师:同学们,上节课我们学习了感应电流,现在来回顾几个基础知识。问题一,在电磁感应现象中产生感应电流的条件是什么?
生:一要有闭合电路,二磁通量要发生变化。
师:问题二,电路中产生持续电流的条件是什么?
生:要有闭合电路和电源。
师:问题三,如图所示,比较甲乙两电路的异同。
生:相同点是两电路都是闭合的,都有电流。不同点是甲中有电池,乙中有螺线管,螺线管相当于电源。
师:既然闭合电路中有感应电流,这个电路中就一定有电动势。如图所示,这两种情况下,如果电路不闭合会怎样呢?开关断开电路中有电流吗?
生:没有。
师:问题五,如果电路不是闭合的,电路中就没有电流,电源的电动势是否还存在?
生:存在。
师:由此可见,在电磁感应现象中,不论电路是否闭合,只要穿过电路的磁通量发生变化,电路中就有感应电动势。但产生感应电流还需要电路闭合,因此研究感应电动势更有意义。物理学中将在电磁感应现象中产生的电动势定义为感应电动势。注意,产生感应电动势的那部分导体相当于电源,产生条件是只要穿过电路的磁通量发生变化,电路中就会产生感应电动势,与电路是否闭合无关。
师:三、电磁感应现象的本质。磁通量变化是电磁感应的根本原因,产生感应电动势是电磁感应现象的本质。产生感应电流只不过是一个现象,表示电路中输送着电能,而产生感应电动势才是电磁感应现象的本质,它表示电路已经具备随时输出电能的能力。下面我们再来思考一个问题。上节课的实验中,我们发现条形磁铁插入的快慢不同,指针偏转的角度就不同,说明产生感应电动势大小不一样。那影响感应电动势的因素有哪些呢?由前面的学习可知,回路中有磁通量发生变化,就能产生感应电动势。那么感应电动势的大小是否与磁通量的变化有关呢?我们将磁通量的变化类比速度的变化,考虑从磁通量变化的大小和磁通量变化的快慢两个角度进行探究实验。
师:探究实验一,实验装置如图所示,保持磁场强弱相同,改变条形磁铁插入或拔出的方式。注意观察电流表指针发生偏转的情况,请看表格。条形磁铁数目,一根条形磁铁插入方式,第一次快速插入,第二次慢速插入。螺线管中磁通量变化的大小ΔΦ相同。请同学们观察电流表指针偏转角度的大小,下面请看实验视频。
(学生观看实验视频)
师:从实验视频中大家可以发现,快速插入时电流表指针偏转角度较大,说明感应电动势E的大小较大。慢速插入时,电流表指针偏转角度较小,说明感应电动势E的大小较小。下面我们再来看探究实验二。保持条形磁铁插入或拔出快慢相同,改变磁场的强弱。注意观察电流表指针发生偏转的情况,请看表格。条形磁铁数目,第1次一根,第二次两根。条形磁铁插入快慢相同,我们可以通过同高度自由下落来实现快慢相同。螺线管中磁通量变化的大小,一根时较小,两根时较大。下面请同学们观察电流表指针偏转角度的大小,请看实验视频。
(学生观看实验视频)
师:从视频中大家可以发现一根磁铁时电流表指针偏转角度较小,说明感应电动势E的大小较小。两根磁铁时电流表指针偏转角度较大,说明感应电动势E的大小较大。
师:实验分析总结,由表格中的数据分析可知,磁通量变化越快,感应电动势越大。磁通量变化的快慢,我们用ΔΦ除以Δt表示,又叫做磁通量的变化率。德国物理学家纽曼在对理论和实验资料进行严格分析后,于1845年指出了感应电动势的定量规律。定律内容,电路中感应电动势的大小跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比,写成数学等式。E等于k乘以ΔΦ除以Δt,取适当单位时,k等于1。适当单位指伏、韦伯、秒等国际单位时,k等于1。所以等式又可以写成E等于ΔΦ除以Δt。当线圈有n匝时,可以看作n个单匝线圈串联,总的感应电动势也等效于n个电源串联后的电动势。所以公式又可以写成E等于n乘以ΔΦ除以Δt。
师:由于之前法拉第做了大量的开创性的研究工作,人们将这一规律称为法拉第电磁感应定律。法拉第电磁感应定律的内容,闭合电路中感应电动势的大小跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。公式E等于n乘以ΔΦ除以Δt。注意公式中ΔΦ取绝对值,不涉及正负,产生电动势那部分导体相当于电源,感应电动势即该电源的电动势。
师:三、理解Φ、ΔΦ除以Δt的意义。磁通量Φ的物理意义指穿过回路磁感线的条数多少,与电磁感应无直接关系。磁通量变化量ΔΦ的物理意义指穿过回路磁通量变化了多少,是产生感应电动势的条件。磁通量变化率ΔΦ除以Δt的物理意义指穿过回路磁通量变化的快慢,是决定感应电动势的大小。
师:四、磁通量Φ、磁通量变化量ΔΦ即磁通量变化率ΔΦ除以Δt间的关系。Φ、ΔΦ、ΔΦ除以Δt均与线圈匝数无关。Φ、ΔΦ、ΔΦ除以Δt三者的大小之间没有直接关系。Φ很大时,ΔΦ除以Δt可能很小,也可能很大;Φ等于0时,ΔΦ除以Δt可能不为0。
师:应用公式E等于n乘以ΔΦ除以Δt求E的两种常见情况。第一种,当B不变,ΔΦ仅有S变化引起时,ΔS等于S?减S?。公式E等于nB乘以ΔS除以Δt。第二种,当S不变,ΔΦ仅有B变化引起时,ΔB等于B?减B?,公式E等于nS乘以ΔB除以Δt。这种由磁感应强度变化引起的电动势也叫感生电动势。下面我们再来看到例题。在磁感应强度为B的匀强磁场中,有一个矩形线框,边长AB等于L?,BC等于L?。线框绕中心轴OO′以角速度ω由图示位置逆时针方向转动,求第一问线圈转过1/4周的过程的平均感应电动势。第2问线圈转过1/2周的过程中的平均感应电动势。思路分析,求平均感应电动势的公式是哪个?线圈转过1/4周的过程中,磁通量的变化量是多少?如何计算转动的周期?线圈转过1/2周的过程中,磁通量的变化量是多少?
