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高中物理奥赛讲义(电磁感应)


电磁感应

在第十部分,我们将对感应电动势进行更加深刻的分析,告诉大家什么是动生电动势, 什么是感生电动势。在自感和互感的方面,也会分析得更全面。至于其它,如楞次定律、电 磁感应的能量实质等等,则和高考考纲差别不大。

第一讲 基本定律

一、楞次定律 1、定律:感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。 注意点

:阻碍“变化”而非阻碍原磁场本身;两个磁场的存在。 2、能量实质:发电结果总是阻碍发电过程本身——能量守恒决定了楞次定律的必然结果。 【例题 1】在图 10-1 所示的装置中,令变阻器 R 的 触头向左移动,判断移动过程中线圈的感应电流的方 向。 【解说】法一:按部就班应用楞次定律; 法二:应用“发电结果总是阻碍发电过程本身” 。由 “反抗磁通增大”→线圈必然逆时针转动→力矩方向反 推感应电流方向。 【答案】上边的电流方向出来(下边进去) 。 〖学员思考〗如果穿过线圈的磁场是一对可以旋转的永磁铁造成的,当永磁铁逆时针旋 转时,线圈会怎样转动? 〖解〗略。 〖答〗逆时针。 ——事实上,这就感应电动机的基本模型,只不过感应电动机的旋转磁场是由三相交流 电造就的。 3、问题佯谬:在电磁感应问题中,可能会遇到沿不同途径时得出完全相悖结论的情形,这 时,应注意什么抓住什么是矛盾的主要方面。

【例题 2】如图 10-2 所示,在匀强磁场中,有圆形的弹簧线 圈。试问:当磁感应强度逐渐减小时,线圈会扩张还是会收缩? 【解说】解题途径一:根据楞次定律之“发电结果总是阻碍 发电过程本身” ,可以判断线圈应该“反抗磁通的减小” ,故应该 扩张。 解题途径二:不论感应电流方向若何,弹簧每两圈都是“同 向平行电流” ,根据安培力的常识,它们应该相互吸引,故线圈 应该收缩。 这两个途径得出的结论虽然是矛盾的,但途径二有不严谨的地方,因为导线除了受彼此 间的安培力之外,还受到外磁场的安培力作用,而外磁场的安培力是促使线圈扩张的,所以 定性得出结论事实上是困难的。但是,途径一源于能量守恒定律,站的角度更高,没有漏洞 存在。 【答案】扩张。 〖学员思考〗如图 10-3 所示,在平行、水平的 金属导轨上有两根可以自由滚动的金属棒,当它们 构成闭合回路正上方有一根条形磁铁向下运动时, 两根金属棒会相互靠拢还是相互远离? 〖解〗同上。 〖答〗靠拢。 二、法拉第电磁感应定律 1、定律:闭合线圈的感应电动势和穿过此线圈的磁通量的变化率成正比。即 ε =N
?? ?t ?? ?t

物理意义:N 为线圈匝数; 应瞬时电动势和平均电动势。

有瞬时变化率和平均变化率之分,在定律中的ε 分别对

图象意义:在φ -t 图象中,瞬时变化率

?? ?t

对应图线切线的斜率。

【例题 3】面积为 S 的圆形(或任何形)线圈绕平行环面 且垂直磁场的轴匀速转动。 已知匀强磁场的磁感应强度为 B , 线圈转速为ω ,试求:线圈转至图 19-4 所示位置的瞬时电动

势和从图示位置开始转过 90°过程的平均电动势。 【解说】 本题是法拉第电磁感应定律的基本应用。 求瞬时电动势时用到极限 lim 求平均电动势比较容易。 【答案】BSω ; 2、动生电动势 a、磁感应强度不变而因闭合回路的整体或局部运动形成的电动势成为动生电动势。 b、动生电动势的计算 在磁感应强度为 B 的匀强磁场中, 当长为 L 的导体棒一速度 v 平动切割磁感线, B、 且 L、 v 两两垂直时,ε = BLv ,电势的高低由“右手定则”判断。这个结论的推导有两种途径— — ①设置辅助回路,应用法拉第电磁感应定律; ②导体内部洛仑兹力与电场力平衡。导体两端形成固定电势差后,导体内部将形成电 场,且自由电子不在移动,此时,对于不在定向移动的电子而言,洛仑兹力 f 和电场力 F 平 衡,即 F = f 即 qE = qvB 而导体内部可以看成匀强电场,即 所以ε = BLv 当导体有转动,或 B、L、v 并不两两垂直时,我们可以分以下四种情况讨论(结论推导 时建议使用法拉第电磁感应定律)—— ①直导体平动,L⊥B ,L⊥v ,但 v 与 B 夹α 角(如图 10-5 所示) ,则ε = BLvsinα ; ②直导体平动,v⊥B ,L⊥B ,但 v 与 L 夹β 角(如图 10-6 所示) ,则ε = BLvsinβ ; 推论:弯曲导体平动,端点始末连线为 L ,v⊥B ,L⊥B ,但 v 与 L 夹γ 角(如图 10-7 所示) ,则ε = BLvsinγ ;
? L 2 ? sin x x
x? 0

=1 ;

BSω 。

=E

③直导体转动,转轴平行 B、垂直 L、且过导体的端点,角速度为ω(如图 10-8 所示) , 则ε =
1 2

Bω L2 ;

推论:直导体转动,转轴平行 B、垂直 L、但不过导体的端点(和导体一端相距 s) , 角速度为ω(如图 10-9 所示) ,则ε B(L-2s) ω (s +
L ? 2s 2

1

= BLω (s +

L 2

)(轴在导体外部) 、ε

2

=

1 2

Bω (L2-2s) =

)(轴在导体内部) ;

☆这两个结论由学员自己推导 (教师配合草稿板图) … ④直导体转动,转轴平行 B、和 L 成一般夹角θ 、且过导体的端点,角速度为ω (如 图 10-9 所示) ,则ε =
1 2

Bω L2sin2θ ;

推论:弯曲导体(始末端连线为 L)转动,转轴转轴平行 B、和 L 成一般夹角θ 、且 过导体的端点,角速度为ω (如图 10-10 所示) ,则ε = θ 。 统一的结论:种种事实表明,动生电动势可以这样寻求——即 ε = BLv ,而 B、L、v 应彼此垂直的(分)量。 【例题 4】一根长为 L 的直导体,绕过端点的、垂直匀强磁场的 转轴匀角速转动,而导体和转轴夹θ 角,已知磁感应强度 B 和导体 的角速度ω ,试求导体在图 10-11 所示瞬间的动生电动势。 【解说】略。 (这个导体产生的感应电动势不是恒定不变的,而是一个交变电动势。 ) 【答案】ε =
1 4
1 2

Bω L2sin2

Bω L2sin2θ 。

第二讲 感生电动势

一、感生电动势 造成回路磁通量改变的情形有两种:磁感应强度 B 不变回路面积 S 改变(部分导体切割 磁感线) ;回路面积 S 不变而磁感应强度 B 改变。对于这两种情形,法拉第电磁感应定律都 能够求出 (整个回路的) 感应电动势的大小 (前一种情形甚至还可以从洛仑兹力的角度解释) 。 但是,在解决感应电动势的归属问题上,法拉第电磁感应定律面临这前所未有的困难(而且 .. 洛仑兹力角度也不能解释其大小) 。因此,我们还是将两种情形加以区别,前一种叫动生电 动势,后一种叫感生电动势。 感生电动势的形成通常是用麦克斯韦的涡旋电磁理论解释的。 1、概念与意义 根据麦克斯韦电磁场的理论,变化的磁场激发(涡旋)电场。涡旋电场力作用于单位电 荷,使之运动一周所做的功,叫感生电动势,即 ε


=

W涡 q

*值得注意的是,这里的涡旋电场力是一种比较特殊的力,它和库仑电场力、洛仑兹力 并称为驱动电荷运动的三大作用力,但是,它和库仑电场力有重大的区别,特别是:库仑电 场力可以引入电位、电场线有始有终,而涡旋电场不能引入电位、电场线是闭合的(用数学 语言讲,前者是有源无旋场,后者是有旋无源场) 。 2、感生电动势的求法 感生电动势的严谨求法是求法拉第电磁感应定律的微分方程( *即
??
S

?E感 ? dl
L

?

?

= -

? ?B ?t

? ? dS

) 。在一般的情形下,解这个方程有一定的难度。但是,

? ?B ?t

具有相对涡旋中心的轴

对称性,根据这种对称性解体则可以是问题简化。 【例题 5】半径为 R 的无限长螺线管,其电流随时间均匀增加时,其内部的磁感应强度 也随时间均匀增加,由于“无限长”的原因,其外部的有限空间内可以认为磁感应强度恒为 零。设内部
?B ?t

= k ,试求解管内、外部空间的感生电场。

【解说】将 B 值变化等效为磁感线变密或变疏,并假定 B 线不能凭空产生和消失。在将 B 值增加等效为 B 线向“中心”会聚(运动) 值减小等效为 B 线背离“中心”扩散(运 、B 动) 。

(1)内部情形求解。设想一个以“中心”为圆心且垂直 B 线的圆形回路,半径为 r , 根据运动的相对性,B 线的会聚运动和导体向外“切割”B 线是一样的。而且,导体的每一 段切割的“速度”都相同,因此,电动势也相等。根据 E = 应相等(只不过电场线是曲线,而且是闭合的) 。 由 ε 总 = π r2 E=
kr 2

?U ?d

知,回路上各处的电场强度

?B ?t

和 E=

?总 2?r



显然,撤去假想回路,此电场依然存在。 (2)外部情形求解。思路类同(1) ,只是外 部“假想回路”的磁通量不随“回路”的半径增大 而改变,即 φ =π R2B 由 ε 总 = π R2 E=
kR 2r
2

?B ?t

和 E′= (r>R)

?



2?r



【答案】感生电场线是以螺线管轴心为圆心的 同心圆,具体涡旋方向服从楞次定律。感生电场强 度的大小规律可以用图 10-12 表达。 〖说明〗本题的解答中设置的是一个特殊的回路,才会有“在此回路上感生电场大小恒 定”的结论,如果设置其它回路,E =
?总 2?r

关系不可用,用我们现有的数学工具将不可解。

当然,在启用高等数学工具后,是可以的出结论的,而且得出的结论和“特殊回路”的结论 相同。 〖学员思考〗如果在螺线管内、外分别放置两 段导体 CD 和 EF ,它们都是以螺线管轴线为圆心、 且圆心角为θ的弧形,试求这两段导体两端的电势 差。 〖参考解答〗因为在弧线上的场强都是大小恒 定的,故可用 U = E〃l 弧长求解 显然,UCD =
k 2

θr ,UEF =

2

k 2

θR 。
?B ?t

2

〖推论总结〗我们不难发现,UCD =

×(扇

形 OCD 的面积), UEF =

?B ?t

×(扇形 OGH 的面积) 。结论:感生电动势的大小可以这样计算,

用磁感应强度的变化率乘以自磁场变化中心出发引向导体两端的曲边形(在磁场中)的“有 效面积” 。 注意,针对(圆心在磁场变化中心的)非弧形导体,用 U = Ed 行不通(启用ε= 数学工具又不到位) ,但上面的“推论”则是可以照样使用的。 【应用】半径为 R 螺线管内充满匀强磁场,磁感应强度随时间的变化率
?B ?t

?E ?dl

?

?

已知。求长

为 L 的直导体在图 10-14 中 a、b、c 三个位置的感应电动势大小分别是多少? 【解】在本题中,由于没有考查(以涡 旋中心为圆心的)环形回路或弧形回路, 所以需要用上面的“推论”解决问题。 显然,这里的“有效面积”分别为 Sa = 0 Sb = Sc =
1 2

L?

R

2

? (

L 2

)

2

1 2

R2·arctg
a

L l? R

【答】ε ε =
R 2
2

= 0 ;ε
L l? R

b

= 。

L ?B 4 ?t

4R

2

? L

2



?B ?t

a

arctg

二、电势、电流、能量和电量 1、只要感应电路闭合,将会形成感应电流,进而导致能量的转化。关于感应电路的电流、 能量和电量的计算,可以借助《稳恒电流》一章中闭合电路欧姆定律的知识。但是,在处理 什么是“外电路” 、什么是“内电路”的问题上,常常需要不同寻常的眼光。我们这里分两 种情形归纳—— 如果发电是“动生”的,内电路就是(切割)运动部分; 如果发电是“感生”的,内、外电路很难分清,需要具体问题具体分析,并适当运用等 效思想。 (内电路中的电动势分布还可能不均匀。 ) 【例题 6】如图 10-15 所示,均匀导体做成的半径为 R 的Φ 形环,内套半径为 R/2 的无 限长螺线管,其内部的均匀磁场随时间正比例地增大,B = kt ,试求导体环直径两端 M、N 的电势差 UMN 。

【解说】将图 10-15 中的左、中、右三段导体分别标示为 1、2、3 ,它们均为电源,电 动势分别为—— ε
1

=

1 4

kR2(π -arctg2) ,ε

2

= ε

3

=

1 4

kR2 arctg2

设导体单位长度电阻为λ ,三“电源”的内阻分别为—— r1 = r3 =π λ R ,r2 = 2λ R 应用楞次定律判断电动势的方向后,不难得出它们的连接方式如图 10-16 所示。 然后,我们用戴维南定理解图 10-16 中的电流 I , 最后 UMN = Ir1 -ε
1

=

? 3 r 2 r1 ? ? 3 r3 r1 ? ? 1 r 2 r3 r1 r 2 ? r 2 r3 ? r3 r1

= ?

【答案】UMN =

1 4

kR2(arctg2 -

4 ? ? 2?

) 。

2、受中学阶段数学工具的制约,在精确解不可求的情况下,将物理过程近似处理,或在解 题过程中做近似处理常常是必要的。 【例题 7】在图 10-17 所示的装置中,重 G = 0.50N、宽 L = 20cm 的 П 型导体置于水银槽 中,空间存在区域很窄(恰好覆盖住导体)的、磁感应强度 B = 2.0T 的匀强磁场。现将开关 K 合上后,导体立即跳离水银槽,且跳起的最大高度 h = 3.2cm ,重力加速度 g = 10m/s2 , 忽略电源内阻。 (1)若通电时间 t = 0.01s ,忽略导体加速过 程产生的感应电动势,求通电过程流过导体的电 量; (2)如果回路外总电阻 R = 0.10Ω ,则导体 重回水银槽瞬间,消耗在回路中的电功率是多

少? 【解说】解第(1)问时,本来因为导体运动而形成的反电动势(感应电动势)是存在 的,这里只能忽略;磁场又是仅仅覆盖住导体的,这就意味着导体棒跳离水银槽后可以认为 是竖直上抛运动。 对上抛过程,v0 =
2 gh

对导体离开水银槽过程, F -G)t = mv0 ( 综合以上两式,即 BLq - Gt = m
2 gh

,由此可解 q 。

如果说第(1)问的近似处理重在过程的话,第(2)则在解题的规律运用上也不得不运 用一些令人难以接受的“近似处理”—— P=
( ? ? ? 感) R

2

(起跳时不计感应电动势,进入水银槽,又没有忽略ε





其中 ε

= BLv0
I

ε 则只有追寻到导体离开的过程,ε = 的平均值,而在 P =
( ? ? ? 感) R
2

R=

q t

R (这里的问题就大了, I 是电流对时间

中的ε 应该取方均根值〈即交流电的“有效值” 〉才是严谨的! ....

但是,在这里求有效值几乎是不可能的,因此也就只能勉为其难了。 ) 【答案】 (1)电量为 0.1125C ; (2)瞬时电功率为 20.88W 。

第三讲 自感、互感及其它

一、自感 1、自感现象:电路中因自身电流变化而引起感应电动势的现象。 2、自感电动势:自感现象中产生的电动势 ε


= -L

?I ?t ? I

L 为自感系数,简称自感或电感。对于 N 匝闭合回路,L = N μ n2V(其中 V 为螺线管体积;若无铁芯,μ 减小为μ 0) 。 值得注意的是,随着 L 、
?I ?t

,*对长直螺线管,L =

的增大,ε



可以很大,但是自感电流却不会随之增大,定

量的计算(解微分方程)表明,自感电流只会在初始电流的基础上呈指数函数减小。 ......................

【例题 8】在图 10-18 所示的电路中,ε = 12V,r = 1.0Ω ,R1 = 2.0Ω ,R2 = 9.0Ω ,R3 = 15 Ω ,L = 2.0H 。现让 K 先与 A 接通,然后迅速拨至 B , 求自感线圈上可产生的最大自感电动势。 【解说】如果选择定义式求解, 能根据自感电流的变化规律解题。 在不做特别说明的情况下,忽略 L 的直流电阻。K 接 A 时,L 上的稳恒电流 I = 1.0A;K 接 B 后,将 L 视为电动 势为ε


?I ?t

不知,故这里只

的电源,i =
R
2

?自 ? R
3

i 取极大值 I 时(K 接 B 后的初始时刻) ,ε 【答案】24V 。 二、互感与变压器



极大。

1、互感:两线圈靠近放置,当 1 中有变化电流时,2 中会感应出电流,若 2 中的感应电流 仍是变化的,则它又会激发磁场并在 1 中形成电磁感应,这种显现称为互感。 互感电动势:ε
12

= -M

? I1 ?t

,ε

21

= -M

?I2 ?t

,其中 M 为互感系数。

2、变压器:两个(或多个)有互感耦合的静止线圈的组合叫变压器。 接电源的线圈叫原线圈,接负载的叫副线圈。 理想变压器:无铜损(导线焦耳热) 、铁损(涡流能耗) 、磁损(漏磁通) ,空载电流无穷 小的变压器,即 P 入 = P 出 。 对于原、副线圈一对一的理想变压器,有 u1 = -ε u2 = ε
2 1

= -(-n1
2

?? ?t

1

)

= -n2 ??

?t
u1 u
2

即原、副线圈电压瞬时值 但有效值
U1 U
2

= -

n1 n
2

=

n1 n
2

联系功率关系,可得

I1 I2

=

n

2

n1

三、暂态过程 由一个稳态向另一个稳态过渡的过程叫暂态过程。 1、RL 暂态特性

对图 10-20 所示的电路,K 合上“过程”的电流 i 变化情形如图 10-21 所示。L 在两个稳 态的等效:初态——断路;末态——短路。

对图 10-22 所示的电路,K 合上“过程”的电流 i 变化情形如图 10-23 所示。

2、RC 暂态特性 对图 10-24 所示的电路,K 合上“过程” ,电容器的电压 UC 变化情形如图 10-25 所示。C 在两个稳态的等效:初态——短路;末态——断路。

对图 10-26 所示的电路,K 合上“过程” ,电容器的电压 UC 变化情形如图 10-27 所示。

【例题 9】 在图 10-28 所示的 RLC 电路中, 不计电阻, = 6.0V , L ε r = 1.0Ω ,R1 = 0.5Ω ,R2 = 1.5Ω 。试求: (1)K 接通时刻各元 件的电流; (2)K 接通后各元件的电压。 【解说】直接应用 L、C 元件在两种特殊稳态的“等效处理” 。 【答案】 (1)IR1 = IR2 = IC = 2.0A ,IL = 0 ; (2)UR1 = 2.0V ,UL = UR2 = UC = 0 。 【例题 10】 如图 10-29 所示, 两匝数相同的线圈绕在同一铁芯 上,其一经电键 K 与电动势为ε 的电源相连,其一与电阻 R 相连。已知两线圈的自感系数 均为 L ,试求: (1)闭合 K 瞬间,R 消耗的功率; (2)过电源的电流随时间的变化关系;* (3)合上 K 后,经时间τ 再将 K 断开,求此后 R 上消耗的功率。 【解说】闭合 K 瞬时是暂态过程的初态,双线圈可视为理想变压器,对原线圈 -ε


= ε =L

?I ?t

=L

I ? I0 t

第(3)问 R 消耗的功率是原线圈(或副线圈)磁场能的 释放( LI2)
2 1

【答案】 (1)

?

2

; (2)

? R

R

+

? L

t ; (3)

? ?
2

2



2L


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