高二物理選修3-2《電磁感應現(xiàn)象的兩類情況》學案 人教版

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111 自主體驗 一、電磁感應現(xiàn)象中的感生電場 1．電磁場理論與感生電場：(1)電磁場理論：變化的電場周圍產(chǎn)生磁場，變化的磁場周圍產(chǎn)生電場．由19世紀60年代的__________提出． (2)感生電場：變化的磁場周圍所產(chǎn)生的電場． 2．感應電動勢：(1)感應電動勢：感生電場中的導體正是在___________的作用下，自由電荷發(fā)生定向移動，形成_____或___________. (2)非靜電力就是_________對自由電荷的作用． 二、電磁感應現(xiàn)象中的洛倫茲力 1.動生電動勢：導體在磁場中___________運動時產(chǎn)生的電動勢． 2.產(chǎn)生原因：由于導體中的自由電子受到_________作用引起的，使自由電荷做定向移動的非靜電力是_________． 3.切割導體的特點：運動的導體是_____，所在的電路是___電路． 知識探究 一、感生電動勢 1．產(chǎn)生機理：如圖所示，當磁場變化時，產(chǎn)生的感生電場的電場線是與磁場方向垂直的曲線．如果空間存在閉合導體，導體中的自由電荷就會在電場力的作用下定向移動，而產(chǎn)生感應電流，或者說導體中產(chǎn)生了感應電動勢． 2．特點：(1)感生電場是一種渦旋電場，電場線是閉合的. (2)感生電場的產(chǎn)生跟空間中是否存在閉合電路無關. 3．方向判定：感生電場的方向根據(jù)閉合電路(或假想的閉合電路)中感應電流的方向確定，即利用楞次定律判斷. 二、動生電動勢 1．產(chǎn)生機理：一段導體在做切割磁感線運動時，導體內自由電荷隨導體在磁場中運動，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，這樣自由電荷在導體兩端聚集，從而使導體兩端產(chǎn)生電勢差，這就是動生電動勢，此時若電路閉合，則電路中產(chǎn)生感應電流． 說明：(1)當電路不閉合時，切割磁感線的導體兩端積聚電荷，則在導體內產(chǎn)生附加電場，電荷在受洛倫茲力的同時也受電場力作用． (2)電動勢的產(chǎn)生與電路是否閉合無關． 2．方向判定：動生電動勢的方向用右手定則來判定，即“四指”指電動勢的方向． 3．對動生電動勢中電荷所受洛倫茲力的理解：(1)運動導體中的自由電子， 不僅隨導體以速度v運動，而且還沿導體以速度u做定向移動，如圖所示．因此， 導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，它對電子不做功，更具體地說， F合的一個分量是F1＝evB，這個分力做功，產(chǎn)生動生電動勢．F合的另一個分 量是F2＝euB，阻礙導體運動做負功．可以證明兩個分力F1和F2所做的功的 代數(shù)和為零．結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 外力克服洛倫茲力的一個分力F2所做的功通過另一個分力F1轉化為能量． .4-5-1. 典例剖析 題型一：感應電場方向的判斷 【例1】如圖1所示，內壁光滑、水平放置的玻璃圓環(huán)內，有一直徑略小于圓環(huán)直徑的帶正電的小球，以速率v0沿逆時針方向勻速轉動，若在此空間突然加上方向豎直向上、磁感應強度B隨時間成正比例增加的變化磁場．設運動 總結反思 過程中小球帶電荷量不變，那么(　　) A．小球對玻璃圓環(huán)的壓力一定不斷增大 B．小球所受的磁場力一定不斷增大 圖1 C．小球先沿逆時針方向減速運動，之后沿順時針方向加速運動 D．磁場力對小球一直不做功 題型二：感生電動勢的計算 【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，導軌光滑，開始時磁場B0＝1 T．現(xiàn)使磁感應強度以ΔB/Δt=0.2 T/s的變化率均勻地增大，試求：當t為多少時，M剛離開地面？(g取10 m/s2) 圖2 A變式訓練1：如圖3所示的勻強磁場中，有兩根相距20 cm固定的平行金屬光滑導軌MN和PQ.磁場方向垂直于MN、PQ所在平面．導軌上放置著ab、cd兩根平行的可動金屬細棒．在兩棒中點OO′之間拴一根40 cm長的細繩，繩長保持不變．設磁感應強度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B減小到10 T時，兩可動邊所受磁場力和abdc回路消耗的功率． 圖3 題型三：動生電動勢的計算 【例3】如圖所示，三角形金屬框架MON平面與勻強磁場B垂直， 導體ab能緊貼金屬框架運動，且始終與導軌ON垂直．當導體ab從O點開始勻速向右平動時，速度為v0，試求bOc回路中某時刻的感應電動勢隨時間變化的函數(shù)關系式． 變式訓練2：　如圖所示，金屬桿ab以恒定的速率v在光滑平行導軌上向右滑行，設整個電路中總電阻為R(恒定不變)，整個裝置置于垂直紙面向里的勻強磁場中，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ab桿做功的功率與速率v的平方成正比 題型四：電磁感應的圖象問題 A【例4】如圖右甲所示，矩形導線框abcd固定在勻強磁場中，磁 感線的方向與導線框所在平面垂直．規(guī)定磁場的正方向垂直紙面向里， 磁應強度B隨時間變化的規(guī)律如圖乙所示，若規(guī)定順時針方向為感應 電流i的正方向，下列i－t圖中正確的是(　　) .4-5-2. 變式訓練3：如圖所示，等腰三角形內分布有垂直于紙面向外的勻強磁場，它的底邊在x軸上且長為2L，高為L，紙面內一邊長為L的正方形導線框沿x軸正方向做勻速直線運動穿過勻強磁場區(qū)域，在t＝0時刻恰好位于圖4－5－12所示的位置，以順時針方向為導線框中電流的正方向，在圖4－5－13中，能夠正確表示導線框的電流—位移(I－x)關系的是(　　) 課堂練習 1．下列說法中正確的是(　　) A．感生電場是由變化的磁場產(chǎn)生 B．恒定的磁場也能在周圍空間產(chǎn)生感生電場 C．感生電場的方向也同樣可以用楞次定律和右手螺旋定則來判定 D．感生電場的電場線是閉合曲線，其方向一定是沿逆時針方向 2．如圖所示，在豎直向下的勻強磁場中，將一水平放置的金屬棒ab以水平速度v拋出，且棒與磁場垂直，設棒在落下的過程中方向不變且不計空氣阻力，則金屬棒在運動的過程中產(chǎn)生的感應電動勢大小變化情況是(　　) A．越來越大 B．越來越小 C．保持不變 D．無法判斷 課后練習 1．某空間出現(xiàn)了如圖1所示的一組閉合電 場線，方向從上向下看是順時針的，這可能 是(　　) A．沿AB方向磁場在迅速減弱 B．沿AB方向磁場在迅速增強 C．沿BA方向磁場在迅速增強 D．沿BA方向磁場在迅速減弱 圖1 圖2 2．如圖2所示，一金屬半圓環(huán)置于勻強磁場中，當磁場突然減弱時，則兩端點的電勢(　 ) A．N點電勢高 B．M點電勢高 C．若磁場不變，將半圓環(huán)繞MN軸旋轉180的過程中，N點電勢高 D．若磁場不變，將半圓環(huán)繞MN軸旋轉180的過程中，M點電勢高 A3．在豎直向上的勻強磁場中，水平放置一個不變形的單匝金屬圓線圈，規(guī)定線圈中感應電流的正方向如圖3甲所示，當磁場的磁感應強度B隨時間t發(fā)生如圖乙所示變化時，下圖中正確表示線圈中感應電動勢E變化的是(　　) 圖3 .4-5-3. 總結反思 4．如圖4所示，導體AB在做切割磁感線運動時，將產(chǎn)生一個感應電動勢，因而在電路中有電流通過，下列說法中正確的是(　　) A．因導體運動而產(chǎn)生的感應電動勢稱為動生電動勢 B．動生電動勢的產(chǎn)生與洛倫茲力有關 C．動生電動勢的產(chǎn)生與電場力有關 D．動生電動勢和感生電動勢產(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，其下半部處在一個水平方向的勻強磁場中，磁場的上邊界是y＝a 的直線(圖中的虛線所示)，一個質量為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，假設拋物線足夠長，則金屬塊在曲面上滑動的過程 中產(chǎn)生的焦耳熱總量是(　　) A．mgb B.mv2 C．mg(b－a) D．mg(b－a)＋mv2 圖5 6．如圖6所示，將勻強磁場中的線圈(正方形，邊長為L)以不同的速 度v1和v2勻速拉出磁場，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，長為L＝0.2 m、電阻為r＝0.3 Ω、質量為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軌上，兩導軌間距也為L，棒與導軌接觸良好，導軌電阻不計，導軌左端接有R＝0.5 Ω的電阻，量程為0～3.0 A的電流表串聯(lián)在一條導軌上，量程為0～1.0 V的電壓表接在電阻R的兩端，垂直導軌平面的勻強磁場向下穿過平面．現(xiàn)以向右恒定的外力F使金屬棒右移，當金屬棒以v＝2 m/s的速度在導軌平面上勻速滑動時，觀察到電路中的一個電表正好滿偏，而另一電表未滿偏．問： (1)此時滿偏的電表是什么表？說明理由． (2)拉動金屬棒的外力F有多大？ (3)導軌處的磁感應強度多大？ 111