高中物理 第1章 第5节 电磁感应中的能量转化与守恒课件 教科版选修32.ppt

第一章 电磁感应 目标定位 1 进一步理解能量守恒定律是自然界普遍遵循的一条规律 楞次定律的实质就是能量守恒在电磁感应现象中的具体表现 2 通过具体实例理解电磁感应现象中的能量转化 3 掌握电磁感应中动力学问题的分析方法 学案7电磁感应中的能量转化与守恒 知识探究 自我检测 1 电磁感应中产生的感应电流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 求回路中的电流强度的大小和方向 3 分析研究导体受力情况 包括安培力 4 列动力学方程或平衡方程求解 一 电磁感应中的动力学问题 知识探究 2 电磁感应现象中涉及的具有收尾速度的力学问题 关键要抓好受力情况和运动情况的动态分析 周而复始地循环 加速度等于零时 导体达到稳定运动状态 3 两种状态处理导体匀速运动 应根据平衡条件列式分析 导体做匀速直线运动之前 往往做变加速运动 处于非平衡状态 应根据牛顿第二定律或结合功能关系分析 二 电磁感应中的能量转化与守恒 问题设计 为什么说楞次定律是能量守恒定律在电磁感应中的具体表现 答案楞次定律表明 感应电流的效果总是阻碍引起感应电流的原因 正是由于 阻碍 作用的存在 电磁感应现象中产生电能的同时必然伴随着其他形式能量的减少 可见 楞次定律是能量转化和守恒定律的必然结果 1 电磁感应中的能量转化特点外力克服安培力做功 把机械能或其他形式的能转化成电能 感应电流通过电路做功又把电能转化成其他形式的能 如内能 这一功能转化途径可表示为 要点提炼 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 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 3 列有关能量的关系式 3 焦耳热的计算技巧 1 感应电路中电流恒定 焦耳热q i2rt 2 感应电路中电流变化 可用以下方法分析 利用功能关系 产生的焦耳热等于克服安培力做的功 即q w安 而克服安培力做的功w安可由动能定理求得 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 典例精析 一 电磁感应中的动力学问题 例1如图1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 图1 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ab杆的电阻可忽略 让ab杆沿导轨由静止开始下滑 导轨和ab杆接触良好 不计它们之间的摩擦 已知重力加速度为g 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 解析如图所示 ab杆受力分析 重力mg 竖直向下 支持力n 垂直于斜面向上 安培力f安 沿斜面向上 答案见解析图 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 解析当ab杆速度大小为v时 感应电动势e blv 此时 根据牛顿第二定律 有 3 求在下滑过程中 ab杆可以达到的速度最大值 例2如图2所示 mn和pq是两根互相平行竖直放置的光滑金属导轨 已知导轨足够长 且电阻不计 ab是一根与导轨垂直而且始终与导轨接触良好的金属杆 开始时 将开关s断开 让金属杆ab由静止开始自由下落 过段时间后 再将s闭合 若从s闭合开始计时 则金属杆ab的速度v随时间t变化的图像可能是 图2 答案acd 二 电磁感应中的能量转化与守恒 例3如图3所示 足够长的u形框架宽度是l 0 5m 电阻忽略不计 其所在平面与水平面成 37 角 磁感应强度b 0 8t的匀强磁场方向垂直于导体框平面 一根质量为m 0 2kg 有效电阻r 2 的导体棒mn垂直跨放在u形框架上 该导体棒与框架间的动摩擦因数 0 5 导体棒由静止开始沿框架下滑到刚开始匀速运动时 通过导体棒横截面的电荷量为q 2c sin37 0 6 cos37 0 8 求 图3 1 导体棒匀速运动的速度大小 解析导体棒受力分析如图 匀速下滑时有平行斜面方向 mgsin f f 0垂直斜面方向 n mgcos 0其中f n安培力f bil 感应电动势e blv由以上各式得v 5m s答案5m s 2 导体棒从静止开始下滑到刚开始匀速运动 这一过程中导体棒的有效电阻消耗的电功 解析 设导体棒下滑位移为x 则 bxl 全程由动能定理得 其中克服安培力做功w安等于电功w 答案1 5j 针对训练如图4所示 矩形线圈长为l 宽为h 电阻为r 质量为m 线圈在空气中竖直下落一段距离后 空气阻力不计 进入一宽度也为h 磁感应强度为b的匀强磁场中 线圈进入磁场时的动能为ek1 线圈刚穿出磁场时的动能为ek2 从线圈刚进入磁场到线圈刚穿出磁场的过程中产生的热量为q 线圈克服安培力做的功为w1 重力做的功为w2 则以下关系中正确的是 图4 a q ek1 ek2b q w2 w1c q w1d w2 ek2 ek1解析线圈进入磁场和离开磁场的过程中 产生的感应电流受到安培力的作用 线圈克服安培力所做的功等于产生的热量 故选项c正确 根据功能的转化关系得 线圈减少的机械能等于产生的热量 即q w2 ek1 ek2 故选项a b错误 根据动能定理得w2 w1 ek2 ek1 故选项d错误 答案c 1 2 3 自我检测 1 电磁感应中的动力学问题 如图5所示 匀强磁场存在于虚线框内 矩形线圈竖直下落 如果线圈中受到的安培力总小于其重力 则它在1 2 3 4位置时的加速度关系为 a a1 a2 a3 a4b a1 a2 a3 a4c a1 a3 a2 a4d a1 a3 a2 a4 图5 解析线圈自由下落时 加速度为a1 g 线圈完全在磁场中时 磁通量不变 不产生感应电流 线圈不受安培力作用 只受重力 加速度为a3 g 线圈进入和穿出磁场过程中 切割磁感线产生感应电流 将受到向上的安培力 根据牛顿第二定律知 a2 g a4 g 线圈完全在磁场中时做匀加速运动 到达4处的速度大于2处的速度 则线圈在4处所受的安培力大于在2处所受的安培力 又知 磁场力总小于重力 则a2 a4 故a1 a3 a2 a4 所以本题选c 答案c 1 2 3 1 2 3 2 电磁感应中的能量转化与守恒 如图6所示 两根光滑的金属导轨 平行放置在倾角为 的斜面上 导轨的左端接有电阻r 导轨自身的电阻可忽略不计 斜面处在一匀强磁场中 磁场方向垂直于斜面向上 质量为m 电阻可以忽略不计的金属棒ab 在沿着斜面与金属棒垂直的恒力f作用下沿导轨匀速上滑 且上升的高度为h 在这一过程中 图6 1 2 3 a 作用于金属棒上的各个力的合力所做的功等于零b 作用于金属棒上的各个力的合力所做的功等于mgh与电阻r上产生的焦耳热之和c 恒力f与安培力的合力所做的功等于零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 1 2 3 解析金属棒匀速上滑的过程中 对金属棒受力分析可知 有三个力对金属棒做功 恒力f做正功 重力做负功 安培力阻碍金属棒相对运动 沿斜面向下 做负功 匀速运动时 所受合力为零 故合力做功为零 a正确 克服安培力做多少功就有多少其他形式的能转化为电路中的电能 电能又等于r上产生的焦耳热 故外力f与重力的合力所做的功等于电阻r上产生的焦耳热 d正确 答案ad 1 2 3 3