学教科版选修32 1.5电磁感应中的能量转化与守恒 课件（5）（21张）.ppt

电磁感应中的能量转化与守恒 探究 如图所示 设运动的导体ab的长为l 水平向右速度为v 匀强磁场的磁感强度b 闭合电路的总电阻为r 探究为了保持导体棒匀速运动 外力所做的功w外和感应电流的电功w电关系 w外 w电 w外和w电关系 注意 1 安培力做什么功 2 它与电功是什么关系 f外 f安 结论 1 在电磁感应中 产生的电能是通过外力克服安培力做功转化而来的 外力做了多少功 就有多少电能产生 而这些电能又通过感应电流做功 转化为其他形式的能量 2 安培力做正功和克服安培力做功的区别 电磁感应的过程 同时总伴随着能量的转化和守恒 当外力克服安培力做功时 就有其它形式的能转化为电能 当安培力做正功时 就有电能转化为其它形式的能 1 产生电能过程 电源 1 导体做加速运动过程中 外力移动导体所做的功 一部分用于克服安培力做功 转化为产生感应电流的电能 另一部分用于增加导体的动能 w外 w安 ek w安 e电 动能定理 2 导体做匀速运动过程中 导体做匀速移动时 外力等于安培力 所以外力移动导体所做的功 全部用于克服安培力做功 能量全部转化为感应电流的电能 w外 w安 w安 e电 电磁感应现象中能量转化关系 2 消耗电能过程 负载 电磁感应现象中生成的电能在闭合回路中又会通过负载消耗 生成其他形式的能量 1 如果负载是纯电阻电路 那么电能转化成热能 2 如果负载是非纯电阻电路 那么电能转化成热能和其他形式的能量 机械能 e电 q e电 q e其他 电磁感应的实质是不同形式的能量转化为电能的过程 机械能 磁场能 一 两种典型的电磁感应现象 由于导体切割磁感线产生的感应电动势 我们叫动生电动势 由于变化的磁场产生的感应电动势 我们叫感生电动势 例1 若导轨光滑且水平 ab开始静止 当受到一个f 0 08n的向右恒力的作用 则 问题1 ab将如何运动 ab的最大速度是多少 一 导体切割磁感线类 先做加速度减小的加速运动 后匀速运动 例1 若导轨光滑且水平 ab开始静止 当受到一个f 0 08n的向右恒力的作用 则 问题2 ab速度为10m s时 总电功率为多少 克服安培力的功率为多少 外力的功率为多少 能量是如何转化的 一 导体切割磁感线类 p电 p克服安 p外 0 8w 其它形式能量 w克服安 w电流 问3 ab速度为5m s时 总电功率为多少 克服安培力的功率为多少 外力的功率为多少 能量是如何转化的 p电 p克服安 0 2w p外 0 4w 电能 w电流 动能 其它形式能量 w克服安 wf w克服安 一 导体切割磁感线类 例题2 如图所示 光滑水平放置的足够长平行导轨mn pq的间距为l 导轨mn pq电阻不计 电源的电动势e 内阻r 金属杆ef其有效电阻为r 整个装置处于竖直向上的匀强磁场中 磁感应强度b 现在闭合开关 e r r 问题1 金属杆ef将如何运动 最终速度多大 l 先做加速度减小的加速运动 后匀速运动 例题2 如图所示 光滑水平放置的足够长平行导轨mn pq的间距为l 导轨mn pq电阻不计 电源的电动势e 内阻r 金属杆ef其有效电阻为r 整个装置处于竖直向上的匀强磁场中 磁感应强度b 现在闭合开关 e r r l 问题2 当ef速度为v时 其机械功率p机 电路产生的热功率p热 电源消耗的电功率p电 p机 p热 p电三者的关系 p电 p机 p热 能量守恒 一 导体切割磁感线类 例题2 如图所示 光滑水平放置的足够长平行导轨mn pq的间距为l 导轨mn pq电阻不计 电源的电动势e 内阻r 金属杆ef其有效电阻为r 整个装置处于竖直向上的匀强磁场中 磁感应强度b 现在闭合开关 e r r l e反 问题3 能量是如何转化的 如何用做功量度能量的变化 动能 热能 w安 w电流 w安 电能 一 导体切割磁感线类 求焦耳热的一般方法 1 q i2rt 适用求恒定电流或是正弦交流电产生的热量 2 q w克服安培力 f安s 适用安培力为恒力 纯电阻电路的情况 3 能量守恒定律 e增 e减 普遍使用 二 磁场变化引起的电磁感应 问题1 电场的方向如何判断 楞次定律 右手螺旋 磁通量向上增大 麦克斯韦电磁场理论 变化的磁场在周围空间产生电场 均匀变化的磁场在周围产生恒定的电场 非均匀变化的磁场在周围产生变化的电场 问题2 能量如何转化 如何用做功来量度 电场力做功 电流做功 磁场能 麦克斯韦电磁场理论 变化的磁场在周围空间产生电场 均匀变化的磁场在周围产生恒定的电场 非均匀变化的磁场在周围产生变化的电场 二 磁场变化引起的电磁感应 例3 如图所示 水平导轨间距为l 左端接有阻值为r的定值电阻 在距左端x0处放置一根质量为m 电阻为r的导体棒 导体棒与导轨间无摩擦且始终保持良好接触 导轨的电阻可忽略 整个装置处在竖直向上的匀强磁场中 问 在下列各种情况下 作用在导体棒上的水平拉力f的大小应如何 1 磁感应强度为b b0保持恒定 导体棒以速度v向右做匀速直线运动 2 磁感应强度为b b0 kt随时间t均匀增强 导体棒保持静止 3 磁感应强度为b b0保持恒定 导体棒由静止始以加速度a向右做匀加速直线运动 精讲细练 1 电动势为 e blv 电流为 i 匀速运动时 外力与安培力平衡 f b0il 2 由法拉第电磁感应定律得 静止时水平外力与安培力平衡 3 任意时刻t导体棒的速度为 v at 由牛顿第二定律得 f bil ma 解析 于是水平力为 例4 在磁感应强度为b的水平均强磁场中 竖直放置一个冂形金属框abcd 框面垂直于磁场 宽度bc l 质量m的金属杆pq用光滑金属套连接在框架ab和cd上如图 金属杆pq电阻为r 当杆自静止开始沿框架下滑时 1 开始下滑的加速度为多少 2 框内感应电流的方向怎样 3 金属杆下滑的最大速度是多少 4 从开始下滑到达到最大速度过程中重力势能转化为什么能量 分析 开始pq受力为mg 所以a g pq向下加速运动 产生感应电流 方向顺时针 受到向上的磁场力f作用 达最大速度时 f bil b2l2vm r mg vm mgr b2l2 由能量守恒定律 重力做功减小的重力势能转化为使pq加速增大的动能和热能 例5 竖直放置冂形金属框架 宽1m 足够长 一根质量是0 1kg 电阻0 1 的金属杆可沿框架无摩擦地滑动 框架下部有一垂直框架平面的匀强磁场 磁感应强度是0 1t 金属杆mn自磁场边界上方0 8m处由静止释放 如图 求 1 金属杆刚进入磁场时的感应电动势 2 金属杆刚进入磁场时的加速度 3 金属杆运动的最大速度及此时的能量转化情况 答案 1 2 i e r 4a f bil 0 4n a mg f m 6m s2 3 f bil b2l2vm r mgvm mgr b2l2 10m s 此时金属杆重力势能的减少转化为杆的电阻释放的热量 e blv 0 4v 例6 倾角为30 的斜面上 有一导体框架 宽为1m 不计电阻 垂直斜面的匀强磁场磁感应强度为0 2t 置于框架上的金属杆ab 质量0 2kg 电阻0 1 如图所示 不计摩擦 当金属杆ab由静止下滑时 求 1 当杆的速度达到2m s时 ab两端的电压 2 回路中的最大电流和功率 解 1 e blv 0 4vi e r 4a 因为外电阻等于0 所以u 0 2 达到最大速度时 biml mgsin30 im mgsin30 bl 1 0 2 5a pm im2r 25 0 1 2 5w 例题7 如图所示 处于匀强磁场中的两根足够长 电阻不计的平行金属导轨相距lm 导轨平面与水平面成 37 角 下端连接阻值为r的电阻 匀强磁场方向与导轨平面垂直 质量为0 2kg 电阻不计的金属棒放在两导轨上 棒与导轨垂直并保持良好接触 它们之间的动摩擦因数为0 25 1 求金属棒沿导轨由静止开始下滑时的加速度大小 2 当金属棒下滑速度达到稳定时 电阻r消耗的功率为8w 求该速度的大小 3 在上问中 若r 2 金属棒中的电流方向由a到b 求磁感应强度的大小与方向 g 10m s2 sin37 0 6 cos37 0 8 解 1 金属棒开始下滑的初速为零 根据牛顿第二定律mgsin mgcos ma 由 式解得a 10 0 6 0 25 0