师:同学们好!
生:老师好!
师:上节课我们研究了,当一个线圈不动的时候,它里面的磁通量发生变化,是不会产生感应电动势的。那么今天,我们让这个磁场不动,拿一个线圈在里面运动,来看看会出现什么样的现象。现在,我们将线圈与电流表连接成闭合回路。(注意到学生有些骚动)哎,同学们在笑什么呢?来,请大家仔细观察线圈在磁场中的运动。
生:(观察后,惊讶地)哇!有电流!
师:如果改变线圈的运动方向呢?
生:电流的方向也改变了!
师:是不是只要线圈在磁场中运动,就一定能产生电流呢?让我们把磁感线标出来。仔细看,如果我们把线圈的导线想象成一把刀,只有当它能“切断”磁感线的时候,才会产生电流。哎,我们发现了什么?
生:如果磁场是这样的,我们像这样运动,有没有感应电流?
师:对,像这样呢?
生:没有!没有电流!
师:那没有感应电流。根据我们这个电路来看,电路是接通的,这说明是有电流还是没有电流呢?那么像这样运动的时候呢?
生:有!有电流!
师:那你会计算在这种情况下,线圈产生的感应电动势有多大吗?让我们一起进入新的课时——法拉第电磁感应定律的第二课时。
师:通过本节课,我们要推理得出 E = BLV sinθ 这个公式是怎么来的,并且用它去推导导体在转动或者其他情况下产生的各种电动势。今天我们就专门研究线圈动、磁场不动的情况。我们先来研究一个最简单的情况:在匀强磁场中,有一单匝线圈正在以速度 v 匀速运动。请大家推导一下,这种情况下产生的感应电动势 E 是多少?
师:首先我们要想,计算感应电动势要用到什么公式?一起来复习一下,法拉第告诉我们,E 等于什么?
生:E 等于 n 倍的 ΔΦ / Δt。
师:那现在你就要思考了,我怎么样去把这个变化量表示出来?给大家一分钟的时间……(环顾教室)我们的尺子去哪里了呀?那个棒呢?那位打哈欠的同学,小声一点哦。
师:请问大家,要分析这个问题,是不是主要要看它的 ΔΦ 是怎么变化的?它是由什么变化引起的呢?
生:面积!是由面积变化引起的。
师:很好。那我们要用到什么公式?E = nB ΔS / Δt。那么 ΔS 是哪一块面积呢?在这个磁场里,我们把它标出来。经过一段时间 Δt,线圈走过的面积是不是就是这两块?嗯,我们把它写成……
师:哦,怎么来表示这个矩形?不好算吗?
生:好算!好算!
师:等于什么?
生:长乘以宽,长乘以宽……
师:长是多少?
生:是 v 乘以 Δt,再乘以 L。
师:然后呢?
生:再除以 Δt!
师:哦,那你现在看一看,如果匝数 n 取 1,那么 E 等于什么?
生:E 等于 BLV!
师:好像这个式子看起来非常简洁,我们推导出了一个非常了不起的东西:E = BLV。
师:那我们分析一下,这个时候的感应电动势是由于什么产生的?磁场有没有变?
生:没有变,只是因为导体在里面运动。
师:我们把这种感应电动势取个名字,叫做“动生电动势”。它是因为导体运动而产生的感应电动势。怎么算呢?就是 E = BLV。那你觉得这个速度 v 应该有什么特别的意义吗?如果这个地方磁场也在动,这个棒也在动,还有呢?
生:哦,这个速度应该是它们的相对速度!
师:很好!那以后只要我知道是由于导体运动产生的,我都可以用这个方法去算。只是我要分析清楚,它到底在什么时候可以用,以及 B、L、V 分别代表了什么。
师:那大家继续思考一下,这样运动的话,导体棒两端是不是就有了电势差?哪一端的电势高一点呢?上面是 N,下面是 M,哪点电势高?
生:N 点电势高!
师:为什么?说你们的理由。感应电流从什么方向流?
生:感应电流从 M 流向 N。
师:哎,你们不是说电流是从高电势流向低电势吗?那现在哪里才是高电势?注意,现在你分析的这根棒,在回路里充当什么样的角色?
生:电源的角色。
师:对,是电源。那么在电源内部,电流是从负极流向正极的。所以我们的结论是——
生:φN 大于 φM。
师:哦,那现在我会判断大小,也会判断高低了。那以后都这样算吗?请问你觉得这个公式有没有什么使用条件?
生:有,要匀速。
师:匀速,还有吗?
生:要垂直。
师:怎么说“垂直”?在这个题目里,你看 B 跟 L 的放置是不是垂直的?L 跟 v 是不是也是垂直的?也就是 B、L、v 它们要两两垂直。
师:那我们看到,一般线圈都有 n 匝,如果有 n 匝这样绕起来的呢?
生:前面再加个 n。
师:对,以前高考就考过,有 n 匝线圈要记得乘 n。现在我们搞清楚了使用条件。那既然说需要它们两两垂直,我们就会想,假如它们不垂直呢?会是什么情况?
师:我们来分析。根据我们刚刚看到的,最简单的情况是直杆向下运动。假如我们的运动速度变了,现在这个导体棒(老师用圈圈表示,垂直纸面向里),它在向下运动。根据我们刚刚看到的,此时 B 跟 v 怎么样?
生:相互平行。
师:那现在感应电动势是多少?
生:0!是 0。
师:在这个思路上,下次如果既不平行也不垂直,是这个样子的,你的思路是什么?
生:分解!
师:把谁进行分解?
生:分解速度!
师:用哪两个方向来分?
生:沿着磁感线的方向和垂直磁感线的方向。
师:可以啊。那我就分解得到了两个速度,我们把它分别记为 v₁ 和 v₂。现在你告诉老师,真正起到作用的是哪个 v?
生:v₁(垂直磁感线的那个)。
师:如果我们记 B 与 v 的夹角为 θ 角,你就可以写出 E 等于什么?
生:E = BLv sinθ。
师:以后我就要去判断了,因为用的时候我就要知道它们是不是满足这个关系。我们把这种情况搞清楚了。
师:那下一次如果变成这个样子:一根杆斜着放,两个导轨之间的距离还是 L,但放进去的杆肯定要长一点了,变成了 L₁。请大家推导一下,导体棒上产生的感应电动势变了吗?请你们告诉老师,变了没有?
生:没变!没有变!
师:为什么?
生:看面积!还是根据刚刚的分析,看它在一段时间走过的距离。
师:那我们再画一根斜的,画出 ΔS。这个是什么形状?
生:平行四边形。
师:那 ΔS 这一段,底是 vΔt,高是什么?
生:高还是 L(两导轨间的垂直距离)!
师:哦,那我们可以得到它的 E 还是等于 nBΔS/Δt,最后又得到 E 还是等于多少?
生:E = BLv。
师:好用吧!所以我们这个地方的 L,是不是一定这个棒有多长就带多长?它应该是一个什么长度?
生:真正在磁场里面有效的那部分长度。
师:那如果下次是这个样子的呢?还要吗?
生:对,一样。因为它这样过去,你会发现它的 ΔS 还是一块矩形,变了没有?没有。
