高中物理 第一章 电磁感应 5 电磁感应中的能量转化与守恒课件 教科版选修32.ppt

5电磁感应中的能量转化与守恒 第一章电磁感应 1 综合运用楞次定律和法拉第电磁感应定律解决电磁感应中的动力学问题 2 会分析电磁感应中的能量转化问题 目标定位 二 电磁感应中的能量转化与守恒 栏目索引 一 电磁感应中的动力学问题 对点检测自查自纠 一 电磁感应中的动力学问题 知识梳理 1 具有感应电流的导体在磁场中将受到安培力作用 所以电磁感应问题往往与力学问题联系在一起 处理此类问题的基本方法是 1 用法拉第电磁感应定律和楞次定律求感应电动势的大小和方向 2 求回路中的感应电流的大小和方向 3 分析导体的受力情况 包括安培力 4 列动力学方程或平衡方程求解 2 两种状态处理 1 导体处于平衡状态 静止或匀速直线运动状态 处理方法 根据平衡条件 合力等于零列式分析 2 导体处于非平衡状态 加速度不为零 处理方法 根据牛顿第二定律进行动态分析或结合功能关系分析 典例精析 例1如图1所示 空间存在b 0 5t 方向竖直向下的匀强磁场 mn pq是水平放置的平行长直导轨 其间距l 0 2m 电阻r 0 3 接在导轨一端 ab是跨接在导轨上质量m 0 1kg 电阻r 0 1 的导体棒 已知导体棒和导轨间的动摩擦因数为0 2 从零时刻开始 对ab棒施加一个大小为f 0 45n 方向水平向左的恒定拉力 使其从静止开始沿导轨滑动 过程中棒始终保持与导轨垂直且接触良好 求 g 10m s2 1 导体棒所能达到的最大速度 图1 解析答案 解析ab棒在拉力f作用下运动 随着ab棒切割磁感线运动的速度增大 棒中的感应电动势增大 棒中感应电流增大 棒受到的安培力也增大 最终达到匀速运动时棒的速度达到最大值 外力在克服安培力做功的过程中 消耗了其他形式的能 转化成了电能 最终转化成了焦耳热 导体棒切割磁感线运动 产生的感应电动势 解析答案 e blv 导体棒受到的安培力f安 bil 导体棒运动过程中受到拉力f 安培力f安和摩擦力f的作用 根据牛顿第二定律 由上式可以看出 随着速度的增大 安培力增大 加速度a减小 当加速度a减小到0时 速度达到最大 答案10m s f mg f安 ma 2 试定性画出导体棒运动的速度 时间图像 解析导体棒运动的速度 时间图像如图所示 答案见解析图 解析答案 总结提升 总结提升 电磁感应动力学问题中 要把握好受力情况 运动情况的动态分析 基本思路是 导体受外力运动产生感应电动势感应电流导体受安培力 合外力变化加速度变化 速度变化 感应电动势变化 a 0 v最大值 周而复始地循环 循环结束时 加速度等于零 导体达到稳定状态 a 0 速度v达到最大值 例2如图2所示 竖直平面内有足够长的金属导轨 导轨间距为0 2m 金属导体ab可在导轨上无摩擦地上下滑动 ab的电阻为0 4 导轨电阻不计 导体ab的质量为0 2g 垂直纸面向里的匀强磁场的磁感应强度为0 2t 且磁场区域足够大 当导体ab自由下落0 4s时 突然闭合开关s 则 g取10m s2 1 试说出s接通后 导体ab的运动情况 图2 解析答案 解析闭合s之前导体ab自由下落的末速度为 v0 gt 4m s 此刻导体所受合力的方向竖直向上 与初速度方向相反 加速度的表达式为 所以ab做竖直向下的加速度逐渐减小的减速运动 当速度减小至f安 mg时 ab做竖直向下的匀速运动 答案先做竖直向下的加速度逐渐减小的减速运动 后做匀速运动 s闭合瞬间 导体产生感应电动势 回路中产生感应电流 ab立即受到一个竖直向上的安培力 2 导体ab匀速下落的速度是多少 图2 答案0 5m s 解析答案 解析设匀速下落的速度为vm 例3如图3 两固定的绝缘斜面倾角均为 上沿相连 两细金属棒ab 仅标出a端 和cd 仅标出c端 长度均为l 质量分别为2m和m 用两根不可伸长的柔软轻导线将它们连成闭合回路abdca 并通过固定在斜面上沿的两光滑绝缘小定滑轮跨放在斜面上 使两金属棒水平 右斜面上存在匀强磁场 磁感应强度大小为b 方向垂直于斜面向上 已知两根导线刚好不在磁场中 回路电阻为r 两金属棒与斜面间的动摩擦因数均为 重力加速度大小为g 已知金属棒ab匀速下滑 求 1 作用在金属棒ab上的安培力的大小 图3 解析答案 解析由ab cd棒被平行于斜面的导线相连 故ab cd速度总是相等 cd也做匀速直线运动 设导线的张力的大小为t 右斜面对ab棒的支持力的大小为n1 作用在ab棒上的安培力的大小为f 左斜面对cd棒的支持力大小为n2 对于ab棒 受力分析如图甲所示 由力的平衡条件得2mgsin n1 t f n1 2mgcos 对于cd棒 受力分析如图乙所示 由力的平衡条件得mgsin n2 t n2 mgcos 联立 式得 f mg sin 3 cos 答案mg sin 3 cos 甲 乙 2 金属棒运动速度的大小 解析答案 解析设金属棒运动速度大小为v ab棒上的感应电动势为e blv 安培力f bil 联立 得 总结提升 返回 总结提升 电磁感应中力学问题的解题技巧 1 受力分析时 要把立体图转换为平面图 同时标明电流方向及磁场b的方向 以便准确地画出安培力的方向 2 要特别注意安培力的大小和方向都有可能变化 不像重力或其他力一样是恒力 3 根据牛顿第二定律分析a的变化情况 以求出稳定状态的速度 4 列出稳定状态下的受力平衡方程往往是解题的突破口 二 电磁感应中的能量转化与守恒 知识梳理 1 电磁感应现象中的能量守恒电磁感应现象中的 阻碍 是能量守恒的具体体现 在这种 阻碍 的过程中 其他形式的能转化为电能 2 电磁感应现象中的能量转化方式 3 求解电磁感应现象中能量问题的一般思路 1 确定回路 分清电源和外电路 2 分析清楚有哪些力做功 明确有哪些形式的能量发生了转化 如 有滑动摩擦力做功 必有内能产生 有重力做功 重力势能必然发生变化 克服安培力做功 必然有其他形式的能转化为电能 并且克服安培力做多少功 就产生多少电能 如果安培力做正功 就有电能转化为其他形式的能 3 列有关能量的关系式 典例精析 例4如图4所示 匀强磁场方向竖直向下 磁感应强度为b 正方形金属框abcd可绕光滑轴oo 转动 边长为l 总电阻为r ab边质量为m 其他三边质量不计 现将abcd拉至水平位置 并由静止释放 经一定时间到达竖直位置 ab边的速度大小为v 则在金属框内产生热量大小等于 解析答案 图4 答案c 例5如图5所示 两根电阻不计的光滑平行金属导轨倾角为 导轨下端接有电阻r 匀强磁场垂直斜面向上 质量为m 电阻不计的金属棒ab在沿斜面与棒垂直的恒力f作用下沿导轨匀速上滑 上升高度为h 在这个过程中 a 金属棒所受各力的合力所做的功等于零b 金属棒所受各力的合力所做的功等于mgh和电阻r上产生的焦耳热之和c 恒力f与重力的合力所做的功等于棒克服安培力所做的功与电阻r上产生的焦耳热之和d 恒力f与重力的合力所做的功等于电阻r上产生的焦耳热 图5 解析答案 总结提升 返回 解析棒匀速上升的过程有三个力做功 恒力f做正功 重力g做负功 安培力f安做负功 根据动能定理 w wf wg w安 0 故a对 b错 恒力f与重力g的合力所做的功等于棒克服安培力做的功 而棒克服安培力做的功等于回路中电能 最终转化为焦耳热 的增加量 克服安培力做功与焦耳热不能重复考虑 故c错 d对 答案ad 总结提升 总结提升 电磁感应中焦耳热的计算技巧 1 电流恒定时 根据焦耳定律求解 即q i2rt 2 感应电流变化 可用以下方法分析 利用动能定理 求出克服安培力做的功 产生的焦耳热等于克服安培力做的功 即q w安 利用能量守恒 即感应电流产生的焦耳热等于减少的其他形式的能量 即q e其他 返回 对点检测自查自纠 1 2 3 解析答案 1 如图6 在光滑水平桌面上有一边长为l 电阻为r的正方形导线框 在导线框右侧有一宽度为d d l 的条形匀强磁场区域 磁场的边界与导线框的一边平行 磁场方向竖直向下 导线框以某一初速度向右运动 t 0时导线框的右边恰好与磁场的左边界重合 随后导线框进入并通过磁场区域 下列vt图像中 可能正确描述上述过程的是 图6 1 2 3 解析进入阶段 导线框受到的安培力f安 bil 方向向左 所以导线框速度减小 安培力减小 所以进入阶段导线框做的是加速度减小的减速运动 全部进入之后 磁通量不变化 根据楞次定律 电路中没有感应电流 速度不变 出磁场阶段 导线框受到的安培力f安 bil 方向向左 所以导线框速度减小 安培力减小 所以出磁场阶段导体框做的是加速度减小的减速运动 综上所述 d正确 答案d 2 电磁感应中的动力学问题 如图7所示 光滑金属直导轨mn和pq固定在同一水平面内 mn pq平行且足够长 两导轨间的宽度l 0 5m 导轨左端接一阻值r 0 5 的电阻 导轨处于磁感应强度大小为b 0 4t 方向竖直向下的匀强磁场中 质量m 0 5kg的导体棒ab垂直于导轨放置 在沿着导轨方向向右的力f作用下 导体棒由静止开始运动 导体棒与导轨始终接触良好并且相互垂直 不计导轨和导体棒的电阻 不计空气阻力 若力f的大小保持不变 且f 1 0n 求 1 导体棒能达到的最大速度vm的大小 1 2 3 解析答案 图7 1 2 3 答案12 5m s 1 2 3 2 导体棒的速度v 5 0m s时 导体棒的加速度大小 答案1 2m s2 解析答案 1 2 3 解析答案 3 电磁感应中的能量转化 如图8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l 0 5m 左端接有阻值r 0 3 的电阻 一质量m 0 1kg 电阻r 0 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b 0 4t 金属棒在水平向右的外力作用下 由静止开始以a 2m s2的加速度做匀加速运动 当金属棒的位移x 9m时撤去外力 金属 图8 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q1 q2 2 1 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 1 金属棒在匀加速运动过程中 通过电阻r的电荷量q 1 2 3 答案4 5c 1 2 3 解析答案 2 撤去外力后回路中产生的焦耳热q2 所以v 6m s撤去外力后金属棒在安培力作用下做减速运动 安培力做负功先将金属棒的动