高考物理考前復(fù)習(xí)課件課件：第4章第5節(jié)《電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況》（人教版選修3—2）

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歡迎進(jìn)入物理課堂 第5節(jié)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況 電磁感應(yīng) 磁流體發(fā)電機(jī)磁流體發(fā)電機(jī)是一種將高溫的帶電流體 等離子體或液態(tài)金屬 以極高的速度噴射到磁場中去 利用磁場對帶電流體的作用而發(fā)電的一種裝置 從能量形式看它將化學(xué)能變成熱能 再將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能 它與普通火力發(fā)電機(jī)的主要區(qū)別是 在磁流體發(fā)電機(jī)中 高溫高速的帶電流體代替了普通火力發(fā)電機(jī)中的電樞繞組和轉(zhuǎn)動部分 磁流體發(fā)電機(jī)的構(gòu)造如下圖所示 由燃燒室 發(fā)電通道及磁體三個主要部件組成 其中發(fā)電通道是磁流體發(fā)電機(jī)的核心部件 磁流體發(fā)電機(jī)的主要特點(diǎn)是 發(fā)電效率高 環(huán)境污染少 實(shí)際應(yīng)用時將它作為熱循環(huán)系統(tǒng)的第一級 與普通火力發(fā)電機(jī)組成聯(lián)合電站 我們知道 常溫下的氣體是絕緣體 須在6000 以上才能電離 這樣的高溫是難以達(dá)到的 為使氣體在較低溫度下 3000 左右 就能電離 可在高溫燃燒的氣體中添加一定比例 1 的容易電離的低電離電位物質(zhì) 如鉀 銫等堿金屬化合物 磁流體發(fā)電機(jī)燃燒室產(chǎn)生的高溫等離子體經(jīng)噴管提高流速 以高溫高速進(jìn)入發(fā)電通道 切割磁感線產(chǎn)生電磁感應(yīng) 并在電極壁的兩極上形成電動勢 或者說 離子在洛倫茲力的作用下 不斷奔向兩電極 從而形成電勢差對外供電 因?yàn)镋 Blv 所以P 由此可知 利用磁流體發(fā)電 只要加快等離子體的噴射速度 增加磁感應(yīng)強(qiáng)度 就能提高磁流體發(fā)電機(jī)的功率 磁流體發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的是直流電 須經(jīng)逆變換器變換成交流電才能并入電網(wǎng) 1 磁場變化時會在空間激發(fā)一種電場 如果此時空間存在閉合導(dǎo)體 導(dǎo)體中的自由電荷就會在這種電場的作用下做定向運(yùn)動 產(chǎn)生感應(yīng)電流 或者說導(dǎo)體中產(chǎn)生了 在這種情況下 所謂的非靜電力就是這種 對自由電荷的作用 2 一段導(dǎo)體在做切割磁感線運(yùn)動時 相當(dāng)于一個 這時的非靜電力與 有關(guān) 1 感應(yīng)電動勢感應(yīng)電場2 電源洛倫茲力 一 感生電動勢1 感應(yīng)電場19世紀(jì)60年代 英國物理學(xué)家麥克斯韋在他的電磁場理論中指出 變化的磁場能在周圍空間激發(fā)電場 我們把這種電場叫感應(yīng)電場 1 產(chǎn)生如右圖所示 當(dāng)磁場變化時 產(chǎn)生的感應(yīng)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(dǎo)體 導(dǎo)體中的自由電荷就會在電場力作用下定向移動 而產(chǎn)生感應(yīng)電流 或者說導(dǎo)體中產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢 2 方向閉合環(huán)形回路 可假定存在 的電流方向就表示感應(yīng)電場的電場方向 感應(yīng)電場是否存在僅取決于有無變化的磁場 與是否存在導(dǎo)體及是否存在閉合回路無關(guān) 盡管如此 我們要判定感應(yīng)電場的方向還要依據(jù)實(shí)際存在的或假定存在的回路結(jié)合楞次定律來進(jìn)行 2 感生電動勢的產(chǎn)生由感應(yīng)電場使導(dǎo)體產(chǎn)生的電動勢叫感生電動勢 感生電動勢在電路中的作用就是充當(dāng)電源 其電路就是內(nèi)電路 當(dāng)它與外電路連接后就會對外電路供電 變化的磁場在閉合導(dǎo)體所在空間產(chǎn)生電場 導(dǎo)體內(nèi)自由電荷在電場力作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流 或者說導(dǎo)體中產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢 由此可見 感生電場就相當(dāng)于電源內(nèi)部的所謂的非靜電力 對電荷產(chǎn)生力的作用 如下圖 a 所示 截面積為0 2m2的100匝圓形線圈A處在變化的磁場中 磁場方向垂直紙面 其磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間t的變化規(guī)律如圖 b 所示 設(shè)向里為B的正方向 線圈A上的箭頭為感應(yīng)電流I的正方向 R1 4 R2 6 C 30 F 線圈內(nèi)阻不計(jì) 求電容器充電時的電壓和2s后電容器放電的電荷量 解析 由題意可知圓形線圈A上產(chǎn)生的感生電動勢E nS 100 0 02 0 2V 0 4V 電路中的電流I 0 04A 電容器充電時的電壓UC IR2 0 04A 6 0 24V 2s后電容器放電的電荷量Q CUC 30 10 6F 0 24V 7 2 10 6C 答案 0 24V7 2 10 6C 變式遷移 1 某空間出現(xiàn)了如右圖所示的閉合的電場 電場線為一簇閉合曲線 這可能是 A 沿AB方向磁場在迅速減弱B 沿AB方向磁場在迅速增加C 沿BA方向磁場在迅速增加D 沿BA方向磁場在迅速減弱 解析 根據(jù)電磁感應(yīng) 閉合回路中的磁通量變化時 使閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流 該電流可用楞次定律判斷 根據(jù)麥克斯韋電磁理論 閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流 是因?yàn)殚]合回路中受到了電場力的作用 而變化的磁場產(chǎn)生電場 與是否存在閉合回路沒有關(guān)系 故空間磁場變化產(chǎn)生的電場方向 仍然可用楞次定律判斷 四指環(huán)繞方向即為感應(yīng)電場的方向 由此可知A C正確 答案 AC 二 動生電動勢1 動生電動勢原因分析導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運(yùn)動時 產(chǎn)生動生電動勢 它是由于導(dǎo)體中自由電子受洛倫茲力作用而引起的 如下圖甲所示 一條直導(dǎo)線CD在勻強(qiáng)磁場B中以速度v向右運(yùn)動 并且導(dǎo)線CD與B v的方向垂直 由于導(dǎo)體中的自由電子隨導(dǎo)體一起以速度v運(yùn)動 因此每個電子受到的洛倫茲力為F evB F的方向豎直向下 在力F的作用下 自由電子沿導(dǎo)體向下運(yùn)動 使導(dǎo)體下端出現(xiàn)過剩的負(fù)電荷 導(dǎo)體上端出現(xiàn)過剩的正電荷 結(jié)果使導(dǎo)體上端D的電勢高于下端C的電勢 出現(xiàn)由D指向C的靜電場 此電場對電子的作用力F 是向上的 與洛倫茲力的方向相反 隨著導(dǎo)體兩端正 負(fù)電荷的積累 場強(qiáng)不斷增強(qiáng) 當(dāng)作用在自由電子上的靜電力F 與洛倫茲力F互相平衡時 DC兩端便產(chǎn)生了一個穩(wěn)定的電勢差 如果用另外的導(dǎo)線把CD兩端連接起來 由于D端電勢比C端高 自由電子在靜電力的作用下將在導(dǎo)線框中沿順時針方向流動 形成逆時針方向的感應(yīng)電流如圖乙所示 電荷的流動使CD兩端積累的電荷減少 洛倫茲力又不斷地使電子從D端運(yùn)動到C端 從而在CD兩端維持一個穩(wěn)定的電動勢 可見 運(yùn)動的導(dǎo)體CD就是一個電源 D端為正極 C端為負(fù)極 自由電子受洛倫茲力的作用 從D端被搬運(yùn)到C端 也可以看作是正電荷受洛倫茲力的作用從C端搬運(yùn)到D端 這里 洛倫茲力就相當(dāng)于電源中的非靜電力 根據(jù)電動勢的定義 電動勢等于單位正電荷從負(fù)極通過電源內(nèi)部移動到正極非靜電力所做的功 作用在單位正電荷上的洛倫茲力F vB于是 動生電動勢就是E Fl Blv上式與法拉第電磁感應(yīng)定律得到的結(jié)果一致 2 動生電動勢與感生電動勢的區(qū)別 1 相當(dāng)于電源的部分不同由于導(dǎo)體運(yùn)動而產(chǎn)生電動勢時 運(yùn)動部分的導(dǎo)體相當(dāng)于電源 而由于磁場變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢時 磁場穿過的線圈部分相當(dāng)于電源 2 的含義不同導(dǎo)體運(yùn)動產(chǎn)生的電動勢 是由于導(dǎo)體線框本身的面積發(fā)生變化而產(chǎn)生的 所以 B S 而感生電動勢 是由于 B引起的 所以 B S 如圖甲所示 兩根足夠長的直金屬導(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 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)磁場中 磁場方向垂直斜面向下 導(dǎo)軌和金屬桿的電阻可忽略 讓ab桿沿導(dǎo)軌由靜止開始下滑 導(dǎo)軌和金屬桿接觸良好 不計(jì)它們之間的摩擦 1 由b向a方向看到的裝置如圖乙所示 請?jiān)诖藞D中畫出ab桿下滑過程中某時刻的受力示意圖 2 在加速下滑過程中 當(dāng)ab桿的速度大小為v時 求此時ab桿中的電流及其加速度的大小 3 求在下滑過程中 ab桿可以達(dá)到的最大速度 答案 1 重力mg 方向豎直向下 支持力FN 方向垂直斜面向上 安培力F 方向平行斜面向上 如右圖所示 變式遷移 2 如右圖所示 水平地面上方有正交的勻強(qiáng)電場E和勻強(qiáng)磁場B 電場方向豎直向下 磁場方向垂直紙面向外 等腰三角形的金屬框由底邊呈水平位置開始沿豎直平面的電磁場中由靜止開始下落 下落過程中三角形平面始終在豎直平面內(nèi) 不計(jì)阻力 a b落到地面的次序是 A a先于bB b先于aC a b同時落地D 無法判斷 解析 本題考查由楞次定律判定感應(yīng)電動勢的方向 本題關(guān)鍵是用楞次定律判定感應(yīng)電動勢的方向 并理解感應(yīng)電動勢的正 負(fù)極是聚集著正 負(fù)電荷 當(dāng) abc線框下落時 閉合回路中磁通量沒有發(fā)生變化 回路不產(chǎn)生感應(yīng)電流 但由于各邊都在切割磁感線 所以會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 根據(jù)楞次定律 可以判定出a點(diǎn)的電勢高 是電源的正極 B點(diǎn)的電勢低 是電源的負(fù)極 a點(diǎn)聚集著多余的正電荷 b點(diǎn)聚集著負(fù)電荷 a點(diǎn)的正電荷受到的電場力向下 使a點(diǎn)加速度 g b點(diǎn)的負(fù)電荷受到的電場力向上 使b點(diǎn)加速度 g 故a點(diǎn)先落地 故正確答案為A 答案 A 三 電磁感應(yīng)中的能量問題電磁感應(yīng)現(xiàn)象中總是伴隨著能量的轉(zhuǎn)化和守恒 當(dāng)外力克服安培力做多少功時 就有多少其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能 當(dāng)安培力做多少正功時 就有多少電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能 例如 將條形磁鐵插入或拔出閉合的螺線管的相對運(yùn)動 阻礙不等于阻止 相對運(yùn)動繼續(xù)進(jìn)行 在整個過程中外力克服磁場力做功 把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能 再如導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流會受到安培力的作用 安培力的方向與推動導(dǎo)體運(yùn)動的外力方向是相反的 推動力克服安培力做功 以電流的形式使導(dǎo)線及環(huán)境的溫度升高 如下圖所示 水平放置的平行軌道M N間接一阻值為R 0 128 的電阻 軌道寬為L 0 8m 軌道上搭一金屬棒ab 其質(zhì)量m 0 4kg ab與軌道間動摩擦因數(shù)為0 5 除R外其余電阻不計(jì) 垂直于軌道面的勻強(qiáng)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 2T ab在一電動機(jī)牽引下由靜止開始運(yùn)動 經(jīng)過2s ab運(yùn)動了1 2m并達(dá)到最大速度 此過程中電動機(jī)平均輸出功率為8W 最大輸出功率為14 4W 求該過程中電阻R上消耗的電能 取g 10m s2 變式遷移 3 如下圖所示 固定的水平放置金屬導(dǎo)軌 間距為L 左端接有阻值為R的電阻 處在方向豎直 磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中 質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒與固定的彈簧相連 放在導(dǎo)軌上 導(dǎo)軌與導(dǎo)體棒的電阻均可忽略 初始時刻 彈簧恰處于自然長度 導(dǎo)體棒具有水平向右的初速度v0 在沿導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動的過程中 導(dǎo)體棒始終與導(dǎo)軌垂直并保持良好接觸 1 求初始時刻導(dǎo)體棒受到的安培力 2 若導(dǎo)體棒從初始時刻到速度第一次為零時 彈簧的彈性勢能為Ep 則這一過程中安培力所做的功W1和電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q1分別為多少 3 導(dǎo)體棒往復(fù)運(yùn)動 最終將靜止于何處 從導(dǎo)體棒開始運(yùn)動直到最終靜止的過程中 電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q為多少 1 如下圖所示 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(qiáng)磁場中 下列敘述正確的是 A ab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 基礎(chǔ)鞏固 7 2011年北京海淀 水平面內(nèi)兩光滑的平行金屬導(dǎo)軌 左端與電阻R相連接 勻強(qiáng)磁場B豎直向下分布在導(dǎo)軌所在的空間內(nèi) 質(zhì)量一定的金屬棒垂直于導(dǎo)軌并與導(dǎo)軌接觸良好 今對金屬棒施加一個水平向右的外力F 使金屬棒從a位置開始向右做初速度為零的勻加速運(yùn)動 依次通過位置b和c 若導(dǎo)軌與金屬棒的電阻不計(jì) ab與bc的距離相等 關(guān)于金屬棒在運(yùn)動過程中的有關(guān)說法正確的是 能力提升 A 金屬棒通過b c兩位置時 電阻R的電功率之比為1 2B 金屬棒通過b c兩位置時 外力F的大小之比為1 C 從a到b和從b到c的兩個過程中 電阻R上產(chǎn)生的熱量之比為1 1D 從a到b和從b到c的兩個過程中 通過金屬棒橫截面的電荷量之比為1 1 祝 您 學(xué)業(yè)有成 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全