1、学海在线资源中心 电磁感应与电路知识、能的转化和守恒专题编稿：张金虎 审稿：李勇康【学习目标】1运用能的转化和守恒定律进一步理解电磁感应现象产生的条件、楞次定律以及各种电磁感应现象中能量转化关系。2能够自觉地从能的转化和守恒定律出发去理解或解决电磁感应现象及问题。3能够熟练地运用动力学的一些规律、功能转化关系分析电磁感应过程并进行计算。4熟练地运用法拉第电磁感应定律计算感应电动势，并能灵活地将电路的知识与电磁感应定律相结合解决一些实际的电路问题。5在电磁感应现象中动力学过程的分析与计算。具体地说：就是导体或线圈在磁场中受力情况和运动情况的分析与计算。6在电磁感应现象中，不同的力做功情况和对应的
2、能量转化、分配情况。【要点梳理】要点一、运用能的转化和守恒定律理解电磁感应现象产生的条件1条件穿过闭合电路的磁通量发生变化。 2对条件的理解（1）在电磁感应的过程中，回路中有电能产生。因此电磁感应的过程实质上是一个其它形式的能向电能转化的过程，这个转化过程必定是一个动态的过程，必定伴随着宏观或微观力做功，以实现不同形式能的转化，也就是说必须经过一个动态的或者变化的过程，才能借助磁场将其它形式的能转化为电能。（2）导体切割磁感线在闭合回路中产生感应电流的过程：如图所示，导体棒运动，回路中有感应电动势和感应电流产生。有感应电流的导体棒在磁场中受到与棒运动方向相反的安培力作用，要维持导体棒运动产生持
3、续的电流必须有外力克服安培力做功，正是这一外力克服安培力做功的过程使其它形式的能转化为了回路的电能。可见磁通量发生变化（导体棒相对于磁场运动）是外力克服安培力做功，将其它形式的能转化为电能的充要条件。 （3）闭合电路所包围的磁场随时间发生变化产生感应电流的过程：如图所示，磁感应强度随时间变化时，在它的周围空间产生与磁场方向垂直的感应电场，感应电场使得导体中的自由电荷定向移动，形成感应电流。这个感应电场必定阻碍原磁场的变化，要维持持续的感应电流必须有一种外力克服这种阻碍做功，将其它形式的能转化为回路的电能。 要点二、用能的转化和守恒定律理解楞次定律1楞次定律感应电流具有这样的方向：即感应电流的磁
4、场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。由楞次定律出发不难推出，感应电流的方向总是阻碍线圈或导体相对于磁场的运动。如图所示，感应电流的方向由，使棒受到的安培力与它相对磁场运动的方向相反，要使棒保持匀速运动必须施加与安培力方向相反的外力。 2由能量守恒定律出发推知，导体棒中的感应电流方向必定是由，与楞次定律的结果完全一致。假设棒中感应电流的方向不是由，而是由，由左手定则可以判断棒受到的安培力则是垂直于棒向右，与棒运动的速度方向相同。那么导体棒在这个安培力的作用下不断向右做加速运动，我们看到的结果将是棒的动能不断增大，回路中产生的电能不断增加，且没有消耗其它的能量，也就是说这一过程能量凭空产生，显然
5、违背了能的转化和守恒定律，我们假设棒中感应电流的方向由 是错误的，应该是由，与楞次定律的结论完全一样。我们有理由说楞次定律是能的转化和守恒定律的必然结果。要点三、法拉第电磁感应定律与能的转化守恒定律1法拉第电磁感应定律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，对于n匝线圈构成的闭合电路有： 2法拉第电磁感应定律一些具体的表达形式（均由推出）（1）磁感应强度不变时 （2）线圈面积固定且不变时（3）导体在匀强磁场中切割磁感线产生的瞬时电动势 3法拉第电磁感应定律与能的转化守恒定律由能的转化和守恒定律出发推导导体棒切割磁感线产生的感应电动势（垂直切割的情况）：如图所示，设长为的导
6、体棒以速度在匀强磁场中切割磁感线时产生的电动势为，则回路中的感应电流，回路中产生电能的功率是；又导体棒受到的安培力，要维持棒匀速运动则外力的大小等于安培力，即，外力做功的功率。由能的转化守恒定律知：外力做功将其它形式的能转化为电能，所以，即，感应电动势，因此我们有理由说法拉第电磁感应定律和能的转化守恒定律是协调的。要点四、感生电场与感生电动势 1感生电场 英国物理学家麦克斯韦认为，变化的磁场能在周围空间激发电场，我们把这种电场叫做感生电场。 要点诠释：（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
7、磁场增强的电场。 （3）感生电场的存在与是否存在闭合电路无关。 2感生电动势 磁场变化时会在空间激发感生电场，处在感生电场中的闭合导体中的自由电荷在电场力的作用下定向运动，产生感应电流，或者说，导体中产生了感应电动势。由感生电场产生的电动势叫做感生电动势。 要点诠释：（1）电路中电源电动势是非静电力对自由电荷的作用。在电池中，这种力表现为化学作用。 （2）感生电场对电荷产生的力，相当于电源内部的所谓的非静电力。感生电动势在电路中的作用就是电源。要点五、洛伦兹力与动生电动势 一段导体做切割磁感线运动时，导体内自由电荷随导体在磁场中运动，则必受洛伦兹力。自由电荷在洛伦兹力作用下产生定向移动，这样异
8、种电荷分别在导体两端聚集，从而使导体两端产生电势差，这就是动生电动势。若电路闭合，则电路中产生感应电流。 要点诠释：（1）产生动生电动势的导体也相当于电源，其中所谓的非静电力就是洛伦兹力。 （2）动生电动势的产生与电路是否闭合无关。 （3）当电路不闭合时，切割磁感线的导体两端积聚电荷，则在导体内产生附加电场，电荷在受洛伦兹力的同时也受电场力作用。如图甲所示，当导体以恒定速度向右运动切割磁感线时，负电荷受洛伦兹力方向向下，则端聚集负电荷，同时端剩余等量正电荷，在导体内产生向下的电场，使负电荷受洛伦兹力的同时，也受电场力，但电场力方向向上，故当洛伦兹力时，电荷不再定向移动，此时间电压最大，即达电源
9、电动势。 注意：（1）当切割磁感线的导体棒中有动生电流时，棒内的自由电荷参与两个分运动，一是随导体切割磁感线的运动，二是沿导体定向移动（形成电流）。这两个分运动对应合运动所受洛伦兹力的两个分力，如图乙所示，使电荷沿棒移动形成电流的分力和与导体棒给电荷的作用力在水平方向平衡的力。 （2）沿棒方向的分力对电荷做正功，阻碍导体棒运动的分力对电荷做负功，这两个功代数和为零，不违背洛伦兹力永不做功的特点。即和的合力始终与电荷运动的合速度垂直。要点六、动生电动势与感生电动势的区别和联系 1产生的物理机理不同 如图所示，导体向右运动，中的自由电子一起向右运动，向右运动的电子受到洛伦兹力的作用后相对于杆往下端
10、运动，这就是感应电流，方向由向。产生电流的电动势存在于段中，单位电荷受到洛伦兹力为，而电动势的大小等于从到移动单位正电荷时洛伦兹力做的功，因此。 感生电动势，是由于变化的磁场周围产生感生电场，线圈中的自由电子在感生电场力作用下发生移动，形成感应电流。单位电荷在闭合电路中移动一周，电场力做的功等于感生电动势。 2相当于电源的部分不同 导体运动产生动生电动势时，运动部分的导体相当于电源，而由于磁场变化产生感生电动势时，磁场穿过的线圈部分相当于电源。 3的含义不同 导体运动产生电动势，是由于导体线框本身的面积发生变化而产生的，所以；磁场变化产生电动势，是由于磁场变化而产生的，所以。 要点诠释：（1）
11、在磁场变化，同时导体做切割磁感线运动时，两种电动势可同时存在。 （2）动生电动势和感生电动势的划分，在某些情况下只有相对意义。要点七、电磁感应中电路问题的处理方法 在电磁感应中，切割磁感线的导体将产生感应电动势，该导体或回路相当于电源，因此，电磁感应问题往往与电路问题联系在一起。解决与电路相联系的电磁感应问题的基本方法是： （1）用法拉第电磁感应定律确定感应电动势的大小，用楞次定律确定感应电动势的方向。 （2）画等效电路图。 （3）运用全电路欧姆定律、串并联电路性质、电功率等公式联立求解。要点八、感生电动势和动生电动势综合的问题 有的问题中既有感生电动势又有动生电动势，最容易产生错误的是计算感
12、应电动势时，只考虑一种而忽视另一种。用楞次定律和右手定则分别判出感生电动势、动生电动势的方向，求感应电动势时同向相加，反向相减。感生电动势用求，动生电动势用求。要点九、电磁感应现象中的力学问题分析 电磁感应的题目往往综合性较强，与前面的知识联系较多，涉及力和运动、动量、能量、直流电路、安培力等多方面的知识。应用主要可分为以下两个方面：1 电磁感应现象中涉及的具有收尾速度的力学问题，关键要抓好受力情况和运动情况的动态分析： 周而复始地循环，达到循环状态时，加速度等于零，导体达到稳定运动状态。 2功能分析： 电磁感应过程往往涉及多种能量形式的转化。图中金属棒沿导轨由静止下滑时，重力势能减少，一部分
13、用来克服安培力做功转化为电路中的电能，最终在上转化为焦耳热，另一部分转化为金属棒的动能。若导轨足够长，棒最终达到稳定状态匀速运动时，重力势能的减少则完全用来克服安培力做功转化为电路中的电能。因此，从功和能的观点入手，分析清楚电磁感应过程中能量转化的关系，往往是解决电磁感应问题的重要途径。 【典型例题】类型一、电磁感应过程的受力分析例1如图，是一边长为的正方形线框，电阻为。今维持线框以恒定的速度沿轴运动，并穿过图中所示的匀强磁场区域。若以正方向作为力的正方向，线框在图示的时刻作为时间的零点，则磁场对线框的作用力随时间变化的图线为（ ）【思路点拨】把 “磁场对线框的作用力”看做外力，无论线框中感应
14、电流方向如何，安培力总与外力方向相反。【答案】B【解析】线框匀速进入匀强磁场时产生恒定的感应电动势，线框中有恒定的感应电流，受到恒定的安培力作用，（由左手定则知道安培力的方向与轴方向相反为负），因此使线框匀速运动时必须施加大小恒定的与安培力方向相反的外力（外力的方向与线框运动的方向相同）；又因为线框完全进入磁场时，回路中没有感应电流，线框不受安培力的作用，因此，选项B正确。【总结升华】无论线框中感应电流方向如何，安培力总与外力方向相反。类型二、导体棒在变化的安培力作用下的运动例2如图所示，和是两根足够长的固定平行金属导轨，两导轨间的距离为，导轨平面与水平面的夹角是，在整个导轨平面内部都有垂直于
15、导轨平面斜向上方的匀强磁场，磁感应强度为，在导轨的端连接一个阻值为的电阻。一根垂直于导轨放置的金属棒，质量为，从静止开始沿导轨下滑，求棒的最大速度（要求画出棒的受力图，已知与导轨间的滑动摩擦因数为，导轨和金属棒的电阻都不计）。【答案】【解析】金属棒下滑时产生的感应电流方向和受力如图乙所示，金属棒沿导轨下滑过程中受到重力、支持力、摩擦力f和安培力四个力作用。 金属棒下滑产生的感应电动势，闭合回路中产生的感应电流为，安培力F安的方向沿斜面向上，其大小为：。根据牛顿第二定律得： 金属棒由静止开始下滑后，做加速度逐渐减小的变加速运动，当加速度减小到零时，速度就增至最大，以后金属棒将以这个最大速度匀速下
16、滑。此时 ，解上式得 【总结升华】该题是一道电磁学与力学的综合应用题，分析的思路与力学分析思路一样，但在判断安培力的方向和感应电流的方向时，要注意正确使用左、右手定则。类型三、矩形线框穿过磁场过程的功能关系例3如图所示，、为两匀强磁场区，区域的磁场方向垂直纸面向里，区域的磁场方向垂直纸面向外，磁感应强度均为，两区域中间宽为的无磁场区，有一边长为，电阻为的正方形金属框置于区域，边与磁场边界平行，现拉着金属框以速度向右移动。（1）分别求出当边刚进入中央无磁场区和刚进入磁场区时，通过边的电流的大小和方向。（2）把金属框从区域完全拉入区域过程中拉力所做的功。 【思路点拨】正确判断不同位置时各边产生电动
17、势的方向，把握好“外力和与外力相对应的位移”的关系。【答案】（1），方向由到 ，方向由到 （2）【解析】（1）当边刚进入中央无磁场区时，只有边切割磁感线产生感应电动势，感应电流为，方向由到。当边刚进入磁场区时，和两条边都产生感应电动势，这两个感应电动势在回路中的方向是相同的，所以回路中的感应电动势是，感应电流是，方向由到（2）金属框匀速运动，所以把金属框从区域完全拉入区域过程中拉力所做的功等于外力克服安培力所做的功，也等于回路产生的电能。在只有边和边产生感应电动势的时间内回路产生的电能是 和两条边都产生感应电动势的时间内回路产生的电能 所以全过程拉力所做的功【总结升华】当线框的两边分别在方向相
18、反的磁场中时，回路的感应电动势等于和两段导体产生电动势之和。和分别都受到方向相同的安培力。解决此类问题时，将外力和与外力相对应的位移弄清楚是防止出错的关键环节之一。类型四、重力势能向电能转化问题例4（2014 河南十校测试）如图所示，在空中有一水平方向的匀强磁场区域，区域的上、下边缘间距为h，磁感应强度为B。有一宽度为b（b 0一侧存在沿x方向均匀增大的恒定磁场，其方向与导轨平面垂直向下，磁感应强度B随位置x变化如图(乙) 所示。一根质量m=0.2 kg、电阻r=0.1 的金属棒置于导轨上，并与导轨垂直，棒在外力作用下从x=0处以初速度v0=2ms沿导轨向右变速运动，且金属棒在运动过程中电阻R
19、上消耗的功率不变。求：(1) 金属棒在x=0处回路中的电流大小I；(2) 金属棒在x=2 m处的速度大小v；(3) 金属棒从x=0运动到x=2 m过程中，安培力所做的功WA。 【答案】(1)（见解析） (2)顺时针方向 (3)【解析】(1) x0处磁感应强度B0=0.5T 导体棒切割磁感线产生电动势E0=B0Lv0 由闭合电路欧姆定律得回路电流 联立式，解得I =1 A （2）由功率公式P=I2R依题意得，金属棒中电流I不变，金属棒电动势不变：E=E0 x2m处，B1=1.5T 导体棒切割磁感线产生电动势E0=B1Lv1 由式得 v1=0.67m/s (3) 棒所受的安培力F=BxIL Bx=
20、B0+kx 代入数据，得F=0.2+0.2xF-x图象为一条倾斜的直线，图线围成的面积就是金属棒克服安培力所做的功x0时，F=0.2N；x2m时，F=0.6N安培力做功。举一反三【高清课堂：法拉第电磁感应定律例8】【变式】如图所示，固定的水平光滑金属导轨，间距为L，左端接有阻值为的电阻，处在方向竖直、磁感应强度为的匀强磁场中，质量为的导体棒与固定弹簧相连，放在导轨上，导轨与导体棒的电阻均可忽略初始时刻，弹簧恰处于自然长度，导体棒具有水平向右的初速度.在沿导轨往复运动的过程中，导体棒始终与导轨垂直并保持良好接触（1）求初始时刻导体棒受到的安培力（2）若导体棒从初始时刻到速度第一次为零时，弹簧的弹
21、性势能为，则这一过程中安培力所做的功和电阻上产生的焦耳热分别为多少?（3）导体棒往复运动，最终将静止于何处?从导体棒开始运动直到最终静止的过程中，电阻上产生的焦耳热为多少?【答案】（1） 水平向左 （2） （3）【解析】（1）初始时刻棒中感应电动势棒中感应电流作用于棒上的安培力联立得安培力方向：水平向左（2）由功和能的关系，得安培力做功电阻上产生的焦耳热（3）由能量转化及平衡条件等，可判断：棒最终静止于初始位置类型十、感生电场问题 例10如图所示的是一个水平放置的玻璃圆环形小槽，槽内光滑，槽宽度和深度处处相同。现将一直径略小于槽宽的带正电小球放在槽中，让它获得一初速度，与此同时，有一变化的磁场
22、垂直穿过玻璃圆环形小槽外径所对应的圆面积，磁感应强度的大小跟时间成正比例增大，方向竖直向下。设小球在运动过程中电荷量不变，则（ ） A小球受到的向心力大小不变 B小球受到的向心力大小不断增大 C磁场力对小球做了功 D小球受到的磁场力大小与时间成正比 【思路点拨】可运用楞次定律判断感生电场的方向，再考虑带电小球动能是否变化。【答案】B【解析】本题考查了洛伦兹力和楞次定律，解题关键是由楞次定律判断出感生电场的方向。当磁感应强度随时间均匀增大时，将产生一恒定的感生电场，由楞次定律知，电场方向和小球初速度方向相同，因小球带正电，安培力对小球做正功，小球速度逐渐增大，向心力也随着增大，故A错B对；洛伦兹力对运动电荷不做功，故C错；带电小球所受洛伦兹力，随着速率的增大而增大，同时，则和不成正比，故D错。 【总结升华】本题有一定的综合性。判断感生电场的方向可运用楞次定律，感生电场对小球做功，使带电小球动能增大。带电小球既受电场力又受磁场力。
