第四章 电磁感应57节学案.docx
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第四章电磁感应57节学案
第四章电磁感应
4.6互感和自感
【教学目标】
①了解互感和自感现象
②了解自感现象产生的原因
③知道自感现象中的一个重要概念——自感系数,了解它的单位及影响其大小的因素
重点:
自感现象及自感系数
难点:
①自感现象的产生原因分析 ②通、断电自感的演示实验中现象解释
【自主预习】
(一)互感现象
两个线圈之间并没有导线相连,但当一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势。
这种现象叫做,这种感应电动势叫做。
利用互感现象可以把由一个线圈传递到另一个线圈。
变压器就是利用互感现象制成的。
(二)、自感现象
实验1:
演示通电自感现象。
实验电路如图。
开关接通时,可以看到
实验2:
断电自感现象。
实验电路如图所示。
接通电路,灯泡正常发光后,迅速断开开关,可以看到
上述现象属于一种特殊的电磁感应现象,发生电磁感应的原因是由于通过导体的电流发生变化而引起磁通量变化。
这种电磁感应现象称为。
1、自感现象:
由于发生变化而产生的电磁感应现象。
2、自感电动势:
在现象中产生的感应电动势。
在自感现象中,自感电动势的产生是由于导体本身的电流发生了变化而引起的,而自感电动势却总是阻碍导体中原来电流的变化的。
3、特点:
自感电动势总是导体中原来电流的的。
4、自感系数
自感电动势的大小跟其它感应电动势的大小一样,跟穿过线圈的磁通量的变化快慢有关。
而在自感现象中,穿过线圈的磁通量是由电流引起的,故自感电动势的大小跟导体中电流变化的快慢有关。
理论分析表明:
E=。
L称为线圈的自感系数,简称自感或。
自感表示线圈产生本领大小的物理量。
L的大小跟线圈的形状、长短、匝数、有无铁芯有关。
单位:
亨利(H)1H=mH=μH
【典型例题】
自感系数的考查
【例1】关于某一线圈的自感系数,下列说法中正确的是( )
A.线圈中电流变化越大,线圈的自感系数越大
B.线圈中电流变化得越快,线圈的自感系数越大
C.若线圈中通入恒定电流,线圈自感系数为零
D.不管电流如何变化,线圈的自感系数不变
三、断电自感的综合考查
【例2】如图4所示的电路中,a、b为两个完全相同的灯泡,L为自感线圈,E为电源,S为开关.关于两灯泡点亮和熄灭的先后次序,下列说法正确的是( )
A.合上开关,a先亮,b后亮;断开开关,a、b同时熄灭
B.合上开关,b先亮,a后亮;断开开关,a先熄灭,b后熄灭
C.合上开关,b先亮,a后亮;断开开关,a、b同时熄灭
D.合上开关,a、b同时亮;断开开关,b先熄灭,a后熄灭
【课后练习】
1.关于自感现象,下列说法中正确的是( )
A.自感现象是线圈自身的电流变化而引起的电磁感应现象
B.自感电动势总是阻止原电流的变化
C.自感电动势的方向总与原电流方向相反
D.自感电动势的方向总与原电流方向相同
2.某线圈通有如图4-6-4所示的电流,则线圈中自感电动势改变方向的时刻有( )
A.第1s末 B.第2s末
C.第3s末D.第4s末
3.如图4-6-5所示电路中,L是一个带铁芯的线圈,R为纯电阻,两支路的直流电阻相等,A1、A2为双向电流表,在接通和断开开关S的瞬间,两电流表读数I1、I2分别是( )
A.I1 C.I1 4.关于自感电动势的大小和方向,下列说法中正确的是( ) A.在自感系数一定的条件下,通过导体的电流越大,产生的自感电动势越大 B.在自感系数一定的条件下,通过导体的电流变化越快,产生的自感电动势越大 C.自感电动势的方向总与原电流的方向相反 D.当通过导体的电流减小时,自感电动势的方向与原电流方向相同 5.如图5所示,是演示自感现象的实验电路图.下列说法中正确的是( ) A在断开开关S后的一段短暂时间里,A中仍有电流通过,方向为a→b B在断开开关S后的一段短暂时间里,L中仍有电流通过,方向为a→b C.在断开开关S后,原存储在线圈内的大部分磁场能将转化为电能 D.在断开开关S后,原存储在线圈内的大部分磁场能将转化为化学能 6.如图6所示,A、B、C是相同的白炽灯,L是自感系数很大、电阻很小的自感线圈.现将S闭合,下面说法正确的是( ) A.B、C灯同时亮,A灯后亮 B.A、B、C灯同时亮,然后A灯逐渐变暗,最后熄灭 C.A灯一直不亮,只有B灯和C灯亮 D.A、B、C灯同时亮,并且亮暗没有变化 第四章电磁感应 4.7涡流 电磁阻尼和电磁驱动 【教学目标】 1.知道涡流是如何产生的。 2.知道涡流对我们有不利和有利的两方面,以及如何利用和防止。 3.知道电磁阻尼和电磁驱动。 重点: 1.涡流的概念及其应用。 2.电磁阻尼和电磁驱动的实例分析。 难点: 电磁阻尼和电磁驱动的实例分析。 【自主预习】 1.涡流概念: 2、涡流的防止和利用 (1).用来冶炼合金钢的真空___________,炉外有___________,线圈中通入___________电流,炉内的金属中产生___________.涡流产生的___________使金属熔化并达到很高的温度. (2).利用涡流冶炼金属的优点是整个过程能在___________中进行,这样就能防止___________进入金属,可以冶炼高质量的___________. (3).探测地雷的探雷器是利用涡流工作的,士兵手持一个长柄线圈从地面扫过,线圈中________ ___有的电流.如果地下埋着___________,金属中会感应出___________,涡流的___________又会反过来影响线圈中的___________,使仪器报警. 3、电磁阻尼: 4.电磁驱动: 【典型例题】 一、涡流的利用 【例1】如图4-7-3所示是高频焊接原理示意图.线圈中通以高频变化的电流时,待焊接的金属工件中就产生感应电流,感应电流通过焊缝处产生大量热量,将金属熔化,把工件焊接在一起,而工件其它部分发热很少,以下说法正确的是( ) A.交流电的频率越高,焊缝处的温度升高得越快 B.交流电的频率越低,焊缝处的温度升高得越快 C.工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小 D.工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大 二、电磁驱动 【例2】如图4-7-4所示,蹄形磁铁的两极之间放置一个线圈abcd,磁铁和线圈都可以绕OO′轴转动,当磁铁按图示方向绕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,但转速小于磁铁的转速 D.线圈静止不动 三、电磁阻尼的应用 【例3】如图所示,abcd是一闭合的小金属线框,用一根绝缘的细杆挂在固定点O,使金属线框在竖直平面内来回摆动的过程穿过水平方向的匀强磁场区域,磁感线方向跟线框平面垂直,若悬点摩擦和空气阻力不计,则() A.线框进入或离开磁场区域时,都产生感应电流,而且电流的方向相反 B.线框进入磁场区域后,越靠近OO′线时速度越大,因而产生的感应电流也越大 C.线框开始摆动后,摆角会越来越小,摆角小到某一值后将不再减小 D.线框摆动过程中,机械能完全转化为线框电路中的电能 【课后练习】 1.下列关于涡流的说法中正确的是( ) A.涡流跟平时常见的感应电流一样,都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的 B.涡流不是感应电流,而是一种有别于感应电流的特殊电流 C.涡流有热效应,但没有磁效应 D.在硅钢中不能产生涡流 2.如图4-7-5所示, 在O点正下方有一个具有理想边界的方形磁场,铜球在A点由静止释放,向右摆到最高点B,不考虑空气及摩擦阻力,则下列说法正确的是( ) A.A、B两点在同一水平面上 B.A点高于B点 C.A点低于B点 D.铜球将做等幅摆动 3.如图4-7-6所示,在光滑绝缘水平面上,有一铝质圆形金属球以一定的初速度通过有界匀强磁场,则从球开始进入磁场到完全穿出磁场过程中(磁场宽度大于金属球的直径),则小球( ) A.整个过程匀速运动 B.进入磁场过程中球做减速运动,穿出过程做加速运动 C.整个过程都做匀减速运动 D.穿出时的速度一定小于初速度 4. 下列现象属电磁阻尼的是________,属电磁驱动的是________. A.磁电式仪表线圈的骨架用铝框来做 B.微安表的表头在运输时要把两接线框短接 C.自制金属地雷探测器 D.交流感应电动机 E.当图4-7-7中B变大时,a、b在固定光滑导轨上滑动 5.变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成的,而不是采用一整块硅钢,这是因为( ) A.增大涡流,提高变压器的效率 B.减小涡流,提高变压器的效率 C.增大铁芯中的电阻,以产生更多的热量 D.增大铁芯中的电阻,以减小发热量 第四章电磁感应章末总结 一、分清磁通、磁通变化、磁通变化率: 1)磁通___________(单位_____),表示__________________________________。 2)磁通变化______________,是回路中产生电磁感应现象的必要条件,即只要有____,一定有____________的产生。 3)磁通变化率_______(单位______),反映了______________________,是决定___________________________________的因素。 4)因此,判断回路中是否发生电磁感应现象,应从_______上着手;比较回路中产生的感应电动势大小,应从___________上着手。 5)应该注意,当穿过回路的磁通按_______________规律变化时(如放在匀强磁场中匀速转动的线圈),穿过线圈的磁通量最大时,磁通的变化率恰________。 二、从能的转化上理解电磁感应现象: 电磁感应现象的实质是__________________________________。 因此,无论用磁体与线圈相对运动或是用导体切割磁感线,产生感应电流时都会受到_________的阻碍作用,外力在克服磁场的这种阻碍作用下做了功,把_____能转化为_____能。 所以,发生磁通变化的线圈、作切割运动的这一部分导体,都相当于一个______,由它们可以对外电路供电。 在求解电磁感应问题时,认识电源,区分内外电路,画出等效电路十分有用。 三、认识一般与特殊的关系: 磁通变化是回路中产生电磁感应现象的普通条件,闭合电路的一部分导体作切割磁感线运动仅是一个特例。 深刻认识两者之间的关系,就不至于被整个线框在匀强磁场中运动时,其中部分导体的切割运动所迷惑。 磁通变化时产生感应电动势是一般现象,它跟电路的______________、__________等无关,而产生的感应电流则可以看成是电路闭合的一个特例,由感受电动势决定_______,所以感应电动势是更本质的、更重要的量。 同理,自感现象仅是电磁感应普遍现象中的一个特例,它所激起的电流方向同样符合“_______________________”的普遍结论。 要点整合 要点一楞次定律的理解和应用 1.楞次定律解决的问题是感应电流的方向问题,它涉及到两个磁场,______________(新产生的磁场)和____________________(原来就有的磁场),前者和后者的关系不是“同向”和“反向”的简单关系,而是前者“阻碍”后者“变化”的关系. 2.对“阻碍意义的理解” (1)阻碍原磁场的变化.“阻碍”不是阻止,而是“延缓”,感应电流的磁场不会阻止原磁场的变化,只能使原磁场的变化被________或者说被_______了,原磁场的变化趋势不会改变,不会发生逆转. (2)阻碍的是原磁场的变化,而不是原磁场本身,如果原磁场不变化,即使它再强,也不会产生___________. (3)阻碍不是相反,当原磁通量减小时,感应电流的磁场与原磁场_____,以阻碍其_____;当磁体远离导体运动时,导体运动将和磁体运动_______,以阻碍其___________. (4)由于“阻碍”,为了维持原磁场的变化,必须有外力克服这一“阻碍”而做功,从而导致___________转化为_____,因而楞次定律是_____________和_____________在电磁感应中的体现. 3.运用楞次定律处理问题的思路 (1)判定感应电流方向问题的思路 运用楞次定律判定感应电流方向的基本思路可以总结为“一原、二感、三电流”. ①明确原磁场: 弄清原磁场的方向以及磁通量的变化情况. ②确定感应磁场: 即根据楞次定律中的“阻碍”原则,结合原磁场磁通量变化情况,确定出感应电流产生的感应磁场的方向. ③判定电流方向: 即根据感应磁场的方向,运用安培定则判断出感应电流方向. (2)判断闭合电路(或电路中可动部分导体)相对运动类问题的分析策略 在电磁感应问题中,有一类综合性较强的分析判断类问题,主要是磁场中的闭合电路在一定条件下产生了_______,而此电流又处于磁场中,受到_____力作用,从而使闭合电路或电路中可动部分的导体发生了运动. 要点二电磁感应中的力学问题 通过导体的感应电流在磁场中将受到安培力作用,从而引起导体速度、加速度的变化. (1)基本方法 ①用法拉第__________定律和_______定律求出感应电流的____和感应电动势的_____. ②求出回路中________的大小. ③分析研究导体______情况(包括安培力,用______定则确定其方向) ④列出________方程或者_______方程求解. ✧感应电流→感应电流→通电导体受到安培力→合外力变化→加速度变化→速度变化,周而复始的循环,循环结束时,加速度为____,导体达稳定状态,速度达到______. 要点三电磁感应中的电路问题 在电磁感应中,切割磁感线的导体或磁通量变化的回路将产生感应电动势,该导体或回路相当于电源. 解决电路问题的基本方法: ①用法拉第电磁感应定律或楞次定律确定感应电动势的____和_____ ②画出_____电路图. ③运用闭合电路欧姆定律、串并联电路性质,电功率等公式进行求解. 要点四电磁感应中的图象问题 电磁感应中常常涉及磁感应强度、磁通量、感应电动势、感应电流、安培力或外力随时间变化的图象. 这些图象问题大体上可以分为两类: ①由给定的电磁感应过程选出或画出正确图象. ②由给定的有关图象分析电磁感应过程,求解相应的物理量. 不管是何种类型,电磁感应中的图象问题往往需要综合_______定则、_______定则、_____定律和____________定律等规律分析解决. 要点五电磁感应中的能量问题 电磁感应过程中产生的感应电流在磁场中必定受到______作用,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,其它形式的能量转化为电能,“外力”克服安培力做了多少功,就有多少其它形式的能转化为______. 当感应电流通过用电器时,电能又转化为其它形式的能量,安培力做功的过程,是_______转化为_______________________的过程,安培力做了多少功,就有多少电能转化为其它形式的能量. 电磁感应复习 考点1感应电流的产生和方向 1、如图,金属棒ab置于水平放置的U形光滑导轨上,在ef右侧存在有界匀强磁场B,磁场方向垂直导轨平面向下,在ef左侧的无磁场区域cdef内有一半径很小的金属圆环L,圆环与导轨在同一平面内。 当金属棒ab在水平恒力F作用下从磁场左边界ef处由静止开始向右运动后,圆环L有__________(填收缩、扩张)趋势,圆环内产生的感应电流_______________(填变大、变小、不变)。 2、老师做了一个物理小实验让学生观察: 一轻质横杆两侧各固定一金属环,横杆克绕中心点自由转动,老师拿一条形磁铁插向其中一个小环,后又取出插向另一个小环,同学们看到的现象是() A.磁铁插向左环,横杆发生转动 B.磁铁插向右环,横杆发生转动 C.无论磁铁插向左环还是右环,横杆都不发生转动 D.无论磁铁插向左环还是右环,横杆都发生转动 3、如图,线圈M和线圈N绕在同一铁芯上。 M与电源、开关、滑动变阻器相连,P为滑动变阻器的滑动端,开关S处于闭合状态。 N与电阻R相连。 下列说法正确的是() A.当P向右移动,通过R的电流为b到a B.当P向右移动,通过R的电流为a到b C.断开S的瞬间,通过R的电流为b到a D.断开S的瞬间,通过R的电流为a到b 考点2感应电动势、自感 4、如图所示,两根相距为的平行直导轨ab、cd、b、d间连有一固定电阻R,导轨电阻可忽略不计。 MN为放在ab和cd上的一导体杆,与ab垂直,其电阻也为R。 整个装置处于匀强磁场中,磁感应强度的大小为B,磁场方向垂直于导轨所在平面(指向图中纸面内)。 现对MN施力使它沿导轨方向以速度v(如图)做匀速运动。 令U表示MN两端电压的大小,则() A. 流过固定电阻R的感应电流由b到d B. 流过固定电阻R的感应电流由d到b C. 流过固定电阻R的感应电流由b到d D. 流过固定电阻R的感应电流由d到b 5、如图,平行导轨间距为d,一端跨接一个电阻为R,磁场的磁感强度为B,方向与导轨所在平面垂直。 一根足够长的金属棒与导轨成θ角放置,金属棒与导轨的电阻不计。 当金属棒沿垂直于棒的方向以速度v滑行时,通过电阻R的电流强度是() A. B. C. D. 考点3电磁感应综合问题 6、如图所示,水平面上有两根相距0.5m的足够长的平行金属导轨MN和PQ,它们的电阻可忽略不计,在M和P之间接有阻值为R的定值电阻,导体棒ab长 =0.5m,其电阻为r,与导轨接触良好,整个装置处于方向竖直向上的匀强磁场中,磁感应强度B=0.4T,现使ab以 =10m/s的速度向右做匀速运动. (1)ab中的感应电动势多大? (2)ab中电流的方向如何? (3)若定值电阻R= 导体棒的电阻r= 则电路中的电流多大? 7、如图,匀强磁场的磁感应强度方向垂直于纸面向里,大小随时间的变化率 , 为负的常量。 用电阻率为 、横截面积为 的硬导线做成一边长为 的方框。 将方框固定于纸面内,其右半部位于磁场区域中。 求 (1)导线中感应电流的大小; (2)磁场对方框作用力的大小随时间的变化。 8、如图所示,处于匀强磁场中的两根足够长、电阻不计的平行金属导轨相距 ,导轨平面与水平面成θ=37°角,下端连接阻值为 的电阻.匀强磁场方向与导轨平面垂直.质量为0.2kg、电阻不计的金属棒放在两导轨上,棒与导轨垂直并保持良好接触,它们之间的动摩擦因数为0.25. (1)求金属棒沿导轨由静止开始下滑时的加速度大小; (2)当金属棒下滑速度达到稳定时,电阻 消耗的功率为 ,求该速度的大小; (3)在上问中,若 =2Ω,金属棒中的电流方向由a到b,求磁感应强度的大小与方向. (g取10rn/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8) 4.6互感和自感 答案: 例1.解析 (1)开关断开后,感应电动势使线圈L中电流IL减小得更慢些. (2)开关断开后,感应电流将沿线圈L向右流动,经灯泡A后流到线圈的左端,即线圈L和灯泡A构成闭合电路,回路中电流沿逆时针方向. (3)开关断开后,通过灯泡A的感应电流与原电流方向相反. (4)有可能.原来电路闭合处于稳定状态,L与A并联,其电流分别为IL和IA,方向都是从左向右.在断开S的瞬时,灯A中原来的从左向右的电流IA立即消失.但是灯A与线圈L组成一闭合电路,由于L的自感作用,其中的电流IL不会立即消失,而是在回路中逐渐减弱维持短暂的时间,这个时间内灯A中有从右向左的电流通过.这时通过A的电流从IL开始减弱,如果RL(线圈L的直流电阻) 答案 见解析 例2.解析 自感系数只与线圈本身有关,而与其他因素无关.自感系数是由线圈的本身性质(线圈的长度、面积、单位长度上的匝数)和是否插入铁芯决定的.线圈的横截面积越大,线圈越长,单位长度上的匝数越多,它的自感系数就越大,有铁芯的线圈的自感系数比没有铁芯的大得多.自感系数与通入的电流、电流改变量、电流变化率等无关,故正确答案为D. 例3.答案 C 解析 合上开关后,由于a灯和线圈相连后接在电路中,当电路中电流变化时,线圈对电流有阻碍作用,所以闭合开关后,b先亮,a后亮;断开开关后,a,b都要过一会再灭. 课后练习 1.答案 A 解析 自感现象是线圈自身的电流变化而引起的电磁感应现象,在自感现象中自感电动势总是阻碍原电流的变化,不是阻止,所以选项B错.当原电流减小时,自感电动势与原电流的方向相同,当原电流增加时,自感电动势与原电流方向相反,所以选项C、D错. 2.答案 BD 解析 在自感现象中当原电流减小时,自感电动势与原电流的方向相同,当原电流增加时,自感电动势与原电流方向相反.在0~1s内原电流正方向减小,所以自感电动势的方向是正方向,在1~2s内原电流负方向增加,所以自感电动势与其方向相反,即沿正方向;同理分析2~3s、3~4s内可得正确选项为B、D. 3.答案 B 解析 接通开关S时,由于L中的自感电动势阻碍电流的增大,所以I1 4.答案 BD 5.答案 BC 解析断开开关,线圈L产生自感电动势,阻碍原电流的减小,电流方向为a→b,在灯A中为b→a;断开开关后,灯泡要逐渐熄灭,电流减小,磁场能转化为电场能. 6.答案 B 4.7涡流 电磁阻尼和电磁驱动 答案: 例1.解析 交流电频率越高,则产生的感应电流越强,升温越快, 工件电流相同,即电阻大,温度高,放热多. 答案 AD 例2.解析 当磁铁转动时,由楞次定律知,线圈中有感应电流产生,以阻碍磁通量的增加,即感应电流的方向必定是使其受到的力矩的方向与磁铁转动方向相同,以减小磁通量的增加,因而线圈跟着转起来,但转速小于磁铁的转速. 答案 C 例3.AC 例4.答案 Bl(v0+v1) Bl(v0+v1)I-I2r 解析 导体棒所受的安培力为F=IlB① 该力大小不变,棒做匀减速运动,因此在棒的速度从v0减小 到v1的过程中,平均速度为 = (v0+v1)② 当棒的速度为v时,感应电动势的大小为E=lvB③ 棒中的平均感应电动势为 =l B④ 由②④式得 = l(v0+v1)B⑤ 导体棒中消耗的热功率为P1=I2r⑥ 负载电阻上消耗的平均功率为 = I-P1⑦ 由⑤⑥⑦式得 = l(v0+v1)BI-I2r⑧ 课后练习: 1.答案 A 解析 涡流就是一种感应电流,同样是由于磁通量的变化产生的. 2.答案 B 解析 铜球在进入和穿出磁场的过程中,穿过金属球的磁通量发生变化,球中产生涡流,进而产生焦耳热,因此球的机械能减少,故A点高于B点. 3.答案 D 解析 小球进出磁场时,有涡流产生,要受到阻力,故穿出时的速度一定小于初速度 4.答案 AB DE
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