高中物理 第2章 第6讲 电磁感应的综合应用（二）动力学和能量问题课件 鲁科版选修32.ppt

高中物理 选修3 2 鲁科版 第二章楞次定律和自感现象 第六讲电磁感应的综合应用 二 动力学和能量问题 目标定位 电磁感应中的动力学和能量问题 预习导学 1 楞次定律blv右手定则 2 bil左手定则 3 ma增大减小匀速直线运动 4 能量转化转化功 1 动能 2 重力势能 3 弹性势能 4 机械能 5 电能 5 i2rt 电磁感应中的动力学和能量问题 课堂讲义 一 电磁感应中的动力学问题 电磁感应中产生感应电流 在磁场中受到安培力的作用 因此电磁感应问题往往与力学问题联系在一起 1 在解决此类问题时要注意内部各量之间的两个制约关系 1 力和运动关系 2 动力学量和电学量之间的关系 表示如图所示 2 解决此类问题的主要方法 1 用法拉第电磁感应定律和楞次定律确定感应电动势的大小和方向 2 依据闭合电路欧姆定律 求出回路中的电流 3 分析导体的受力情况 4 依据牛顿第二定律列出动力学方程或平衡方程 求解 电磁感应中的动力学和能量问题 课堂讲义 电磁感应中的动力学和能量问题 例1如图所示 电阻不计的金属导轨mn和op放置在水平面内 mo间接有阻值为r 3 的电阻 导轨相距d 1m 其间有竖直向下的匀强磁场 磁感应强度b 0 5t 质量m 0 1kg 电阻r 1 的导体棒cd垂直于导轨放置 并接触良好 现用平行于mn的恒力f 1n向右拉动cd cd所受摩擦力f恒为0 5n 求 1 cd运动的最大速度是多少 2 当cd的速度为最大速度一半时 cd的加速度是多少 课堂讲义 例2如图甲所示 两根足够长的直金属导轨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放在两导轨上 并与导轨垂直 整套装置处于磁感应强度为b的匀强磁场中 磁场方向垂直于斜面向下 导轨和金属杆的电阻可忽略 让ab杆沿导轨由静止开始下滑 导轨和金属杆接触良好 不计它们之间的摩擦 1 由b向a方向看到的装置如图乙所示 请在此图中画出ab杆下滑过程中某时刻的受力示意图 2 在加速下滑过程中 当ab杆的速度大小为v时 求此时ab杆中的电流及其加速度的大小 3 求在下滑过程中 ab杆可以达到的速度最大值 电磁感应中的动力学和能量问题 课堂讲义 针对训练如图所示 竖直平面内有足够长的金属导轨 轨距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 突然接通电键s 则 1 试说出s接通后 导体ab的运动情况 2 导体ab匀速下落的速度是多少 g取10m s2 1 s闭合前 v0 gt 4m s s闭合后 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 电磁感应中的动力学和能量问题 课堂讲义 二 电磁感应中的能量问题 1 电磁感应现象中的能量守恒 电磁感应现象中的 阻碍 就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 1 与感生电动势有关的电磁感应现象中 磁场能转化为电能 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 2 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 转化过来的电能也将全部转化为电阻的内能 电磁感应中的动力学和能量问题 课堂讲义 3 分析求解电磁感应现象中能量问题的一般思路 1 分析回路 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 如果是安培力做正功 就是电能转化为其他形式的能 3 列有关能量的关系式 电磁感应中的动力学和能量问题 课堂讲义 4 电磁感应中焦耳热的计算技巧 1 感应电路中电流恒定 则电阻产生的焦耳热等于电流通过电阻做的功 即q i2rt 2 感应电路中电流变化 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其他形式能量的减少 即q e其他 电磁感应中的动力学和能量问题 课堂讲义 例3如图所示 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 棒匀速上升的过程 动能定理 w wf wg w安 0 a对b错 q w安 wf wg c错d对 电磁感应中的动力学和能量问题 课堂讲义 1 下滑过程中 qr 3qr 0 3j w安 q qr qr 0 4j 2 金属棒下滑时 所以a 3 2m s2 3 正确 表明 由动能定理可以得到棒的最大速度 上述解法正确 a随v增大而减小 棒做a减小的加速运动 到达底端时速度最大 所以 电磁感应中的动力学和能量问题 对点练习 电磁感应中的动力学问题 1 如图所示 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v t图象中 可能正确描述上述过程的是 进入时f安阻碍运动 v减小 a减小 进入后f安 0 v不变 离开时f安阻碍运动 v减小 a减小 综上所述 正确答案为d 电磁感应中的动力学和能量问题 2如图所示 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 a p 2mgvsin b p 3mgvsin c 当导体棒速度达到v 2时加速度大小为 gsin 2d 在速度达到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 受力分析如图甲 图甲 mgsin bil 受力分析如图乙 图乙 功率p f 2v 2mgvsin 故a正确 由 1 2 可得f mgsin 受力分析如图丙 图丙 由 1 3 可知a gsin 2 c正确 等于拉力和重力做功之和 故d错误 对点练习 电磁感应中的动力学和能量问题 对点练习 有磁场时 ab切割磁感线产生感应电流 重力和安培力均做负功 机械能减小 有电热产生 故ab上升的最大高度变小a b错误 d正确 电磁感应中的能量问题 3 如图所示 两根足够长的光滑金属导轨mn pq平行放置 导轨平面与水平面的夹角为 导轨的下端接有电阻 当导轨所在空间没有磁场时 使导体棒ab以平行导轨平面的初速度v0冲上导轨 ab上升的最大高度为h 当导轨所在空间存在方向与导轨平面垂直的匀强磁场时 再次使ab以相同的初速度从同一位置冲上导轨 ab上升