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

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自主學習 基礎(chǔ)知識 5電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況 學習目標 1 知道感生電動勢 動生電動勢的概念 知道產(chǎn)生感生電動勢的非靜電力是感生電場的作用 產(chǎn)生動生電動勢的非靜電力與洛倫茲力有關(guān) 2 會用楞次定律判斷感生電場的方向 用左手定則判斷洛倫茲力的方向 重點 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 電路等知識的綜合問題 難點 合作探究 重難疑點 解題技巧 素養(yǎng)培優(yōu) 1 感生電場 磁場 時在空間激發(fā)的一種電場 它是由英國物理學家 提出的 2 感生電動勢 由 產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢 它的方向與感生電場的方向 與感應(yīng)電流的方向 3 感生電動勢中的非靜電力 就是 對自由電荷的作用力 變化 麥克斯韋 感生電場 相同 相同 感生電場 感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流 哪一個更能反映電磁感應(yīng)的本質(zhì) 提示 當穿過回路的磁通量發(fā)生變化時 回路中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 如果回路閉合 就會產(chǎn)生感應(yīng)電流 而不論回路是否閉合 都有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生 但不一定有感應(yīng)電流 所以感應(yīng)電動勢比感應(yīng)電流更能反映電磁感應(yīng)的本質(zhì) 1 磁場可以對電荷做功 2 感生電場可以對電荷做功 3 磁場越強 磁場變化時產(chǎn)生的感生電場越強 1 成因?qū)w棒做切割磁感線運動時 導(dǎo)體棒中的自由電荷隨棒一起定向運動 并因此受到洛倫茲力 2 動生電動勢 由于 而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢 3 動生電動勢中的非靜電力 與 有關(guān) 導(dǎo)體運動 洛倫茲力 感生電動勢與動生電動勢產(chǎn)生原因是否相同 提示 不相同 感生電動勢是由于磁場變化而引起的 動生電動勢是由于導(dǎo)體切割磁感線而引起的 預(yù)習完成后 請把你認為難以解決的問題記錄在下面的表格中 學生分組探究一對感生電動勢與動生電動勢的理解第1步探究 分層設(shè)問 破解疑難1 1 什么叫動生電動勢 2 動生電動勢的產(chǎn)生與電路是閉合還是斷開有關(guān)嗎 提示 1 由于導(dǎo)體棒做切割磁感線的運動 而在導(dǎo)體棒兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢 叫做動生電動勢 2 無關(guān) 無論電路閉合還是斷開 只要有導(dǎo)體做切割磁感線的運動 電路中就有動生電動勢產(chǎn)生 當電路閉合 其一部分導(dǎo)體做切割磁感線的運動時 電路中有感應(yīng)電流產(chǎn)生 2 什么是感生電場 感生電場與感應(yīng)電流的關(guān)系是什么 3 感生電動勢和動生電動勢的產(chǎn)生原因是否相同 提示 不同 感生電動勢是感生電場對自由電荷作用產(chǎn)生的 動生電動勢是洛倫茲力對自由電荷作用產(chǎn)生的 第2步結(jié)論 自我總結(jié) 素能培養(yǎng)1 感生電動勢與動生電動勢產(chǎn)生機理的理解 1 磁感應(yīng)強度變化產(chǎn)生的感生電動勢是由變化的磁場產(chǎn)生感生電場 線圈中的自由電荷受到靜電力作用定向移動形成的 2 導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生的動生電動勢是由于自由電荷受到洛倫茲力作用定向移動形成的 2 感生電動勢與動生電動勢的比較 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 當磁感應(yīng)強度變化時 在垂直于磁場的方向上會產(chǎn)生感生電場 下列有關(guān)磁感應(yīng)強度的變化與感生電場的方向關(guān)系的描述正確的是 A 當磁感應(yīng)強度均勻增大時 感生電場的電場線從上向下看應(yīng)為順時針方向B 當磁感應(yīng)強度均勻增大時 感生電場的電場線從上向下看應(yīng)為逆時針方向 C 當磁感應(yīng)強度均勻減小時 感生電場的電場線從上向下看應(yīng)為順時針方向D 當磁感應(yīng)強度均勻減小時 感生電場的電場線從上向下看應(yīng)為逆時針方向 思路點撥 感生電場的方向與感生電動勢 感應(yīng)電流的方向相同 因此可以用楞次定律分析 解析 感生電場中電場線的方向用楞次定律來判定 原磁場向上且磁感應(yīng)強度在增大 在周圍有閉合導(dǎo)線的情況下 感應(yīng)電流的磁場方向應(yīng)與原磁場方向相反 即感應(yīng)電流的磁場方向向下 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)為順時針方向 則感生電場的方向從上向下看也為順時針方向 同理可知 原磁場方向向上且磁感應(yīng)強度減小時 感生電場的方向從上向下看應(yīng)為逆時針方向 所以A D對 答案 AD 感生電場的特點 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(guān) 3 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(yīng)電流的方向確定 第4步巧練 精選習題 落實強化1 如圖4 5 2所示的是一個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 有一變化的磁場垂直穿過玻璃圓環(huán)形小槽外徑所對應(yīng)的圓面積 磁感應(yīng)強度的大小跟時間成正比例增大 方向豎直向下 設(shè)小球在運動過程中電荷量不變 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 磁場力對小球做了功D 小球受到的磁場力大小與時間成正比 解析 本題解題關(guān)鍵是由楞次定律判斷出感生電場的方向 當磁感應(yīng)強度隨時間均勻增大時 將產(chǎn)生一恒定的感生電場 由楞次定律知 電場方向和小球初速度方向相同 因小球帶正電 電場力對小球做正功 小球速率逐漸增大 向心力也隨著增大 故A錯 B對 洛倫茲力對運動電荷不做功 故C錯 帶電小球所受洛倫茲力F qBv 隨著速率的增大而增大 同時B t 則F和t不成正比 故D錯 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線 這可能是 A 沿AB方向的磁場迅速減弱B 沿AB方向的磁場迅速增強C 沿BA方向的磁場迅速增強D 沿BA方向的磁場迅速減弱圖4 5 3 解析 假設(shè)存在圓形閉合回路 回路中應(yīng)產(chǎn)生與電場同向的感應(yīng)電流 由安培定則知 感應(yīng)電流的磁場方向向下 所以根據(jù)楞次定律 引起感應(yīng)電流的應(yīng)是方向向下的磁場迅速減弱或方向向上的磁場迅速增強 故A C正確 答案 AC 學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 破解疑難1 與感生電動勢有關(guān)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象中 能量怎樣轉(zhuǎn)化 提示 變化的磁場產(chǎn)生非靜電場 由電場力推動電荷做功 將磁場能轉(zhuǎn)化為電能 2 與動生電動勢有關(guān)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象中 能量怎樣轉(zhuǎn)化 提示 隨導(dǎo)體棒運動的電荷受到洛倫茲力 從導(dǎo)體棒一端移動到另一端 是一個與洛倫茲力有關(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)電動勢的那部分電路等效為電源 畫出等效電路圖 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)等知識進行分析 2 電磁感應(yīng)現(xiàn)象中涉及收尾速度問題時的動態(tài)分析 周而復(fù)始地循環(huán) 達到最終狀態(tài)時 加速度等于零 導(dǎo)體達到穩(wěn)定運動狀態(tài) 3 能量轉(zhuǎn)化與守恒的分析 電磁感應(yīng)過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 重力勢能減少 一部分用來克服安培力做功轉(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)化為金屬棒的動能 若導(dǎo)軌足夠長 棒最終達到穩(wěn)定狀態(tài)勻速運動時 重力勢能的減少則完全用來克服安培力做功轉(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 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)軌平面的勻強磁場 磁感應(yīng)強度為0 8T 將導(dǎo)體棒MN由靜止釋放 運動一段時間后 小燈泡穩(wěn)定發(fā)光 此后導(dǎo)體棒MN的運動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)電動勢恒定及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問題的關(guān)鍵 對導(dǎo)體棒進行受力分析做出截面圖 如圖所示 導(dǎo)體棒共受四個力作用 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 通過電路中所消耗的電能來計算 第4步巧練 精選習題 落實強化1 多選 如圖4 5 6所示 兩根足夠長的光滑導(dǎo)軌豎直放置 間距為L 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)強度為B的勻強磁場垂直 除電阻R外其余電阻均不計 現(xiàn)將金屬棒從彈簧原長位置由靜止釋放 則 A 釋放瞬間金屬棒的加速度等于重力加速度gB 金屬棒向下運動時 流過電阻R的電流方向為a b 金屬棒減少的重力勢能轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能 金屬棒的動能以及電阻R上產(chǎn)生的內(nèi)能 因此選項D錯誤 答案 AC 2 法拉第曾提出一種利用河流發(fā)電的設(shè)想 并進行了實驗研究 實驗裝置的示意圖如圖4 5 7所示 兩塊面積均為S的矩形金屬板 平行 正對 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 地磁場磁感應(yīng)強度的豎直分量為B 水的電阻率為 水面上方有一阻值為R的電阻通過絕緣導(dǎo)線和開關(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)電裝置的電動勢 2 通過電阻R的電流大小 3 電阻R消耗的電功率 電磁感應(yīng)中的力學問題的分析方法由于通過導(dǎo)體的感應(yīng)電流在磁場中將受到安培力作用 因此電磁感應(yīng)問題往往和力學問題綜合在一起考查 1 理解電磁感應(yīng)問題中的兩個研究對象及其之間的相互制約關(guān)系 2 理解力和運動的動態(tài)關(guān)系3 解決電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的力學問題的思路 1 對電學對象要畫好必要的等效電路圖 2 對力學對象要畫好必要的受力分析圖和過程示意圖 3 電磁感應(yīng)中切割磁感線的導(dǎo)體要運動 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)體的運動狀態(tài)發(fā)生變化 這就可能需要應(yīng)用牛頓運動定律 4 解決電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的力學問題的基本步驟 1 用法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律求感應(yīng)電動勢的大小和方向 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 列動力學方程或平衡方程求解 如圖4 5 8所示 AB CD是兩根足夠長的固定平行金屬導(dǎo)軌 兩導(dǎo)軌間的距離為L 導(dǎo)軌平面與水平面間的夾角為 在整個導(dǎo)軌平面內(nèi)都有垂直于導(dǎo)軌平面斜向上的勻強磁場 磁感應(yīng)強度為B 在導(dǎo)軌的AC端連接一個阻值為R的電阻 一根質(zhì)量為m 垂直于導(dǎo)軌放置的金屬棒ab 從靜止開始沿導(dǎo)軌下滑 求此過程中ab棒的最大速度 已知ab與導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)為 導(dǎo)軌和金屬棒的電阻都不計 思路點撥 ab沿導(dǎo)軌下滑過程中受四個力作用 即重力mg 支持力FN 摩擦力Ff和安培力F安 如圖所示 ab由靜止開始下滑后 將是v E I F安 a 為增大符號 所以這是個變加速過程 當加速度減到a 0時 其速度增到最大v vmax 此時處于平衡狀態(tài) 以后將以vmax勻速下滑 解析 ab下滑時因切割磁感線 要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 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)電流方向為aACba 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)軌的兩個方向?qū)b所受的力進行正交分解 應(yīng)有FN mgcos Ff mgcos 先看名師指津 1 電磁感應(yīng)中的動態(tài)分析 是處理電磁感應(yīng)問題的關(guān)鍵 要學會從動態(tài)分析的過程中來選擇是從動力學方面 還是從能量 動量方面來解決問題 2 在分析運動導(dǎo)體的受力時 常需畫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 其水平部分粗糙 傾斜部分光滑 且水平部分置于B 0 6T豎直向上的勻強磁場中 傾斜部分處沒有磁場 已知導(dǎo)線a和b的質(zhì)量均為0 2kg 電阻均為0 15 開始時a b相距足夠遠 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)線和導(dǎo)軌間動摩擦因數(shù) 0 1 當導(dǎo)線b的速度最大時 導(dǎo)線a的加速度是多少