(通用版)2018-2019版高中物理 第1章 電磁感應與現(xiàn)代生活 1.4 電磁感應的案例分析課件 滬科版選修3-2.ppt

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1、1.4電磁感應的案例分析,第1章電磁感應與現(xiàn)代生活,目標定位 1.了解反電動勢及其作用. 2.掌握電磁感應中動力學問題的分析方法. 3.掌握電磁感應中的能量轉化與守恒問題,并能用來處理力電綜合問題.,內容索引,,知識探究 新知探究 點點落實,達標檢測 當堂檢測 鞏固反饋,知識探究,1.定義:電動機轉動時,線圈因 ,所以會產生感應電動勢,線圈中產生的感應電動勢跟加在線圈上的電壓方向 .這個跟外加電壓方向 的感應電動勢叫反電動勢. 2.在具有反電動勢的電路中,其功率關系為 ;式中IU是電源供給電動機的功率(輸入功率),IE反是電動機輸出的機械功率(輸出功率),I2R是電動機回路中損失的熱

2、功率.,一、反電動勢,答案,切割磁感線,相反,相反,IUIE反I2R,1.電磁感應中產生的感應電流在磁場中將受到安培力作用,所以電磁感應問題往往與力學問題聯(lián)系在一起,處理此類問題的基本方法是: (1)用法拉第電磁感應定律和楞次定律求感應電動勢的大小和方向. (2)求回路中的電流的大小和方向. (3)分析研究導體受力情況(包括安培力). (4)列動力學方程或平衡方程求解.,二、電磁感應中的動力學問題,2.兩種狀態(tài)處理 (1)導體勻速直線運動,應根據(jù)平衡條件列式分析; (2)導體做勻速直線運動之前,往往做變加速直線運動,處于非平衡狀態(tài),應根據(jù)牛頓第二定律或結合功能關系分析.,例1如圖1所示,空間存

3、在B0.5 T、方向豎直向下的勻強磁場,MN、PQ是水平放置的平行長直導軌,其間距L0.2 m,電阻R0.3 接在導軌一端,ab是跨接在導軌上質量m0.1 kg、接入電路的電阻r0.1 的導體棒,已知導體棒和導軌間的動摩擦因數(shù)為0.2.從零時刻開始,對ab棒施加一個大小為F0.45 N、方向水平向左的恒定拉力,使其從靜止開始沿導軌滑動,過程中棒始終保持與導軌垂直且接觸良好,求:(g10 m/s2),圖1,(1)導體棒所能達到的最大速度;,答案,解析,答案10 m/s,解析導體棒切割磁感線運動,產生的感應電動勢: EBLv ,導體棒受到的安培力F安BIL 導體棒運動過程中受到拉力F、安培力F安和

4、摩擦力f的作用,根據(jù)牛頓第二定律: FmgF安ma ,由可知,隨著速度的增大,安培力增大,加速度a減小,當加速度a減小到0時,速度達到最大.,(2)試定性畫出導體棒運動的速度時間圖像.,答案,解析,答案見解析圖,解析由(1)中分析可知,導體棒運動的速度時間圖像如圖所示.,,,例2如圖2甲所示,兩根足夠長的直金屬導軌MN、PQ平行放置在傾角為的絕緣斜面上,兩導軌間距為L,M、P兩點間接有阻值為R的電阻.一根質量為m的均勻直金屬桿ab放在兩導軌上,并與導軌垂直.整套裝置處于磁感應強度為B的勻強磁場中,磁場方向垂直于斜面向下.導軌和金屬桿的電阻可忽略,讓ab桿沿導軌由靜止開始下滑,導軌和金屬桿接觸良

5、好,不計它們之間的摩擦.(重力加速度為g),,圖2,,(1)由b向a方向看到的裝置如圖乙所示,請在此圖中畫出ab桿下滑過程中某時刻的受力示意圖;,答案,解析,,,解析如圖所示,ab桿受:重力mg,豎直向下;支持力N,垂直于斜面向上;安培力F安,沿斜面向上.,答案見解析圖,(2)在加速下滑過程中,當ab桿的速度為v時,求此時ab桿中的電流及其加 速度的大?。?答案,解析,,解析當ab桿速度為v時,感應電動勢EBLv,此時,根據(jù)牛頓第二定律,有,(3)求在下滑過程中,ab桿可以達到的速度最大值.,答案,解析,,,解析當a0時,ab桿有最大速度vm,電磁感應中動力學問題的解題技巧: 1.受力分析時,

6、要把立體圖轉換為平面圖,同時標明電流方向及磁場B的方向,以便準確地畫出安培力的方向. 2.要特別注意安培力的大小和方向都有可能變化. 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.,1.電磁感應現(xiàn)象中的能量轉化方式 (1)與感生電動勢有關的電磁感應現(xiàn)象中,磁場能轉化為電能. (2)與動生電動勢有關的電磁感應現(xiàn)象中,通過克服安培力做功,把機械能或其他形式的能轉化為電能.克服安培力做多少功,就產生多少電能. 2.求解電磁感應現(xiàn)象中能量守恒問題的一般思路 (1)分析回路,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

7、的能量發(fā)生了轉化.如: 有摩擦力做功,必有內能產生; 有重力做功,重力勢能必然發(fā)生變化;,三、電磁感應中的能量問題,克服安培力做功,必然有其他形式的能轉化為電能,并且克服安培力做多少功,就產生多少電能; (3)列有關能量的關系式.,例3如圖3所示,MN和PQ是電阻不計的平行金屬導軌,其間距為L,導軌彎曲部分光滑,平直部分粗糙,二者平滑連接.右端接一個阻值為R的定值電阻.平直部分導軌左邊區(qū)域有寬度為d、方向豎直向上、磁感應強度大小為B的勻強磁場.質量為m、接入電路的電阻也為R的金屬棒從高度為h處靜止釋放,到達磁場右邊界處恰好停止.已知金屬棒與平直部分導軌間的動摩擦因數(shù)為,金屬棒與導軌間接觸良好.

8、則金屬棒穿過磁場區(qū)域的過程中,,圖3,,,答案,解析,,,金屬棒在整個運動過程中,由動能定理得:mghW安mgd00,克服安培力做功:W安mghmgd,故C錯誤;,,,電磁感應中焦耳熱的計算技巧: 1.電流恒定時,根據(jù)焦耳定律求解,即QI2Rt. 2.感應電流變化,可用以下方法分析: (1)利用動能定理,求出克服安培力做的功W安,產生的焦耳熱等于克服安培力做的功,即QW安. (2)利用能量守恒,即感應電流產生的焦耳熱等于其他形式能量的減少.,例4如圖4所示,足夠長的平行光滑U形導軌傾斜放置,所在平面的傾角37,導軌間的距離L1.0 m,下端連接R1.6 的電阻,導軌電阻不計,所在空間存在垂直于

9、導軌平面向上的勻強磁場,磁感應強度B1.0 T.質量m0.5 kg、電阻r0.4 的金屬棒ab垂直 置于導軌上,現(xiàn)用沿導軌平面且垂直于金屬棒、大 小為F5.0 N的恒力使金屬棒ab從靜止開始沿導軌 向上滑行,當金屬棒滑行s2.8 m后速度保持不變. 求:(sin 370.6,cos 370.8,g10 m/s2) (1)金屬棒勻速運動時的速度大小v;,,圖4,,答案,解析,答案4 m/s,,,由平衡條件有Fmgsin BIL 代入數(shù)據(jù)解得v4 m/s.,(2)金屬棒從靜止到剛開始勻速運動的過程中,電阻R上產生的熱量QR.,,,答案,解析,答案1.28 J,解析設整個電路中產生的熱量為Q,由能量

10、守恒定律有,達標檢測,1.(電磁感應中的動力學問題)如圖5所示,勻強磁場存在于虛線框內,矩形線圈豎直下落.如果線圈中受到的磁場力總小于其重力,不計空氣阻力,則它在1、2、3、4位置時的加速度關系為 A.a1a2a3a4B.a1a2a3a4 C.a1a3a2a4D.a1a3a2a4,答案,,解析,1,2,3,4,圖5,解析線圈自由下落時,加速度為a1g.線圈完全在磁場中時,磁通量不變,不產生感應電流,線圈不受安培力作用,只受重力,加速度為a3g.線圈進入和穿出磁場過程中,切割磁感線產生感應電流,將受到向上的安培力,根據(jù)牛頓第二定律得知,a2g,a4g.線圈完全在磁場中時做勻加速運動,到達4處時的

11、速度大于2處的速度,則線圈在4處所受的安培力大于在2處所受的安培力,又知,磁場力總小于重力,則a2a4,故a1a3a2a4.所以本題選C.,1,2,3,4,2.(電磁感應中的動力學問題)(多選)如圖6所示,MN和PQ是兩根互相平行、豎直放置的光滑金屬導軌,已知導軌足夠長,且電阻不計.ab是一根與導軌垂直而且始終與導軌接觸良好的金屬桿.開始時,將開關S斷開,讓桿ab由靜止開始自由下落,過段時間后,再將S閉合,若從S閉合開始計時,且已知金屬桿接入電路的電阻為R,則金屬桿ab的速度v隨時間t變化的圖像可能是圖中的,答案,圖6,解析,1,2,3,4,,,,,1,2,3,4,3.(電磁感應中的能量問題)

12、(多選)如圖7所示,兩根光滑的金屬導軌,平行放置在傾角為的斜面上,導軌的左端接有電阻R,導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.質量為m、電阻可以忽略不計的金屬棒ab,在沿著斜面與棒垂直的恒力F作用下沿導軌勻速上滑,且上升的高度為h,在這一過程中,答案,1,2,3,4,圖7,解析,A.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上產生的焦耳熱,,,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

13、金屬棒做功,恒力F做正功,重力做負功,安培力阻礙相對運動,沿斜面向下,做負功.勻速運動時,所受合力為零,故合力做功為零,A正確; 克服安培力做多少功就有多少其他形式的能轉化為電路中的電能,電能又等于R上產生的焦耳熱,故恒力F與重力的合力所做的功等于電阻R上產生的焦耳熱,D正確.,1,2,3,4,4.(電磁感應中的動力學問題)如圖8所示,豎直平面內有足夠長的平行金屬導軌,軌距為0.2 m,金屬導體ab可在導軌上無摩擦地上下滑動,ab的電阻為0.4 ,導軌電阻不計,導體ab的質量為0.2 g,垂直紙面向里的勻強磁場的磁感應強度為0.2 T,且磁場區(qū)域足夠大,當導體ab自由下落0.4 s時,突然閉合開關S,則: (1)試說出S接通后,導體ab的運動情況;,答案,解析,1,2,3,4,答案見解析,圖8,解析閉合S之前導體ab自由下落的末速度為:v0gt4 m/s. S閉合瞬間,導體產生感應電動勢,回路中產生感應電流,ab立即受到一個豎直向上的安培力.,此時導體ab受到的合力的方向豎直向上,與初速度方向相反,加速度的表達式為,1,2,3,4,(2)導體ab勻速下落的速度是多少?(g取10 m/s2),答案,解析,1,2,3,4,答案見解析,解析設勻速下落的速度為vm,,

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