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《法拉第电磁感应定律》教学

磁通量这一该概念的重要性的认识,一系列有关电磁感应现象的规律都是以磁通量为核心概念发展起来的。从判断是否产生感应电流,到判断感应电流的方向,直到感应电动势的大小,一直与磁通量有关。

通过电路知识的学习,已经知道以下知识:

  1. 对某一电路,产生电流的原因是电路中有电压源。

  2. 对同一电路,两端电压越大,电流越大。

一.感应电动势的大小

产生感应电流的原因是回路中有电动势,特意将此种电动势命名为感应电动势。在研究如何产生感应电流及感应电流方向时,已经发现磁通量变化快时电流表示数大。可以猜测感应电动势可能与磁通量的变化率有关。

实验观察,重做上一节条形磁铁插入或拔出螺线管中的实验,得出定性结论。不建议此处轻易下结论,没有定量的数据支持,一切只能是猜测,简单的现象结合深入的思考和确切的实验数据方能形成结论,还需要再次通过实验进行检验。

教材中一笔带过的,强调了一个重要的事实。纽曼和韦伯在对理论和实验数据进行严格的分析后,得出了结论:闭合回路中的感应电动势大小与通过回路的磁通量的变化率成正比。冠名权千万注意,给了法拉第。有关感应电动势大小的规律,实际是纽曼和韦伯得出的,但考虑到法拉第对研究电磁感应现象的巨大贡献,特别命名为法拉第电磁感应定律。

法拉第是自学成才的典范,从感应电动势的大小规律上来说,数学是其得出结论的瓶颈,物理大师的数学功底,通常都是可媲美数学家的。侧面也说明了数学对物理学习的重要性。

各量单位取规定单位后,k=1。

对于多匝线圈:

细节1

截面积相同的多匝线圈,磁通量的变化量还是

,也就是说线圈的匝数多了,磁通量还是BS,类似于地皮面积不会因为盖高层而增大一样。

由于线圈各匝之间是串联关系,所以,对于n匝线圈产生的感应电动势,相当于n匝线圈串联而得的电动势。

细节2

式子中的分母表示时间段,说明用此式得出的电动势应该是平均电动势,瞬时电动势如何求?类比前面学过的类似情况。

二.法拉第电磁感应定律的分情况讨论

由磁通量的计算式

可知:磁通量有三种变化情况,一种是磁感应强度发生变化,回路面积不变;一种是磁感应强度不变,回路面积发生变化;再就是磁感应强度和面积都发生变化。高中阶段主要研究前两种情况。

  1. B变化,S不变

原始公式变形为:

应用时注意所求电动势是平均值还是瞬时值。

2.S变化,B不变

原始公式变形为:

导体棒切割匀强磁场的磁感线时就是这种情况,平均瞬时一定要注意区分。

3.S、B都变化时

平均值原始公式直接求解:

瞬时值:应用多变量函数求导规律求解。

一般不考,考出来就不一般,大杀器级别。

三.试着从理论上推导S变化,B不变时的感应电动势

导体中有自由电荷,在导体棒向右运动时,自由电荷随导体棒有了向右运动的定向速度。就会受到洛伦兹力,在洛伦兹力的作用下,净电荷就会向导体棒两端集中,直至受到集中电荷的电场力和洛伦兹力平衡,相当于变成了电源的两极。

与法拉第电磁感应定律所得结论一样,在电路知识的学习时对电源已有所了解,电源是一个能量转化装置,将其他形式的能转化为了电势能,这种转化是通过非静电力做功来实现的。

思考:导体棒切割磁感线这种面积变化,磁感应强度不变的感应电动势,其非静电力是什么力?是什么能转化为电势能的?

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