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在線播放:高中物理人教版選修3-2第四章第四節(jié)法拉第電磁感應(yīng)定律-江西省優(yōu)課

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高中物理人教版選修3-2第四章第四節(jié)法拉第電磁感應(yīng)定律-江西省優(yōu)課

視頻標(biāo)簽:法拉第,電磁感應(yīng)定律

所屬欄目:高中物理優(yōu)質(zhì)課視頻

視頻課題:高中物理人教版選修3-2第四章第四節(jié)法拉第電磁感應(yīng)定律-江西省優(yōu)課

教學(xué)設(shè)計、課堂實錄及教案:高中物理人教版選修3-2第四章第四節(jié)法拉第電磁感應(yīng)定律-江西省優(yōu)課

 
 

1 第1課時   電磁感應(yīng)現(xiàn)象  楞次定律 
基本知識回顧 
一、磁通量 
1.定義:磁感應(yīng)強(qiáng)度與面積的乘積,叫做穿過這個面的磁通量. 
2.定義式:Φ=BS. 
說明:該式只適用于勻強(qiáng)磁場的情況,且式中的
S是跟磁場方向垂直的面積;若不垂直,則需取平面在垂直于磁場方向上的投影面積,即Φ=BS⊥=BSsinθ,θ是S與磁場方向的夾角. 
3.磁通量Φ是標(biāo)量,但有正負(fù).Φ的正負(fù)意義是:從正、反兩面哪個面穿入,若從一面穿入為正,則從另一面穿入為負(fù). 
4.單位:韋伯,符號:Wb. 
5.磁通量的意義:指穿過某個面的磁感線的條數(shù). 
6.磁通量的變化:ΔΦ=Φ2-Φ1,即末、初磁通量之差. 
(1)磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變,有效面積S變化時,則 ΔΦ=Φ2-Φ1=B·ΔS. 
(2)磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化,磁感線穿過的有效面積
S不變時,則ΔΦ=Φ2-Φ1=ΔB·S. 
(3)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和有效面積S同時變化時,則
ΔΦ=Φ2-Φ1=B2S2-B1S1. 
二、電磁感應(yīng)現(xiàn)象 
1.電磁感應(yīng)現(xiàn)象:當(dāng)穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時,電路中有感應(yīng)電流產(chǎn)生,這種利用磁場產(chǎn)生電流的現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng). 
2.產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件 
表述1:閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場內(nèi)做切割磁感線運(yùn)動. 
表述2:穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化,即ΔΦ≠0,閉合電路中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生. 
3.產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的條件 穿過電路的磁通量發(fā)生變化. 
電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實質(zhì)是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢.如果回路閉合,則有感應(yīng)電流;如果回路不閉合,則只有感應(yīng)電動勢而無感應(yīng)電流. 
說明:產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的那部分導(dǎo)體相當(dāng)于電
源. 
三、感應(yīng)電流方向的判斷 
1.右手定則:伸開右手,讓大拇指跟其余四指垂直,并且都跟手掌在同一平面內(nèi),讓磁感線從手心垂
直進(jìn)入,大拇指指向?qū)w運(yùn)動方向,其余四指所指的方向就是感應(yīng)電流的方向. 
2.楞次定律 
內(nèi)容:感應(yīng)電流具有這樣的方向,就是感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場,總是要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量變化. 
3.判斷感應(yīng)電流方向問題的思路 
運(yùn)用楞次定律判定感應(yīng)電流方向的基本思路可歸結(jié)為:“一原、二感、三電流”,即為 
(1)明確原磁場:弄清原磁場方向及磁通量的變化情況; 
(2)確定感應(yīng)磁場:即跟據(jù)楞次定律中的“阻礙”原則,結(jié)合原磁場磁通量變化情況,確定出感應(yīng)電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場的方向; 
(3)判定感應(yīng)電流方向:即根據(jù)感應(yīng)磁場的方向,
運(yùn)用安培定則判斷出感應(yīng)電流的方向. 
即據(jù)原磁場(Φ原方向及ΔΦ情況)            確定感應(yīng)磁場(B感方向)           判斷感應(yīng)電流 (I感方向). 
說明:1.楞次定律是普遍規(guī)律,適用于一切電磁
感應(yīng)現(xiàn)象,而右手定則只適用于導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動的情況,此種情況用右手定則判定比用楞次定律判定更簡便. 
2.右手定則與左手定則的區(qū)別:抓住因果關(guān)系才能無誤.“因動而電”—— 用右手;“因電而動”——用左手. 
 
重點難點例析 
    一、磁通量及其變化的計算 
由公式Φ=BS計算磁通量及磁通量的變化應(yīng)把握好以下幾點: 
(1) 此公式只適用于勻強(qiáng)磁場 
(2) 式中的S是與磁場垂直的有效面積 (3) 磁通量Φ為雙向標(biāo)量,其正負(fù)表示與規(guī)定的 正方向是相同還是相反 
    (4)磁通量的變化量ΔΦ是指穿過磁場中某一面的末態(tài)磁通量Φ2與初態(tài)磁通量Φ1的差值, 即 ΔΦ=|Φ2-Φ1|. 
【例1】面積為S的矩形線框abcd,處在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中 (磁場區(qū)域足夠大),磁場方 向與線框平面成θ角,如圖 
圖9-1-1
 
                    
             
                    
                             
 2 
2 9-1-1所示,當(dāng)線框以ab為 軸順時針轉(zhuǎn)900過程中,穿 過 abcd 的磁通量變化量 ΔΦ=           . 
【解析】設(shè)開始穿過線圈的磁通量為正,則在線框轉(zhuǎn)過900的過程中,穿過線圈的磁通量是由正向BSsinθ減小到零,再由零增大到負(fù)向BScosθ,所以,磁通量的變化量為: 
ΔΦ=Φ2-Φ1=-BScosθ-BSsinθ=-BS(cosθ+sinθ) 【答案】-BS(cosθ+sinθ) 
   【點撥】磁通量正負(fù)的規(guī)定:任何一個面都有正、
反兩面,若規(guī)定磁感線從正面穿入磁通量為正,則磁感線從反面穿入時磁通量為負(fù).穿過某一面積的磁通量一般指合磁通量. 
●拓展 
在水平面上有一不規(guī)則的 多邊形導(dǎo)線框,面積為S=20cm2, 在豎直方向加以如圖9-1-2所 示的磁場,則下列說法中正確的 是(方向以豎直向上為正)(    ) 
    A.前2s內(nèi)穿過線框的磁通的變化為ΔΦ=0 
B.前1s內(nèi)穿過線框的磁通的變化為ΔΦ=-30Wb C.第二個1s內(nèi)穿過線框的磁通的變化為ΔΦ=-3x10-3Wb 
D.第二個1s內(nèi)穿過線框的磁通的變化為ΔΦ = -1x10-3Wb 
【解析】由題意可知:剛開始計時磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.5T,方向豎直向上,在1s內(nèi)均勻減小到零,第二個1s內(nèi)反向增大到-1.5T,因此前1s或第一個1s及第二個1s內(nèi)磁通量的變化都是-3x10-3Wb.選項C正確. 
【答案】(  C  ) 
【點撥】本題易錯選A,錯因是忽視了磁通量的正負(fù)號. 
    二、感應(yīng)電流方向的判定 
感應(yīng)電流方向的判定方法: 
方法一:右手定則(部分導(dǎo)體切割磁感線) 方法二:楞次定律 【例2】某實驗小組用如 圖9-1-3所示的實驗裝置來驗 證楞次定律.當(dāng)條形磁鐵自上 而下穿過固定的線圈時,通過電 流計的感應(yīng)電流方向是(    ) 
    A.a→○
G→b B.先a→○
G→b,后b→○G→a C.先b→○
G→a D.先b→○
G→a,后a→○G→b 【解析】①確定原磁場的方向:條形磁鐵在穿入線圈的過程中,磁場方向向下 
②明確回路中磁通量變化情況:向下的磁通量增加 
③由楞次定律的“增反減同”可知:線圈中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向向上 
④應(yīng)用右手定則可以判斷感應(yīng)電流的方向為逆
時針方向(俯視),即: b→○
G→a 同理可以判斷:條形磁鐵穿出線圈過程中,向下的磁通量減小,由楞次定律可得線圈中將產(chǎn)生順時針
的感應(yīng)電流(俯視),電流從a→○
G→b. 【答案】( D ) 
【點撥】根據(jù)楞次定律判斷感應(yīng)電流方向,有以上四個基本步驟. 
●拓展 
如圖9-1-4所示,用一根長為L質(zhì)量不計的絕緣細(xì)桿與一個上弧長為0l、下弧長為d0的金屬線框的中點連結(jié)并懸掛于O點,懸點 正下方存在一個上弧長 為20l、下弧長為2d0的 方向垂直紙面向里的勻 強(qiáng)磁場,且 d0<<L.先將 線框拉開到如圖所示位 置,松手后讓線框進(jìn)入磁 場,忽略空氣阻力和摩擦 
力,下列說法正確的是(    )                       
A.金屬線框進(jìn)入磁場時感應(yīng)電流的方向為 a→b→c→d→a 
B.金屬線框離開磁場時感應(yīng)電流的方向為 a→d→c→b→a 
C.金屬線框dc邊進(jìn)入磁場與ab邊離開磁場的速度大小總是相等 
D.金屬線框最終將在磁場內(nèi)做簡諧運(yùn)動 【解析】由右手定則或楞次定律均可判斷,當(dāng)線框進(jìn)入磁場時,感應(yīng)電流方向為:a→d→c→b→a,當(dāng)線框離開磁場時,感應(yīng)電流方向為:a→b→c→d→a.金屬線框在進(jìn)入或離開磁場時,機(jī)械能都要減小,最終將在磁場內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動,由于d0<<L,線框運(yùn)動為簡諧運(yùn)動.選項D正確. 
【答案】( D ) 
 
第二課時   法拉第電磁感應(yīng)定律
基本知識回顧 
一、感應(yīng)電動勢 
    在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢叫感應(yīng)電動勢, 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的那部分導(dǎo)體相當(dāng)于電源,其電阻相當(dāng)于電源內(nèi)電阻.電動勢是標(biāo)量,為了區(qū)別反電動勢,可以約定電動勢的方向就是電源內(nèi)部電流的方向.     二、感應(yīng)電動勢的大小 
1.法拉第電磁感應(yīng)定律 
(1)內(nèi)容:電路中感應(yīng)電動勢的大小,跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比. 
(2)公式:nt
  
(3)公式說明 
①上式適用于回路中磁通量發(fā)生變化的情形,回路不一定閉合. 
②感應(yīng)電動勢E的大小與磁通量的變化率成正比,而不是與磁通量的變化量成正比,更不是與磁通量成正比.要注意
t

與ΔФ和Φ三個量的物理意義
各不相同,且無大小上的必然關(guān)系. 
    ③當(dāng)由磁場變化引起時, 
t

常用tBS
來計算;當(dāng)由回路面積變化引起時,
t

常用t
S
B
來計算.     ④由t
n
E
算出的是時間t內(nèi)的平均感應(yīng)電動勢,一般并不等于初態(tài)與末態(tài)電動勢的算術(shù)平均值. 
圖9-1-16
 
                
         
                
                         
 

6 2.導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢 (1)公式:E=BLvsinθ (2)對公式的理解 
①公式只適用于一部分導(dǎo)體在勻強(qiáng)磁場中做切割磁感線運(yùn)動時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的計算,其中L是導(dǎo)體切割磁感線的有效長度,θ是矢量B和v方向間的夾角,且L與磁感線保持垂直(實際應(yīng)用中一般只涉及此種情況). 
②若θ=900
,即B⊥v時,公式可簡化為E=BLv,此時,感應(yīng)電動勢最大;若θ=00
,即B∥V時,導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動不切割磁感線,E=0. 
③若導(dǎo)體是曲折的,則L應(yīng)是導(dǎo)體的有效切割長度,即是導(dǎo)體兩端點在B、v所決定平面的垂線上的投影長度. 
    ④公式E=BLv中,若v為一段時間內(nèi)的平均速度,則E亦為這段時間內(nèi)感應(yīng)電動勢的平均值;若v為瞬時速度,則E亦為該時刻感應(yīng)電動勢的瞬時值. 
⑤直導(dǎo)線繞其一端在垂直勻強(qiáng)磁場的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢運(yùn)用公式E=BLv計算時,式中v是導(dǎo)線上各點切割速度的平均值,2
0Lv ,所
以12
2
L
 
3.反電動勢 
反電動勢對電路中的電流起削弱作用. 
 
重點難點例析 
     
一、Ф、ΔФ、ΔФ/Δt三者的比較 
 
磁通量 
Φ 
磁通量變化 
ΔΦ 
磁通量變化率ΔФ/Δt 物 理 意 義 某時刻穿過磁場中某個面的磁感線條數(shù) 穿過某個面的磁通量隨時間的變化量 
 
穿過某個面的磁通量隨時間變化的快慢 
 
 
大 小 計
算 Φ=B.S,S為與B
垂直的面積,不垂直時,取S在與B垂直方向上
的投影 
ΔΦ=Φ1-Φ2 
ΔΦ=B·ΔS ΔΦ=S·ΔB t
S
Bt. 
t
St
 
    
注 意    
當(dāng)穿過某個面有方向相反的磁場時,則不能直接用Φ=B·S.
應(yīng)考慮相反方向的磁通量抵消以后所剩余的磁通量 
開始和轉(zhuǎn)過1800時平面都與磁場垂直,穿過平面的磁通量是不同的,一正一負(fù),ΔΦ=2B·S而不是零 
既不表示磁通量的大小也不表示變化的多少.在Φ-t圖像中,用圖線切線的斜率表示 
附 注 線圈平面與磁感線平行時,Φ=0,ΔФ/Δt最大,線圈平面與磁感線垂直時,Φ最大,ΔФ/Δt為零 
 
【例1】一個200匝、面積為20cm2的線圈,放在磁場中, 磁場的方向與線圈平面成300角, 若磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.05s內(nèi)由0.1T增加到0.5T,則0.05s始末通過線圈的磁通量分別為      Wb和      Wb;在此過程中穿過線圈的磁通量的變化量為      Wb;磁通量的平均變化率為      Wb/s;線圈中的感應(yīng)電動勢的大小為      V. 
   【解析】始、末的磁通量分別為:     Φ1=B1Ssinθ=0.1×20×10-4×1/2 Wb=10-4Wb 
Φ2=B2Ssinθ=0.5×20X10-4×1/2 Wb=5×10-4Wb 磁通量變化量ΔΦ=Φ2-Φ1=4×10-4 Wb 
磁通量變化率05
.01044
xt Wb/s=8×10-3Wb/s 感應(yīng)電動勢大小nt
=200×8×10-3V=1.6V 
【答案】見解析 
【點撥】Φ、ΔΦ、ΔΦ/Δt均與線圈匝數(shù)無關(guān),彼此之間也無直接聯(lián)系;感應(yīng)電動勢Ε的大小取決于ΔΦ/Δt和線圈匝數(shù)n,與Φ和ΔΦ無必然聯(lián)系. 
● 拓展 
如圖9-2-1所示,圓形線圈 中串聯(lián)了一個平行板電容器,圈 內(nèi)有磁場,磁通量Φ隨時間按正 弦規(guī)律變化.以垂直紙面向里的 磁場為正,從t=0開始,在平行 板電容器中點釋放一個電子,若 電子運(yùn)動中不會碰到板,關(guān)于電 子在一個周期內(nèi)的加速度的判 斷正確的是           (   ) 
A.第二個T/4內(nèi),加速度方向向上,大小越來越小 
B.第二個T/4內(nèi),加速度方向向上,大小越來越大 
C.第三個T/4內(nèi),加速度方向向下,大小越來越大                                     
D.第三個T/4內(nèi),加速度方向向下,大小越來越小 
   【解析】第二個1/4周期內(nèi),磁感應(yīng)強(qiáng)度向里減小
(磁通量減小),若有感應(yīng)電流,其磁場方向應(yīng)向里,感應(yīng)電流方向為順時針方向,則電容器下板帶正電,電子的加速度方向向下,由于B的變化越來越快,感應(yīng)電動勢越來越大,板間的電場強(qiáng)度越來越大,電子的加速度也越來越大,故A、B均錯.第三個1/4周期內(nèi),磁 通量向外增加,感應(yīng)電流的磁場仍向里,電子的 加速度方向向下,由于Φ變化越來越慢,則電動勢越來越小,加速度也越來越小,故C錯、D對. 
   【答案】( D ) 
   二、公式n
t
和sinLv的比較 
    1.E= nt
求的是回路中Δt時間內(nèi)的平均電動勢. 
2.E=BLvsinθ既能求導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動的平均電動勢,也能求瞬時電動勢.v為平均速度,E為平均電動勢;v為瞬時速度,E為瞬時電動勢.其中L為有效長度. 
(1)E=BLv的適用條件:導(dǎo)體棒平動垂直切割磁感線,當(dāng)速度v與磁感線不垂直時,要求出垂直于磁感線的速度分量. 
(2)12
2
L
的適用條件:導(dǎo)體棒繞一個端點
垂直于磁感線勻速轉(zhuǎn)動切割磁感線. 
(3)E=nBSωsinωt的適用條件:線框繞垂直于勻強(qiáng)磁場方向的一條軸從中性面開始轉(zhuǎn)動,與軸的位置無關(guān).若從與中性面垂直的位置開始計時,則公式變?yōu)镋=nBSωcosωt 
3.公式n
t
和E=BLvsinθ是統(tǒng)一的,前者當(dāng)
Δt→0時,E為瞬時值,后者v若代入平均速度v,則求出的是平均值.一般說來,前者求平均感應(yīng)電動勢更方便,后者求瞬時電動勢更方便. 
【例2】如圖9-2-2所 示,導(dǎo)線全部為裸導(dǎo)線,半徑 為r的圓環(huán)內(nèi)有垂直于平面 的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B, 一根長度大于2r的導(dǎo)線MN 
以速度v在圓環(huán)上無摩擦地 自左端勻速滑到右端.電路 
的固定電阻為R,其余電阻不計.試求MN從圓環(huán)的左端滑到右端的過程中,電阻R上的電流的平均值及通過的電荷量. 
【解析】本題粗看起來是MN在切割磁感線,屬于“切割”類型,要用E=BLv求解,但切割桿MN的有效切割長度在不斷變化,用公式E=BLv難以求得平均感應(yīng)電動勢.事實上,回路中的磁通量在不斷變化,所以本題中平均感應(yīng)電動勢應(yīng)由E=ΔФ/Δt來求. 
由于ΔΦ=B·ΔS=Br2,Δt=2r/v,根據(jù)法拉第電磁 感應(yīng)定律有: 
2
Brvt
 
    所以  R
BrvR2  
通過的電荷量                          【答案】RBrvR2 , R
rRtq2
 【點撥】感應(yīng)電荷量q的求法: 
,,n
qttR

.綜合得qn
R
 
    可見,若閉合電路中產(chǎn)生了感應(yīng)電流,則在時間Δt內(nèi)通過導(dǎo)線某截面的電量q僅由線圈的匝數(shù)n,磁通量的變化量ΔΦ和閉合電路的電阻R決定,與磁通量發(fā)生變化的時間無關(guān).因此要快速求得通過導(dǎo)線某截面的電量q,關(guān)鍵是正確求得磁通量的變化量ΔΦ. 
● 拓展 
如圖9-2-3所示,矩形 線圈abcd由n=50匝組成, ab邊長L1=0.4m,bc邊長 
L2 =0.2m,整個線圈的電阻 R=2Ω,在B=0.1T的勻強(qiáng)磁 
場中,以短邊中點的連線為 軸轉(zhuǎn)動,ω=50rad/s,求: 
(1)線圈從圖示位置轉(zhuǎn)動900
過程中的平均電動勢; 
(2)線圈轉(zhuǎn)過900
時的瞬時電動勢. 
【解析】(1)Δt=T/4=2/4ω=/2ω, ΔΦ=BS 
t

.由以上各式代入數(shù)據(jù)得: 
                                  (2)ωt=900 
圖9-2-2
R
rRtq2
圖9-2-3
12.7V
                
         
                
                         
 8 
8   Ε=nBSωsinωt=50×0.1×0.4×0.2×50×1V=20V 
    【答案】(1)12.7V   (2)20V 
    三、直導(dǎo)體在勻強(qiáng)磁場中轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢 
直導(dǎo)體繞其一點在垂直勻強(qiáng)磁場的平面內(nèi)以角速度ω轉(zhuǎn)動,切割磁感線,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小為: 
(1)以中點為軸時  Ε=0 (2)以端點為軸時 12
2
L(平均速度取中點
位置線速度v=ωL/2) 
(3)以任意點為軸時122
()122
LL(與兩段的代數(shù)和不同) 
 
☆易錯門診 
     
【例3】如圖9-2-4所示,長為6m的導(dǎo)體AB在磁感強(qiáng)度B=0.1T的勻強(qiáng)磁場中,以AB上的一點O為軸,沿著順時針方向旋轉(zhuǎn)。角速度ω=5rad/s,O點距A端為2m,求AB的電勢差. 
【錯解】根據(jù)法拉第電 磁感應(yīng)定律 
Ε=BLv v=ωL ∴Ε=BL2ω 
    斷路時導(dǎo)體兩端電壓等 于電動勢,得 
       )(82VU        )(22VU 
     
)(6VUUUUUUUUU   【錯因】 法拉第電磁感應(yīng)定律的導(dǎo)出公式Ε=BLv是有條件的.它適用于導(dǎo)體平動且速度方向垂直于磁感線方向的特殊情況.不符合本題的轉(zhuǎn)動情況,本題用錯了公式.另外判斷感應(yīng)電動勢方向上也出現(xiàn)了問題. 
【正解】由于法拉第電磁感應(yīng)定律Ε=BLv適用于導(dǎo)體平動且速度方向垂直于磁感線方向的特殊情況。將轉(zhuǎn)動問題轉(zhuǎn)化為平動作等效處理,因為v =ωL,可以用導(dǎo)體中點的速度的平動產(chǎn)生的電動勢等效于
OB轉(zhuǎn)動切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢. 
2
2
vvv中 
        )(42
Vv中 
        )(4VUUU         2
2vvv中         )(12
Vv中 
        )(1VUUU 
  
)
(3)(41)()(VVUUUUUUUUU 
【答案】-3V 
【點撥】本題中的等效是指產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相同.其基礎(chǔ)是線速度與角速度和半徑成正比.本題也可以用公式122
()122
LL
直接求解,并 令L1= 2 
m,L2=4m,所得結(jié)果相同,顯然,解答過程要簡便得多.另外,AO、BO兩段導(dǎo)體上產(chǎn)生的電動勢方向是相反的,互為反電動勢,求解時先要心中有數(shù). 
課堂自主訓(xùn)練 
    1.關(guān)于電路中感應(yīng)電動勢的大小,下列說法正確的是(    ) 
A.穿過電路的磁通量越大,感應(yīng)電動勢就越大 B.電路中磁通量的改變量越大,感應(yīng)電動勢就越大 
C.電路中磁通量改變越快,感應(yīng)電動勢就越大 
D.若電路中某時刻磁通量為零,則該時刻感應(yīng)電流一定為零 
【答案】(  C  )

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