物理高中人教版選修3-2學(xué)案4-5電磁感應(yīng)兩類情況Word版含解析

第四章電磁感應(yīng)5電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解感生電場,會解釋感生電動勢的產(chǎn)生原因.2.了解動生電動勢的產(chǎn)生條件和洛倫茲力的關(guān)系.3.掌握兩種感應(yīng)電動勢的區(qū)別與聯(lián)系,會應(yīng)用分析實際問題.4.了解電磁感應(yīng)規(guī)律的一般應(yīng)用,會分析科技實例.自主探究1.電源是通過做功把其他形式能轉(zhuǎn)化為電能的裝置.

2.如果電源移送電荷q時,非靜電力所做的功為W,那么W與q的,叫做電源的電動勢.定義式為E=.

3.電動勢的作用實際上是某種對自由電荷的作用.

4.在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中,扮演了非靜電力的角色.

合作探究一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場自主學(xué)習(xí):閱讀課本P19的內(nèi)容,學(xué)習(xí)感生電動勢的知識.一個閉合電路靜止于磁場中,由于磁場強(qiáng)弱的變化,閉合電路內(nèi)產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢,我們稱之為感生電動勢.提出問題:(1)電流是怎樣產(chǎn)生的?(2)自由電荷為什么會運動?問題探究:現(xiàn)代科學(xué)研究中常用到高速電子,電子感應(yīng)加速器就是利用感生電場使電子加速的設(shè)備.它的基本原理如圖所示,上、下為電磁鐵的兩個磁極,磁極之間有一個環(huán)形真空室,電子在真空室中做圓周運動.電磁鐵線圈電流的大小、方向可以變化,產(chǎn)生感生電場使電子加速.右圖為俯視圖,如果從上向下看,電子沿逆時針方向運動.當(dāng)電磁鐵線圈的電流方向與圖示方向一致時,電流的大小應(yīng)該怎樣變化才能使電子加速?歸納總結(jié):1.磁場變化時會在空間激發(fā),閉合導(dǎo)體中的在電場力的作用下定向運動,產(chǎn)生感應(yīng)電流,即產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢.

2.由感生電場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢稱為.

3.感生電場的方向可以根據(jù)判斷.

二、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的洛倫茲力自主學(xué)習(xí):閱讀課本P20的電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的洛倫磁力的相關(guān)內(nèi)容,思考討論下列問題.(1)導(dǎo)體棒中的自由電荷受到什么力的作用?(注意導(dǎo)體棒中的自由電荷是帶負(fù)電的電子)它將沿導(dǎo)體棒向哪個方向運動?(2)導(dǎo)體棒的哪端電勢比較高?(3)如果導(dǎo)體棒一直運動下去,自由電荷是否也會沿著導(dǎo)體棒一直運動下去?歸納總結(jié):一段導(dǎo)線在做切割磁感線的運動時,相當(dāng)于一個,通過上面的分析可以看到,這時非靜電力與有關(guān).

課堂檢測1.下列說法中正確的是()A.動生電動勢是洛倫茲力對導(dǎo)體中自由電荷做功而引起的B.因為洛倫茲力對運動電荷始終不做功,所以動生電動勢不是由洛倫茲力而產(chǎn)生的C.動生電動勢的方向可以由右手定則來判定D.導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流,受到的安培力一定與受到的外力大小相等、方向相反2.一矩形線框置于勻強(qiáng)磁場中,線框平面與磁場方向垂直.先保持線框的面積不變,將磁感應(yīng)強(qiáng)度在1s時間內(nèi)均勻地增大到原來的兩倍.接著保持增大后的磁感應(yīng)強(qiáng)度不變,在1s時間內(nèi),再將線框的面積均勻地減小到原來的一半.先后兩個過程中,線框中感應(yīng)電動勢的比值為()A.12 B.1 C.2 3.如圖所示,PQRS為一正方形導(dǎo)線框,它以恒定速度向右進(jìn)入以MN為邊界的勻強(qiáng)磁場,磁場方向垂直線框平面,MN線與線框的邊成45°角.E、F分別為PS與PQ的中點.關(guān)于線框中的感應(yīng)電流,正確的說法是()A.當(dāng)E點經(jīng)過邊界MN時,線框中感應(yīng)電流最大B.當(dāng)P點經(jīng)過邊界MN時,線框中感應(yīng)電流最大C.當(dāng)F點經(jīng)過邊界MN時,線框中感應(yīng)電流最大D.當(dāng)Q點經(jīng)過邊界MN時,線框中感應(yīng)電流最大4.如圖所示,在一水平光滑絕緣塑料板上有一環(huán)形凹槽,有一帶正電小球質(zhì)量為m,電荷量為q,在槽內(nèi)沿順時針做勻速圓周運動,現(xiàn)加一豎直向上的均勻變化的勻強(qiáng)磁場,且B逐漸增加,則()A.小球速度變大B.小球速度變小C.小球速度不變D.以上三種情況都有可能5.如圖所示,平行導(dǎo)軌間有一矩形的勻強(qiáng)磁場區(qū)域,細(xì)金屬棒PQ沿導(dǎo)軌從MN處勻速運動到M'N'的過程中,棒上感應(yīng)電動勢E隨時間t變化的圖象可能正確的是()6.如圖所示,一個由導(dǎo)體做成的矩形線圈,以恒定速率v運動,從無磁場區(qū)域進(jìn)入勻強(qiáng)磁場區(qū),磁場寬度大于矩形線圈的寬度da,然后從右側(cè)離開磁場區(qū)域,若取逆時針方向的電流為正方向,那么下列選項中能正確地表示回路中電流對時間的函數(shù)關(guān)系的是()7.如圖所示,平行導(dǎo)軌間距為d,左端跨接一個電阻R,勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,方向垂直于平行金屬導(dǎo)軌所在平面.一根金屬棒與導(dǎo)軌成θ角放置,金屬棒與導(dǎo)軌的電阻均不計且金屬棒足夠長.當(dāng)金屬棒沿垂直于棒的方向以恒定的速度v在金屬導(dǎo)軌上滑行時,通過電阻R的電流為()A.BdvR B.C.BdvcosθR 8.如圖所示,兩個互連的金屬圓環(huán),粗金屬環(huán)的電阻為細(xì)金屬環(huán)電阻的二分之一.磁場垂直穿過粗金屬環(huán)所在區(qū)域.當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時間均勻變化時,在粗環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為E,則a、b兩點間的電勢差為()A.12E B.13E C.23E 9.如圖所示,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成正比D.外力對ab桿做功的功率與速率v成正比10.半徑為a右端開小口的導(dǎo)體圓環(huán)和長為2a的導(dǎo)體直桿,單位長度電阻均為R0.圓環(huán)水平固定放置,整個內(nèi)部區(qū)域分布著豎直向下的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.桿在圓環(huán)上以速度v平行于直徑CD向右做勻速直線運動,桿始終有兩點與圓環(huán)良好接觸,從圓環(huán)中心O開始,桿的位置由θ確定,如圖所示.則()A.θ=0時,桿產(chǎn)生的電動勢為2BavB.θ=π3時,桿產(chǎn)生的電動勢為3C.θ=0時,桿受的安培力大小為2D.θ=π3時,桿受的安培力大小為11.如圖甲所示的螺線管,匝數(shù)n=1500,橫截面積S=20cm2,電阻r=1.5Ω,與螺線管串聯(lián)的外電阻R1=3.5Ω,R2=25Ω.穿過螺線管的勻強(qiáng)磁場方向向右,磁感應(yīng)強(qiáng)度按圖乙所示規(guī)律變化,試計算電阻R2的電功率和A、B兩點的電勢(C點電勢為零).12.如圖所示,水平放置的平行金屬導(dǎo)軌MN和PQ,相距l(xiāng)=0.50m,導(dǎo)軌左端接一電阻R=0.20Ω,磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.40T的勻強(qiáng)磁場方向垂直于導(dǎo)軌平面,導(dǎo)體棒ac垂直導(dǎo)軌放置,并能無摩擦地沿導(dǎo)軌滑動,導(dǎo)軌和導(dǎo)體棒的電阻均可忽略不計.當(dāng)ac棒以v=4.0m/s的速度水平向右勻速滑動時,求:(1)ac棒中感應(yīng)電動勢的大小;(2)回路中感應(yīng)電流的大小和方向;(3)維持ac棒做勻速運動的水平外力F的大小和方向.13.如圖所示,兩根足夠長的光滑直金屬導(dǎo)軌MN、PQ平行放置在傾角為θ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.整套裝置處于勻強(qiáng)磁場中,磁場方向垂直于斜面向上.導(dǎo)軌和金屬桿的電阻可忽略.讓金屬桿ab沿導(dǎo)軌由靜止開始下滑,經(jīng)過一段時間后,金屬桿達(dá)到最大速度vmax,在這個過程中,電阻R上產(chǎn)生的熱量為Q.導(dǎo)軌和金屬桿接觸良好,重力加速度為g.求:(1)金屬桿達(dá)到最大速度時安培力的大小;(2)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小;(3)金屬桿從靜止開始至達(dá)到最大速度的過程中桿下降的高度.參考答案自主探究1.非靜電力2.比值W3.非靜電力4.感應(yīng)電場對電荷的作用合作探究一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場提出問題:(1)電流是自由電荷定向移動產(chǎn)生的.(2)導(dǎo)體中的自由電荷在感生電場的作用下做定向運動.問題探究:電子帶負(fù)電,它在電場中受力的方向與電場方向相反.本題中電子沿逆時針方向運動,所以為使電子加速,產(chǎn)生的電場必須沿順時針方向.在圖中,磁場方向由下向上.根據(jù)楞次定律,為使真空室中產(chǎn)生順時針方向的感生電場,磁場應(yīng)該由弱變強(qiáng).也就是,為使電子加速,電磁鐵中的電流應(yīng)該由小變大.歸納總結(jié):1.電場自由電子2.感生電動勢3.右手定則二、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的洛倫茲力自主學(xué)習(xí):(1)洛倫茲力;自由電子沿導(dǎo)體棒由C到D運動.(2)C端的電勢高.(3)當(dāng)導(dǎo)體棒中的感生電場對自由電子的電場力與洛倫茲力平衡時,自由電子不會再沿著導(dǎo)體棒運動.歸納總結(jié):電源洛倫茲力課堂檢測1.C解析:洛倫茲力沿導(dǎo)體方向的分力對導(dǎo)體中自由電荷做功是產(chǎn)生動生電動勢的本質(zhì),A、B兩項錯誤;C項正確;只有在導(dǎo)體棒做勻速切割時,除安培力以外的力的合力才與安培力大小相等、方向相反,做變速運動時不成立,故D項錯誤.2.B解析:在相同時間內(nèi),兩個過程中磁通量的變化量相同,由法拉第電磁感應(yīng)定律E=ΔΦΔt可以判斷感應(yīng)電動勢的大小也相同,即兩次感應(yīng)電動勢的比值為1,3.B解析:由題意知在線框進(jìn)入磁場的過程中B與v都是不變的,根據(jù)公式E=Blv可知,有效長度l最大時,回路中的感應(yīng)電流最大,當(dāng)P點經(jīng)過邊界MN時,R點正好經(jīng)過邊界MN,切割磁感線運動的有效長度l有最大值,B項正確.4.A解析:在此空間中,沒有閉合導(dǎo)體,但磁場的變化,使空間產(chǎn)生感應(yīng)電場.據(jù)楞次定律得出感應(yīng)電場方向如圖所示,又因小球帶正電荷,電場力與小球速度同向,電場力對小球做正功,小球速度變大,A項正確.5.A解析:由E=Blv可以直接判斷A項正確.6.C解析:當(dāng)線圈開始運動,尚未進(jìn)入磁場區(qū)時,沒有產(chǎn)生感應(yīng)電流.ab邊切割磁感線時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為定值,因此感應(yīng)電流也為定值,方向為逆時針(正).當(dāng)cd邊進(jìn)入磁場時,ab和cd邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢互相抵消,沒有感應(yīng)電流.當(dāng)線圈繼續(xù)運動,在磁場中只有cd邊時,感應(yīng)電流是順時針(負(fù)),數(shù)值與線圈進(jìn)入磁場時的等大,cd邊離開磁場后,線圈無感應(yīng)電流,C項正確.7.D解析:能夠引起感應(yīng)電流的電動勢是閉合導(dǎo)體回路中的部分MN產(chǎn)生的電動勢,所以有效切割長度l=dsinθ,感應(yīng)電動勢E=Blv=Bdvsinθ,感應(yīng)電流I=ER=8.C解析:粗環(huán)相當(dāng)于電源的內(nèi)電路,細(xì)環(huán)相當(dāng)于電源的外電路,a、b間電勢差即為外電壓.由全電路歐姆定律得,Uab=ER2+R·R,所以U9.AB解析:由E=Blv和I=ER得,ab桿中的電流I=BlvR,A項正確;ab桿受到的安培力F=BIl=B2l2vR,B項正確;電阻上消耗的熱功率Q=I2R=B2l210.AD解析:θ=0時,桿在CD位置,產(chǎn)生的電動勢為E=B·2av=2Bav,通過桿的電流為I=2BavπaR0+2aR0=2BvπR0+2R0,桿受到的安培力為F=BI2a=4B2avπR0+2R0,A項正確,C項錯誤;θ=π3時,桿切割的有效長度為a,產(chǎn)生的電動勢為E=Bav,電路的總電阻為R=(2π-π3)aR011.解析:由題中B-t圖可知,穿過螺線管的磁通量均勻增加,螺線管中感應(yīng)電流產(chǎn)生磁場方向向左,感應(yīng)電流在線圈內(nèi)從B流向A,A端的電勢高于B端的電勢.把螺線管視為電源,由閉合電路歐姆定律可求出通過螺線管的回路電流,從而求出R2消耗的電功率及A、B兩點的電勢.由題圖乙,螺線管中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B均勻增加,其變化率ΔBΔt=6-22由法拉第電磁感應(yīng)定律,螺線管產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E=n·ΔΦΔt=n·SΔBΔt=1500×20×10-4×2V通過螺線管回路的電流I=Er+R1+R2=61電阻R2上消耗功率P2=I2R2=(0.2)2×25W=1.0W因φC=0,則φA-φC=IR1=0.2×3.5V=0.7V,即φA=0.7V,φC-φB=IR2=0.2×25V=5V因為φC=0,所以φB=-5V.答案:1.0W0.7V-5V12.解析:(1)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,ac棒中的感應(yīng)電動勢為E=Blv=0.40×0.50×4.0V=0.80V.(2)根據(jù)閉合電路歐姆定律,感應(yīng)電流大小為I=ER=0.800.20A由右手定則可知,回路中感應(yīng)電流的方向為a→M→P→c→a(或逆時針方向).(3)當(dāng)ac棒向右勻速運動時,ac棒中有由c向a的電流,根據(jù)左手定則可知,ac棒所受的磁場力F安水平向左.為維持ac棒做勻速運動,應(yīng)施加一個與F安等值反向的水平外力F,即F=F安=BIl=0.40×4.0×0.50N=0.80N方向