高二物理人教版选修3-2课件：第四章 电磁感应.pptx

第四章 电磁感应 学案10 章末总结 专题整合自我检测网络构建 网络构建 电磁感应 电磁感 应现象 现象 闭合电路一部分导体做 的运动 闭合电路的 发生变化 切割磁感线 磁通量 产生感应电流的条件：电路 且 变化 能量转化：其他形式的能转化为电能或电能的转移 闭合磁通量 楞次定律 (感应电 流的方向 ) 内容：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁 场总要 引起感应电流的磁通量的变化 理解 感应电流总要阻碍 的变化 感应电流总要阻碍 的相对运动 阻碍 磁通量 导体和磁场 应用 步骤 首先明确原磁场的 和磁通量的 ，确定感 应电流的磁场方向 再用 确定感应电流方向 楞次定律 (感应电 流的方向 ) 方向增减 安培定则 右手 定则 适合判定 产生的感应电流的方向 右手定则、左手定则、安培定则的区别 导体切割磁感线 法拉第电磁 感应定律(感 应电动势的 大小) 感应电 动势 定义：在电磁感应现象中产生的电动势 产生的条件： 发生变化 磁通量 磁通量的变化率：单位时间内磁通量的变化 法拉第电磁 感应定律(感 应电动势的 大小) 法拉第电磁 感应定律 E ，适合求E的平均值 切割 公式 E ，适合求E的瞬时值 条件：B、l、v三者互相垂直 Blv 自感现象及 其应用(特殊 的电磁感应 现象) 互感现象 自感现象 定义： 发生变化而产生的电磁 感应现象 自感电动势：总是阻碍 的变化 自身电流 自身电流 自感系数L：与线圈的大小、形状、圈数 ， 以及是否有铁芯等因素有关 应用和防止 自感现象及 其应用(特殊 的电磁感应 现象) 自感现象 涡流 定义：块状金属在变化的磁场中产生的环形 感应电流 应用 电磁阻尼 电磁驱动 一、对楞次定律的理解与应用专题整合 楞次定律反映这样一个物理规律：原磁通量变化时产生 感应电流，感应电流的磁场(方向由右手螺旋定则判定) 阻碍原磁通量的变化. 1.感应电流的磁场不一定与原磁场方向相反，只在磁通 量增大时两者才相反，而在磁通量减少时两者是同向的. 2.“阻碍”并不是“阻止”，而是“延缓”，电路中的 磁通量还是在变化，只不过变化得慢了. 3.“阻碍”的表现：增反减同、增缩减扩、增离减靠、 来拒去留. 例1 圆形导体线圈a平放在水平桌面上，在a的正 上方固定一竖直螺线管b，二者轴线重合，螺线管 与电源和滑动变阻器连接成如图1所示的电路.若 将滑动变阻器的滑片P向下滑动，下列表述正确 的是 ( ) 图1 A.线圈a中将产生俯视顺时针方向的感应电流 B.穿过线圈a的磁通量变小 C.线圈a有扩张的趋势 D.线圈a对水平桌面的压力FN将增大 解析 本题考查楞次定律的知识，意在考查学 生对楞次定律、右手螺旋定则等知识的掌握.通 过螺线管b的电流如图所示，根据右手螺旋定 则判断出螺线管b所产生的磁场方向竖直向下， 滑片P向下滑动，接入电路的电阻减小，电流增大，所产生 的磁场的磁感应强度增大，根据楞次定律可知，a线圈中所 产生的感应电流产生的感应磁场方向竖直向上，再由右手螺 旋定则可得线圈a中的电流方向为俯视逆时针方向，A错误； 由于螺线管b中的电流增大，所产生的磁感应强度增大， 线圈a中的磁通量应变大，B错误； 根据楞次定律可知，线圈a有缩小的趋势，线圈a对水平 桌面的压力增大，C错误，D正确. 答案 D 二、电磁感应中的图象问题 1.图象问题的类型：一是给出电磁感应过程，选出或画 出正确图象；二是由给定的有关图象分析电磁感应过程 ，求解相应的物理量. 2.应用的规律：(1)利用法拉第电磁感应定律计算感应电 动势大小.(2)利用楞次定律或右手定则判定感应电流的方 向.(3)应用公式FBIL(和左手定则计算或判断安培力的 大小或方向). 图2 例2 将一段导线绕成图2甲所示的闭合电路， 并固定在纸面内，回路的ab边置于垂直纸面 向里的匀强磁场中.回路的圆环区域内有垂 直纸面的磁场，以向里为磁场的正方向， 其磁感应强度B随时间t变化的图象如图乙所示.用F表示ab边受到 的安培力，以水平向右为F的正方向，能正确反映F随时间t变化 的图象是 ( ) 答案 B 三、电磁感应中的电路问题 1.首先要找到哪一部分导体相当于电源，分清内外电路. 处于磁通量变化的磁场中的线圈或切割磁感线的导体相 当于电源，该部分导体的电阻相当于内电阻；而其余部 分的电路则是外电路. 2.路端电压、感应电动势和某段导体两端的电压三者的 区别： (1)某段导体作为电阻时，它两端的电压等于电流与其电 阻的乘积； (2)某段导体作为电源时，它两端的电压就是路端电压， 等于电流与外电阻的乘积，或等于电动势减去内电压； (3)某段导体作为电源时，电路断路时导体两端的电压等 于感应电动势. 例3 如图3所示，光滑金属导轨PN与QM 相距1 m，电阻不计，两端分别接有电阻 R1和R2，且R16 ，R23 ，ab导体棒 的电阻为2 .垂直穿过导轨平面的匀强磁 场的磁感应强度为1 T.现使ab以恒定速度 v3 m/s匀速向右移动，求： 图3 (1)导体棒上产生的感应电动势E. 解析 ab棒匀速切割磁感线，产生的电动势为： EBlv3 V 答案 3 V (2)R1与R2消耗的电功率分别为多少？ (3)拉ab棒的水平向右的外力F为多大？ 四、电磁感应中的动力学问题 解决这类问题的关键在于通过运动状态的分析来寻找过程中的临 界状态，如速度、加速度取最大值或最小值的条件等. 1.做好受力情况、运动情况的动态分析：导体运动产生感应电动 势感应电流通电导体受安培力合外力变化加速度变化 速度变化感应电动势变化.周而复始循环，最终加速度等于零， 导体达到稳定运动状态. 2.利用好导体达到稳定状态时的平衡方程，往往是解答该类问题 的突破口. 例4 如图4所示，相距为L的两条足够长的光滑 平行金属导轨与水平面的夹角为，上端接有定 值电阻R，匀强磁场垂直于导轨平面，磁感应强 度为B.将质量为m的导体棒由静止释放，当速度 达到v时开始匀速运动，此时对导体棒施加一平行于导轨向下的 拉力，并保持拉力的功率恒为P，导体棒最终以2v的速度匀速运 动.导体棒始终与导轨垂直且接触良好，不计导轨和导体棒的电 阻，重力加速度为g.下列选项正确的是 ( ) 图4 A.P2mgvsin B.P3mgvsin C.当导体棒速度达到 时加速度大小为 sin D.在导体棒速度达到2v以后匀速运动的过程中，R上产生 的焦耳热等于拉力所做的功 解析 当导体棒的速度达到v时，对导体棒进行受力分析 如图甲所示. 甲 当导体棒的速度达到2v时，对导体棒进行受 力分析如图乙所示. 乙 由可得Fmgsin 功率PF2v2mgvsin ，故A正确. 丙 故C正确. 当导体棒的速度达到2v时，安培力等于拉力和mgsin 之 和，所以以后匀速运动的过程中，R上产生的焦耳热等于 拉力和重力做功之和，故D错误. 答案 AC 五、电磁感应中的能量问题 1.能量观点分析 (1)电磁感应现象中产生感应电流的过程，实质上是能量的转化 过程. (2)电磁感应过程中产生的感应电流在磁场中必定受到安培力的 作用，因此，要维持感应电流的存在，必须有“外力”克服安 培力做功.此过程中，其他形式的能转化为电能.“外力”克服安 培力做了多少功，就有多少其他形式的能转化为电能. 2.求解思路 (1)若回路中电流恒定，可以利用电路结构及WUIt或Q I2Rt直接进行计算. (2)若电流变化，则：利用克服安培力做的功求解：电 磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功；利用 能量守恒求解：若只有电能与机械能的转化，则机械能 的减少量等于产生的电能. 例5 如图5所示，一对光滑的平行金属导轨固定 在同一水平面内，导轨间距l0.5 m，左端接有阻 值R0.3 的电阻.一质量m0.1 kg、电阻r0.1 的金属棒MN放置在导轨上，整个装置置于竖直向上的匀强磁场 中，磁场的磁感应强度B0.4 T.金属棒在水平向右的外力作用 下，由静止开始以a2 m/s2的加速度做匀加速运动，当金属棒 的位移x9 m时撤去外力，金属棒继续运动一段距离后停下来 ，已知撤去外力前、后回路中产生的焦耳热之比Q1Q221. 导轨足够长且电阻不计，金属棒在运动过程中始终与导轨垂直 且两端与导轨保持良好接触.求： 图5 (1)金属棒在匀加速运动过程中，通过电阻R的电荷量q； 答案 4.5 C (2)撤去外力后回路中产生的焦耳热Q2； 解析 设撤去外力时金属棒的速度为v，对于金属棒的匀 加速运动过程，由运动学公式得v22ax 设金属棒在撤去外力后的运动过程中安培力所做的功为 W，由动能定理得 撤去外力后回路中产生的焦耳热Q2W 联立式，代入数据得Q21.8 J 答案 1.8 J (3)外力做的功WF. 解析 由题意知，撤去外力前、后回路中产生的焦耳热之比 Q1Q221，可得Q13.6 J 在金属棒运动的整个过程中，外力F克服安培力做功，由功 能关系可知WFQ1Q2 由式得WF5.4 J. 答案 5.4 J 自我检测 1 2 3 4 自我检测 1.(对楞次定律的理解与应用)如图6所示，竖直放置 的螺线管与导线abcd构成回路，导线所在区域内有 一垂直纸面向里的变化的匀强磁场，螺线管下方水 平桌面上有一导体圆环，导线abcd所围区域内磁场 的磁感应强度按下列哪一图线所表示的方式随时间变化时，导体 圆环将受到向上的磁场作用力 ( ) 图6 5 1 2 3 4 答案 A 5 1 2 3 4 2.(电磁感应中的图象问题)如图7所示，磁场垂直于纸 面向外，磁场的磁感应强度随x按BB0kx(x0，B0、 k为常量)的规律均匀增大.位于纸面内的正方形导线框 abcd处于磁场中，在外力作用下始终保持dc边与x轴平 行向右匀速运动.若规定电流沿abcda的方向为正方向，则从t0到 tt1的时间间隔内，关于该导线框中产生的电流i随时间t变化的图 象正确的是( ) 图7 5 1 2 3 4 解析 线框abcd向右匀速运动，穿过线框的磁通量均匀 增加，由法拉第电磁感应定律知线框中产生恒定电流， 由楞次定律知产生顺时针方向的电流，选项A正确. 答案 A 5 1 2 3 4 3.(电磁感应中的电路问题)如图8所示，由 均匀导线制成的半径为R的圆环，以速度 v匀速进入一磁感应强度大小为B的有界匀 强磁场，边界如图中虚线所示.当圆环运 动到图示位置(aOb90)时，a、b两点的电势差为 ( ) 图8 D 5 1 2 3 4 4.(电磁感应中的能量问题)如图9所示，一 粗糙的平行金属轨道平面与水平面成角， 两轨道上端用一电阻R相连，该装置处于 匀强磁场中，磁场方向垂直轨道平面向上. 质量为m的金属杆ab以初速度v0从轨道底端向上滑行，滑行到 某高度h后又返回到底端.若运动过程中金属杆始终保持与导轨 垂直且接触良好，轨道与金属杆的电阻均忽略不计.则下列说法 正确的是 ( ) 图9 5 1 2 3 4 A.金属杆ab上滑过程与下滑过程通过电阻R的电荷量一样多 B.金属杆ab上滑过程中克服重力、安培力与摩擦力所做功 之和大于 C.金属杆ab上滑过程与下滑过程因摩擦而产生的内能一定 相等 D.金属杆ab在整个过程中损失的机械能等于装置产生的焦 耳热 5 1 2 3 45 1 2 3 4 上滑过程与下滑过程中所受摩擦力大小相等，移动的位移 大小相等，故因摩擦而产生的内能一定相等，根据能量守 恒定律可知整个过程中损失的机械能等于装置产生的焦耳 热和摩擦产生的能量之和.故A、C正确，B、D错误. 答案 AC 5 1 2 3 4 5.(电磁感应中的动力学问题)如图10所示， 固定于水平桌面上足够长的两平行光滑导 轨PQ、MN，其电阻不计，间距d0.5 m， P、M之间接有一只理想电压表，整个装置处于竖直向下的磁感应 强度B00.2 T的匀强磁场中，两金属棒L1、L2平行地搁在导轨上 ，其电阻均为r0.1