高中物理 第四章第五节 电磁感应现象的两类情况课件 新人教版选修32.ppt

教学教法分析 课前自主导学 当堂双基达标 课后知能检测 教学方案设计 课堂互动探究 5电磁感应现象的两类情况 课标要求1 理解法拉第电磁感应定律 2 举例说明电磁感应在生活和生产中的应用 课标解读1 了解感生电场 知道感生电动势产生的原因 会判断感生电动势的方向 并会计算它的大小 2 了解动生电动势的产生以及与洛伦兹力的关系 会判断动生电动势的方向 并会计算它的大小 3 了解电磁感应规律的一般应用 能解释生活中对电磁感应现象的应用 教学地位本节属于电磁感应规律的应用 在高考中尽管很少直接命题 但它对于理解电磁感应现象有重要的作用 是以后学习的基础 新课导入建议要使穿过回路的磁通量发生变化 有两种方法 一种是回路不变 使磁感应强度发生变化 另一种是磁场不变 使回路的部分导体切割磁感线运动 这两种方法有什么不同 通过这节课的学习 我们就可以解决这个问题 教学流程设计 1 基本知识 1 感生电场 磁场 时在空间激发的一种电场 它是由英国物理学家 提出的 2 感生电动势 由 产生的感应电动势 它的方向与感生电场的方向 与感应电流的方向 3 感生电动势中的非静电力 就是 对自由电荷的作用力 变化 麦克斯韦 感生电场 相同 相同 感生电场 2 思考判断 1 磁场可以对电荷做功 2 感生电场可以对电荷做功 3 磁场越强 磁场变化时产生的感生电场越强 3 探究交流存在闭合环形电路的空间 变化的磁场周围存在感生电场 回路中产生感应电流 那么不存在闭合环形电路的空间 变化的磁场周围是否仍然产生感生电场 提示 变化的磁场周围一定存在感生电场 与是否存在闭合回路无关 1 基本知识 1 成因导体棒做切割磁感线运动时 导体棒中的自由电荷随棒一起定向运动 并因此受到洛伦兹力 2 动生电动势 由于 而产生的感应电动势 3 动生电动势中的非静电力 与 有关 导体运动 洛伦兹力 2 思考判断 1 动生电动势产生的原因是导体内部的自由电荷受到洛伦兹力的作用 2 感生电动势的大小由e n求得 动生电动势的大小可由e blv求得 3 产生动生电动势时 洛伦兹力对自由电荷做了功 3 探究交流如图4 5 1所示是环保型手电筒 内由磁铁和线圈组成 的外形 环保型手电筒不需要任何化学电池作为电源 不会造成由废电池引起的环境污染 使用时只要将它来回摇晃30秒钟 手电筒便可持续照明3 5分钟 你能根据前面学过的有关电磁感应的知识解释这种手电筒的工作原理吗 提示 电筒内有一块永磁铁 它外面有一线圈 当你摇动电筒时 磁铁就相对线圈做往复运动 磁通量发生变化 产生感应电流 将机械能转化为电能 灯就亮了 内有两节纽扣电池储存电能 问题导思 1 怎样产生感生电场 感生电场与电路是否闭合有关吗 2 感生电动势与动生电动势有什么区别 1 对感生电场的理解麦克斯韦在他的电磁理论中指出 变化的磁场能在周围空间激发电场 这种电场叫感生电场 1 感生电场是一种涡旋电场 电场线是闭合的 2 感生电场的产生跟空间中是否存在闭合电路无关 3 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 对动生电动势中电荷所受洛伦兹力的理解 1 运动导体中的自由电子 不仅随导体以速度v运动 而且还沿导体以速度v做定向移动 如图4 5 2所示 因此 导体中的电子的合速度v合等于v和u的矢量和 所以电子受到的洛伦兹力为f合 ev合b f合与合速度v合垂直 2 从做功角度分析 由于f合与v合垂直 所以它对电子不做功 3 感生电动势与动生电动势的对比 多选 2014 太原五中高二检测 某空间出现了图4 5 3所示的磁场 当磁感应强度变化时 在垂直于磁场的方向上会产生感生电场 有关磁感应强度的变化与感生电场的方向关系描述正确的是 a 当磁感应强度均匀增大时 感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向b 当磁感应强度均匀增大时 感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向c 当磁感应强度均匀减小时 感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向d 当磁感应强度均匀减小时 感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向 审题指导 感生电场是由变化的磁场产生的 可先假设在空间内存在一闭合回路 再由楞次定律和安培定则判定 解析 感生电场中电场线的方向用楞次定律来判定 原磁场向上且磁感应强度在增大 在周围有闭合导线的情况下 感应电流的磁场方向应与原磁场方向相反 即感应电流的磁场方向向下 再由安培定则得到感应电流的方向是 从上向下看应为顺时针方向 则感生电场的方向从上向下看也为顺时针方向 同理可知 原磁场方向向上且磁感应强度减小时 感生电场的方向从上向下看应为逆时针方向 所以a d对 答案 ad 解决此类问题的基本思路 1 多选 某空间出现了如图4 5 4所示的一组闭合的电场线 这可能是 a 沿ab方向的磁场迅速减弱b 沿ab方向的磁场迅速增强c 沿ba方向的磁场迅速增强d 沿ba方向的磁场迅速减弱 解析 假设存在圆形闭合回路 回路中应产生与电场同向的感应电流 由安培定则知 感应电流的磁场方向向下 所以根据楞次定律 引起感应电流的应是方向向下的磁场迅速减弱或方向向上的磁场迅速增强 故a c正确 答案 ac 问题导思 1 与感生电动势有关的电磁感应现象中 能量怎样转化 2 与动生电动势有关的电磁感应现象中 能量怎样转化 3 求解与电磁感应有关的能量问题的一般思路是什么 1 电磁感应现象中的能量转化 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 2 求解电磁感应现象中能量守恒问题的一般思路 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 根据能量守恒列方程求解 3 电能的三种求解思路 1 利用克服安培力做功求解 电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功 2 利用能量守恒求解 相应的其他能量的减少量等于产生的电能 3 利用电路特征求解 通过电路中所消耗的电能来计算 多选 2013 安徽理综 如图4 5 5所示 足够长的平行金属导轨倾斜放置 倾角为37 宽度为0 5m 电阻忽略不计 其上端接一小灯泡 电阻为1 一导体棒mn垂直于导轨放置 质量为0 2kg 接入电路的电阻为1 两端与导轨接触良好 与导轨间的动摩擦因数为0 5 在导轨间存在着垂直于导轨平面的匀强磁场 磁感应强度为0 8t 将导体棒mn由静止释放 运动一段时间后 小灯泡稳定发光 此后导体棒mn的运动速度以及小灯泡消耗的电功率分别为 重力加速度g取10m s2 sin37 0 6 a 2 5m s1wb 5m s1wc 7 5m s9wd 15m s9w 审题指导 1 由小灯泡稳定发光 了解到感应电流和感应电动势恒定及v不变 2 由v不变 考虑到导体棒mn的平衡 3 根据物体的平衡和功能关系确定v和p 解析 把立体图转为平面图 由平衡条件列出方程是解决此类问题的关键 对导体棒进行受力分析做出截面图 如图所示 导体棒共受四个力作用 即重力 支持力 摩擦力和安培力 由平衡条件得mgsin37 f安 ff ff fn fn mgcos37 代入数据得v 5m s 小灯泡消耗的电功率为p i2r 2 多选 两根足够长的光滑导轨竖直放置 间距为l 底端接阻值为r的电阻 将质量为m的金属棒悬挂在一个固定的轻弹簧下端 金属棒和导轨接触良好 导轨所在平面与磁感应强度为b的匀强磁场垂直 如图4 5 6所示 除电阻r外其余电阻不计 现将金属棒从弹簧原长位置由静止释放 则 a 释放瞬间金属棒的加速度等于重力加速度gb 金属棒向下运动时 流过电阻r的电流方向为a b 解析 金属棒刚释放时 弹簧处于原长 此时弹力为零 又因此时速度为零 因此也不受安培力作用 金属棒只受到重力作用 其加速度应等于重力加速度 故a对 金属棒向下运动时 由右手定则可知 在金属棒上电流方向向右 电阻等效为外电路 其电流方向为b a 故b错 金属棒速度为v时 安培力大小为f bil i 由以上两式得 f 故c对 金属棒下落过程中 由能量守恒定律知 金属棒减少的重力势能转化为弹簧的弹性势能 金属棒的动能以及电阻r上产生的热能 因此d错 答案 ac 2013 重庆高考 小明在研究性学习中设计了一种可测量磁感应强度的实验 其装置如图4 5 7所示 在该实验中 磁铁固定在水平放置的电子测力计上 此时电子测力计的读数为g1 磁铁两极之间的磁场可视为水平匀强磁场 其余区域磁场不计 直铜条ab的两端通过导线与一电阻连接成闭合回路 总阻值为r 若让铜条水平且垂直于磁场 以恒定的速率v在磁场中竖直向下运动 这时电子测力计的读数为g2 铜条在磁场中的长度为l 1 判断铜条所受安培力的方向 g1和g2哪个大 2 求铜条匀速运动时所受安培力的大小和磁感应强度的大小 解析 1 铜条匀速向下运动 由楞次定律可知 其所受安培力竖直向上 根据牛顿第三定律 铜条对磁铁的作用力竖直向下 故g2 c1 2 由题意知 g1 g2 f f g2 g1 由安培力公式f bil 答案 1 安培力的方向竖直向上 g2 g1 电磁感应中通过导体的感应电流 在磁场中将受到安培力的作用 电磁感应问题往往和力学问题联系在一起 解决这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 求回路中电流 3 分析导体受力情况 包含安培力 用左手定则确定其方向 4 列出动力学方程或平衡方程并求解 1 多选 下列说法中正确的是 a 动生电动势的产生与洛伦兹力有关b 因为洛伦兹力对运动电荷始终不做功 所以动生电动势的产生与洛伦兹力无关c 动生电动势的方向可以由右手定则来判定d 导体棒切割磁感线产生感应电流 受到的安培力一定与受到的外力大小相等 方向相反 解析 由动生电动势产生原因知a对b错 c正确 只有在导体棒做匀速切割时 除安培力以外的力的合力才与安培力大小相等 方向相反 做变速运动时不成立 故d错误 答案 ac 2 一根导体棒ab放在水平方向的匀强磁场中 导体棒自由落下时 始终保持水平方向且跟磁场方向垂直 如图4 5 8所示 比较导体棒ab两端的电势的高低 有 a a端与b端的电势相同b a b间的电势差保持不变 a端较高c a b间的电势差越来越大 a端较高d a b间的电势差越来越大 b端较高 解析 磁场方向垂直纸面向里 导体棒运动方向向下 由右手定则 电动势方向由a指向b 所以b端电势高 由e blv 导体棒自由落下时速度越来越大 电势差越来越大 所以d项正确 答案 d 3 2013 北京高考 如图4 5 9所示 在磁感应强度为b 方向垂直纸面向里的匀强磁场中 金属杆mn在平行金属导轨上以速度v向右匀速滑动 mn中产生的感应电动势为e1 若磁感应强度增为2b 其他条件不变 mn中产生的感应电动势变为e2 则通过电阻r的电流方向及e1与e2之比e1 e2分别为 a c a 2 1b a c 2 1c a c 1 2d c a 1 2 解析 金属杆垂直平动切割磁感线产生的感应电动势e blv 判断金属杆切割磁感线产生的感应电流方向可用右手定则 由右手定则判断可得 电阻r上的电流方向为a c 由e blv知 e1 blv e2 2blv 则e1 e2 1 2 故选项c正确 答案 c 4 多选 2014 江苏金湖中学测试 如图4 5 10所示 将一个与匀强磁场垂直的正方形多匝线圈从磁场中匀速拉出的过程中 拉力做功的功率 a 与线圈匝数成正比b 与线圈边长的平方成正比c 与导线的电阻率成正比d 与导线横截面积成正比 解析 磁感应强度为b 导线的横截面积为s 电阻率为 拉出磁场时的速度为v 设线圈边长为l 匀速拉出时e nblv i e r r l 4nl所以p fv nbilv nb2l2v2 r 所以a d正确 答案 ad 5 2014 安徽高考 英国物理学家麦克斯韦认为 磁场变化时会在空间激发感生电场 如图4 5 11所示 一个半径为r的绝缘细圆环水平放置 环内存在竖直向上的匀强磁场b 环上套一带电荷量为 q的小球 已知磁感应强度b随时间均匀增加 其变化率为k 若小球在环上运动一周 则感生电场对小球的作用力所做功的大小是 a 0b r2qkc 2 r2qkd r2qk 解析 变化的磁场产生电场 电场对运动的带电粒子做功 均匀变化的磁场产生恒定的电场 电动势e s k r2 电场力做功w qe r2qk故选项d正确 答案 d 备选习题 1 在闭合铁芯上绕有一组线圈 线圈与滑动变阻器 电池构成电路 假定线圈产生的磁感线全部集中在铁芯内 a b c为三个闭合金属圆环 位置如图教4 5 1所示 当滑动变阻器滑片左右滑动时 能产生感应电流的圆环是 a a b两环b b c两环c a c两环d a b c三环 解析 铁芯中的磁通量变化时 穿过a b两环的磁通量发生变化 c环中的磁通量不变 a b环能产生感应电流 c环不能产生感应电流 故a项正确 答案 a 2 如图教4 5 2所示 虚线框abcd内为一矩形匀强的磁场区域 ab 2bc 磁场方向垂直于纸面向里 实线框a b c d 是一正方形导线框 a b 边与ab边平行 若将导线框匀速地拉离磁场区域 以w1表示沿平行于ab的方向拉出过程中外力所做的功 w2表示以同样速率沿平行于bc的方向拉出过程中外力所做的功 则 a w1 w2b w2 2w1c w1 2w2d w2 4w1 解析 设导体框运动速率为v 电阻为r 导体框被匀速拉离磁场区域 拉力做的功等于电路中产生的电能 由于ab 2bc 2ad 所以w2 2w1 故正确选项为b 答案 b 3 如图教4 5 3所示 水平地面上方有正交的匀强电场e和匀强磁场b 电场方向竖直向下 磁场方向垂直纸面向外 等腰三角形的金属框由底边呈水平位置开始沿竖直平面的电磁场由静止开始下降 下落过程中三角形平面始终在竖直平面内 不计阻力 a b落到地面的次序是 a a先于bb b先于ac a b同时落地d 无法判定 解析 当三角形abc线框下落时 闭合回路中磁通量没有发生变化 回路不产生感应电流 但由于各边都在切割磁感线 所以会产生感应电动势 根据楞次定律 可以判定a点的电势高 是电源的正极 b点的电势低 是电源的负极 a点聚集着正电荷 b点聚集着负电荷 a点的正电荷受到的电场力向下 使a点加快运动 b点的负电荷受到的电场力向上 使b点减缓运动 故a点先落地 故正确选项为a 答案 a 4 如图教4 5 4所示 pqrs为一正方形导线框 它以恒定速度向右进入以mn为边界的匀强磁场 磁场方向垂直线框平面 mn线与线框的边成45 角 e f分别为ps与pq的中点 关于线框中的感应电流 正确的说法是 a 当e点经过边界mn时 线框中感应电流最大b 当p点经过边界mn时 线框中感应电流最大 c 当f点经过边界mn时 线框中感应电流最大d 当q点