(通用版)2018-2019版高中物理 第一章 電磁感應(yīng) 1.5 電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒課件 教科版選修3-2.ppt

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1、5電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒,第一章電磁感應(yīng),學(xué)習(xí)目標(biāo) 1.掌握電磁感應(yīng)中動(dòng)力學(xué)問題的分析方法. 2.理解電磁感應(yīng)過程中能量的轉(zhuǎn)化情況,能用能量的觀點(diǎn)分析和解決電磁感應(yīng)問題.,內(nèi)容索引,,自主預(yù)習(xí) 預(yù)習(xí)新知 夯實(shí)基礎(chǔ),重點(diǎn)探究 啟迪思維 探究重點(diǎn),達(dá)標(biāo)檢測(cè) 檢測(cè)評(píng)價(jià) 達(dá)標(biāo)過關(guān),自主預(yù)習(xí),1.在導(dǎo)線切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流時(shí),電路中的電能來源于 . 借助于電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)了向電能的轉(zhuǎn)化. 2.在電磁感應(yīng)中,產(chǎn)生的電能是通過外力克服 做功轉(zhuǎn)化而來的,外力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 做功,轉(zhuǎn)化為其他形式的能量.,機(jī)械能,機(jī)械能,安培力,感應(yīng)電流,重

2、點(diǎn)探究,導(dǎo)學(xué)探究(1)如圖1所示,處在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的水平導(dǎo)軌上有一根與光滑導(dǎo)軌接觸良好的可自由滑動(dòng)的導(dǎo)體棒ab,現(xiàn)導(dǎo)體棒ab具有向右的初速度v,則: 導(dǎo)體棒中的感應(yīng)電流方向如何?,一、電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化,答案,圖1,ab受到的安培力的方向如何?,答案由右手定則可確定,在ab內(nèi)產(chǎn)生由a向b的感應(yīng)電流.,答案由左手定則可知,磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)體棒ab的安培力是向左的.,ab的速度如何變化?,答案,電路中的電能是什么能轉(zhuǎn)化過來的?,答案安培力與速度方向相反,則安培力阻礙導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng),導(dǎo)體棒的速度逐漸減小到零.,答案導(dǎo)體棒的機(jī)械能.,(2)如(1)題圖所示,設(shè)ab長(zhǎng)為L(zhǎng),勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,閉合電路的總電

3、阻為R,導(dǎo)體棒在外力的作用下以速度v做勻速直線運(yùn)動(dòng),求在t時(shí)間內(nèi),外力所做的功W外和感應(yīng)電流的電功W電.,答案,答案導(dǎo)體棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EBLv,,知識(shí)深化 1.電磁感應(yīng)中能量的轉(zhuǎn)化 電磁感應(yīng)過程的實(shí)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(dòng)摩擦力做功,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,就是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能

4、. (3)列有關(guān)能量的關(guān)系式.,例1如圖2所示,MN和PQ是電阻不計(jì)的平行金屬導(dǎo)軌,其間距為L(zhǎng),導(dǎo)軌彎曲部分光滑,平直部分粗糙,二者平滑連接.右端接一個(gè)阻值為R的定值電阻.平直部分導(dǎo)軌左邊區(qū)域有寬度為d、方向豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng).質(zhì)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(dá)磁場(chǎng)右邊界處恰好停止.已知金屬棒與平直部分導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)為,金屬棒與導(dǎo)軌間接觸良好.則金屬棒穿過磁場(chǎng)區(qū)域的過程中 A.流過金屬棒的最大電流為 B.通過金屬棒的電荷量為 C.克服安培力所做的功為mgh D.金屬棒產(chǎn)生的焦耳熱為 mg(hd),,答案,解析,圖2,克服安培力做的功轉(zhuǎn)化為焦

5、耳熱,定值電阻與金屬棒的電阻相等,通過它們的電流相等,則金屬棒產(chǎn)生的焦耳熱: 故D正確.,金屬棒在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中,由動(dòng)能定理得:mghW安mgd00,克服安培力做功:W安mghmgd,故C錯(cuò)誤;,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W安,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)生的焦耳熱等于其他形式能量的減少量.,圖3,例2如圖3所示,足夠長(zhǎng)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L1.0 m,下端連接R1.6 的電阻,導(dǎo)軌

6、電阻不計(jì),所在空間存在垂直于導(dǎo)軌平面向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度B1.0 T.質(zhì)量m0.5 kg、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F5.0 N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s2.8 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(yùn)動(dòng)時(shí)的速度大小v;,答案,解析,答案4 m/s,解析金屬棒勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流為I 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(yùn)動(dòng)的過程中,電阻R上產(chǎn)生的熱量QR.,答案,解析,答案1.28

7、 J,解析設(shè)整個(gè)電路中產(chǎn)生的熱量為Q,由能量守恒定律有,1.電磁感應(yīng)問題往往與力學(xué)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(yīng)定律和楞次定律求感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向. (2)用閉合電路歐姆定律求回路中感應(yīng)電流的大小和方向. (3)分析研究導(dǎo)體受力情況(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.,二、電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問題,例3如圖4所示,空間存在B0.5 T

8、、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、接入電路的電阻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,使其從靜止開始沿導(dǎo)軌滑動(dòng),整個(gè)過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)到的最大速度的大??;,圖4,答案,解析,答案10 m/s,解析導(dǎo)體棒切割磁感線運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì): EBLv 回路中的感應(yīng)電流I 導(dǎo)體棒受到的安培力F安BIL 導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)過程中受到拉力F

9、、安培力F安和摩擦力f的作用,根據(jù)牛頓第二定律: FmgF安ma 由得:Fmg ma,由可知,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. 此時(shí)有Fmg 0 可得:vm 10 m/s,(2)試定性畫出導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)的速度時(shí)間圖像.,答案,解析,答案見解析圖,解析由(1)中分析可知,導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)的速度時(shí)間圖像如圖所示.,電磁感應(yīng)動(dòng)力學(xué)問題中,要把握好受力情況、運(yùn)動(dòng)情況的動(dòng)態(tài)分析.,例4如圖5甲所示,兩根足夠長(zhǎng)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(zhǎng),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

10、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(chǎng)中,磁場(chǎng)方向垂直于斜面向下,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.(重力加速度為g),圖5,(1)由b向a方向看到的裝置如圖乙所示,請(qǐng)?jiān)诖藞D中畫出ab桿下滑過程中某時(shí)刻的受力示意圖;,答案,解析,答案見解析圖,解析如圖所示,ab桿受重力mg,方向豎直向下;支持力N,方向垂直于斜面向上;安培力F安,方向沿導(dǎo)軌向上.,(2)在加速下滑過程中,當(dāng)ab桿的速度大小為v時(shí),求此時(shí)ab桿中的電流及其加速度的大??;,答案,解析,解析當(dāng)ab桿的速度大小為v時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EBLv,,根據(jù)牛頓第二定律

11、,有,(3)求在下滑過程中,ab桿可以達(dá)到的速度最大值.,答案,解析,解析當(dāng)a0時(shí),ab桿有最大速度vm,,電磁感應(yīng)中動(dòng)力學(xué)問題的解題技巧: (1)受力分析時(shí),要把立體圖轉(zhuǎn)換為平面圖,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.,達(dá)標(biāo)檢測(cè),1.(電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問題)如圖6所示,在一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中有一U形導(dǎo)線框abcd,線框處于水平面內(nèi),磁場(chǎng)與線框平面垂直,R為一電阻,ef為垂直于ab的一根導(dǎo)體桿,它可在ab、c

12、d上無摩擦地滑動(dòng).桿ef及線框中導(dǎo)線的電阻都可忽略不計(jì).開始時(shí),給ef一個(gè)向右的初速度,則 A.ef將減速向右運(yùn)動(dòng),但不是勻減速 B.ef將勻減速向右運(yùn)動(dòng),最后停止 C.ef將勻速向右運(yùn)動(dòng) D.ef將往返運(yùn)動(dòng),答案,,1,2,3,4,圖6,解析,解析ef向右運(yùn)動(dòng),切割磁感線,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流,會(huì)受到向左的安培力而做減速運(yùn)動(dòng),直到停止,由FBIl ma知,ef做的是加速度減小的減速運(yùn)動(dòng),故A正確.,1,2,3,4,2.(電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問題)如圖7所示,MN和PQ是兩根互相平行、豎直放置的光滑金屬導(dǎo)軌,已知導(dǎo)軌足夠長(zhǎng),且電阻不計(jì),ab是一根與導(dǎo)軌垂直而且始終與導(dǎo)軌接觸良好的金屬桿,開

13、始時(shí),將開關(guān)S斷開,讓桿ab由靜止開始自由下落,過段時(shí)間后,再將S閉合,若從S閉合開始計(jì)時(shí),則金屬桿ab的速度v隨時(shí)間t變化的圖像不可能是下圖中的,,答案,圖7,1,2,3,4,解析,解析S閉合時(shí),若金屬桿受到的安培力 mg,ab桿先減速再勻速,D項(xiàng)有可能;,1,2,3,4,若 mg,ab桿勻速運(yùn)動(dòng),A項(xiàng)有可能;,若 mg,ab桿先加速再勻速,C項(xiàng)有可能;,由于v變化,mg ma中a不恒定,故B項(xiàng)不可能.,3.(電磁感應(yīng)中的能量問題)(多選)如圖8所示,紙面內(nèi)有a、b兩個(gè)用同樣的導(dǎo)線制成的閉合正方形線圈用同樣的導(dǎo)線制成,匝數(shù)均為10匝,邊長(zhǎng)la3lb,圖示區(qū)域內(nèi)有垂直紙面向里的勻

14、強(qiáng)磁場(chǎng),且磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間均勻增大,不考慮線圈之間的相互影響,則 A.兩線圈內(nèi)產(chǎn)生順時(shí)針方向的感應(yīng)電流 B.a、b線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之比為91 C.a、b線圈中感應(yīng)電流之比為31 D.a、b線圈中電功率之比為31,答案,,圖8,解析,1,2,3,4,,解析根據(jù)楞次定律可知,兩線圈內(nèi)均產(chǎn)生逆時(shí)針方向的感應(yīng)電流,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;,1,2,3,4,1,2,3,4,4.(電磁感應(yīng)中的能量問題)(多選)如圖9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(jì).斜面處在一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)方向垂直于斜面向上.質(zhì)量為m、電阻可以忽略不計(jì)的金屬棒ab,在沿著斜面與棒垂直

15、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 A.作用于金屬棒上的各個(gè)力的合力所做的功等于零 B.作用于金屬棒上的各個(gè)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,解析,1,2,3,4,圖9,,,解析金屬棒勻速上滑的過程中,對(duì)金屬棒受力分析可知,有三個(gè)力對(duì)金屬棒做功,恒力F做正功,重力做負(fù)功,安培力阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng),沿斜面向下,做負(fù)功.勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),金屬棒所受合力為零,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(zhuǎn)化為電路中的電能,電能又等于R上產(chǎn)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(chǎn)生的焦耳熱,D正確.,1,2,3,4,

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