高中物理 第四章 電磁感應 5 電磁感應現(xiàn)象的兩類情況課件 新人教版選修3-2.ppt

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自主學習·基礎知識,5 電磁感應現(xiàn)象的兩類情況 [學習目標] 1.知道感生電動勢、動生電動勢的概念．知道產生感生電動勢的非靜電力是感生電場的作用．產生動生電動勢的非靜電力與洛倫茲力有關． 2.會用楞次定律判斷感生電場的方向，用左手定則判斷洛倫茲力的方向．(重點) 3.知道電磁感應現(xiàn)象遵守能量守恒定律． 4.電磁感應與力學、電路等知識的綜合問題．(難點),合作探究·重難疑點,解題技巧·素養(yǎng)培優(yōu),1．感生電場：磁場_____時在空間激發(fā)的一種電場，它是由英國物理學家__________提出的． 2．感生電動勢：由__________產生的感應電動勢，它的方向與感生電場的方向_____，與感應電流的方向_____． 3．感生電動勢中的非靜電力：就是___________對自由電荷的作用力．,變化,麥克斯韋,感生電場,相同,相同,感生電場,感應電動勢和感應電流，哪一個更能反映電磁感應的本質？ 【提示】 當穿過回路的磁通量發(fā)生變化時，回路中將產生感應電動勢，如果回路閉合，就會產生感應電流，而不論回路是否閉合，都有感應電動勢產生，但不一定有感應電流．所以感應電動勢比感應電流更能反映電磁感應的本質．,1．磁場可以對電荷做功．( ) 2．感生電場可以對電荷做功．( ) 3．磁場越強，磁場變化時產生的感生電場越強．( ),×,√,×,1．成因 導體棒做切割磁感線運動時，導體棒中的自由電荷隨棒一起定向運動，并因此受到洛倫茲力． 2．動生電動勢：由于__________而產生的感應電動勢． 3．動生電動勢中的非靜電力：與_________有關．,導體運動,洛倫茲力,感生電動勢與動生電動勢產生原因是否相同？ 【提示】 不相同．感生電動勢是由于磁場變化而引起的；動生電動勢是由于導體切割磁感線而引起的．,√,√,×,預習完成后，請把你認為難以解決的問題記錄在下面的表格中,學生分組探究一 對感生電動勢與動生電動勢的理解 第1步探究——分層設問，破解疑難 1．(1)什么叫動生電動勢？(2)動生電動勢的產生與電路是閉合還是斷開有關嗎？ 【提示】 (1)由于導體棒做切割磁感線的運動，而在導體棒兩端產生的感應電動勢，叫做動生電動勢．,(2)無關．無論電路閉合還是斷開，只要有導體做切割磁感線的運動，電路中就有動生電動勢產生．當電路閉合，其一部分導體做切割磁感線的運動時，電路中有感應電流產生．,2．什么是感生電場？感生電場與感應電流的關系是什么？,3．感生電動勢和動生電動勢的產生原因是否相同？ 【提示】 不同．感生電動勢是感生電場對自由電荷作用產生的，動生電動勢是洛倫茲力對自由電荷作用產生的．,第2步結論——自我總結，素能培養(yǎng) 1．感生電動勢與動生電動勢產生機理的理解 (1)磁感應強度變化產生的感生電動勢是由變化的磁場產生感生電場，線圈中的自由電荷受到靜電力作用定向移動形成的． (2)導體切割磁感線產生的動生電動勢是由于自由電荷受到洛倫茲力作用定向移動形成的．,2．感生電動勢與動生電動勢的比較,第3步例證——典例印證，思維深化 (多選)某空間出現(xiàn)了如圖4-5-1所示的磁場，當磁感應強度變化時，在垂直于磁場的方向上會產生感生電場，下列有關磁感應強度的變化與感生電場的方向關系的描述正確的是( ) A．當磁感應強度均勻增大時，感生電 場的電場線從上向下看應為順時針方向 B．當磁感應強度均勻增大時，感生電場的 電場線從上向下看應為逆時針方向,C．當磁感應強度均勻減小時，感生電場的電場線從上向下看應為順時針方向 D．當磁感應強度均勻減小時，感生電場的電場線從上向下看應為逆時針方向 【思路點撥】 感生電場的方向與感生電動勢、感應電流的方向相同，因此可以用楞次定律分析． 【解析】 感生電場中電場線的方向用楞次定律來判定．原磁場向上且磁感應強度在增大，在周圍有閉合導線的情況下，感應電流的磁場方向應與原磁場方向相反，,即感應電流的磁場方向向下， 再由右手螺旋定則得到感應電流的方向從上向下看應為順時針方向，則感生電場的方向從上向下看也為順時針方向；同理可知，原磁場方向向上且磁感應強度減小時，感生電場的方向從上向下看應為逆時針方向，所以A、D對． 【答案】 AD,感生電場的特點： 1．感生電場是一種渦旋電場，電場線是閉合的． 2．感生電場的產生跟空間中是否存在閉合電路無關． 3．感生電場的方向根據(jù)閉合電路(或假想的閉合電路)中感應電流的方向確定．,第4步巧練——精選習題，落實強化 1．如圖4-5-2所示的是一個水平放置的玻璃圓環(huán)形小槽，槽內光滑，槽寬度和深度處處相同．現(xiàn)將一直徑略小于槽寬的帶正電小球放在槽中，讓它獲 得一初速度v0，與此同時，有一變 化的磁場垂直穿過玻璃圓環(huán)形小槽 外徑所對應的圓面積，磁感應強度 的大小跟時間成正比例增大，方向豎直向下．設小球在運動過程中電荷量不變，則( ),A．小球受到的向心力大小不變 B．小球受到的向心力大小不斷增大 C．磁場力對小球做了功 D．小球受到的磁場力大小與時間成正比 【解析】 本題解題關鍵是由楞次定律判斷出感生電場的方向．當磁感應強度隨時間均勻增大時，將產生一恒定的感生電場，由楞次定律知，電場方向和小球初速度方向相同，因小球帶正電，,電場力對小球做正功，小球速率逐漸增大，向心力也隨著增大，故A錯，B對；洛倫茲力對運動電荷不做功，故C錯；帶電小球所受洛倫茲力F＝qBv，隨著速率的增大而增大，同時B∝t，則F和t不成正比，故D錯． 【答案】 B,2．(多選)某空間出現(xiàn)了如4-5-3圖所示的一組閉合的電場線，這可能是( ) A．沿AB方向的磁場迅速減弱 B．沿AB方向的磁場迅速增強 C．沿BA方向的磁場迅速增強 D．沿BA方向的磁場迅速減弱 圖4-5-3,【解析】 假設存在圓形閉合回路，回路中應產生與電場同向的感應電流，由安培定則知，感應電流的磁場方向向下，所以根據(jù)楞次定律，引起感應電流的應是方向向下的磁場迅速減弱或方向向上的磁場迅速增強，故A、C正確． 【答案】 AC,學生分組探究二 電磁感應現(xiàn)象中的能量轉化與守恒 第1步探究——分層設問，破解疑難 1．與感生電動勢有關的電磁感應現(xiàn)象中，能量怎樣轉化？ 【提示】 變化的磁場產生非靜電場，由電場力推動電荷做功，將磁場能轉化為電能．,2．與動生電動勢有關的電磁感應現(xiàn)象中，能量怎樣轉化？ 【提示】 隨導體棒運動的電荷受到洛倫茲力，從導體棒一端移動到另一端，是一個與洛倫茲力有關的非靜電力做功，將其它形式的能轉變?yōu)殡娔埽?第2步結論——自我總結，素能培養(yǎng) 1．等效電路的分析：將產生感應電動勢的那部分電路等效為電源，畫出等效電路圖，分析內外電路結構，應用閉合電路歐姆定律、串并聯(lián)電路的性質等知識進行分析． 2．電磁感應現(xiàn)象中涉及收尾速度問題時的動態(tài)分析： 周而復始地循環(huán)，達到最終狀態(tài)時，加速度等于零，導體達到穩(wěn)定運動狀態(tài)．,3．能量轉化與守恒的分析：電磁感應過程往往涉及多種能量形式的轉化． 如圖4-5-4中金屬棒ab沿導軌由靜止 下滑時，重力勢能減少，一部分用 來克服安培力做功轉化為電路中的電 圖4-5-4 能，最終在R上轉化為焦耳熱；另一部分轉化為金屬棒的動能．若導軌足夠長，棒最終達到穩(wěn)定狀態(tài)勻速運動時，重力勢能的減少則完全用來克服安培力做功轉化為電路中的電能．,第3步例證——典例印證，思維深化 (2013·安徽高考)如圖4-5-5所示，足夠長的平行金屬導軌傾斜放置，傾角為37°，寬度 為0.5 m，電阻忽略不計，其上 端接一小燈泡，電阻為1 Ω. 一導體棒MN垂直于導軌放置， 質量為0.2 kg，接入電路的電阻為1 Ω，兩端與導軌接觸良好，與導軌間的動摩擦因數(shù)為0.5.在導軌間存在著垂直于導軌平面的勻強磁場，,磁感應強度為0.8 T．將導體棒MN由靜止釋放，運動一段時間后，小燈泡穩(wěn)定發(fā)光，此后導體棒MN的運動速度以及小燈泡消耗的電功率分別為(重力加速度g取10 m/s2，sin 37°＝0.6)( ) A．2.5 m/s 1 W B．5 m/s 1 W C．7.5 m/s 9 W D．15 m/s 9W 【思路點撥】 (1)由小燈泡穩(wěn)定發(fā)光，可知感應電流和感應電動勢恒定及v不變． (2)由v不變，考慮到導體棒MN的平衡． (3)根據(jù)物體的平衡和功能關系確定v和P.,【解析】 把立體圖轉為平面圖，由平衡條件列出方程是解決此類問題的關鍵．對導體棒進行受力分析做出截面圖，如圖所示，導體棒共受四個力作用，即重力、支持力、摩擦力和安培力． 由平衡條件得mgsin 37°＝F安＋Ff① Ff＝μFN② FN＝mgcos 37°③ 而F安＝BIL④,電能的三種求解思路 (1)利用克服安培力做功求解：電磁感應中產生的電能等于克服安培力所做的功． (2)利用能量守恒求解：相應的其他能量的減少量等于產生的電能． (3)利用電路特征求解：通過電路中所消耗的電能來計算．,第4步巧練——精選習題，落實強化 1．(多選)如圖4-5-6所示，兩根足夠長的光滑導軌豎直放置，間距為L，底端接阻值為R的電阻．將質量為m的金屬棒懸掛在一個固定的輕彈簧下端，金 屬棒和導軌接觸良好，導軌所在平面 與磁感應強度為B的勻強磁場垂直， 除電阻R外其余電阻均不計．現(xiàn)將金 屬棒從彈簧原長位置 由靜止釋放，則( ),A．釋放瞬間金屬棒的加速度等于重力加速度g B．金屬棒向下運動時，流過電阻R的電流方向為a→b,金屬棒減少的重力勢能轉化為彈簧的彈性勢能、金屬棒的動能以及電阻R上產生的內能，因此選項D錯誤． 【答案】 AC,2．法拉第曾提出一種利用河流發(fā)電的設想，并進行了實驗研究．實驗裝置的示意圖如圖4-5-7所示，兩塊面積均為S的矩形金屬板，平行、正對、豎直地全部浸在河水中，間距為d，水流速度處處相同，大小為v，方向水平．金屬板與水流方向平行，地磁場磁感應強度的豎直分量為B，水的電阻率為ρ，水面上方有 一阻值為R的電阻通過絕緣導線 和開關S連接到兩金屬板上，忽 略邊緣效應，求： 圖4-5-7,(1)該發(fā)電裝置的電動勢； (2)通過電阻R的電流大?。?(3)電阻R消耗的電功率．,電磁感應中的力學問題的分析方法 由于通過導體的感應電流在磁場中將受到安培力作用，因此電磁感應問題往往和力學問題綜合在一起考查． 1．理解電磁感應問題中的兩個研究對象及其之間的相互制約關系,2．理解力和運動的動態(tài)關系 3．解決電磁感應現(xiàn)象中的力學問題的思路 (1)對電學對象要畫好必要的等效電路圖． (2)對力學對象要畫好必要的受力分析圖和過程示意圖．,(3)電磁感應中切割磁感線的導體要運動，產生的感應電流又要受到安培力的作用．在安培力作用下，導體的運動狀態(tài)發(fā)生變化，這就可能需要應用牛頓運動定律． 4．解決電磁感應現(xiàn)象中的力學問題的基本步驟 (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； (3)分析研究導體受力情況(包含安培力，用左手定則確定其方向)； (4)列動力學方程或平衡方程求解．,如圖4-5-8所示，AB、CD是兩根足夠長的固定平行金屬導軌，兩導軌間的距離為L，導軌平面與水平面間的夾角為θ，在整個導軌平面內都有垂直于導軌平面斜向上的勻強磁場，磁感應強度為B，在導軌的AC端連接一個阻值為R的電阻，一根質量為m、垂直于導軌放 置的金屬棒ab，從靜止開始沿導 軌下滑，求此過程中ab棒的最大 速度．已知ab與導軌間的動摩擦 因數(shù)為μ，導軌和金屬棒的電阻都不計．,【思路點撥】 ab沿導軌下滑過程中受四個力作用，即重力mg、支持力FN、摩擦力Ff和安培力F安，如圖所示，ab由靜止開始下滑后，將是v↑→E↑→I↑→F安↑→a↓(↑為增大符號)，所以這是個變加速過程，當加速度減到a＝0時，其速度增到最大v＝vmax，此時處于平衡狀態(tài)，以后將以vmax勻速下滑． 【解析】 ab下滑時因切割磁感線，要產生感應電動勢，根據(jù)電磁感應定律E＝BLv① 閉合電路ACba中將產生感應電流，根據(jù)閉合電路歐姆定律I＝E/R②,據(jù)右手定則可判定感應電流方向為aACba，再據(jù)左手定則判斷它受的安培力F安方向如圖所示，其大小為 F安＝BIL③ 取平行和垂直導軌的兩個方向對ab所受的力進行正交分解，應有FN＝mgcos θ，F(xiàn)f＝μmgcos θ，,[先看名師指津] 1．電磁感應中的動態(tài)分析，是處理電磁感應問題的關鍵，要學會從動態(tài)分析的過程中來選擇是從動力學方面，還是從能量、動量方面來解決問題． 2．在分析運動導體的受力時，常需畫出平面示意圖和物體受力圖．,[再演練應用] 如圖4-5-9所示，平行導軌MN和PQ相距0.5 m，電阻忽略不計．其水平部分粗糙，傾斜部分光滑．且水平部分置于B＝0.6 T豎直向上的勻強磁場中，傾斜部分處沒有磁場．已知導線a和b的質量均為0.2 kg， 電阻均為0.15 Ω，開始時a、b相 距足夠遠，b放置在水平導軌上， 現(xiàn)將a從傾斜導軌上高0.05 m處由靜止開始釋放，求：(g＝10 m/s2),(1)回路中的最大感應電流是多少？ (2)如果導線和導軌間動摩擦因數(shù)μ＝0.1，當導線b的速度最大時，導線a的加速度是多少？,