高中物理 第四章 電磁感應(yīng) 5 電磁感應(yīng)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(xué)習(xí)·基礎(chǔ)知識,5 電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況 [學(xué)習(xí)目標] 1.知道感生電動勢、動生電動勢的概念．知道產(chǎn)生感生電動勢的非靜電力是感生電場的作用．產(chǎn)生動生電動勢的非靜電力與洛倫茲力有關(guān)． 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(yīng)現(xiàn)象遵守能量守恒定律． 4.電磁感應(yīng)與力學(xué)、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(xué)家__________提出的． 2．感生電動勢：由__________產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，它的方向與感生電場的方向_____，與感應(yīng)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(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，哪一個更能反映電磁感應(yīng)的本質(zhì)？ 【提示】 當(dāng)穿過回路的磁通量發(fā)生變化時，回路中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，如果回路閉合，就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，而不論回路是否閉合，都有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，但不一定有感應(yīng)電流．所以感應(yīng)電動勢比感應(yīng)電流更能反映電磁感應(yīng)的本質(zhì)．,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(chǎn)生的感生電場越強．( ),×,√,×,1．成因 導(dǎo)體棒做切割磁感線運動時，導(dǎo)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(chǎn)生的感應(yīng)電動勢． 3．動生電動勢中的非靜電力：與_________有關(guān)．,導(dǎo)體運動,洛倫茲力,感生電動勢與動生電動勢產(chǎn)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(dǎo)體切割磁感線而引起的．,√,√,×,預(yù)習(xí)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(xué)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(shè)問，破解疑難 1．(1)什么叫動生電動勢？(2)動生電動勢的產(chǎn)生與電路是閉合還是斷開有關(guān)嗎？ 【提示】 (1)由于導(dǎo)體棒做切割磁感線的運動，而在導(dǎo)體棒兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，叫做動生電動勢．,(2)無關(guān)．無論電路閉合還是斷開，只要有導(dǎo)體做切割磁感線的運動，電路中就有動生電動勢產(chǎn)生．當(dāng)電路閉合，其一部分導(dǎo)體做切割磁感線的運動時，電路中有感應(yīng)電流產(chǎn)生．,2．什么是感生電場？感生電場與感應(yīng)電流的關(guān)系是什么？,3．感生電動勢和動生電動勢的產(chǎn)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(chǎn)生的，動生電動勢是洛倫茲力對自由電荷作用產(chǎn)生的．,第2步結(jié)論——自我總結(jié)，素能培養(yǎng) 1．感生電動勢與動生電動勢產(chǎn)生機理的理解 (1)磁感應(yīng)強度變化產(chǎn)生的感生電動勢是由變化的磁場產(chǎn)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(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)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(dāng)磁感應(yīng)強度變化時，在垂直于磁場的方向上會產(chǎn)生感生電場，下列有關(guān)磁感應(yīng)強度的變化與感生電場的方向關(guān)系的描述正確的是( ) A．當(dāng)磁感應(yīng)強度均勻增大時，感生電 場的電場線從上向下看應(yīng)為順時針方向 B．當(dāng)磁感應(yīng)強度均勻增大時，感生電場的 電場線從上向下看應(yīng)為逆時針方向,C．當(dāng)磁感應(yīng)強度均勻減小時，感生電場的電場線從上向下看應(yīng)為順時針方向 D．當(dāng)磁感應(yīng)強度均勻減小時，感生電場的電場線從上向下看應(yīng)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(yīng)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(yīng)強度在增大，在周圍有閉合導(dǎo)線的情況下，感應(yīng)電流的磁場方向應(yīng)與原磁場方向相反，,即感應(yīng)電流的磁場方向向下， 再由右手螺旋定則得到感應(yīng)電流的方向從上向下看應(yīng)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(yīng)強度減小時，感生電場的方向從上向下看應(yīng)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(chǎn)生跟空間中是否存在閉合電路無關(guān)． 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(yīng)電流的方向確定．,第4步巧練——精選習(xí)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(nèi)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(yīng)的圓面積，磁感應(yīng)強度 的大小跟時間成正比例增大，方向豎直向下．設(shè)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(guān)鍵是由楞次定律判斷出感生電場的方向．當(dāng)磁感應(yīng)強度隨時間均勻增大時，將產(chǎn)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(shè)存在圓形閉合回路，回路中應(yīng)產(chǎn)生與電場同向的感應(yīng)電流，由安培定則知，感應(yīng)電流的磁場方向向下，所以根據(jù)楞次定律，引起感應(yīng)電流的應(yīng)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(xué)生分組探究二 電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化與守恒 第1步探究——分層設(shè)問，破解疑難 1．與感生電動勢有關(guān)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，能量怎樣轉(zhuǎn)化？ 【提示】 變化的磁場產(chǎn)生非靜電場，由電場力推動電荷做功，將磁場能轉(zhuǎn)化為電能．,2．與動生電動勢有關(guān)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，能量怎樣轉(zhuǎn)化？ 【提示】 隨導(dǎo)體棒運動的電荷受到洛倫茲力，從導(dǎo)體棒一端移動到另一端，是一個與洛倫茲力有關(guān)的非靜電力做功，將其它形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?第2步結(jié)論——自我總結(jié)，素能培養(yǎng) 1．等效電路的分析：將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的那部分電路等效為電源，畫出等效電路圖，分析內(nèi)外電路結(jié)構(gòu)，應(yīng)用閉合電路歐姆定律、串并聯(lián)電路的性質(zhì)等知識進行分析． 2．電磁感應(yīng)現(xiàn)象中涉及收尾速度問題時的動態(tài)分析： 周而復(fù)始地循環(huán)，達到最終狀態(tài)時，加速度等于零，導(dǎo)體達到穩(wěn)定運動狀態(tài)．,3．能量轉(zhuǎn)化與守恒的分析：電磁感應(yīng)過程往往涉及多種能量形式的轉(zhuǎn)化． 如圖4-5-4中金屬棒ab沿導(dǎo)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(zhuǎn)化為電路中的電 圖4-5-4 能，最終在R上轉(zhuǎn)化為焦耳熱；另一部分轉(zhuǎn)化為金屬棒的動能．若導(dǎo)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(zhuǎn)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(dǎo)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(dǎo)體棒MN垂直于導(dǎo)軌放置， 質(zhì)量為0.2 kg，接入電路的電阻為1 Ω，兩端與導(dǎo)軌接觸良好，與導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)為0.5.在導(dǎo)軌間存在著垂直于導(dǎo)軌平面的勻強磁場，,磁感應(yīng)強度為0.8 T．將導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)電流和感應(yīng)電動勢恒定及v不變． (2)由v不變，考慮到導(dǎo)體棒MN的平衡． (3)根據(jù)物體的平衡和功能關(guān)系確定v和P.,【解析】 把立體圖轉(zhuǎn)為平面圖，由平衡條件列出方程是解決此類問題的關(guān)鍵．對導(dǎo)體棒進行受力分析做出截面圖，如圖所示，導(dǎo)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(yīng)中產(chǎn)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(yīng)的其他能量的減少量等于產(chǎn)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(xí)題，落實強化 1．(多選)如圖4-5-6所示，兩根足夠長的光滑導(dǎo)軌豎直放置，間距為L，底端接阻值為R的電阻．將質(zhì)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(dǎo)軌接觸良好，導(dǎo)軌所在平面 與磁感應(yīng)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(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能、金屬棒的動能以及電阻R上產(chǎn)生的內(nèi)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(shè)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(yīng)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(dǎo)線 和開關(guān)S連接到兩金屬板上，忽 略邊緣效應(yīng)，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(yīng)中的力學(xué)問題的分析方法 由于通過導(dǎo)體的感應(yīng)電流在磁場中將受到安培力作用，因此電磁感應(yīng)問題往往和力學(xué)問題綜合在一起考查． 1．理解電磁感應(yīng)問題中的兩個研究對象及其之間的相互制約關(guān)系,2．理解力和運動的動態(tài)關(guān)系 3．解決電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的力學(xué)問題的思路 (1)對電學(xué)對象要畫好必要的等效電路圖． (2)對力學(xué)對象要畫好必要的受力分析圖和過程示意圖．,(3)電磁感應(yīng)中切割磁感線的導(dǎo)體要運動，產(chǎn)生的感應(yīng)電流又要受到安培力的作用．在安培力作用下，導(dǎo)體的運動狀態(tài)發(fā)生變化，這就可能需要應(yīng)用牛頓運動定律． 4．解決電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的力學(xué)問題的基本步驟 (1)用法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律求感應(yīng)電動勢的大小和方向； (2)求回路中的電流； (3)分析研究導(dǎo)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(xué)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(dǎo)軌，兩導(dǎo)軌間的距離為L，導(dǎo)軌平面與水平面間的夾角為θ，在整個導(dǎo)軌平面內(nèi)都有垂直于導(dǎo)軌平面斜向上的勻強磁場，磁感應(yīng)強度為B，在導(dǎo)軌的AC端連接一個阻值為R的電阻，一根質(zhì)量為m、垂直于導(dǎo)軌放 置的金屬棒ab，從靜止開始沿導(dǎo) 軌下滑，求此過程中ab棒的最大 速度．已知ab與導(dǎo)軌間的動摩擦 因數(shù)為μ，導(dǎo)軌和金屬棒的電阻都不計．,【思路點撥】 ab沿導(dǎo)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(dāng)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(chǎn)生感應(yīng)電動勢，根據(jù)電磁感應(yīng)定律E＝BLv① 閉合電路ACba中將產(chǎn)生感應(yīng)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(yīng)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(dǎo)軌的兩個方向?qū)b所受的力進行正交分解，應(yīng)有FN＝mgcos θ，F(xiàn)f＝μmgcos θ，,[先看名師指津] 1．電磁感應(yīng)中的動態(tài)分析，是處理電磁感應(yīng)問題的關(guān)鍵，要學(xué)會從動態(tài)分析的過程中來選擇是從動力學(xué)方面，還是從能量、動量方面來解決問題． 2．在分析運動導(dǎo)體的受力時，常需畫出平面示意圖和物體受力圖．,[再演練應(yīng)用] 如圖4-5-9所示，平行導(dǎo)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(dǎo)線a和b的質(zhì)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(dǎo)軌上， 現(xiàn)將a從傾斜導(dǎo)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(yīng)電流是多少？ (2)如果導(dǎo)線和導(dǎo)軌間動摩擦因數(shù)μ＝0.1，當(dāng)導(dǎo)線b的速度最大時，導(dǎo)線a的加速度是多少？,