劉禮全
摘 要:法拉第電磁感應定律是指閉合線圈的感應電動勢ε與穿過這個線圈的磁通的時間變化率dΦ/dt成正比,即ε=k·■,式中k是比例常數,取決于ε、Φ、t等的單位。由于電磁感應定律和其他知識點的結合性很強,導致題目難度大、綜合性強、靈活性高,令學生難以把握考試的趨勢與技巧,所以在復習中老師應該著重講解該部分知識,把握做題的類型與方法,使學生可以靈活應用該定律解題。就電磁感應定律的幾種題型進行詳細的分析和推廣。
關鍵詞:電磁感應定律;圖像;力學;電路;能量轉化
電磁感應定律這部分內容和楞次定律結合緊密,前者揭示了感應電動勢的大小,后者揭示了感應電動勢的方向問題,兩者的結合是出題的熱點,所以要掌握并會靈活運用。同時電場感應定律對解釋感應電動勢和動生電動勢有關,通過電場感應定律考查這兩個電勢的物理本質及兩類電動勢的相對性問題也是非常重要的。電場感應定律還會和電學知識結合起來出題,以導體棒和導軌為模型,再結合直流電路知識、磁場知識、左手定律等多個知識點考查學生對知識的掌握能力及靈活應用性。電磁感應定律還會與交流發(fā)電機結合在一起,考查學生應用原理解釋現象的能力。下面結合自己的實踐教學經驗說明電磁感應定律的幾個
類型。
一、電磁感應定律中的圖像問題
根據電磁感應定律及導體棒的運動過程,判斷導體上的電流方向及大小,然后將電流的信息表現在圖像上,這是在電磁感應定律中經常遇到的題目,或者根據題目中已經給出的電流的信息及電場感應定律,判斷導體的運動情況?,F在就以一個例題來說明,均勻磁鐵自左方以速度v0沿圓圈的中心軸線向右運動,并且最后通過圓圈一直向右運動。試判斷下面四個選項中哪一個可以正確反映線圈電流i和時間t的關系(沿箭頭方向看去順時針方向為電流正方向),則正確的是()
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分析:在磁鐵自左往右運動的過程中,首先在剛剛進入線圈時,磁鐵的磁場方向向右,且進入線圈的磁通量是增加的,由楞次定律可知電流方向是順時針方向,即電流是正向。當磁鐵由線圈出來向右運動時,通過線圈的磁通量是在減少的,再由楞次定律可知,電流方向是逆時針方向的,即反方向。即使不計算電流的大小,由電流方向也可判斷出選項B是正確的。
總結技巧:在選擇題中判斷選項的正誤時可以采用排除法,
這樣可以減少好大的計算量。另外,在做圖像題目時,只要抓住三個方面就可以解決問題,第一個是要判斷出磁通量的變化情況和方向;第二個是掌握楞次定律的內容,會判斷感應電流的方向;第三個是讀懂圖像坐標的含義并將物理過程轉化成圖像信息,只要做到這三個方面,就可以做出電場感應定律的圖像題。
二、電磁感應定律中的力學問題
力學知識是最為基礎的知識點,但是,力學知識不僅包含的方面廣,出題也更靈活,可以和其他任何知識結合命題,也給學生學習帶來了困難。力學和電磁感應定律的結合可以說更為復雜,首先看這樣一個題目,AB和CD是兩根足夠長的金屬導體,AB和CD之間的距離是L,且與水平面之間的夾角為θ,存在于金屬導體垂直的勻強磁場,磁感應強度為B,在導體上端放有一個電阻,其電阻值為R,垂直于導體的一個金屬棒從靜止開始,由導體頂端下滑,求在這個過程中的最大速度。
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分析:對金屬棒ab受力分析,受重力G、支持力F、摩擦力f、安培力F安,如下圖所示,由力學分析可以知道,棒ab是先加速,后做加速度減小的加速運動,當安培力F安和摩擦力f與重力向下的分力相等時,加速度a為零,此時速度達到最大,此后棒將做勻速直線運動。這是因為在下滑的過程中,金屬棒切割磁感線,產生了動生電動勢,由電磁感應定律可知,E=BLv,則隨著速度的變大,電動勢也會隨之變大,所以產生的安培力也會逐漸變大,到最后達到與重力分力和摩擦力平衡的效果,此時加速度a為零,使速度達到最大。所以,最后可以通過受力平衡把安培力求出,依次把最大速度的大小求出來。具體計算過程,不再贅述。
總結技巧:電磁感應定理與力學結合的題目,首先要確定分析對象的受力情況,再做受力分析,根據各量之間的關系分析對象可能運動情況,再做相應的計算。一般的物理過程為金屬棒切割磁感線,產生電動勢,從而產生電流,使金屬棒受到安培力F安,該力為阻力,使加速度減小,直至加速度為零,速度達到最大,狀態(tài)達到穩(wěn)定,速度達到最大。所以最重要的步驟就是要把握住受力分析及金屬棒運動的過程中各個量的動態(tài)變化,直至狀態(tài)穩(wěn)定為止。
三、電磁感應定律中的電路問題
電磁感應定律給出,磁通量變化可以產生電動勢,也就是相當于一個電源,如果構成閉合回路,則可有電流通過,從而構成一個電路。解決這部分問題的技巧就是,首先要明確感應電動勢的大小和方向,這兩者可以由法拉第電磁感應定律和楞次定律來求得;其次要畫出簡易的等效電路圖;最后利用電路知識求解要求的未知量。例如,如圖所示,磁感強度B=3.4T的勻強磁場中有一折成30°角的金屬導軌aob,導軌平面垂直磁場方向。一條直線MN垂直ob方向放置在軌道上并與軌道接觸良好。當MN以v=4m/s從導軌O點開始向右平動時,若所有導線單位長度的電阻r=
0.1Ω/m。求:閉合回路中的電流大小和方向。
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分析:在這個題目中,必須通過電磁感應定律和楞次定律來獲得電動勢的大小和方向以及電流的流向,再由歐姆定律來解決電流的大小問題,即I=■,在這個題目中需要注意的是有效電阻是一直在變化的,所以要計算出電阻的變化與時間的變化關系。
總結:這個題目是導體切割磁感線產生電動勢的問題,該題目屬于平動切割,相對來說比較簡單。若是轉動切割,則要注意金屬棒有沒有與磁感線方向平行,這時金屬棒是沒有切割磁感線的,但是解題中學生會因沒有看清題目而直接利用公式出錯。
四、電磁感應中的能量轉化問題
在電磁學問題中,其他形式的能量會轉化為電能,然后轉化為熱能,因為不論是磁通量變化還是導體切割磁感線,在存在閉合回路的情況下,就會有電流的出現,所以都會有其他形式的能量轉化為電能,若有電阻存在,就會有電能轉化為熱能,被釋放出來。在解題中,只考慮理想情況下,沒有其他能量的散失,分析思路就是先通過受力分析及做功的形式判斷力做正功還是負功,然后確定有哪些能量參與了轉化,是增加還是減少了,最后由能量守恒和動量守恒來解出需要求解的未知量??傊诮鉀Q這些題目時,要注意不要太關注能量轉化的具體細節(jié),只要關注轉化的最終結果就可以了,直接利用能量轉化與守恒關系和動量關系來求解,這樣可以化復雜為簡單,達到計算簡易的效果。
總之,電場感應定律這部分內容確實比較繁瑣,題目難度大、綜合性強、靈活性高,希望通過上述幾個方面的分析可以幫助學生理解。本文僅僅舉了幾個例子,學生可以通過課下多練習、多思考,提高靈活應用電磁感應定律的能力和處理綜合性強的題目的能力,進而提高成績和培養(yǎng)自己的邏輯思維能力。
參考文獻:
王興茂,陳孝海.電磁感應圖象問題[J].數理化學習:高中版,2009(6).
(作者單位 重慶市華鎣中學校)
編輯 楊兆東