)拉力大小F;
(2)拉力的功率P;
(3)拉力做的功W;
图19
(4)线圈中产生的电热Q;
(5)通过线圈某一截面的电荷量q。
22.图20中MN和PQ为竖直方向的两平行长直金属导轨,间距l为0.40m,电阻不计。
导轨所在平面与磁感应强度B为0.50T的匀强磁场垂直。
质量m为6.0×10-3kg、电阻为1.0Ω的金属杆ab始终垂直于导轨,并与其保持光滑接触。
导轨两端分别接有滑动变阻器和阻值为3.0Ω的电阻R1。
当杆ab达到稳定状态时以速率v匀速下滑,整个电路消耗的电功率P为0.27W,重力加速度取10m/s2,
图20
试求速率v和滑动变阻器接入电路部分的阻值R2。
23.一个半径r=0.10m的闭合导体圆环,圆环单位长度的电阻R0=1.0×10-2/m。
如图21-a所示,圆环所在区域存在着匀强磁场,磁场方向垂直圆环所在平面向外,磁感应强度大小随时间变化情况如图21-b所示。
(1)分别求在0~0.3s和0.3s~0.5s时间内圆环中感应电动势的大小;
(2)分别求在0~0.3s和0.3s~0.5s时间内圆环中感应电流的大小,并在图21-c中画出圆环中感应电流随时间变化的i-t图象(以线圈中逆时针电流为正,至少画出两个周期);
图21
24.单位时间内流过管道横截面的液体体积叫做液体的体积流量(以下简称流量)。
有一种利用电磁原理测量非磁性导电液体(如自来水、啤酒等)流量的装置,称为电磁流量计。
它主要由将流量转换为电压信号的传感器和显示仪表两部分组成。
传感器的结构如图22所示,圆筒形测量管内壁绝缘,其上装有一对电极a和c,a、c间的距离等于测量管内径D,测量管的轴线与a、c的连线方向以及通电线圈产生的磁场方向三者相互垂直。
当导电液体流过测量管时,在电极a、c间出现感应电动势E,并通过与电极连接的仪表显示出液体的流量Q。
设磁场均匀恒定,磁感应强度为B。
(1)已知D=0.40m,B=2.5×10-3T,Q=0.12m3/s。
试求E的大小(取3.0);
(2)显示仪表相当于传感器的负载电阻,其阻值记为R。
a、c间导电液体的电阻r随液体电阻率的变化而变化,从而会影响
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- 物理 选修 电磁感应 知识点 汇总