2017-2018學(xué)年高中創(chuàng)新設(shè)計(jì)物理教科版選修3-2課件：第一章 5 電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒

1、第一章電磁感應(yīng)1.綜合運(yùn)用楞次定律和法拉第電磁感應(yīng)定律解決電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題.2.會(huì)分析電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化問(wèn)題.目標(biāo)定位二、電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒欄目索引一、電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題對(duì)點(diǎn)檢測(cè) 自查自糾一、電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題n知識(shí)梳理1.具有感應(yīng)電流的導(dǎo)體在磁場(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(lèi)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)求回路中的感應(yīng)電流的大小和方向.(3)分析導(dǎo)體的受力情況(包括安培力).(4)列動(dòng)力學(xué)方程或平衡方程求解.2.兩種狀態(tài)處理：(1)導(dǎo)體處于平衡狀態(tài)靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).處

2、理方法：根據(jù)平衡條件合力等于零列式分析.(2)導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài)加速度不為零.處理方法：根據(jù)牛頓第二定律進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析或結(jié)合功能關(guān)系分析.n典例精析例例1如圖1所示，空間存在B0.5 T、方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，MN、PQ是水平放置的平行長(zhǎng)直導(dǎo)軌，其間距L0.2 m，電阻R0.3 接在導(dǎo)軌一端，ab是跨接在導(dǎo)軌上質(zhì)量m0.1 kg、電阻r0.1 的導(dǎo)體棒，已知導(dǎo)體棒和導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.2.從零時(shí)刻開(kāi)始，對(duì)ab棒施加一個(gè)大小為F0.45 N、方向水平向左的恒定拉力，使其從靜止開(kāi)始沿導(dǎo)軌滑動(dòng)，過(guò)程中棒始終保持與導(dǎo)軌垂直且接觸良好，求：(g10 m/s2)(1)導(dǎo)體棒所能達(dá)到的最大速度；圖1解析

3、答案解析解析ab棒在拉力F作用下運(yùn)動(dòng)，隨著ab棒切割磁感線運(yùn)動(dòng)的速度增大，棒中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大，棒中感應(yīng)電流增大，棒受到的安培力也增大，最終達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)棒的速度達(dá)到最大值.外力在克服安培力做功的過(guò)程中，消耗了其他形式的能，轉(zhuǎn)化成了電能，最終轉(zhuǎn)化成了焦耳熱.導(dǎo)體棒切割磁感線運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：解析答案EBLv 導(dǎo)體棒受到的安培力F安BIL 導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到拉力F、安培力F安和摩擦力f的作用，根據(jù)牛頓第二定律：由上式可以看出，隨著速度的增大，安培力增大，加速度a減小，當(dāng)加速度a減小到0時(shí)，速度達(dá)到最大.答案答案10 m/sFmgF安ma(2)試定性畫(huà)出導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)的速度時(shí)間圖像.解析解析導(dǎo)

4、體棒運(yùn)動(dòng)的速度時(shí)間圖像如圖所示.答案答案見(jiàn)解析圖解析答案總結(jié)提升總結(jié)提升電磁感應(yīng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題中，要把握好受力情況、運(yùn)動(dòng)情況的動(dòng)態(tài)分析.基本思路是：導(dǎo)體受外力運(yùn)動(dòng) 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 感應(yīng)電流 導(dǎo)體受安培力 合外力變化 加速度變化 速度變化 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化a0，v最大值.周而復(fù)始地循環(huán)，循環(huán)結(jié)束時(shí)，加速度等于零，導(dǎo)體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，a0，速度v達(dá)到最大值.E BL vEIR r F BILFma合例例2如圖2所示，豎直平面內(nèi)有足夠長(zhǎng)的金屬導(dǎo)軌，導(dǎo)軌間距為0.2 m，金屬導(dǎo)體ab可在導(dǎo)軌上無(wú)摩擦地上下滑動(dòng)，ab的電阻為0.4 ，導(dǎo)軌電阻不計(jì)，導(dǎo)體ab的質(zhì)量為0.2 g，垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

5、0.2 T，且磁場(chǎng)區(qū)域足夠大，當(dāng)導(dǎo)體ab自由下落0.4 s時(shí)，突然閉合開(kāi)關(guān)S，則：(g取10 m/s2) (1)試說(shuō)出S接通后，導(dǎo)體ab的運(yùn)動(dòng)情況；圖2解析答案解析解析閉合S之前導(dǎo)體ab自由下落的末速度為：v0gt4 m/s.此刻導(dǎo)體所受合力的方向豎直向上，與初速度方向相反，加速度的表達(dá)式為所以ab做豎直向下的加速度逐漸減小的減速運(yùn)動(dòng).當(dāng)速度減小至F安mg時(shí)，ab做豎直向下的勻速運(yùn)動(dòng).答案答案先做豎直向下的加速度逐漸減小的減速運(yùn)動(dòng)，后做勻速運(yùn)動(dòng)S閉合瞬間，導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，ab立即受到一個(gè)豎直向上的安培力.(2)導(dǎo)體ab勻速下落的速度是多少？圖2答案答案0.5 m/s解析

6、答案解析解析設(shè)勻速下落的速度為vm，例例3如圖3，兩固定的絕緣斜面傾角均為，上沿相連兩細(xì)金屬棒ab(僅標(biāo)出a端)和cd(僅標(biāo)出c端)長(zhǎng)度均為L(zhǎng)，質(zhì)量分別為2m和m；用兩根不可伸長(zhǎng)的柔軟輕導(dǎo)線將它們連成閉合回路abdca，并通過(guò)固定在斜面上沿的兩光滑絕緣小定滑輪跨放在斜面上，使兩金屬棒水平右斜面上存在勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向垂直于斜面向上，已知兩根導(dǎo)線剛好不在磁場(chǎng)中，回路電阻為R，兩金屬棒與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為，重力加速度大小為g，已知金屬棒ab勻速下滑求(1)作用在金屬棒ab上的安培力的大??；圖3解析答案解析解析由ab、cd棒被平行于斜面的導(dǎo)線相連，故ab、cd速度總是相等，cd也

7、做勻速直線運(yùn)動(dòng)設(shè)導(dǎo)線的張力的大小為T(mén)，右斜面對(duì)ab棒的支持力的大小為N1，作用在ab棒上的安培力的大小為F，左斜面對(duì)cd棒的支持力大小為N2，對(duì)于ab棒，受力分析如圖甲所示，由力的平衡條件得2mgsin N1TFN12mgcos 對(duì)于cd棒，受力分析如圖乙所示，由力的平衡條件得mgsin N2TN2mgcos 聯(lián)立式得：Fmg(sin 3cos )答案答案 mg(sin 3cos )甲乙(2)金屬棒運(yùn)動(dòng)速度的大小解析答案解析解析設(shè)金屬棒運(yùn)動(dòng)速度大小為v，ab棒上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為EBLv安培力FBIL聯(lián)立得：總結(jié)提升返回總結(jié)提升電磁感應(yīng)中力學(xué)問(wèn)題的解題技巧：(1)受力分析時(shí)，要把立體圖轉(zhuǎn)換為平面圖

8、，同時(shí)標(biāo)明電流方向及磁場(chǎng)B的方向，以便準(zhǔn)確地畫(huà)出安培力的方向.(2)要特別注意安培力的大小和方向都有可能變化，不像重力或其他力一樣是恒力.(3)根據(jù)牛頓第二定律分析a的變化情況，以求出穩(wěn)定狀態(tài)的速度.(4)列出穩(wěn)定狀態(tài)下的受力平衡方程往往是解題的突破口.二、電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒n知識(shí)梳理1.電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量守恒電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的“阻礙”是能量守恒的具體體現(xiàn)，在這種“阻礙”的過(guò)程中，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能.2.電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化方式3.求解電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能量問(wèn)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(dòng)摩擦力做

9、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；如果安培力做正功，就有電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能.(3)列有關(guān)能量的關(guān)系式.n典例精析例例4如圖4所示，勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向豎直向下，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.正方形金屬框abcd可繞光滑軸OO轉(zhuǎn)動(dòng)，邊長(zhǎng)為L(zhǎng)，總電阻為R，ab邊質(zhì)量為m，其他三邊質(zhì)量不計(jì)，現(xiàn)將abcd拉至水平位置，并由靜止釋放，經(jīng)一定時(shí)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)生熱量大小等于()解析答案圖4答案答案C例例5如圖5所示，兩根電阻不計(jì)的光滑平行金屬導(dǎo)軌傾角為，導(dǎo)軌下端接有電阻R，勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直

10、斜面向上.質(zhì)量為m、電阻不計(jì)的金屬棒ab在沿斜面與棒垂直的恒力F作用下沿導(dǎo)軌勻速上滑，上升高度為h，在這個(gè)過(guò)程中() A.金屬棒所受各力的合力所做的功等于零B.金屬棒所受各力的合力所做的功等于mgh和電阻R上產(chǎn) 生的焦耳熱之和C.恒力F與重力的合力所做的功等于棒克服安培力所做 的功與電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱之和D.恒力F與重力的合力所做的功等于電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱圖5解析答案總結(jié)提升返回解析解析棒勻速上升的過(guò)程有三個(gè)力做功：恒力F做正功、重力G做負(fù)功、安培力F安做負(fù)功.根據(jù)動(dòng)能定理：WWFWGW安0，故A對(duì)，B錯(cuò)；恒力F與重力G的合力所做的功等于棒克服安培力做的功.而棒克服安培力做的功等于回路中電

11、能(最終轉(zhuǎn)化為焦耳熱)的增加量，克服安培力做功與焦耳熱不能重復(fù)考慮，故C錯(cuò)，D對(duì).答案答案AD總結(jié)提升總結(jié)提升電磁感應(yīng)中焦耳熱的計(jì)算技巧：(1)電流恒定時(shí)，根據(jù)焦耳定律求解，即QI2Rt.(2)感應(yīng)電流變化，可用以下方法分析：利用動(dòng)能定理，求出克服安培力做的功，產(chǎn)生的焦耳熱等于克服安培力做的功，即QW安.利用能量守恒，即感應(yīng)電流產(chǎn)生的焦耳熱等于減少的其他形式的能量，即QE其他.返回 對(duì)點(diǎn)檢測(cè) 自查自糾解析答案1.如圖6，在光滑水平桌面上有一邊長(zhǎng)為L(zhǎng)、電阻為R的正方形導(dǎo)線框；在導(dǎo)線框右側(cè)有一寬度為d(dL)的條形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，磁場(chǎng)的邊界與導(dǎo)線框的一邊平行，磁場(chǎng)方向豎直向下導(dǎo)線框以某一初速度向右運(yùn)

12、動(dòng)t0 時(shí)導(dǎo)線框的右邊恰好與磁場(chǎng)的左邊界重合，隨后導(dǎo)線框進(jìn)入并通過(guò)磁場(chǎng)區(qū)域下列vt圖像中，可能正確描述上述過(guò)程的是()圖6解析解析進(jìn)入階段，導(dǎo)線框受到的安培力F安BIL ，方向向左，所以導(dǎo)線框速度減小，安培力減小，所以進(jìn)入階段導(dǎo)線框做的是加速度減小的減速運(yùn)動(dòng)全部進(jìn)入之后，磁通量不變化，根據(jù)楞次定律，電路中沒(méi)有感應(yīng)電流，速度不變出磁場(chǎng)階段，導(dǎo)線框受到的安培力F安BIL ，方向向左所以導(dǎo)線框速度減小，安培力減小，所以出磁場(chǎng)階段導(dǎo)體框做的是加速度減小的減速運(yùn)動(dòng)綜上所述，D正確答案答案D2.(電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題)如圖7所示，光滑金屬直導(dǎo)軌MN和PQ固定在同一水平面內(nèi)，MN、PQ平行且足夠長(zhǎng)，兩導(dǎo)軌

13、間的寬度L0.5 m.導(dǎo)軌左端接一阻值R0.5 的電阻.導(dǎo)軌處于磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B0.4 T，方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，質(zhì)量m0.5 kg的導(dǎo)體棒ab垂直于導(dǎo)軌放置.在沿著導(dǎo)軌方向向右的力F作用下，導(dǎo)體棒由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌始終接觸良好并且相互垂直，不計(jì)導(dǎo)軌和導(dǎo)體棒的電阻，不計(jì)空氣阻力，若力F的大小保持不變，且F1.0 N，求：(1)導(dǎo)體棒能達(dá)到的最大速度vm的大??；解析答案圖7答案答案12.5 m/s(2)導(dǎo)體棒的速度v5.0 m/s時(shí)，導(dǎo)體棒的加速度大小.答案答案1.2 m/s2解析答案解析答案3.(電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化)如圖8所示，一對(duì)光滑的平行金屬導(dǎo)軌固定在同一水平面內(nèi)，導(dǎo)軌間

14、距L0.5 m，左端接有阻值R0.3 的電阻，一質(zhì)量m0.1 kg、電阻r0.1 的金屬棒MN放置在導(dǎo)軌上，整個(gè)裝置置于豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0.4 T.金屬棒在水平向右的外力作用下，由靜止開(kāi)始以a2 m/s2的加速度做勻加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)金屬棒的位移x9 m時(shí)撤去外力，金屬圖8棒繼續(xù)運(yùn)動(dòng)一段距離后停下來(lái)，已知撤去外力前后回路中產(chǎn)生的焦耳熱之比Q1Q221.導(dǎo)軌足夠長(zhǎng)且電阻不計(jì)，金屬棒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終與導(dǎo)軌垂直且兩端與導(dǎo)軌保持良好接觸.求：(1)金屬棒在勻加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)電阻R的電荷量q；答案答案4.5 C解析答案(2)撤去外力后回路中產(chǎn)生的焦耳熱Q2；所以v6 m/s撤去外力后金屬棒在安培力作用下做減速運(yùn)動(dòng)，安培力做負(fù)功先將