高中物理 第四章 電磁感應(yīng) 5 電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類(lèi)情況課件 新人教版選修3-2.ppt

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自主學(xué)習(xí) 基礎(chǔ)知識(shí) 5電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類(lèi)情況 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1 知道感生電動(dòng)勢(shì) 動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的概念 知道產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的非靜電力是感生電場(chǎng)的作用 產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的非靜電力與洛倫茲力有關(guān) 2 會(huì)用楞次定律判斷感生電場(chǎng)的方向 用左手定則判斷洛倫茲力的方向 重點(diǎn) 3 知道電磁感應(yīng)現(xiàn)象遵守能量守恒定律 4 電磁感應(yīng)與力學(xué) 電路等知識(shí)的綜合問(wèn)題 難點(diǎn) 合作探究 重難疑點(diǎn) 解題技巧 素養(yǎng)培優(yōu) 1 感生電場(chǎng) 磁場(chǎng) 時(shí)在空間激發(fā)的一種電場(chǎng) 它是由英國(guó)物理學(xué)家 提出的 2 感生電動(dòng)勢(shì) 由 產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 它的方向與感生電場(chǎng)的方向 與感應(yīng)電流的方向 3 感生電動(dòng)勢(shì)中的非靜電力 就是 對(duì)自由電荷的作用力 變化 麥克斯韋 感生電場(chǎng) 相同 相同 感生電場(chǎng) 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流 哪一個(gè)更能反映電磁感應(yīng)的本質(zhì) 提示 當(dāng)穿過(guò)回路的磁通量發(fā)生變化時(shí) 回路中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 如果回路閉合 就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流 而不論回路是否閉合 都有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生 但不一定有感應(yīng)電流 所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)比感應(yīng)電流更能反映電磁感應(yīng)的本質(zhì) 1 磁場(chǎng)可以對(duì)電荷做功 2 感生電場(chǎng)可以對(duì)電荷做功 3 磁場(chǎng)越強(qiáng) 磁場(chǎng)變化時(shí)產(chǎn)生的感生電場(chǎng)越強(qiáng) 1 成因?qū)w棒做切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí) 導(dǎo)體棒中的自由電荷隨棒一起定向運(yùn)動(dòng) 并因此受到洛倫茲力 2 動(dòng)生電動(dòng)勢(shì) 由于 而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 3 動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)中的非靜電力 與 有關(guān) 導(dǎo)體運(yùn)動(dòng) 洛倫茲力 感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生原因是否相同 提示 不相同 感生電動(dòng)勢(shì)是由于磁場(chǎng)變化而引起的 動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)是由于導(dǎo)體切割磁感線(xiàn)而引起的 預(yù)習(xí)完成后 請(qǐng)把你認(rèn)為難以解決的問(wèn)題記錄在下面的表格中 學(xué)生分組探究一對(duì)感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的理解第1步探究 分層設(shè)問(wèn) 破解疑難1 1 什么叫動(dòng)生電動(dòng)勢(shì) 2 動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生與電路是閉合還是斷開(kāi)有關(guān)嗎 提示 1 由于導(dǎo)體棒做切割磁感線(xiàn)的運(yùn)動(dòng) 而在導(dǎo)體棒兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 叫做動(dòng)生電動(dòng)勢(shì) 2 無(wú)關(guān) 無(wú)論電路閉合還是斷開(kāi) 只要有導(dǎo)體做切割磁感線(xiàn)的運(yùn)動(dòng) 電路中就有動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生 當(dāng)電路閉合 其一部分導(dǎo)體做切割磁感線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)時(shí) 電路中有感應(yīng)電流產(chǎn)生 2 什么是感生電場(chǎng) 感生電場(chǎng)與感應(yīng)電流的關(guān)系是什么 3 感生電動(dòng)勢(shì)和動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生原因是否相同 提示 不同 感生電動(dòng)勢(shì)是感生電場(chǎng)對(duì)自由電荷作用產(chǎn)生的 動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)是洛倫茲力對(duì)自由電荷作用產(chǎn)生的 第2步結(jié)論 自我總結(jié) 素能培養(yǎng)1 感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生機(jī)理的理解 1 磁感應(yīng)強(qiáng)度變化產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)是由變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感生電場(chǎng) 線(xiàn)圈中的自由電荷受到靜電力作用定向移動(dòng)形成的 2 導(dǎo)體切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)是由于自由電荷受到洛倫茲力作用定向移動(dòng)形成的 2 感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的比較 第3步例證 典例印證 思維深化 多選 某空間出現(xiàn)了如圖4 5 1所示的磁場(chǎng) 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化時(shí) 在垂直于磁場(chǎng)的方向上會(huì)產(chǎn)生感生電場(chǎng) 下列有關(guān)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化與感生電場(chǎng)的方向關(guān)系的描述正確的是 A 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻增大時(shí) 感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線(xiàn)從上向下看應(yīng)為順時(shí)針?lè)较駼 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻增大時(shí) 感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線(xiàn)從上向下看應(yīng)為逆時(shí)針?lè)较?C 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻減小時(shí) 感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線(xiàn)從上向下看應(yīng)為順時(shí)針?lè)较駾 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻減小時(shí) 感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線(xiàn)從上向下看應(yīng)為逆時(shí)針?lè)较?思路點(diǎn)撥 感生電場(chǎng)的方向與感生電動(dòng)勢(shì) 感應(yīng)電流的方向相同 因此可以用楞次定律分析 解析 感生電場(chǎng)中電場(chǎng)線(xiàn)的方向用楞次定律來(lái)判定 原磁場(chǎng)向上且磁感應(yīng)強(qiáng)度在增大 在周?chē)虚]合導(dǎo)線(xiàn)的情況下 感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向應(yīng)與原磁場(chǎng)方向相反 即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向向下 再由右手螺旋定則得到感應(yīng)電流的方向從上向下看應(yīng)為順時(shí)針?lè)较?則感生電場(chǎng)的方向從上向下看也為順時(shí)針?lè)较?同理可知 原磁場(chǎng)方向向上且磁感應(yīng)強(qiáng)度減小時(shí) 感生電場(chǎng)的方向從上向下看應(yīng)為逆時(shí)針?lè)较?所以A D對(duì) 答案 AD 感生電場(chǎng)的特點(diǎn) 1 感生電場(chǎng)是一種渦旋電場(chǎng) 電場(chǎng)線(xiàn)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(wú)關(guān) 3 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 第4步巧練 精選習(xí)題 落實(shí)強(qiáng)化1 如圖4 5 2所示的是一個(gè)水平放置的玻璃圓環(huán)形小槽 槽內(nèi)光滑 槽寬度和深度處處相同 現(xiàn)將一直徑略小于槽寬的帶正電小球放在槽中 讓它獲得一初速度v0 與此同時(shí) 有一變化的磁場(chǎng)垂直穿過(guò)玻璃圓環(huán)形小槽外徑所對(duì)應(yīng)的圓面積 磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小跟時(shí)間成正比例增大 方向豎直向下 設(shè)小球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電荷量不變 則 A 小球受到的向心力大小不變B 小球受到的向心力大小不斷增大C 磁場(chǎng)力對(duì)小球做了功D 小球受到的磁場(chǎng)力大小與時(shí)間成正比 解析 本題解題關(guān)鍵是由楞次定律判斷出感生電場(chǎng)的方向 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間均勻增大時(shí) 將產(chǎn)生一恒定的感生電場(chǎng) 由楞次定律知 電場(chǎng)方向和小球初速度方向相同 因小球帶正電 電場(chǎng)力對(duì)小球做正功 小球速率逐漸增大 向心力也隨著增大 故A錯(cuò) B對(duì) 洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷不做功 故C錯(cuò) 帶電小球所受洛倫茲力F qBv 隨著速率的增大而增大 同時(shí)B t 則F和t不成正比 故D錯(cuò) 答案 B 2 多選 某空間出現(xiàn)了如4 5 3圖所示的一組閉合的電場(chǎng)線(xiàn) 這可能是 A 沿AB方向的磁場(chǎng)迅速減弱B 沿AB方向的磁場(chǎng)迅速增強(qiáng)C 沿BA方向的磁場(chǎng)迅速增強(qiáng)D 沿BA方向的磁場(chǎng)迅速減弱圖4 5 3 解析 假設(shè)存在圓形閉合回路 回路中應(yīng)產(chǎn)生與電場(chǎng)同向的感應(yīng)電流 由安培定則知 感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向向下 所以根據(jù)楞次定律 引起感應(yīng)電流的應(yīng)是方向向下的磁場(chǎng)迅速減弱或方向向上的磁場(chǎng)迅速增強(qiáng) 故A C正確 答案 AC 學(xué)生分組探究二電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化與守恒第1步探究 分層設(shè)問(wèn) 破解疑難1 與感生電動(dòng)勢(shì)有關(guān)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象中 能量怎樣轉(zhuǎn)化 提示 變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生非靜電場(chǎng) 由電場(chǎng)力推動(dòng)電荷做功 將磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能 2 與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)有關(guān)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象中 能量怎樣轉(zhuǎn)化 提示 隨導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)的電荷受到洛倫茲力 從導(dǎo)體棒一端移動(dòng)到另一端 是一個(gè)與洛倫茲力有關(guān)的非靜電力做功 將其它形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?第2步結(jié)論 自我總結(jié) 素能培養(yǎng)1 等效電路的分析 將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的那部分電路等效為電源 畫(huà)出等效電路圖 分析內(nèi)外電路結(jié)構(gòu) 應(yīng)用閉合電路歐姆定律 串并聯(lián)電路的性質(zhì)等知識(shí)進(jìn)行分析 2 電磁感應(yīng)現(xiàn)象中涉及收尾速度問(wèn)題時(shí)的動(dòng)態(tài)分析 周而復(fù)始地循環(huán) 達(dá)到最終狀態(tài)時(shí) 加速度等于零 導(dǎo)體達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 3 能量轉(zhuǎn)化與守恒的分析 電磁感應(yīng)過(guò)程往往涉及多種能量形式的轉(zhuǎn)化 如圖4 5 4中金屬棒ab沿導(dǎo)軌由靜止下滑時(shí) 重力勢(shì)能減少 一部分用來(lái)克服安培力做功轉(zhuǎn)化為電路中的電圖4 5 4能 最終在R上轉(zhuǎn)化為焦耳熱 另一部分轉(zhuǎn)化為金屬棒的動(dòng)能 若導(dǎo)軌足夠長(zhǎng) 棒最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí) 重力勢(shì)能的減少則完全用來(lái)克服安培力做功轉(zhuǎn)化為電路中的電能 第3步例證 典例印證 思維深化 2013 安徽高考 如圖4 5 5所示 足夠長(zhǎng)的平行金屬導(dǎo)軌傾斜放置 傾角為37 寬度為0 5m 電阻忽略不計(jì) 其上端接一小燈泡 電阻為1 一導(dǎo)體棒MN垂直于導(dǎo)軌放置 質(zhì)量為0 2kg 接入電路的電阻為1 兩端與導(dǎo)軌接觸良好 與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0 5 在導(dǎo)軌間存在著垂直于導(dǎo)軌平面的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 磁感應(yīng)強(qiáng)度為0 8T 將導(dǎo)體棒MN由靜止釋放 運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后 小燈泡穩(wěn)定發(fā)光 此后導(dǎo)體棒MN的運(yùn)動(dòng)速度以及小燈泡消耗的電功率分別為 重力加速度g取10m s2 sin37 0 6 A 2 5m s1WB 5m s1WC 7 5m s9WD 15m s9W 思路點(diǎn)撥 1 由小燈泡穩(wěn)定發(fā)光 可知感應(yīng)電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)恒定及v不變 2 由v不變 考慮到導(dǎo)體棒MN的平衡 3 根據(jù)物體的平衡和功能關(guān)系確定v和P 解析 把立體圖轉(zhuǎn)為平面圖 由平衡條件列出方程是解決此類(lèi)問(wèn)題的關(guān)鍵 對(duì)導(dǎo)體棒進(jìn)行受力分析做出截面圖 如圖所示 導(dǎo)體棒共受四個(gè)力作用 即重力 支持力 摩擦力和安培力 由平衡條件得mgsin37 F安 Ff Ff FN FN mgcos37 而F安 BIL 電能的三種求解思路 1 利用克服安培力做功求解 電磁感應(yīng)中產(chǎn)生的電能等于克服安培力所做的功 2 利用能量守恒求解 相應(yīng)的其他能量的減少量等于產(chǎn)生的電能 3 利用電路特征求解 通過(guò)電路中所消耗的電能來(lái)計(jì)算 第4步巧練 精選習(xí)題 落實(shí)強(qiáng)化1 多選 如圖4 5 6所示 兩根足夠長(zhǎng)的光滑導(dǎo)軌豎直放置 間距為L(zhǎng) 底端接阻值為R的電阻 將質(zhì)量為m的金屬棒懸掛在一個(gè)固定的輕彈簧下端 金屬棒和導(dǎo)軌接觸良好 導(dǎo)軌所在平面與磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直 除電阻R外其余電阻均不計(jì) 現(xiàn)將金屬棒從彈簧原長(zhǎng)位置由靜止釋放 則 A 釋放瞬間金屬棒的加速度等于重力加速度gB 金屬棒向下運(yùn)動(dòng)時(shí) 流過(guò)電阻R的電流方向?yàn)閍 b 金屬棒減少的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢(shì)能 金屬棒的動(dòng)能以及電阻R上產(chǎn)生的內(nèi)能 因此選項(xiàng)D錯(cuò)誤 答案 AC 2 法拉第曾提出一種利用河流發(fā)電的設(shè)想 并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究 實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖4 5 7所示 兩塊面積均為S的矩形金屬板 平行 正對(duì) 豎直地全部浸在河水中 間距為d 水流速度處處相同 大小為v 方向水平 金屬板與水流方向平行 地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的豎直分量為B 水的電阻率為 水面上方有一阻值為R的電阻通過(guò)絕緣導(dǎo)線(xiàn)和開(kāi)關(guān)S連接到兩金屬板上 忽略邊緣效應(yīng) 求 圖4 5 7 1 該發(fā)電裝置的電動(dòng)勢(shì) 2 通過(guò)電阻R的電流大小 3 電阻R消耗的電功率 電磁感應(yīng)中的力學(xué)問(wèn)題的分析方法由于通過(guò)導(dǎo)體的感應(yīng)電流在磁場(chǎng)中將受到安培力作用 因此電磁感應(yīng)問(wèn)題往往和力學(xué)問(wèn)題綜合在一起考查 1 理解電磁感應(yīng)問(wèn)題中的兩個(gè)研究對(duì)象及其之間的相互制約關(guān)系 2 理解力和運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)關(guān)系3 解決電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的力學(xué)問(wèn)題的思路 1 對(duì)電學(xué)對(duì)象要畫(huà)好必要的等效電路圖 2 對(duì)力學(xué)對(duì)象要畫(huà)好必要的受力分析圖和過(guò)程示意圖 3 電磁感應(yīng)中切割磁感線(xiàn)的導(dǎo)體要運(yùn)動(dòng) 產(chǎn)生的感應(yīng)電流又要受到安培力的作用 在安培力作用下 導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化 這就可能需要應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律 4 解決電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的力學(xué)問(wèn)題的基本步驟 1 用法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律求感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向 2 求回路中的電流 3 分析研究導(dǎo)體受力情況 包含安培力 用左手定則確定其方向 4 列動(dòng)力學(xué)方程或平衡方程求解 如圖4 5 8所示 AB CD是兩根足夠長(zhǎng)的固定平行金屬導(dǎo)軌 兩導(dǎo)軌間的距離為L(zhǎng) 導(dǎo)軌平面與水平面間的夾角為 在整個(gè)導(dǎo)軌平面內(nèi)都有垂直于導(dǎo)軌平面斜向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 在導(dǎo)軌的AC端連接一個(gè)阻值為R的電阻 一根質(zhì)量為m 垂直于導(dǎo)軌放置的金屬棒ab 從靜止開(kāi)始沿導(dǎo)軌下滑 求此過(guò)程中ab棒的最大速度 已知ab與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)為 導(dǎo)軌和金屬棒的電阻都不計(jì) 思路點(diǎn)撥 ab沿導(dǎo)軌下滑過(guò)程中受四個(gè)力作用 即重力mg 支持力FN 摩擦力Ff和安培力F安 如圖所示 ab由靜止開(kāi)始下滑后 將是v E I F安 a 為增大符號(hào) 所以這是個(gè)變加速過(guò)程 當(dāng)加速度減到a 0時(shí) 其速度增到最大v vmax 此時(shí)處于平衡狀態(tài) 以后將以vmax勻速下滑 解析 ab下滑時(shí)因切割磁感線(xiàn) 要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 根據(jù)電磁感應(yīng)定律E BLv 閉合電路ACba中將產(chǎn)生感應(yīng)電流 根據(jù)閉合電路歐姆定律I E R 據(jù)右手定則可判定感應(yīng)電流方向?yàn)閍ACba 再據(jù)左手定則判斷它受的安培力F安方向如圖所示 其大小為F安 BIL 取平行和垂直導(dǎo)軌的兩個(gè)方向?qū)b所受的力進(jìn)行正交分解 應(yīng)有FN mgcos Ff mgcos 先看名師指津 1 電磁感應(yīng)中的動(dòng)態(tài)分析 是處理電磁感應(yīng)問(wèn)題的關(guān)鍵 要學(xué)會(huì)從動(dòng)態(tài)分析的過(guò)程中來(lái)選擇是從動(dòng)力學(xué)方面 還是從能量 動(dòng)量方面來(lái)解決問(wèn)題 2 在分析運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體的受力時(shí) 常需畫(huà)出平面示意圖和物體受力圖 再演練應(yīng)用 如圖4 5 9所示 平行導(dǎo)軌MN和PQ相距0 5m 電阻忽略不計(jì) 其水平部分粗糙 傾斜部分光滑 且水平部分置于B 0 6T豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 傾斜部分處沒(méi)有磁場(chǎng) 已知導(dǎo)線(xiàn)a和b的質(zhì)量均為0 2kg 電阻均為0 15 開(kāi)始時(shí)a b相距足夠遠(yuǎn) b放置在水平導(dǎo)軌上 現(xiàn)將a從傾斜導(dǎo)軌上高0 05m處由靜止開(kāi)始釋放 求 g 10m s2 1 回路中的最大感應(yīng)電流是多少 2 如果導(dǎo)線(xiàn)和導(dǎo)軌間動(dòng)摩擦因數(shù) 0 1 當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)b的速度最大時(shí) 導(dǎo)線(xiàn)a的加速度是多少