2013年人教版物理选修3-2全册精品课件_第四章第五节.ppt

第五节电磁感应现象的两类情况 学习目标 1 知道感生电动势 动生电动势的概念 知道产生感生电动势的非静电力是感生电场的作用 产生动生电动势的非静电力与洛伦兹力有关 2 会用楞次定律判断感生电场的方向 用左手定则判断洛伦兹力的方向 3 知道电磁感应现象遵守能量守恒定律 重点难点 1 感生电动势以及动生电动势的产生机理 2 灵活运用电磁感应定律和楞次定律解决电磁感应问题 一 电磁感应现象中的感生电场 自主探究 静止于磁场中的闭合电路 当磁场强弱变化时 电路中将产生电动势 扮演 非静电力 的是什么力 图4 5 1 变化的磁场在空间激发 电场 闭合导体中的自由电荷在这个电场力的作用下定向移动 产生感应电流和感应电动势 可见 非静电力 就是 感生 电场对自由电荷的作用力 成功发现1 感生电场 1 定义 变化的 在周围空间激发的电场 感生 磁场 2 方向 与感应电流方向相同 用 定律判定 2 感生电动势 1 定义 由感生电场产生的感应电动势 2 产生原因 对自由电荷的作用 楞次 感生电场 二 电磁感应现象中的洛伦兹力 自主探究 导体切割磁感线运动 导体中将产生电动势 扮演 非静电力 的又是什么力 如图4 5 2甲所示 导体棒CD在磁场中向右匀速运动 为方便 可认为导体棒中的自由电荷为正电荷 自由电荷随导体棒运动 因此受到的洛伦兹力的方向大致指向 端 C 自由电荷在洛伦兹力的作用下沿导体棒移动 因而 端带正电荷 端带负电荷 因此 端电势高 如图乙所示 在C D两端积累的电荷在导体棒中产生电场 自由电荷在向C端运动的过程中 既受洛伦兹力 又受电场力 当电场力与洛伦兹力 时 自由电荷停止向C端移动 如果用导线与磁场外的用电器相连 导体棒中的电流方向为从 到 C D C 相等 D C 图4 5 2 成功发现1 动生电动势 1 定义 导体在磁场中 时产生的电动势 2 产生原因 对自由电荷的作用2 切割磁感线运动的导体棒相当于 切割磁感线运动 洛伦兹力 电源 要点1感生电动势与动生电动势的理解1 两者产生机理的理解 1 磁感应强度变化产生的电动势是由变化的磁场产生感生电场 线圈中的自由电荷受到电场力作用定向移动形成的 感生电场是一种涡旋电场 电场线是闭合的 感生电场的产生跟空间中是否存在闭合电路无关 感生电场的方向根据闭合电路 或假想的闭合电路 中感应电流的方向确定 2 导体切割磁感线产生的电动势是由于自由电荷受到洛伦兹力的作用而定向移动 沿导体的分力使电子沿导体向下运动 使导体下端出现过剩负电荷 导体上端出现过剩的正电荷 导体棒相当于电源 2 感生电动势与动生电动势的比较 特别提醒 有些情况下 动生电动势和感生电动势具有相对性 例如 将条形磁铁插入线圈中 如果在相对磁铁静止的参考系内观察 线圈运动 产生的是动生电动势 如果在相对线圈静止的参考系中观察 线圈中磁场变化 产生感生电动势 如图4 5 3所示 内壁光滑 水平放置的玻璃圆环内 有一直径略小于圆环直径的带正电的小球 以速率v0沿逆时针方向匀速转动 若在此空间突然加上方向竖直向上 磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场 设运动过程中小球带电荷量不变 那么 图4 5 3 A 小球对玻璃圆环的压力一定不断增大B 小球所受的磁场力一定不断增大C 小球先沿逆时针方向减速运动 之后沿顺时针方向加速运动D 磁场力对小球一直不做功 思路点拨 解答本题时可按以下思路分析 精讲精析 变化的磁场将产生感生电场 这种感生电场由于其电场线是闭合的 也称为涡旋电场 其场强方向可借助电磁感应现象中感应电流方向的判定方法 使用楞次定律判断 当磁场增强时 会产生顺时针方向的涡旋电场 电场力先对小球做负功使其速度减为零 后对小球做正功使其沿顺时针方向做加速运动 所以C正确 磁场力始终与小球运动方向垂直 因此始终对小球不做功 D正确 小球在水平面内沿半径方向受两个力作用 环的压力FN和磁场的洛伦兹力F 这两个力的合力充当小球做圆周运动的向心力 其中F Bqv 磁场在增强 小球的速度先减小 后增大 所以洛伦兹力不一定总在增大 答案 CD 规律总结 本题的关键是判断出感生电场的方向 感生电场对小球做功 使带电小球的动能发生变化 变式训练1 下列说法中正确的是 A 动生电动势是洛伦兹力对导体中自由电荷做功而引起的B 因为洛伦兹力对运动电荷始终不做功 所以动生电动势与洛伦兹力无关C 感生电场是由变化的磁场激发而产生的D 感生电场的方向可以用楞次定律和安培定则来判定 解析 选CD 动生电动势是洛伦兹力沿导体方向的分力做功引起的 但洛伦兹力对自由电荷所做的总功仍为零 选项A B错误 由麦克斯韦电磁理论知 C正确 感生电场的产生也是符合电磁感应原理的 D正确 要点2电磁感应中的能量守恒1 分析回路 分清电源和外电路在电磁感应现象中 切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路将产生感应电动势 该导体或回路就相当于电源 其余部分相当于外电路 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 3 根据功能关系列式求解 与动生电动势有关的电磁感应现象中 通过克服安培力做功 把机械能或其他形式的能转化为电能 克服安培力做多少功 就产生多少电能 若电路是纯电阻电路 转化过来的电能将全部转化为电阻的内能 2012 江苏启东中学高二检测 如图4 5 4所示 竖直固定的光滑U形金属导轨MNOP每米长度的电阻为r MN平行于OP 且相距为l 磁感应强度为B的匀强磁场与导轨 所在平面垂直 有一质量为m 电阻不计的水平金属杆ab可在导轨上自由滑动 滑动过程中与导轨接触良好且保持垂直 将ab从某一位置由静止开始释放后 下滑h高度时速度达最大 在此过程中 电路中产生的热量为Q 以后设法让杆ab保持这个速度匀速下滑 直到离开导轨为止 求 图4 5 4 1 金属杆匀速下滑时的速度 2 匀速下滑过程中通过金属杆的电流I与时间t的关系 思路点拨 解答本题时应把握以下两点 1 金属杆下滑过程中哪些能量发生转化 2 金属杆匀速下滑的条件 变式训练2 2012 吉林一中高二上学期期末 在倾角为 的两平行光滑长直金属导轨的下端 接有一电阻R 导轨自身的电阻可忽略不计 有一匀强磁场与两金属导轨平面垂直 方向垂直于导轨面向上 质量为m 电阻可不计的金属棒ab 在沿着导轨面且与棒垂直的恒力F作用下沿导轨匀速上滑 上升高度为h 如图4 5 5所示 则在此过程中 A 恒力F在数值上等于mgsin B 恒力F对金属棒ab所做的功等于mghC 恒力F与重力的合力对金属棒ab所做的功等于电阻R上释放的焦耳热D 恒力F与重力的合力对金属棒ab所做的功等于零 图4 5 5 解析 选C 金属棒ab沿导轨匀速上滑 合外力为零 恒力F在数值上等于重力沿导轨方向的分力与安培力之和 故A错 动能不变 拉力做功等于克服重力和安培力做功 克服重力做的功等于重力势能的增加 克服安培力做的功最终转化为电阻R上释放的焦耳热 故B错 恒力与重力的合力对金属棒做的功等于克服安培力做的功 大小等于电阻R上释放的焦耳热 C对D错 要点3电磁感应中的图象问题电磁感应中常涉及磁感应强度B 磁通量 感应电动势E 感应电流I 安培力F安或外力F外随时间t变化的图象 即B t图 t图 E t图 I t图 F t图 对于切割磁感线产生感应电动势和感应电流的情况 还常涉及感应电动势E和感应电流I随位移x变化的图象 即E x图 I x图等 这些图象问题大体上可分为两类 1 由给定的电磁感应过程选出或画出正确图象 2 由给定的有关图象分析电磁感应过程 求解相应的物理量 处理图象问题首先要分清阶段 然后对每个阶段的导体切割情况或回路磁通量变化情况进行详细分析 并进一步确定感应电动势 感应电流等的大小和方向的变化特点 最后把握整个过程的变化规律 如图4 5 6甲所示 光滑导轨水平放置在与水平方向夹角60 斜向下的匀强磁场中 匀强磁场的磁感应强度B随时间的变化规律如图乙所示 规定斜向下为正方向 导体棒ab垂直导轨放置 除电阻R的阻值外 其余电阻不计 导体棒ab在水平外力作用下始终处于静止状态 规定a b的方向为电流的正方向 水平向右的方向为外力的正方向 则在0 t时间内 能正确反映流过导体棒ab的电流I 和导体棒ab所受水平外力F随时间t变化的图象是 图4 5 6 图4 5 7 精讲精析 由楞次定律可判定回路中的电流始终为b a方向 由法拉第电磁感应定律可判定回路电流大小恒定 故A B错 由F安 BIL可得F安随B的变化而变化 在0 t0时间内 F安方向向右 故外力F与F安等值反向 方向向左为负值 在t0 t时间内 F安方向改变 故外力F方向也改变为正值 综上所述 D项正确 答案 D 规律总结 解决这类问题时 一般采取排除法 根据物理量的方向 正 负 判断较为简单 变式训练3 如图4 5 8所示 垂直纸面向里的匀强磁场的区域宽度为2a 磁感应强度的大小为B 一边长为a 电阻为4R的正方形均匀导线框ABCD从图示位置开始沿水平向右方向以速度v匀速穿过磁场区域 在图4 5 9中线框A B两端电压UAB与线框移动距离x的关系图象正确的是 图4 5 8 图4 5 9 解析 选D 进入磁场时 注意UAB是路端电压 应该是电动势的四分之三 此时E Bav 所以UAB 3Bav 4 完全进入后 没有感应电流 但有感应电动势 大小为Bav 穿出磁场时电压应该是电动势的四分之一 UAB Bav 4 方向始终相同 即 A B 由以上分析可知D正确 导体棒在磁场中运动的动态分析通过导体的感应电流在磁场中将受到安培力作用 从而引起导体速度 加速度的变化 1 基本方法 1 用法拉第电磁感应定律和楞次定律求出感应电流的方向和感应电动势的大小 2 求出回路中电流的大小 3 分析研究导体受力情况 包括安培力 用左手定则确定其方向 4 列出动力学方程或者平衡方程求解 2 基本思路电磁感应力学问题中 要抓好受力情况 运动情况的动态分析 导体受力运动产生感应电动势 感应电流 通电导体受到安培力 合外力变化 加速度变化 速度变化 周而复始的循环 循环结束时 加速度为0 导体达到稳定状态 速度达到最值 经典案例 14分 如图4 5 10甲所示 两根足够长的直金属导体MN PQ平行放置在倾角为 的绝缘斜面上 两导轨间距为L M P两点间接有阻值为R的电阻 一根质量为m的均匀直金属杆ab放在