粵教版選修32 第一章 第五節(jié) 電磁感應(yīng)規(guī)律的應(yīng)用 學(xué)案.doc

第五節(jié)電磁感應(yīng)規(guī)律的應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)1.理解什么是法拉第電機(jī).2.掌握電磁感應(yīng)現(xiàn)象中電路問題的分析方法和解題基本思路.3.能解決電磁感應(yīng)中的能量問題一、法拉第電機(jī)導(dǎo)學(xué)探究(1)參考課本法拉第圓盤發(fā)電機(jī)的構(gòu)造圖，簡單說明法拉第圓盤發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電流的原因(2)如圖1所示，當(dāng)將導(dǎo)體棒和電阻組成閉合電路時，電路的哪部分相當(dāng)于電源？電源的正極和負(fù)極在電路的哪個位置？電源內(nèi)部電流方向如何？圖1答案(1)法拉第電機(jī)的圓盤是由無數(shù)根輻條組成的，每根輻條做切割磁感線運動，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電路閉合時產(chǎn)生感應(yīng)電流(2)ab導(dǎo)體棒相當(dāng)于電源，a是電源正極，b是電源負(fù)極，電源內(nèi)部電流由負(fù)極流向正極知識梳理1轉(zhuǎn)動切割磁感線產(chǎn)生的電動勢導(dǎo)體棒的一端為軸轉(zhuǎn)動切割磁感線：由vr可知各點線速度隨半徑按線性規(guī)律變化，切割速度用中點的線速度替代，即v或v.感應(yīng)電動勢ebl2.2感應(yīng)電動勢的方向圖1中導(dǎo)體棒ab在轉(zhuǎn)動切割磁感線時產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，相當(dāng)于電源，如果它與用電器連接構(gòu)成閉合電路，則產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向由b向a(右手定則)，而電源內(nèi)部電流方向是由負(fù)極流向正極，所以a為電動勢的正極，b為電動勢的負(fù)極即學(xué)即用一直升機(jī)停在南半球的地磁極上空該處地磁場的方向豎直向上，磁感應(yīng)強度為b.直升機(jī)螺旋槳葉片的長度為l，螺旋槳轉(zhuǎn)動的頻率為f，順著地磁場的方向看螺旋槳，螺旋槳按順時針方向轉(zhuǎn)動，螺旋槳葉片的近軸端為a，遠(yuǎn)軸端為b，如圖2所示，如果忽略a到轉(zhuǎn)軸中心線的距離，每個葉片中的感應(yīng)電動勢e_，且a點電勢_b點電勢(填“高于”或“低于”)圖2答案fl2b低于二、電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化導(dǎo)學(xué)探究(1)如圖3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)強度為b的勻強磁場中，磁場方向垂直于斜面向下，導(dǎo)軌和金屬桿的電阻可忽略不計，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，不計它們之間的摩擦試在同一圖中畫出該電路的側(cè)視圖和金屬桿ab的受力分析圖圖3(2)電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的“阻礙”就是能量守恒的具體體現(xiàn)，在這種“阻礙”的過程中，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能分析上圖金屬桿下滑過程中的何種形式的能轉(zhuǎn)化為電能？還可能有哪幾種形式的能量轉(zhuǎn)化？答案(1)如圖所示(2)金屬桿在下滑過程中金屬桿的重力勢能轉(zhuǎn)化為電能，如果金屬桿的速度增大，金屬桿的重力勢能還有一部分轉(zhuǎn)化為金屬桿的動能知識梳理在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的那部分導(dǎo)體相當(dāng)于電源如果電路閉合，電路中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，而導(dǎo)體又處在磁場中，因此導(dǎo)體將受到安培力的作用，如圖4所示導(dǎo)體ab向右運動，會產(chǎn)生由b流向a的感應(yīng)電流，在磁場中，通電導(dǎo)體ab要受到向左的安培力作用圖4電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電能是通過克服安培力做功轉(zhuǎn)化而來的克服安培力做了多少功，就有多少電能產(chǎn)生，而這些電能又通過電流做功而轉(zhuǎn)化為其他形式的能因此，電磁感應(yīng)現(xiàn)象符合能量守恒定律即學(xué)即用如圖5所示，勻強磁場方向豎直向下，磁感應(yīng)強度為b.正方形金屬框abcd可繞光滑軸oo轉(zhuǎn)動，邊長為l，總電阻為r，ab邊質(zhì)量為m，其他三邊質(zhì)量不計，現(xiàn)將abcd拉至水平位置，并由靜止釋放，經(jīng)一定時間到達(dá)豎直位置，ab邊的速度大小為v，則在金屬框內(nèi)產(chǎn)生的熱量大小等于_圖5答案mglmv2一、電磁感應(yīng)中的電路問題電磁感應(yīng)問題常與電路知識綜合考查，解決此類問題的基本方法是：(1)明確哪部分電路或?qū)w產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該電路或?qū)w就相當(dāng)于電源，其他部分是外電路(2)畫等效電路圖，分清內(nèi)、外電路(3)用法拉第電磁感應(yīng)定律en或eblv確定感應(yīng)電動勢的大小，用楞次定律或右手定則確定感應(yīng)電流的方向在等效電源內(nèi)部，電流方向從負(fù)極指向正極(4)運用閉合電路歐姆定律、串并聯(lián)電路特點、電功率、電熱等公式聯(lián)立求解例1固定在勻強磁場中的正方形導(dǎo)線框abcd邊長為l，其中ab是一段電阻為r的均勻電阻絲，其余三邊均為電阻可以忽略的銅線磁感應(yīng)強度為b，方向垂直紙面向里現(xiàn)有一段與ab段的材料、粗細(xì)、長度均相同的電阻絲pq架在導(dǎo)線框上(如圖6所示)若pq以恒定的速度v從ad滑向bc，當(dāng)其滑過的距離時，通過ap段的電流是多大？方向如何？圖6答案方向由p到a解析pq在磁場中做切割磁感線運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由于是閉合回路，故電路中有感應(yīng)電流，可將電阻絲pq視為有內(nèi)阻的電源，電阻絲ap與bp并聯(lián)，且rapr、rbpr，于是可畫出如圖所示的等效電路圖電源電動勢為ebvl，外電阻為r外r.總電阻為r總r外rrr，即r總r.電路中的電流為：i.通過ap段的電流為：iapi，方向由p到a.1“電源”的確定方法：“切割”磁感線的導(dǎo)體(或磁通量發(fā)生變化的線圈)相當(dāng)于“電源”，該部分導(dǎo)體(或線圈)的電阻相當(dāng)于“內(nèi)電阻”2電流的流向：在“電源”內(nèi)部電流從負(fù)極流向正極，在“電源”外部電流從正極流向負(fù)極針對訓(xùn)練1用均勻?qū)Ь€做成的正方形線框邊長為0.2m，正方形的一半放在垂直紙面向里的勻強磁場中，如圖7所示當(dāng)磁場以10t/s的變化率增強時，線框上a、b兩點間的電勢差是()圖7auab0.1vbuab0.1vcuab0.2vduab0.2v答案b解析穿過正方形線框左半部分的磁通量變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而在線框中產(chǎn)生感應(yīng)電流，把左半部分線框看成電源，設(shè)其電動勢為e，正方形線框的總電阻為r，則內(nèi)電阻為，畫出等效電路如圖所示則a、b兩點間的電勢差即為電源的路端電壓，設(shè)l是邊長，且依題意知10t/s.由e得e10v0.2v，所以uiv0.1v由于a點電勢低于b點電勢，故uab0.1v，即b選項正確二、電磁感應(yīng)中的能量問題1電磁感應(yīng)中能量的轉(zhuǎn)化電磁感應(yīng)過程實質(zhì)是不同形式的能量相互轉(zhuǎn)化的過程，其能量轉(zhuǎn)化方式為：2求解電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能量問題的一般思路(1)確定回路，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：有滑動摩擦力做功，必有內(nèi)能產(chǎn)生；有重力做功，重力勢能必然發(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；如果安培力做正功，就是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能(3)列有關(guān)能量的關(guān)系式例2如圖8所示，足夠長的平行光滑u形導(dǎo)軌傾斜放置，所在平面的傾角37，導(dǎo)軌間的距離l1.0m，下端連接r1.6的電阻，導(dǎo)軌電阻不計，所在空間存在垂直于導(dǎo)軌平面向上的勻強磁場，磁感應(yīng)強度b1.0t質(zhì)量m0.5kg、電阻r0.4的金屬棒ab垂直置于導(dǎo)軌上，現(xiàn)用沿導(dǎo)軌平面且垂直于金屬棒、大小為f5.0n的恒力使金屬棒ab從靜止開始沿導(dǎo)軌向上滑行，當(dāng)金屬棒滑行s2.8m后速度保持不變求：(sin370.6，cos370.8，g10m/s2)圖8(1)金屬棒勻速運動時的速度大小v；(2)金屬棒從靜止到剛開始勻速運動的過程中，電阻r上產(chǎn)生的熱量qr.答案(1)4m/s(2)1.28j解析(1)金屬棒勻速運動時產(chǎn)生的感應(yīng)電流為i由平衡條件有fmgsinbil代入數(shù)據(jù)解得v4m/s.(2)設(shè)整個電路中產(chǎn)生的熱量為q，由能量守恒定律有qfsmgssinmv2而qrq，代入數(shù)據(jù)解得qr1.28j.針對訓(xùn)練2水平放置的光滑平行導(dǎo)軌上放置一根長為l、質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒ab，ab處在磁感應(yīng)強度大小為b、方向如圖9所示的勻強磁場中，導(dǎo)軌的一端接一阻值為r的電阻，導(dǎo)軌及導(dǎo)體棒電阻不計現(xiàn)使ab在水平恒力f作用下由靜止沿垂直于磁場的方向運動，當(dāng)通過的位移為s時，ab達(dá)到最大速度vm.此時撤去外力，最后ab靜止在導(dǎo)軌上在ab運動的整個過程中，下列說法正確的是()圖9a撤去外力后，ab做勻減速運動b合力對ab做的功為fscr上釋放的熱量為fsmvdr上釋放的熱量為fs答案d解析撤去外力后，導(dǎo)體棒水平方向只受安培力作用，而f安，f安隨v的變化而變化，故導(dǎo)體棒做加速度變化的變速運動，a錯；對整個過程由動能定理得w合ek0，b錯；由能量守恒定律知，恒力f做的功等于整個回路產(chǎn)生的電能，電能又轉(zhuǎn)化為r上釋放的熱量，即qfs，c錯，d正確1如圖10所示，由均勻?qū)Ь€制成的半徑為r的圓環(huán)，以速度v勻速進(jìn)入一磁感應(yīng)強度大小為b的勻強磁場當(dāng)圓環(huán)運動到圖示位置(aob90)時，a、b兩點的電勢差為()圖10a.brvb.brvc.brvd.brv答案d解析設(shè)整個圓環(huán)電阻是r，則其外電阻是圓環(huán)總電阻的，而在磁場內(nèi)切割磁感線的有效長度是r，其相當(dāng)于電源，ebrv，根據(jù)歐姆定律可得uebrv，選項d正確2.如圖11所示，豎直平面內(nèi)有一金屬圓環(huán)，半徑為a，總電阻為r(指拉直時兩端的電阻)，磁感應(yīng)強度為b的勻強磁場垂直穿過環(huán)平面，與環(huán)的最高點a用鉸鏈連接長度為2a、電阻為的導(dǎo)體棒ab，ab由水平位置緊貼環(huán)面擺下，當(dāng)擺到豎直位置時，b點的線速度為v，則這時ab兩端的電壓大小為()圖11a.b.c.dbav答案a解析擺到豎直位置時，ab切割磁感線的瞬時感應(yīng)電動勢eb2a(v)bav.由閉合電路歐姆定律有uabbav，故選a.3.如圖12所示，豎直放置的兩根平行金屬導(dǎo)軌之間接有定值電阻r，質(zhì)量不能忽略的金屬棒與兩導(dǎo)軌始終保持垂直并良好接觸且無摩擦，棒與導(dǎo)軌的電阻均不計，整個裝置放在勻強磁場中，磁場方向與導(dǎo)軌平面垂直，棒在豎直向上的恒力f作用下加速上升的一段時間內(nèi)，力f做的功與安培力做的功的代數(shù)和等于()圖12a棒的機(jī)械能增加量b棒的動能增加量c棒的重力勢能增加量d電阻r上產(chǎn)生的熱量答案a解析棒加速上升時受到重力、拉力f及安培力根據(jù)功能關(guān)系可知，力f與安培力做的功的代數(shù)和等于棒的機(jī)械能的增加量，a正確4.長為l的金屬棒ab以a點為軸在垂直于勻強磁場的平面內(nèi)以角速度做勻速轉(zhuǎn)動，如圖13所示，磁感應(yīng)強度為b.求：圖13(1)ab棒的平均速率；(2)ab兩端的電勢差；(3)經(jīng)時間t金屬棒ab所掃過面積中磁通量為多少？此過程中平均感應(yīng)電動勢多大？答案(1)l(2)bl2(3)bl2tbl2解析(1)ab棒的平均速率l.(2)ab兩端的電勢差：eblbl2.(3)經(jīng)時間t金屬棒ab所掃過的扇形面積為s，則：sl2l2t，bsbl2t.由法拉第電磁感應(yīng)定律得：bl2.一、選擇題(18題為單選題，911題為多選題)1.如圖1所示，設(shè)磁感應(yīng)強度為b，ef長為l，ef的電阻為r，外電阻為r，其余電阻不計當(dāng)ef在外力作用下向右以速度v勻速運動時，則ef兩端的電壓為()圖1ablvb.c.d.答案b2.如圖2所示，邊長為l的正方形線圈與勻強磁場垂直，磁感應(yīng)強度為b.當(dāng)線圈按圖示方向以速度v垂直b運動時，下列判斷正確的是()圖2a線圈中無電流，abcdb線圈中無電流，abdcc線圈中有電流，abcdd線圈中有電流，abdc答案b解析線圈在運動過程中，穿過線圈的磁通量不變，所以在線圈中不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，c、d錯誤導(dǎo)線兩端有電勢差，根據(jù)右手定則，可知b正確3.如圖3所示，導(dǎo)體棒ab的長為2r，繞o點以角速度勻速轉(zhuǎn)動，ob長為r，且o、b、a三點在一條直線上，有一磁感應(yīng)強度為b的勻強磁場充滿轉(zhuǎn)動平面且與轉(zhuǎn)動平面垂直，那么ab兩端的電勢差大小為()圖3a.br2b2br2c4br2d6br2答案c解析a點線速度va3r，b點線速度vbr，ab棒切割磁感線的平均速度2r，由eblv得，ab兩端的電勢差大小為eb2r4br2，c正確4.如圖4，直角三角形金屬框abc放置在勻強磁場中，磁感應(yīng)強度大小為b，方向平行于ab邊向上當(dāng)金屬框繞ab邊以角速度逆時針轉(zhuǎn)動時，a、b、c三點的電勢分別為a、b、c.已知bc邊的長度為l.下列判斷正確的是()圖4aac，金屬框中無電流bbc，金屬框中電流方向沿abcacbcbl2，金屬框中無電流dbcbl2，金屬框中電流方向沿acba答案c解析金屬框abc平面與磁場平行，轉(zhuǎn)動過程中磁通量始終為零，所以無感應(yīng)電流產(chǎn)生，選項b、d錯誤轉(zhuǎn)動過程中bc邊和ac邊均切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由右手定則判斷ac，bb答案bd解析因金屬棒所在區(qū)域的磁場的方向垂直于紙面向外，當(dāng)金屬棒轉(zhuǎn)動時，由右手定則可知，a端的電勢高于b端的電勢，b端聚積電子，選項b、d正確，a錯誤；因a、b兩端存在電壓，由e知，金屬棒內(nèi)電場強度不為零，故c錯誤10如圖10所示，位于一水平面內(nèi)的兩根平行的光滑金屬導(dǎo)軌，處在勻強磁場中，磁場方向垂直于導(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，使它由靜止開始向右運動桿和導(dǎo)軌的電阻、感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場均可不計用e表示回路中的感應(yīng)電動勢，i表示回路中的感應(yīng)電流，在i隨時間增大的過程中，電阻消耗的功率等于 ()圖10af的功率b安培力的功率的絕對值cf與安培力的合力的功率die答案bd11.如圖11所示，兩根光滑的金屬導(dǎo)軌，平行放置在傾角為的斜面上，導(dǎo)軌的左端接有電阻r，導(dǎo)軌自身的電阻可忽略不計斜面處在一勻強磁場中，磁場方向垂直于斜面向上質(zhì)量為m、電阻可以忽略不計的金屬棒ab，在沿著斜面且與棒垂直的恒力f作用下沿導(dǎo)軌勻速上滑，且上升的高度為h，在這一過程中 ()圖11a作用于金屬棒上的各個力的合力所做的功等于零b作用于金屬棒上的各個力的合力所做的功等于mgh與電阻r上產(chǎn)生的焦耳熱之和c恒力f與安培力的合力所做的功等于零d恒力f與重力的合力所做的功等于電阻r上產(chǎn)生的焦耳熱答案ad解析金屬棒勻速上滑的過程中，對金屬棒受力分析可知，有三個力對金屬棒做功，恒力f