高二物理（人教版和教科版）-电磁感应中的能量转化与守恒课件

1、电磁感应中的能量转化与守恒高二物理 物理问题情景abv0RB在匀强磁场中，足够长的光滑导轨，宽度为L；金属棒ab，阻值为r，初速v0；定值电阻R，其余部分电阻不计。电磁感应现象产生电能问题：哪种能量转化为电能？问题情景abv0RB在匀强磁场中，足够长的光滑导轨，宽度为L；金属棒ab，阻值为r，初速v0；定值电阻R，其余部分电阻不计。机械能电能问题：怎么实现的能量转化？定量关系？温故知新做功能量变化功是能量转化的量度重力做功重力势能变化合外力做功动能变化功是能量转化的量度abv0RB在匀强磁场中，足够长的光滑导轨，宽度为L；金属棒ab，阻值为r，初速v0；定值电阻R，其余部分电阻不计。机械能电能

2、问题：什么力做功来量度？猜想：安培力做功理论探究abv0RB在匀强磁场中，足够长的光滑导轨，宽度为L；金属棒ab，阻值为r，初速v0；定值电阻R，其余部分电阻不计。验证：W克安=E电思路W克安表达式E电表达式困难非恒定微元法电功（电路意识）理论探究abvRB当金属棒的速度为任意值v 时，取一段极短的时间t克服安培力做功W克安= + BiL(vt)产生的电能E电=W电W电=+E i t=+BLvit因此，在任意一个微元内都满足W克安 = E电微元求和后，可得W克安 = E电宏微结合 求根溯源abvRB其它能转化为电能非静电力做功问题：这里的非静电力是哪个力？ 其做功特点？宏微结合 求根溯源a-b

3、+vRB金属棒内部的自由电子“随棒”有向右的速度vv因v而使该自由电子受到洛伦兹力 f1=evB(ba)f1u稳定时，自由电子有沿棒方向速 u (ba)因u而使该自由电子受到洛伦兹力 f2=euB (向左)f2问题：这两个洛伦兹的分力做功关系？在f1的作用下，把自由电子从电源正极“搬回”负极， f1是电源内部的非静电力。宏微结合 求根溯源abvRBvuf1=evBf2=euBfv合方法一：根据几何关系，可以证明，洛伦兹力的合力f 和自由电子的合速度v合方向垂直，洛伦兹做的总功为零所以， W1= -W2宏微结合 求根溯源abvRBvu方法二：在t时间内，分力f1做功为 W1= + f1 (ut

4、) = +evB(ut)f1f2在t时间内，分力f2做功为W2= - f2 (vt ) = -euB(vt)所以， W1= -W2宏微结合 求根溯源abvRBvuf1f2杆内大量自由电子的水平分洛伦兹力f2的总和宏观上表现为安培力杆内大量自由电子沿棒方向分洛伦兹力f1的总和宏观上表现为电源内部总的非静电力克服安培力做的功 = 非静电力做的功消耗机械能产生电能宏微结合 求根溯源abvRBvuf1f2克服安培力做的功 = 非静电力做的功消耗机械能产生电能W克安=E电典型情景举例例题1：电阻为R的矩形导线框abcd,边长ab=L, ad=h,质量为m,自某一高度自由落体,通过一匀强磁场,磁场方向垂直

5、纸面向里,磁场区域的宽度为h ,如图。若线框恰好以恒定速度通过磁场，求线框内产生的焦耳热等于多少？ (不考虑空气阻力) Lhh a b c d审题：恒定速度通过典型情景举例Lhh a b c d：只受重力；自由落体：受重力、安培力；匀速：受重力、安培力；匀速典型情景举例Lhh a b c d方法一：动能定理过程：WG-W克安=EKW克安=E电=Q总所以，Q总=WG=2mgh典型情景举例Lhh a b c d方法二：能量转化与守恒过程：Ep减=EK+Q总所以，Q总=2mgh典型情景举例Lhh a b c d拓展：求穿过磁场区域过程中，电热功率是多少？求电热功率的一般思路：直接求解 P热=I2R

6、若P热恒定 P热=Q总/t 间接求解 Q总=W克安 P热=P克安典型情景举例Lhh a b c d求解穿过磁场过程中的电流I匀速平衡状态（合外力为零）F安=mgF安=BIL其中得 I=mg/BL利用P热=I2R即可求解典型情景举例Lhh a b c d求解穿过磁场的速度v匀速平衡状态（合外力为零）F安=mgE=BLvI=E/RF安=BIL其中典型情景举例Lhh a b c d联立解得通过磁场的时间 t=2h/v利用 P热=Q总/t 即可求解 典型情景举例Lhh a b c d知道了F安和可以利用 P热=P克安 =F安v例题2：如图所示，固定的水平光滑金属导轨，间距为L，左端接有阻值为R的电阻，

7、处在方向竖直、磁感应强度为B的匀强磁场中，质量m的导体棒与固定轻弹簧相连，放在导轨上，导轨与导体棒的电阻均可忽略。初始时刻，弹簧恰处于自然长度，导体棒具有水平向右的初速度v0。在沿导轨往复运动的过程中，导体棒始终与导轨垂直并保持良好接触。（1）若导体棒从初始时刻到速度第一次为零时，弹簧的弹性势能为Ep，则这一过程中安培力所做的功W1和电阻R上产生的焦耳热Q1分别为多少？（2）导体棒往复运动，最终将静止于何处？从导体棒开始运动直到最终静止的过程中，电阻R上产生的焦耳热Q为多少？v0RBv0RB（1）若导体棒从初始时刻到速度第一次为零时，弹簧的弹性势能为Ep，则这一过程中安培力所做的功W1和电阻R

8、上产生的焦耳热Q1分别为多少？初状态：导体棒速度v0、弹簧原长末状态：导体棒速度0、弹性势能Ep该过程中涉及的能量转化：棒的动能弹性势能+电能电能总焦耳热v0RB（1）若导体棒从初始时刻到速度第一次为零时，弹簧的弹性势能为Ep，则这一过程中安培力所做的功W1和电阻R上产生的焦耳热Q1分别为多少？W克安 = E电= Q总v0RB（2）导体棒往复运动，最终将静止于何处？从导体棒开始运动直到最终静止的过程中，电阻R上产生的焦耳热Q为多少？假设静止x处，若x0，则F合0，矛盾！所以，只能最终静止在弹簧原长位置。初状态：导体棒速度v0、弹簧原长末状态：导体棒速度0、弹簧原长若导体棒的电阻为r？课堂小结abv0RB克服安培力做的功 = 非静电力做的功消耗机械能