2022年高中物理《電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況》學(xué)案 新人教版選修3-2

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1、2022年高中物理《電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況》學(xué)案 新人教版選修3-2 自主體驗(yàn) 一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場(chǎng) 1．電磁場(chǎng)理論與感生電場(chǎng)：(1)電磁場(chǎng)理論：變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生電場(chǎng)．由19世紀(jì)60年代的__________提出． (2)感生電場(chǎng)：變化的磁場(chǎng)周圍所產(chǎn)生的電場(chǎng)． 2．感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：(1)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：感生電場(chǎng)中的導(dǎo)體正是在___________的作用下，自由電荷發(fā)生定向移動(dòng)，形成_____或___________. (2)非靜電力就是_________對(duì)自由電荷的作用． 二、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的洛倫茲力 1.動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)：導(dǎo)

2、體在磁場(chǎng)中___________運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)． 2.產(chǎn)生原因：由于導(dǎo)體中的自由電子受到_________作用引起的，使自由電荷做定向移動(dòng)的非靜電力是_________． 3.切割導(dǎo)體的特點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體是_____，所在的電路是___電路． 知識(shí)探究 一、感生電動(dòng)勢(shì) 1．產(chǎn)生機(jī)理：如圖所示，當(dāng)磁場(chǎng)變化時(shí)，產(chǎn)生的感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線是與磁場(chǎng)方向垂直的曲線．如果空間存在閉合導(dǎo)體，導(dǎo)體中的自由電荷就會(huì)在電場(chǎng)力的作用下定向移動(dòng)，而產(chǎn)生感應(yīng)電流，或者說導(dǎo)體中產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)． 2．特點(diǎn)：(1)感生電場(chǎng)是一種渦旋電場(chǎng)，電場(chǎng)線是閉合的. (2)感生電場(chǎng)的產(chǎn)生跟空間中是否存在閉合電路無關(guān)

3、. 3．方向判定：感生電場(chǎng)的方向根據(jù)閉合電路(或假想的閉合電路)中感應(yīng)電流的方向確定，即利用楞次定律判斷. 二、動(dòng)生電動(dòng)勢(shì) 1．產(chǎn)生機(jī)理：一段導(dǎo)體在做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)自由電荷隨導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，則必受洛倫茲力，自由電荷在洛倫茲力作用下產(chǎn)生定向移動(dòng)，這樣自由電荷在導(dǎo)體兩端聚集，從而使導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這就是動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)若電路閉合，則電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流． 說明：(1)當(dāng)電路不閉合時(shí)，切割磁感線的導(dǎo)體兩端積聚電荷，則在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生附加電場(chǎng)，電荷在受洛倫茲力的同時(shí)也受電場(chǎng)力作用． (2)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生與電路是否閉合無關(guān)． 2．方向判定：動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的方向用右手定則來判定，即“四指”

4、指電動(dòng)勢(shì)的方向． 3．對(duì)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)中電荷所受洛倫茲力的理解：(1)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體中的自由電子， 不僅隨導(dǎo)體以速度v運(yùn)動(dòng)，而且還沿導(dǎo)體以速度u做定向移動(dòng)，如圖所示．因此， 導(dǎo)體中的電子的合速度v合等于v和u的矢量和，所以電子受到的洛倫茲力為 F合＝ev合B，F(xiàn)合與合速度v合 垂直． (2)從做功角度分析，由于F合與v合垂直，它對(duì)電子不做功，更具體地說， F合的一個(gè)分量是F1＝evB，這個(gè)分力做功，產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)．F合的另一個(gè)分 量是F2＝euB，阻礙導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)做負(fù)功．可以證明兩個(gè)分力F1和F2所做的功的 代數(shù)和為零．結(jié)果仍然是洛倫茲力并不提供能量，而只是起傳遞能量的作用，即 外力克服洛

5、倫茲力的一個(gè)分力F2所做的功通過另一個(gè)分力F1轉(zhuǎn)化為能量． .4-5-1. 典例剖析 題型一：感應(yīng)電場(chǎng)方向的判斷 【例1】如圖1所示，內(nèi)壁光滑、水平放置的玻璃圓環(huán)內(nèi)，有一直徑略小于圓環(huán)直徑的帶正電的小球，以速率v0沿逆時(shí)針方向勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，若在此空間突然加上方向豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間成正比例增加的變化磁場(chǎng)．設(shè)運(yùn)動(dòng) 總結(jié)反思 過程中小球帶電荷量不變，那么(　　) A．小球?qū)ΣＡA環(huán)的壓力一定不斷增大 B．小球所受的磁場(chǎng)力一定不斷增大 圖1 C．小球先沿逆時(shí)針方向減速運(yùn)動(dòng)，之后沿順時(shí)針方向加速運(yùn)動(dòng) D

6、．磁場(chǎng)力對(duì)小球一直不做功 題型二：感生電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算 【例2】如圖2所示，L1＝0.5 m，L2＝0.8 m，回路總電阻為R＝0.2 Ω，M＝0.04 kg，導(dǎo)軌光滑，開始時(shí)磁場(chǎng)B0＝1 T．現(xiàn)使磁感應(yīng)強(qiáng)度以ΔB/Δt=0.2 T/s的變化率均勻地增大，試求：當(dāng)t為多少時(shí)，M剛離開地面？(g取10 m/s2) 圖2 A變式訓(xùn)練1：如圖3所示的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有兩根相距20 cm固定的平行金屬光滑導(dǎo)軌MN和PQ.磁場(chǎng)方向垂直于MN、P

7、Q所在平面．導(dǎo)軌上放置著ab、cd兩根平行的可動(dòng)金屬細(xì)棒．在兩棒中點(diǎn)OO′之間拴一根40 cm長(zhǎng)的細(xì)繩，繩長(zhǎng)保持不變．設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度B以1.0 T/s的變化率均勻減小，abdc回路的電阻為0.50 Ω.求：當(dāng)B減小到10 T時(shí)，兩可動(dòng)邊所受磁場(chǎng)力和abdc回路消耗的功率． 圖3 題型三：動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算 【例3】如圖所示，三角形金屬框架MON平面與勻強(qiáng)磁場(chǎng)B垂直， 導(dǎo)體ab能緊貼金屬框架運(yùn)動(dòng)，且始終與導(dǎo)軌ON垂直．當(dāng)導(dǎo)體ab從O點(diǎn)開始勻速

8、向右平動(dòng)時(shí)，速度為v0，試求bOc回路中某時(shí)刻的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系式． 變式訓(xùn)練2：　如圖所示，金屬桿ab以恒定的速率v在光滑平行導(dǎo)軌上向右滑行，設(shè)整個(gè)電路中總電阻為R(恒定不變)，整個(gè)裝置置于垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，下列敘述正確的是(　　) A．a(chǎn)b桿中的電流與速率v成正比 B．磁場(chǎng)作用于ab桿的安培力與速率v成正比 C．電阻R上產(chǎn)生的電熱功率與速率v的平方成正比 D．外力對(duì)ab桿做功的功率與速率v的平方成正比 題型四：電磁感應(yīng)的圖象問題 A【例4】如圖右甲所示，矩形導(dǎo)線框abcd固定在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁 感線的方向與導(dǎo)線框所在平面垂直．規(guī)定磁場(chǎng)的正方向

9、垂直紙面向里， 磁應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間變化的規(guī)律如圖乙所示，若規(guī)定順時(shí)針方向?yàn)楦袘?yīng) 電流i的正方向，下列i－t圖中正確的是(　　) .4-5-2. 變式訓(xùn)練3：如圖所示，等腰三角形內(nèi)分布有垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，它的底邊在x軸上且長(zhǎng)為2L，高為L(zhǎng)，紙面內(nèi)一邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形導(dǎo)線框沿x軸正方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)穿過勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，在t＝0時(shí)刻恰好位于圖4－5－12所示的位置，以順時(shí)針方向?yàn)閷?dǎo)線框中電流的正方向，在圖4－5－13中，能夠正確表示導(dǎo)線框的電流—位移(I－x)關(guān)系的是(　　) 課堂練習(xí) 1

10、．下列說法中正確的是(　　) A．感生電場(chǎng)是由變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生 B．恒定的磁場(chǎng)也能在周圍空間產(chǎn)生感生電場(chǎng) C．感生電場(chǎng)的方向也同樣可以用楞次定律和右手螺旋定則來判定 D．感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線是閉合曲線，其方向一定是沿逆時(shí)針方向 2．如圖所示，在豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，將一水平放置的金屬棒ab以水平速度v拋出，且棒與磁場(chǎng)垂直，設(shè)棒在落下的過程中方向不變且不計(jì)空氣阻力，則金屬棒在運(yùn)動(dòng)的過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小變化情況是(　　) A．越來越大 B．越來越小 C．保持不變 D．無法判斷 課后練習(xí) 1．某空間出現(xiàn)了如圖1所示的一組閉合電 場(chǎng)線，方向從上向下看是順時(shí)針的，這

11、可能 是(　　) A．沿AB方向磁場(chǎng)在迅速減弱 B．沿AB方向磁場(chǎng)在迅速增強(qiáng) C．沿BA方向磁場(chǎng)在迅速增強(qiáng) D．沿BA方向磁場(chǎng)在迅速減弱 圖1 圖2 2．如圖2所示，一金屬半圓環(huán)置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)磁場(chǎng)突然減弱時(shí)，則兩端點(diǎn)的電勢(shì)(　 ) A．N點(diǎn)電勢(shì)高 B．M點(diǎn)電勢(shì)高 C．若磁場(chǎng)不變，將半圓環(huán)繞MN軸旋轉(zhuǎn)180°的過程中，N點(diǎn)電勢(shì)高 D．若磁場(chǎng)不變，將半圓環(huán)繞MN軸旋轉(zhuǎn)180°的過程中，M點(diǎn)電勢(shì)高 A3．在豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，水平放置一個(gè)不變形的單匝金屬圓

12、線圈，規(guī)定線圈中感應(yīng)電流的正方向如圖3甲所示，當(dāng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t發(fā)生如圖乙所示變化時(shí)，下圖中正確表示線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E變化的是(　　) 圖3 .4-5-3. 總結(jié)反思 4．如圖4所示，導(dǎo)體AB在做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因而在電路中有電流通過，下列說法中正確的是(　　) A．因?qū)w運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為動(dòng)生電動(dòng)勢(shì) B．動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生與洛倫茲力有關(guān) C．動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生與電場(chǎng)力有關(guān) D．動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì)

13、產(chǎn)生的原因是一樣的 A5．光滑曲面與豎直平面的交線是拋物線，如圖5所示，拋物線的方程 圖4 為y＝x2，其下半部處在一個(gè)水平方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的上邊界是y＝a 的直線(圖中的虛線所示)，一個(gè)質(zhì)量為m的小金屬塊從拋物線y＝b(b>a)處 以速度v沿拋物線下滑，假設(shè)拋物線足夠長(zhǎng)，則金屬塊在曲面上滑動(dòng)的過程 中產(chǎn)生的焦耳熱總量是(　　) A．mgb B.mv2 C．mg(b－a) D．mg(b－a)＋mv2

14、 圖5 6．如圖6所示，將勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的線圈(正方形，邊長(zhǎng)為L(zhǎng))以不同的速 度v1和v2勻速拉出磁場(chǎng)，線圈電阻為R，那么兩次拉出過程中，外力做功 之比W1∶W2＝________.外力做功功率之比P1∶P2＝________. 7．如圖所示，長(zhǎng)為L(zhǎng)＝0.2 m、電阻為r＝0.3 Ω、質(zhì)量為m＝0.1 kg的金屬棒CD垂直放在位于水平面上的兩條平行光滑金屬導(dǎo)軌上，兩導(dǎo)軌間距也為L(zhǎng)，棒與導(dǎo)軌接觸良好，導(dǎo)軌電阻不計(jì)，導(dǎo)軌左端接有R＝0.5 Ω的電阻，量程為0～3.0 A的電流表串聯(lián)在一條導(dǎo)軌上，量程為0～1.0 V的電壓表接在電阻R的兩端，垂直導(dǎo)軌平面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)向下穿過平面．現(xiàn)以向右恒定的外力F使金屬棒右移，當(dāng)金屬棒以v＝2 m/s的速度在導(dǎo)軌平面上勻速滑動(dòng)時(shí)，觀察到電路中的一個(gè)電表正好滿偏，而另一電表未滿偏．問： (1)此時(shí)滿偏的電表是什么表？說明理由． (2)拉動(dòng)金屬棒的外力F有多大？ (3)導(dǎo)軌處的磁感應(yīng)強(qiáng)度多大？