1、1.5 电磁感应中的能量转化与守恒 教案 【教学目标】 1、知识与技能： （1） 、了解感生电动势和动生电 动势的概念及不同。 （2） 、了解感生电动势和动生电动势产生的原因。 （3） 、能用动生电动势和感生电动势的公式进行分析和计算。 2、过程与方法 通过探 究感生电动势和动生电动势产生的原因，培养学生对知识的理解和逻辑推 理能力。 3、情感态度与价值观 从电磁感应现象中我们找到产生感生电动势和动生电动势的个性与共性问题，培养 学生对不同事物进行分析，找出共性与个性的辩证唯物主义思想。 【教学重点】感生电动势和动生电动势。 【教学难点】感生电动势和动生电动势产生的原因。 【教学方法】类比 法
2、、练习法 【教具准备】 多媒体课件 【教学过程】 一、复习提问： 1、法拉第电磁感应定律的内容是什么？数学表达式是什 么？ 答：感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比，即 E= t。 2、导 体在磁场中切割磁感线产生的电动势与什么因素有关，表达式是什么，它成立的 条件又是什么？ 答：导体在磁场中切割磁感线产生的电动势的大小与导体棒的有效长度、磁场强弱、 导体棒的运动速度有关，表达式是 E= BLvsin ，该表达式只能适用于匀强磁场中。 二、引入新课 在电磁感应现象中，由于引起磁通量的变化的原因不同感应电动势产生的机理也不 同，本节课我们就一起来学习感应电动势产生的机理。 三、进行新课 （一）
3、 、感生电动势和动生电动势 由于引起磁通量的变化的原因不同感应电动势产生的机理也不同，一般分为两种： 一种是磁场不变，导体运动引起的磁通量的变化而产生的感应电动势，这种电动势称 作动 生电动势，另外一种是导体不动，由于磁场变化引起磁通量的变化而产生的电 动势称作感 生电动势。 1、感应电场 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，变化的磁场会在周围空间激发一种电场，我们把这种电 场叫做感应电场。 静止的电荷激发的电场叫静电场，静电场的电场线是由正电 荷发出，到负电荷终止，电场线不闭合，而感应电场是一种涡旋 电场，电场线是封闭的，如图所示，如果空间存在闭合导体，导
4、体中的自由电荷就会在电场力的作用下定向移动，而产生感应电 B E 流，或者说导体中产生感应电动势。 感应电场是产生感应电流或感应电动势的原因，感应电场的方向也可以由楞次定律 来判断。感应电流的方向与感应电场的方向相同。 2、感生电动势 （1）产生：磁场变化时会在空间激发电场，闭合导体中的自由电子在电场力的作用 下定向运动，产生感应电流，即产生了感应电动势。 （2）定义：由感生电场产生的感应电动势成为感生电动势。 （3）感生电场方向判断：右手螺旋定则。 例题，在空间出现如图所示的闭合电场，电场线为一簇闭合曲线，这可能是（ ） A沿 AB 方向磁场在迅速减弱 B. 沿 AB 方向磁场在迅速增强 C
5、. 沿 BA 方向磁场在迅速减弱 D. 沿 BA 方向磁场在迅速增强 分析：根据电磁感应，闭合回路中的磁通量变化时，使闭合回路中产生 感应电流，该电流可用楞次定律来判断，根据麦克斯韦电磁理论， 闭合回路中产生感应电流，使因为闭 合回路中受到了电场力的作用， 而变化的磁场产生电场，与是否存在闭合回路没有关系，故空间磁场变化产生的电场 方向，仍可用楞次定律来判断，四指环绕方向即感应电场的方向，由此可知 AC 正确。 正确答案：AC 点评：已知感应电场方向求原磁通量的变化情况的基本思路是： 感应电场的方向 感应磁场的方向 磁通量的变化情况 3、感生电动势的产生 由感应电场使导体产生的电动势叫做感生电
6、动势，感生电动势在电路中的作用就是 充当电源，其电路是内电路，当它和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的空间产生电场，导体内自由电荷在电场力作用下产生 感应电流，或者说产生感应电 动势。其中感应电场就相当于电源内部所谓的非静电力，对 电荷产生作用。例如磁场变化时产生的感应电动势为 E=NS Btcos （二） 、洛伦兹力与动生电动势 导体切割磁感线时会产生感应电动势，该电动势产生的机理是什么呢？导体切割磁 感线产生的感应电动势与哪些因素有关？他是如何将其他形式的能转化为电能的？ 1、动生电动势 （1）产生：导体切 割磁感线运动产生动生电动势 （2）大小：E=BLv（B 的
7、方向与 v 的方向垂直） （3）动生电动势大小的推导： ab 棒处 于匀强磁场中，磁感应强度为 B，垂直纸面向里，棒沿光滑导轨以速度 v 匀 速向右滑动，已知导轨宽度为 L，经过时间 t 由 M 运动导 N，如图所示， 由法拉第电磁感应定律可得： E= vttS 故动生电动势大小为 E=BLv。 B A 右手螺旋定则 右手螺旋定则 楞次定律 楞次定律 M N a b 2、动生电动势原因分 析 导体在磁场中切割磁感线时，产 生动生电动势，它是由于导体中的 自 由电子受到洛伦兹力的作用而引起的。 如图所示，一条直导线 CD 在云强 磁场 B 中以速度 v 向右运动，并且导线 CD 与 B、v 的方
8、向垂直，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 洛 =Bev F 的方向竖直向下，在力 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，结果使导体上端 D 的电势高于下端 C 的电势， 出现由 D 指向 C 的静电场，此电场对电子的静电力 F的方向向上，与洛伦兹力 F 方向相 反，随着导体两端正负电荷的积累，电场不断增强，当作用在自由电子上的静电力与电子 受到的洛伦兹力相平衡时，DC 两端产生一个稳定的电势差如果用另外的导线把 CD 两端连 接起来，由于 D 段的电势比 C 段的电势高，自由电子在 静
9、电力的作用下将在导线框中沿顺 时针流动，形成逆时针方向的电流，如图乙所示，电荷的流动使 CD 两端积累的电荷不断减 少，洛伦兹力又不断使自 由电子从 D端运动到 C 端从而在 CD 两端维持一个稳定的电动势。 可见运动的导体 CD 就是一个电源，D 端是电源的正极，C 端是电源的负极，自由电子 受洛伦兹力的用，从 D 端搬运到 C 端，也可以看做是正电荷受洛伦兹力作用从 C 端搬运到 D 端，这里洛伦兹力就相当于电源中的非静电力，根据电动势的定义，电动势等于单位正 电荷从负极通过电源内部移动到电源的正极非静电力所做的功，作用在单位电荷上的洛伦 兹力为： F=F 洛 /e=Bv 于是动生电动势就
10、是： E=FL=BLv 上式与法拉第电磁感应定律得到的结果一致。 (三)、动生电动势和感生电动势具有相对性 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，如本章开始的实 验中，将条形磁铁插入线圈中，如果在相对于磁铁静止的参考系观察，磁铁不动，空间各 点的磁场也没有发生变化，而线圈在运动，线圈中的电动势是动生的；但是，如果在相对 于线圈静止的参考系内观察，则看到磁铁在运动，引起空间磁场发生变化，因而，线圈中 的电动势是感生的，在这种情况下，究竟把电动势看作动生的还是感生的，决定于观察者 所在的参考系，然而，并不是在任何情况下都能通过转换参考系把一种电动势归结为另一 种电动势，不管是哪一
11、种电动势，法拉第电磁感应定律、楞次定律都成立。 (四)应用电子感应加速器 即使没有导体存在，变化的磁场以在空间激发涡旋状的感应电场，电子感应器就是 应用了这个原理，电子加速器是加速电 子的装置，他的主要部分如图所示，画斜线的部分 为电磁铁两极，在其间隙安放一个环形真空室，电磁铁用频率为每秒数十周的强大交流电 流来励磁，使两极间的磁感应强度 B 往返变化，从而在环形真空室内感应出很强的感应涡 旋电场，用电子枪将电子注入唤醒真空室，他们在涡旋电场的作用下被加速，同时在磁场 里受到洛伦兹力的作用，沿圆规道运动。 如何使电子维持在恒定半径 为 R 的圆规道上加速，这对磁场沿径向分布有一定的要 F F
12、洛 D C D C B 求，设电子轨道出的磁场为 B，电子做圆周运动时所受的向心力为洛伦兹力，因此： eBv=mv2/R mv=ReB 也就是说，只要电子动量随磁感应强度成正比例增加，就可以维持电子在一定的轨 道上运动。 【课堂小结】 本节课我们学习了感生电动势和动生电动势产生的原因，感生电动势是在感应电场 作用下，自由电子定向运动形成的感应电流。动生电动势是自由电子在洛伦兹力的作用些 下定向运动形成感应 电流，感应电场对电荷的作用力和洛伦兹力充当了电源里的非静电力。 【 板书设计】 第五节：电磁感应定律的应用 一、感生电动势 （1）产生：磁场变化时会在空间激发电场，闭合导体中的自由电子在电场力的作用 下定向运动，产生感应电流，即产生了感应电动势。 （2）定义：由感生电场产生的感应电动势成为感生电动势。 （3）感生电场方向判断：右手螺旋定则。 二、动生电动势 （1）产生：导体切割磁感线运动产生动生电动势，由于导体中的自由电子受到洛伦 兹力的作用而引起的 （2）大小：E=BLv（B 的方向与 v 的方向垂直） （3）动生电动势大小的推导 【布置作业】选修 3-2 课本第 20 页“思考与讨论” 课后作业：第 20-21 页 1、2、3、4 题 【课后反思】 让学生知道电磁感应产生的机理，激励学生探求知识的 来源和根源。有利于培养学 生的学习精神。
