2019-2020年高中物理 第1章 第5節(jié) 電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒學(xué)案 教科版選修3-2.doc
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2019-2020年高中物理 第1章 第5節(jié) 電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒學(xué)案 教科版選修3-2目標(biāo)定位1.進(jìn)一步理解能量守恒定律是自然界普遍遵循的一條規(guī)律,楞次定律的實(shí)質(zhì)就是能量守恒在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的具體表現(xiàn).2.通過(guò)具體實(shí)例理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化.3.掌握電磁感應(yīng)中動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的分析方法一、電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題1電磁感應(yīng)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流在磁場(chǎng)中將受到安培力作用,所以電磁感應(yīng)問(wèn)題往往與力學(xué)問(wèn)題聯(lián)系在一起,處理此類問(wèn)題的基本方法是:(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)求回路中的電流強(qiáng)度的大小和方向(3)分析研究導(dǎo)體受力情況(包括安培力)(4)列動(dòng)力學(xué)方程或平衡方程求解2電磁感應(yīng)現(xiàn)象中涉及的具有收尾速度的力學(xué)問(wèn)題,關(guān)鍵要抓好受力情況和運(yùn)動(dòng)情況的動(dòng)態(tài)分析周而復(fù)始地循環(huán),加速度等于零時(shí),導(dǎo)體達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)3兩種狀態(tài)處理導(dǎo)體勻速運(yùn)動(dòng),應(yīng)根據(jù)平衡條件列式分析;導(dǎo)體做勻速直線運(yùn)動(dòng)之前,往往做變加速運(yùn)動(dòng),處于非平衡狀態(tài),應(yīng)根據(jù)牛頓第二定律或結(jié)合功能關(guān)系分析二、電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒問(wèn)題設(shè)計(jì)為什么說(shuō)楞次定律是能量守恒定律在電磁感應(yīng)中的具體表現(xiàn)?答案楞次定律表明,感應(yīng)電流的效果總是阻礙引起感應(yīng)電流的原因正是由于“阻礙”作用的存在,電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生電能的同時(shí)必然伴隨著其他形式能量的減少,可見(jiàn),楞次定律是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的必然結(jié)果要點(diǎn)提煉1電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化特點(diǎn)外力克服安培力做功,把機(jī)械能或其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能;感應(yīng)電流通過(guò)電路做功又把電能轉(zhuǎn)化成其他形式的能(如內(nèi)能)這一功能轉(zhuǎn)化途徑可表示為:2求解電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能量守恒問(wèn)題的一般思路(1)分析回路,分清電源和外電路(2)分析清楚有哪些力做功,明確有哪些形式的能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化如:有摩擦力做功,必有內(nèi)能產(chǎn)生;有重力做功,重力勢(shì)能必然發(fā)生變化;克服安培力做功,必然有其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能,并且克服安培力做多少功,就產(chǎn)生多少電能(3)列有關(guān)能量的關(guān)系式3焦耳熱的計(jì)算技巧(1)感應(yīng)電路中電流恒定,焦耳熱QI2Rt.(2)感應(yīng)電路中電流變化,可用以下方法分析:利用功能關(guān)系,產(chǎn)生的焦耳熱等于克服安培力做的功,即QW安而克服安培力做的功W安可由動(dòng)能定理求得利用能量守恒,即感應(yīng)電流產(chǎn)生的焦耳熱等于其他形式能量的減少,即QE其他一、電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題例1如圖1甲所示,兩根足夠長(zhǎng)的直金屬導(dǎo)軌MN、PQ平行放置在傾角為的絕緣斜面上,兩導(dǎo)軌間距為L(zhǎng),M、P兩點(diǎn)間接有阻值為R的電阻一根質(zhì)量為m的均勻直金屬桿ab放在兩導(dǎo)軌上,并與導(dǎo)軌垂直整套裝置處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)方向垂直于斜面向下導(dǎo)軌和ab桿的電阻可忽略,讓ab桿沿導(dǎo)軌由靜止開(kāi)始下滑,導(dǎo)軌和ab桿接觸良好,不計(jì)它們之間的摩擦,已知重力加速度為g.圖1(1)由b向a方向看到的裝置如圖乙所示,請(qǐng)?jiān)诖藞D中畫(huà)出ab桿下滑過(guò)程中某時(shí)刻的受力示意圖(2)在加速下滑過(guò)程中,當(dāng)ab桿的速度大小為v時(shí),求此時(shí)ab桿中的電流及其加速度的大小(3)求在下滑過(guò)程中,ab桿可以達(dá)到的速度最大值解析(1)如圖所示,ab桿受力分析:重力mg,豎直向下;支持力N,垂直于斜面向上;安培力F安,沿斜面向上(2)當(dāng)ab桿速度大小為v時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EBLv,此時(shí)電路中電流Iab桿受到的安培力F安BIL根據(jù)牛頓第二定律,有mamgsin F安mgsin agsin .(3)當(dāng)a0時(shí),ab桿有最大速度為vm.答案(1)見(jiàn)解析圖(2)gsin (3)例2如圖2所示,MN和PQ是兩根互相平行豎直放置的光滑金屬導(dǎo)軌,已知導(dǎo)軌足夠長(zhǎng),且電阻不計(jì)ab是一根與導(dǎo)軌垂直而且始終與導(dǎo)軌接觸良好的金屬桿,開(kāi)始時(shí),將開(kāi)關(guān)S斷開(kāi),讓金屬桿ab由靜止開(kāi)始自由下落,過(guò)段時(shí)間后,再將S閉合,若從S閉合開(kāi)始計(jì)時(shí),則金屬桿ab的速度v隨時(shí)間t變化的圖像可能是()圖2解析S閉合時(shí),若mg,金屬桿ab先減速再勻速,D項(xiàng)有可能;若mg,金屬桿ab勻速運(yùn)動(dòng),A項(xiàng)有可能;若FcFb BFcFdFbFd DFcFbFd答案D解析線圈從a到b做自由落體運(yùn)動(dòng),在b處開(kāi)始進(jìn)入磁場(chǎng)切割磁感線,產(chǎn)生感應(yīng)電流,受到安培力作用,由于線圈的上、下邊的距離很短,所以經(jīng)歷很短的變速運(yùn)動(dòng)而完全進(jìn)入磁場(chǎng),在c處線圈中磁通量不變,不產(chǎn)生感應(yīng)電流,不受安培力作用,但線圈在重力作用下依然加速,因此線圈在d處離開(kāi)磁場(chǎng)切割磁感線時(shí),產(chǎn)生的感應(yīng)電流較大,故該處所受安培力必然大于b處綜合分析可知,選項(xiàng)D正確題組二電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒5. 如圖5所示,位于一水平面內(nèi)的兩根平行的光滑金屬導(dǎo)軌,處在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)方向垂直于導(dǎo)軌所在的平面,導(dǎo)軌的一端與一電阻相連具有一定質(zhì)量的金屬桿ab放在導(dǎo)軌上并與導(dǎo)軌垂直現(xiàn)用一平行于導(dǎo)軌的恒力F拉桿ab,使它由靜止開(kāi)始向右運(yùn)動(dòng)桿和導(dǎo)軌的電阻、感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)均可不計(jì)用E表示回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),i表示回路中的感應(yīng)電流,在i隨時(shí)間增大的過(guò)程中,電阻消耗的功率等于 ()圖5AF的功率B安培力的功率的絕對(duì)值CF與安培力的合力的功率DiE答案BD6. 如圖6所示,邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形導(dǎo)線框質(zhì)量為m,由距磁場(chǎng)H高處自由下落,其下邊ab進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后,線圈開(kāi)始做減速運(yùn)動(dòng),直到其上邊dc剛剛穿出磁場(chǎng)時(shí),速度減為ab邊剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的一半,磁場(chǎng)的寬度也為L(zhǎng),則線框穿越勻強(qiáng)磁場(chǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的焦耳熱為()圖6A2mgLB2mgLmgHC2mgLmgHD2mgLmgH答案C解析設(shè)線框剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速度為v1,剛穿出磁場(chǎng)時(shí)的速度v2線框自開(kāi)始進(jìn)入磁場(chǎng)到完全穿出磁場(chǎng)共下落高度為2L.由題意得mvmgHmvmg2LmvQ由得Q2mgLmgH,C選項(xiàng)正確7如圖7所示,紙面內(nèi)有一矩形導(dǎo)體閉合線框abcd,ab邊長(zhǎng)大于bc邊長(zhǎng),置于垂直紙面向里、邊界為MN的勻強(qiáng)磁場(chǎng)外,線框兩次勻速地完全進(jìn)入磁場(chǎng),兩次速度大小相同,方向均垂直于MN.第一次ab邊平行MN進(jìn)入磁場(chǎng),線框上產(chǎn)生的熱量為Q1,通過(guò)線框?qū)w橫截面的電荷量為q1;第二次bc邊平行于MN進(jìn)入磁場(chǎng),線框上產(chǎn)生的熱量為Q2,通過(guò)線框?qū)w橫截面的電荷量為q2,則 ()圖7AQ1Q2,q1q2 BQ1Q2,q1q2CQ1Q2,q1q2 DQ1Q2,q1q2答案A解析根據(jù)功能關(guān)系知,線框上產(chǎn)生的熱量等于克服安培力做的功,即Q1W1F1LbcLbcLab同理Q2Lbc,又LabLbc,故Q1Q2;因qtt,故q1q2,因此A正確題組三電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)及能量綜合問(wèn)題8如圖8所示,間距為L(zhǎng)、電阻不計(jì)的足夠長(zhǎng)平行光滑金屬導(dǎo)軌水平放置,導(dǎo)軌左端用一阻值為R的電阻連接,導(dǎo)軌上橫跨一根質(zhì)量為m、有效電阻也為R的金屬棒,金屬棒與導(dǎo)軌接觸良好整個(gè)裝置處于豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中現(xiàn)使金屬棒以初速度v沿導(dǎo)軌向右運(yùn)動(dòng),若金屬棒在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)的電荷量為q.下列說(shuō)法正確的是 ()圖8A金屬棒在導(dǎo)軌上做勻減速運(yùn)動(dòng)B整個(gè)過(guò)程中金屬棒在導(dǎo)軌上發(fā)生的位移為C整個(gè)過(guò)程中金屬棒克服安培力做的功為mv2D整個(gè)過(guò)程中電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱為mv2答案C解析因?yàn)榻饘侔粝蛴疫\(yùn)動(dòng)時(shí)受到向左的安培力作用,且安培力隨速度的減小而減小,所以金屬棒向左做加速度逐漸減小的減速運(yùn)動(dòng),故A錯(cuò)誤;根據(jù)E,qItt,解得x,故B錯(cuò)誤;整個(gè)過(guò)程中金屬棒克服安培力做的功等于金屬棒動(dòng)能的減少量mv2,故C正確;整個(gè)過(guò)程中電路中產(chǎn)生的熱量等于機(jī)械能的減少量mv2,電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱為mv2,故D錯(cuò)誤9. 如圖9所示,兩足夠長(zhǎng)的光滑金屬導(dǎo)軌豎直放置,相距為L(zhǎng).一理想電流表與兩導(dǎo)軌相連,勻強(qiáng)磁場(chǎng)與導(dǎo)軌平面垂直,一質(zhì)量為m、有效電阻為R的導(dǎo)體棒在距磁場(chǎng)上邊界h處由靜止釋放導(dǎo)體棒進(jìn)入磁場(chǎng)后,流經(jīng)電流表的電流逐漸減小,最終穩(wěn)定為I.整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌接觸良好,且始終保持水平,不計(jì)導(dǎo)軌的電阻,已知重力加速度為g.求:圖9(1)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大??;(2)電流穩(wěn)定后,導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)速度v的大?。?3)流經(jīng)電流表電流的最大值Im.答案(1)(2)(3)解析(1)電流穩(wěn)定后,導(dǎo)體棒做勻速運(yùn)動(dòng),則有:BILmg解得B(2)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EBLv感應(yīng)電流I由式解得v(3)由題意分析知,導(dǎo)體棒剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速度最大,設(shè)為vm根據(jù)機(jī)械能守恒有mvmgh感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值EmBLvm感應(yīng)電流的最大值Im解得Im10如圖10甲所示,不計(jì)電阻的平行金屬導(dǎo)軌豎直放置,導(dǎo)軌間距為L(zhǎng)1 m,上端接有電阻R3 ,虛線OO下方是垂直于導(dǎo)軌平面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)現(xiàn)將質(zhì)量m0.1 kg、電阻r1 的金屬桿ab,從OO上方某處垂直導(dǎo)軌由靜止釋放,桿下落過(guò)程中始終與導(dǎo)軌保持良好接觸,桿下落過(guò)程中的vt圖像如圖乙所示(取g10 m/s2)求:圖10(1)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大??;(2)桿在磁場(chǎng)中下落0.1 s的過(guò)程中,電阻R產(chǎn)生的熱量答案(1)2 T(2)0.075 J解析(1)由圖像可知,桿自由下落0.1 s進(jìn)入磁場(chǎng)以v1.0 m/s做勻速運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EBLv桿中的感應(yīng)電流I桿所受的安培力F安BIL由平衡條件得mgF安代入數(shù)據(jù)得B2 T(2)電阻R產(chǎn)生的熱量QI2Rt0.075 J.11足夠長(zhǎng)的平行金屬導(dǎo)軌MN和PK表面粗糙,與水平面之間的夾角為,間距為L(zhǎng).垂直于導(dǎo)軌平面向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,M、P間接有阻值為R的電阻,質(zhì)量為m的金屬桿ab垂直導(dǎo)軌放置,其他電阻不計(jì)如圖11所示,用恒力F沿導(dǎo)軌平面向下拉金屬桿ab,使金屬桿由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng),金屬桿運(yùn)動(dòng)的最大速度為vm,t s末金屬桿的速度為v1,前t s內(nèi)金屬桿的位移為x,(重力加速度為g)求:圖11(1)金屬桿速度為v1時(shí)加速度的大??;(2)整個(gè)系統(tǒng)在前t s內(nèi)產(chǎn)生的熱量答案(1)(2)mv解析(1)設(shè)金屬桿和導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)為,當(dāng)桿運(yùn)動(dòng)的速度為vm時(shí),有:Fmgsin mgcos 0當(dāng)桿的速度為v1時(shí),有:Fmgsin mgcos ma解得a(2)t s末金屬桿的速度為v1,前t s內(nèi)金屬桿的位移為x,由能量守恒得,整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的焦耳熱為Q1Fxmgxsin mgxcos mvmv.- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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