电磁感应现象的两类情况
电磁感应现象的两类情况
静电场
感生电场
感生电场的应用实例
例题
2、如图所示，匀强磁场的磁感强度B随时间均匀增 加，其变化率为k。一电量为+q的电荷在垂直于B的 平面做半径为r圆周运动。试求电荷运动一周其动能
的增量。 B
解：根据法拉第电磁感应定律，在
电荷运动的圆周，电动势的大小为
E SB r2k
+q
t t
电荷动能增量等于感生电场对它所做的功
E ld B 0.1 V
t
t
回路的总长度为5 m， 因此回路的总电阻为R=5λ=0.5 Ω， 电流为
I E 0.2 A R
根据楞次定律，回路中的电流方向是顺时针方向
（3）前2s电流为零，后2s，有恒定电流，焦耳热为
Q I 2Rt 0.04 J
电动势种类
小结
动生电动势： 洛伦兹力提供非静电力
1. 动生电动势
➢ 已知：导线切割磁感线产生感应电动势
➢ 问题：非静电力的来源？大小？
➢ 当导体棒在磁场中运动时， 棒内自由电荷要受到洛伦 兹力作用，在洛仑兹力作 用下电荷向M端运动，使M 端和N端出现了等量异种 电荷，产生电势差。
+ B
+
+
M+ ++
+
+
+
+
v +
++Fm++
+ ++
+ +
+ +
+ +
解：OA做切割磁感线运动， 电动势为
E
Bl
l
2
1 2
Bl 2
高中物理 4.5电磁感应现象的两类情况详解
高中物理| 4.5电磁感应现象的两类情况详解电磁感应产生电磁感应现象有感生电动势和动生电动势两类问题。
感生电场19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦在他的电磁场理论中指出：变化的磁场在周围空间激发电场，我们把这种电场叫感生电场．感生电动势由感生电场使导体产生的电动势叫感生电动势。
（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。
如果空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在电场力作用下定向移动而产生感应电流，或者说导体中产生了感生电动。
（2）方向：闭合环形回路(可假定存在)的电流方向就是感生电动势的方向，根据楞次定律和右手定则确定。
（3）作用感生电动势在电路中的作用就是充当电源，其电路就是内电路，当它与外电路连接后就会对外电路供电。
变化的磁场在闭合导体所在空间产生电场，导体内自由电荷在电场力作用下产生感应电流，或者说导体中产生了感应电动势。
由此可见，感生电场就相当于电源内部的所谓的非静电力，对电荷产生力的作用。
动生电动势1.动生电动势：导体在磁场中做切割磁感线运动时产生的电动势。
2.产生原因导体在磁场中做切割磁感线运动时，产生动生电动势，它是由于导体中自由电子受到洛伦兹力作用引起的．使自由电子做定向移动的非静电力就是洛伦兹力。
如图所示，一条直导线CD在匀强磁场B中以速度v向右运动，并且导线CD与B、v的方向互相垂直。
由于导体中的自由电子随导体一起以速度v运动，因此每个电子受到的洛伦兹力为F＝evB，F的方向竖直向下，在F的作用下自由电子沿导体向下运动，使导体下端出现过剩的负电荷，导体上端出现过剩的正电荷，结果是C端的电势高于D端的电势，出现由C端指向D端的静电场，此电场对电子的作用力F′是向上的，与洛伦兹力的方向相反。
随着导体两端正、负电荷的积累，场强不断增强，当作用到自由电子上的静电力与洛伦兹力互相平衡时，C、D两端便产生了一个稳定的电势差。
总之：洛伦兹力是产生动生电动势的原因，即洛伦兹力是产生动生电动势的非静电力。
4.5电磁感应现象的两类情况
磁场变强
思考：导线中的电荷此时定 向移动形成电流，那么一定 有力使电子移动，这个力究 竟是什么力呢？
一、感生电场与感生电动势
英国物理学家麦克斯韦在他的电 磁场理论中指出
变化的磁场能在周围空间激发电场,这种 电场叫感生电场 由感生电场产生的感应电动势称为感生 电动势.也叫感应电动势。
3.如图，导体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（ AB ）
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仑兹力有关 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
楞次定理、右手定则、左手定则与安培定则的综合应用
二、洛伦兹力与动生电动势
3、据左手定则，c端电势高
二、洛伦兹力与动生电动势
4、D 到C
二、洛伦兹力与动生电动势
导体切割磁感线时也会产生电动势,该电 动势产生的机理是什么?
是由于导体棒中自由电子受到洛伦兹力而形成的
导体切割磁感线产生的电动势的大小与 哪些因素有关?
磁感应强度、导体棒运动速度、导体棒的长度
4.如图水平放置的两条光滑轨道上有可自由移动 的金属棒PQ、MN，当PQ在外力的作用下运动 时，MN在磁场力的作用下向右运动，则PQ 所做 的运动可能是 ( ) A．向右加速运动 B．向左加速运动 C．向右减速运动 D．向左减速运动
5. 两根足够长的光滑平行直导轨MN、PQ与水平面成θ角 放置，两导轨间距为L，M、P两点间接有阻值为R的电 阻.一根质量为m的均匀直金属杆ab放在两导轨上，并与 导轨垂直.整套装置处于磁感应强度为B的匀强磁场中， 磁场方向垂直于导轨平面向上，导轨和金属杆接触良好， 它们的电阻不计.现让ab杆由静止开始沿导轨下滑. (1)求ab杆下滑的最大速度v m； (2)ab杆由静止释放至达到最大速度的过程中，电阻R产 生的焦耳热为Q，求该过程中ab杆下滑的距离x及通过电 阻R的电量q.
电磁感应现象的两类情况
用单位长度电阻为 r0＝0.05 Ω/m 的导线绕制一个 n＝100 匝、边长 a ＝0.20 m 的正方形线圈，线圈两端与阻值 R＝16 Ω 的电阻连接构成闭合 回路，如图甲所示．线圈处在匀强磁场中，磁场方向垂直于线圈平面， 磁感应强度 B 的大小随时间变化的关系如图乙所示．求： (1)在 0～1.0×10－2 s 时间 内， 通过电阻 R 的电荷量； (2)1 min 内电流通过电阻 R 所产生的热量；
名师提醒
有些情况下，动生电动势和感生电动势具有相对性．例如，将条 形磁铁插入线圈中， 如果在相对磁铁静止的参考系内观察， 线圈运动， 产生的是动生电动势；如果在相对线圈静止的参考系中观察，线圈中 磁场变化，产生感生电动势．
例 1 如图所示，固定于水平桌面上的金属框架 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 adeb 构成一个边长为 l 的正方形．棒的电阻为 r，其余部分电阻不计．开始 时磁感应强度为 B0. (1)若从 t＝0 时刻起， 磁感应强度均匀增加， 每秒增加 k，同时保持棒静止，求棒中的感应电 流大小和方向． (2)在上述(1)情况中，始终保持棒静止，当 t ＝t1 秒末时需加的垂直于棒的水平拉力为多大？
问题探究 2：一段导线在做切割磁感线运动时相当于一个电 源，什么力充当了“非静电力”的角色．
提示：洛伦兹力．
要点一
感生电动势与动生电动势的理解
1.对感生电场的理解 19 世纪 60 年代， 英国物理学家麦克斯韦在他的电磁理论中指出： 变 化的磁场能在周围空间激发电场，这种电场叫感生电场． (1)感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的． (2)感生电场的产生跟空间中是否存在闭合电路无关． (3)感生电场的方向根据闭合电路(或假想的闭合电路)中感应电流的 方向确定．
4.5-电磁感应现象的两类情况(共37张)
第28页，共37页。
解析：选 ABCD.由 E＝BLv 和 I＝ER得：I＝BRLv.所 以 F＝BIL＝B2L2v，电阻上消耗的热功率 P 热＝I2R
荷是正电荷。
第12页，共37页。
+C
f
Vy
V合
V
F电
-D
一.电磁感应现象中的洛伦兹力: 动生电动势
动生电动势的非静电力：与洛伦兹力有关
(yǒuguān)
B
+C
右手定则
f
Vy
V合
V
q E qvB E BLv L
第13页，共37页。
F
▄D
一.电磁感应现象中的洛伦兹力: 动生电动势
动到能沿吗导的量杆体？结是方棒论怎向接(jiél的样用ùn)：洛电转“伦器化洛兹后的伦力，兹做呢要力功继？吗永续?不做与匀做我速功们运！在动”《时矛磁还盾场需吗》要？学外习力时推得
R
＝B2L2v2；外力对 ab 杆做功的功率就等于消耗的热
R 功率．
第29页，共37页。
电磁感应的图象问题
例4 如图甲所示，矩形导线框abcd固定在匀强磁场中，磁感线
的方向与导线框所在平面垂直．规定磁场的正方向垂直纸面向里，磁 感应强度B随时间变化(biànhuà)的规律如图乙所示，若规定顺时针方向
B．M点电势高 C．若磁场不变，将半圆环绕MN轴 旋转180°的过程中，N点电势高 D．若磁场不变，将半圆环绕MN轴 旋转180°的过程中，M点电势高
第20页，共37页。
电磁感应现象的两类情况
1.感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的. 2.感生电场的方向可由楞次定律判断.如图所示， 当磁场增强时，产生的感生电场是与磁场方向垂直且阻碍磁 场增强的电场. 3.感生电场提供了使电荷运动的非静电力. 磁场 激发感 感生电场驱动自 产生感 变化 → 生电场 → 由电荷定向移动 → 应电流 4.感生电动势大小：E＝nΔΔΦt .
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：感生电场的电场线方向由楞次定律来判定.假
设垂直于磁场方向有一闭合环形回路.
B向上， 均匀增 大时
―楞―次→ 定律
回路中感 应电流的 磁场方向 向下
―安―培→ 定则
感生电动势和 重点 动生电动势的
计算
感生电动势和
难点
动生电动势产 生的原因分析
和理解
知识点一 电磁感应现象中的感生电场 提炼知识 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.感应电场的方向 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.
A
B
C
D
解析：根据楞次定律，在前半个周期内，圆环内产
生的感应电流方向为顺时针，即通过 ab 边的电流方向为
由 b 指向 a，再根据左手定则判断，ab 边受到的安培力为
水平向左，即负方向.根据法拉第电磁感应定律，前半个
周期内 ab 中的电流为定值，则所受安培力也为定值.结合
选项可知 B 正确.
答案：B
判断正误 （1）变化的磁场周围一定存在感生电场，与是否存 在闭合电路无关.（ ） （2）恒定的磁场一定能在周围空间产生感生电场. （） （3）感生电动势在电路中的作用相当于电源电动 势，其电路相当于内电路.（ ） 答案：（1）√ （2）× （3）√
高考物理与电磁感应现象的两类情况有关的压轴题附详细答案
（2）求当速度达到5m/s时导体棒的加速度；
（3）若经过时间t，导体棒下滑的垂直距离为s，速度为v．若在同一时间内，电阻产生的热与一恒定电流I0在该电阻上产生的热相同，求恒定电流I0的表达式（各物理量全部用字母表示）．
【答案】（1）18.75m/s（2）a=4.4m/s2（3）
又因为安培力
对实验车，由牛顿第二定律得：
即 得：
4．如图所示，足够长的U型金属框架放置在绝缘斜面上，斜面倾角 ，框架的宽度 ，质量 ，框架电阻不计。边界相距 的两个范围足够大的磁场I、Ⅱ，方向相反且均垂直于金属框架，磁感应强度均为 。导体棒ab垂直放置在框架上，且可以无摩擦的滑动。现让棒从MN上方相距 处由静止开始沿框架下滑，当棒运动到磁场边界MN处时，框架与斜面间摩擦力刚好达到最大值 （此时框架恰能保持静止）。已知棒与导轨始终垂直并良好接触，棒的电阻 ，质量 ，重力加速度 ，试求：
(1)若在开启电磁制动瞬间，三根金属棒的位置刚好在图所示位置，则此时制动转盘上的电动势E为多少？此时a与b之间的电势差有多大？
(2)若忽略转盘的质量，且不计其它阻力影响，则在上述制动过程中，制动转盘产生的热量是多少？
(3)若要提高制动的效果，试对上述设计做出二处改进．
【答案】(1) , (2) (3)若要提高制动的效果，可对上述设计做出改进：增加外金属圈的半径r3或减小内金属圈的半径r2
(1)棒由静止开始沿框架下滑到磁场边界MN处的过程中，流过棒的电量q；
(2)棒运动到磁场Ⅰ、Ⅱ的边界MN和PQ时，棒的速度 和 的大小；
(3)通过计算分析：棒在经过磁场边界MN以后的运动过程中，U型金属框架能否始终保持静止状态？
【答案】(1) ；(2) ， ；(3)框架能够始终保持静止状态
电磁感应现象的两类情况
小试牛刀
如图4.5-4甲所示，100匝的线圈(图中只画了2匝）两端A、 B与一个电压表相连．线圈内有垂直指向纸内方向的磁场， 线圈中的磁通量按图乙所示规律变化． （1）电压表的读数等于多少？ （2）请在线圈位置上标出感生电场的方向。 （3）A、B两端，哪端应该与电压表标+号的接线柱连接？
(1)50V
根据E=BLv=4.7×10-3×12.7×0.7×340 V=0.14 V. 根据右手定则可知，左侧机翼尖电势高.
小试牛刀
设图中的磁感应强度B=1T，平行导轨宽l=1m，金属棒 以1m/s速度帖着导轨向右运动，R=1Ω，其他电阻不 计． （1）运动的导线会产生感应电动势，相当于电源．用 电池等符号画出这个装置的等效电路图． （2）通过R的电流方向如何？大小等于多少？
第五节 电磁感应现象的两类情况
复习
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非静电力做功把其它形式的能转化为电能
电池：化学作用
非静电力
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 路内产生了感应电动势. 这种情况下,哪一种作用是非 静电力?
感生电动势： 磁场变强
4∶1
2∶1
1、由于导体切割磁感线而产生的感应电 动势叫动生电动势. 2、动生电动势的非静电力与洛伦兹力有关.
注意：动生电动势与洛伦兹力有关，但洛 伦兹力始终不做功.
小试牛刀
国庆阅兵时，我国的“飞豹FBC-1”型歼击轰 炸机在天安门上空沿水平方向自东向西呼啸而 过．该机的翼展为12.7米，北京地区地磁场的 -5 竖直分量为4.7×10 T，该机飞过天安门时的 速度为声速的0.7倍，求该机两翼尖间的电势 差．那端的电势比较高？
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电磁感应现象的两类情况
一、电磁感应现象中的感生电场
常用电源的电动势是由非静电力移动电荷做功使电源两极分别带上异种电荷，电磁感应现象中的感应电动势又是怎样产生的呢？
1、感生电场：右图所示，一个闭合电路静止于磁场中，当磁场由弱变强时，闭合电路中产生了感应电动势与感应电流，这时又是什么力相当于非静电力促使电荷发生定向移动的？
变化的磁场在周围空间产生了电场——感生电场，导体中的自由电荷在感生电场的作用下做定向移动，产生感应电流，导体中产生了感应电动势。
感生电场的方向与感应电流的方向相同，感生电场是涡旋电场，电场线是闭合的，电场力相当于非静电力。
2、例题：阅读课本例题，回答下列问题：
①真空室内的磁场由谁提供？当电磁铁的电流恒定时，真空室内的电子受力如何？ 磁场由电磁铁的电流提供；当电流恒定时，不能产生感生电场，
故电子不受电场力作用。
②当电磁铁中通有图示方向均匀减小的电流时，所激发的磁场和感应电场怎样？真空室中的电子受力怎样？能使电子加速吗？
磁场减弱，形成逆时针涡旋电场，电子受顺时针电场力，被加速。
③电磁铁中通有图示方向均匀增加的电流时，所激发的磁场和感应电场怎样？真空室中的电子受力怎样？能使电子加速吗？
磁场增强，形成顺时针涡旋电场，电子受逆时针电场力，被加速。
二、洛伦兹力与动生电动势
导体切割磁感线运动时，磁场没有变化，不能产生感生电场，其感应电动势又是如何产生的？
思考与分析：右图所示，导体棒CD 在匀强磁场中运动：
①为了方便，我们认为导体棒中的自由电荷为正电荷，那么导体棒中
的正电荷所受洛伦兹力的方向如何？正电荷相对于纸面的运动大致沿什么方向？
正电荷所受洛伦兹力方向沿导体棒向上，正电荷在纸面内向右运动的同时再向上运动。
②导体棒一直运动下去，自由电荷是否总会沿着导体棒运动？为什么？
导体两端产生电势差—动生电动势，形成电场，若导体棒匀速运动，当洛伦兹力与电场力相等时自由电荷不再沿导体棒向上运动。
③导体棒的那端电势比较高？
C端电势高。
④如果用导线把C、D两端连到磁场外的一个用电器上，导体棒中的电流沿什么方向？此时导体棒会受到安培力作用吗？
导体棒中的电流由D端流向C端，此时导体棒会受到向左的安培力的作用，阻碍导体棒的运动。
⑤此时是什么力与非静电力有关？导体棒中的能量是怎样转化的？
洛伦兹力相当于非静电力；导体棒的机械能转化为电能。
*跟踪练习*
1.如图所示，一个闭合电路静止于磁场中，由于磁场强弱的变化，而使电路中产生
了感生电动势。
下列说法正确的是（）
A.磁场变化时，会在空间激发一种电场
B.使电荷定向移动形成电流的力是磁场力
C.使电荷定向移动形成电流的力是电场力
D.以上说法都不对
2.某空间出现了右图所示的一组电场线（表明感应电场的方向），这可能是（）
A.沿AB方向磁场在迅速减弱
B.沿AB方向磁场在迅速增加
C.沿BA方向磁场在迅速增加
D.沿BA方向磁场在迅速减弱
3.右图所示，一个带正电的粒子在垂直于匀强磁场的平面内做圆周运动，当磁感应强度均匀增大时，此粒子的动能将（）
A.不变
B.增加
C.减少
D.以上情况都可能
4.如图所示，面积为0.2 m2的100匝线圈处在匀强磁场中，磁场方向垂直于线圈平面，已知磁感应强度随时间变化的规律为B=（2+0.2t）T，定值电阻R1=6 Ω，线圈电阻R2=4 Ω，求：
（1）磁通量变化率、回路中的感应电动势；
（2）a、b两点间的电压U ab
5.矩形线圈abcd，长ab=20cm ，宽bc=10cm，匝数n=200，线圈回路总电阻R=50Ω，整个线圈平面均有垂直于线框平面的匀强磁场穿过，磁感应强度B随时间的变化规律如右图所示，求：
（1）线圈回路的感应电动势；
（2）在t=0.3s时线圈ab边所受的安培力。
6.有一面积为150 cm2的金属环，电阻为0.1 Ω，在环中100 cm2的同心圆面上存在如右图（b）所示的变化的磁场，在0.1 s到0.2 s的时间内环中感应电流为__ __，流过的电荷量为__ __。
4. (1)0.04 Wb/s 4 V (2)2.4 V
5. （1）2V （2）1.6×10-3N
6. 0.1 A 、0.01 C
7. 5s。