高中物理人教版選修3-2 電磁感應(yīng)中的聯(lián)系實(shí)際問題分析 (共36張PPT)

電磁感應(yīng)中的聯(lián)系實(shí)際問題分析發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的原理分析 發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)SNSN課前學(xué)習(xí)任務(wù)一 請(qǐng)同學(xué)們借助導(dǎo)體棒、平行導(dǎo)軌、勻強(qiáng)磁場(chǎng)，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)電裝置！借助電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)發(fā)電的裝置： 間距為 L 的兩根光滑導(dǎo)軌，平行且水平放置，一端連接著電阻，導(dǎo)軌所在空間存在豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B。導(dǎo)體棒 MN 放在導(dǎo)軌上，其長(zhǎng)度恰好等于導(dǎo)軌間距，與導(dǎo)軌接觸良好，假設(shè)導(dǎo)軌足夠長(zhǎng)，導(dǎo)體棒在水平力作用下以速度v向右做勻速運(yùn)動(dòng)。問題1 電源是通過非靜電力做功把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能的裝置，圖中誰(shuí)是電源？電源內(nèi)部是誰(shuí)充當(dāng)?shù)姆庆o電力？關(guān)于發(fā)電機(jī)原理的探討任務(wù)一： “電源”是誰(shuí)？問題1 電源導(dǎo)體棒；非靜電力自由電子受到的洛倫茲力vF=evB關(guān)于發(fā)電機(jī)原理的探討任務(wù)一： “電源”是誰(shuí)？問題2 在電源內(nèi)部，電源移動(dòng)電荷，增加電荷的電勢(shì)能。在物理學(xué)中，我們用非靜電力所做的功與所移動(dòng)的電荷量之比來表示電源的這種特性，叫作電動(dòng)勢(shì)（electromotiveforce）請(qǐng)從非靜電力做功角度求出電源電動(dòng)勢(shì)。關(guān)于發(fā)電機(jī)原理的探討任務(wù)一： “電源”是誰(shuí)？vF=evB問題2Wn e B LEBLqne非vvvF=evB關(guān)于發(fā)電機(jī)原理的探討任務(wù)一： “電源”是誰(shuí)？關(guān)于發(fā)電機(jī)原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？問題3 若電路中電流為I，經(jīng)過時(shí)間 t 電源產(chǎn)生多少電能？vF=evB關(guān)于發(fā)電機(jī)原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？問題3 若電路中電流為I，經(jīng)過時(shí)間t，電源產(chǎn)生的電能：EEItBLIt電vvF=evB關(guān)于發(fā)電機(jī)原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？問題4 時(shí)間 t 電源產(chǎn)生的電能與電源內(nèi)部非靜電力(洛倫茲力）做功什么關(guān)系？BL ItBLqn e B LvvvvF=evB關(guān)于發(fā)電機(jī)原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？ 在磁場(chǎng)一章我們學(xué)過“洛倫茲力”不做功，那么這里卻推測(cè)充當(dāng)非靜電力的洛倫茲力做功，前后矛盾矛盾么？vF=evB問題5提示1：從自由電子受力視角分析！提示2：從能量守恒視角分析！vF=evB關(guān)于發(fā)電機(jī)原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？問題5提示1：從自由電子受力視角分析：evB只是洛倫茲力的一個(gè)分力，由于電子沿電路定向移動(dòng)(速度為u)，因此洛倫茲力的另一個(gè)分力euB也是要考慮的。vF=evBuF=euB關(guān)于發(fā)電機(jī)原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？問題5問題5提示1：W1=evBut W2=- euBvtW1 +W2=0因此，洛倫茲力不做功，但是每一個(gè)分力都做功，每一個(gè)分力做功的意義又是什么？vuF=euBF電F=evB關(guān)于發(fā)電機(jī)原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？提示1：從自由電子受力視角分析！提示2：從能量守恒視角分析！關(guān)于發(fā)電機(jī)原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？問題5提示2： 一定是外力F做功給系統(tǒng)帶來了能量，那外力F 對(duì)導(dǎo)體棒做正功，導(dǎo)體棒的機(jī)械能為什么沒有增加？問題5關(guān)于發(fā)電機(jī)原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？提示2： 導(dǎo)體棒還要克服安培力做功，所以外力做功帶來的能量又通過導(dǎo)體棒克服安培力做功轉(zhuǎn)化了，所以導(dǎo)體棒的機(jī)械能并沒有增加。關(guān)于發(fā)電機(jī)原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？問題5F安F安F=euB問題6關(guān)于發(fā)電機(jī)原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？安培力F安是導(dǎo)體棒內(nèi)所有自由電子受洛倫茲力（F=euB）的宏觀體現(xiàn)。FILBneuSLBnSL euBnSL F安F安F=euB問題6關(guān)于發(fā)電機(jī)原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？關(guān)于發(fā)電機(jī)原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？問題7：結(jié)合提示1和2，請(qǐng)反思梳理：“電能”從哪里來？怎么來的？課前學(xué)習(xí)任務(wù)二 請(qǐng)同學(xué)們借助電源、導(dǎo)體棒、平行導(dǎo)軌、勻強(qiáng)磁場(chǎng)，設(shè)計(jì)一個(gè)電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)易裝置！ 將“電阻”變成“電源”，就實(shí)現(xiàn)了將“電能”轉(zhuǎn)化為“機(jī)械能”，同學(xué)們你想到了么？ 上述裝置實(shí)現(xiàn)了將“電能”轉(zhuǎn)化為“機(jī)械能”的裝置，如果想讓機(jī)械能繼續(xù)傳輸出去，我們還可以做進(jìn)一步調(diào)整。關(guān)于電動(dòng)機(jī)的探討任務(wù)一： “機(jī)械能”從哪里來？ 。 問題1：簡(jiǎn)化情景導(dǎo)體棒通過滑輪勻速提升重物，速度為v，此時(shí)電路中的電流為I ，求時(shí)間 t 內(nèi)電動(dòng)機(jī)輸出的 “機(jī)械能”（其他條件不變）？關(guān)于電動(dòng)機(jī)的探討任務(wù)一： “機(jī)械能”從哪里來？ 。 E機(jī)=BILvt問題1：簡(jiǎn)化情景導(dǎo)體棒通過滑輪勻速提升重物，速度為v，此時(shí)電路中的電流為I ，求時(shí)間 t 內(nèi)電動(dòng)機(jī)輸出的 “機(jī)械能”（其他條件不變）？問題2：為什么安培力做功等于機(jī)械能增量？關(guān)于電動(dòng)機(jī)的探討任務(wù)一： “機(jī)械能”從哪里來？ 。 因?yàn)閷?dǎo)體棒牽系重物勻速運(yùn)動(dòng)，所以： mg= BLI E機(jī)=BILvtF安mg關(guān)于電動(dòng)機(jī)的探討任務(wù)二： “電能”是怎么轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的？ 。 提示：從微觀視角分析問題3：如果說“電能”轉(zhuǎn)化為“機(jī)械能”是借助安培力做功實(shí)現(xiàn)的，安培力做功等于電能減少量么？ 。 關(guān)于電動(dòng)機(jī)的探討任務(wù)二： “電能”是怎么轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的？vuF=evBF=euB問題3：如果說“電能”轉(zhuǎn)化為“機(jī)械能”是借助安培力做功實(shí)現(xiàn)的，安培力做功等于電能減少量么？ 。 微觀視角：自由電子受到的洛倫茲力F=evB是阻礙電荷定向移動(dòng)的，這個(gè)力做功使電能減少。關(guān)于電動(dòng)機(jī)的探討任務(wù)二： “電能”是怎么轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的？問題3：如果說“電能”轉(zhuǎn)化為“機(jī)械能”是借助安培力做功實(shí)現(xiàn)的，安培力做功等于電能減少量么？vuF=evBF=euBF電f問題4：基于電磁感應(yīng)的知識(shí)，導(dǎo)體棒勻速運(yùn)動(dòng)的過程中也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)E反 =BLv，我們將它叫做反電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過上述分析，你能理解“反”的含義么？ 。 關(guān)于電動(dòng)機(jī)的探討任務(wù)二： “電能”是怎么轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的？vuF=evBF=euB 。 E機(jī)=BILvt=BLvIt= E反It電源電動(dòng)勢(shì)給電路帶來電能，而“反”電動(dòng)勢(shì)卻使電能減少。關(guān)于電動(dòng)機(jī)的探討任務(wù)二： “電能”是怎么轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的？vuF=evBF=euB總結(jié)提升： 經(jīng)歷了對(duì)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)工作原理的探究，同學(xué)們對(duì)“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”這句話有沒有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)？由“磁”生“電”機(jī)械能電能發(fā)電機(jī)電能機(jī)械能電動(dòng)機(jī)例：磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，光滑金屬軌道相距為L(zhǎng)，電阻不計(jì)；直流電源內(nèi)阻不計(jì)、電動(dòng)勢(shì)為E。金屬桿 ab 電阻為 R ，物塊質(zhì)量為m，最初細(xì)繩處于伸直狀態(tài)（細(xì)繩足夠長(zhǎng)）。接通電路后，桿ab拉著物塊由靜止開始做加速運(yùn)動(dòng)。由于桿ab切割磁感線，因而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。a請(qǐng)分析桿ab在加速的過程中所受安培力F 如何變化，并求桿的最終速度vm；b當(dāng)電路中的電流為 I 時(shí)，請(qǐng)證明電源的電 能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率為EI。22B LFRvEEIRFmgFILB例：磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，光滑金屬軌道相距為L(zhǎng)，電阻不計(jì)；直流電源內(nèi)阻不計(jì)、電動(dòng)勢(shì)為E。金屬桿 ab 電阻為 R ，物塊質(zhì)量為m，最初細(xì)繩處于伸直狀態(tài)（細(xì)繩足夠長(zhǎng)）。接通電路后，桿ab拉著物塊由靜止開始做加速運(yùn)動(dòng)。由于桿ab切割磁感線，因而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E 。a請(qǐng)分析桿ab在加速的過程中所受安培力F 如何變化，并求桿的最終速度vm；m22EmgRBLB LvEBLv例：磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，光滑金屬軌道相距為L(zhǎng)，電阻不計(jì)；直流電源內(nèi)阻不計(jì)、電動(dòng)勢(shì)為E。金屬桿 ab 電阻為 R 物塊質(zhì)量為m，最初細(xì)繩處于伸直狀態(tài)（細(xì)繩足夠長(zhǎng)）。接通電路后，桿ab拉著物塊由靜止開始做加速運(yùn)動(dòng)。由于桿ab切割磁感線，因而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E 。b當(dāng)電路中的電流為 I 時(shí)，請(qǐng)證明電源的電 能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率為EI。2EII RE I