电磁感应中的动力学和能量问题51534课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,选修,3-2,习题课电磁感应中的动力学和能量问题,宿豫中学,高二备课组,选修3-2习题课电磁感应中的动力学和能量问题宿豫中学,1.,综合运用楞次定律和法拉第电磁感应定律解决电磁感应中的动力学问题,；,2.,会分析电磁感应中的能量转化问题,。,目标定位,1.综合运用楞次定律和法拉第电磁感应定律解决电磁感应中的动力,1,、,闭合回路的磁通量发生变化时，根据法拉第电磁感应定律,E,n,，计算电动势大小，,根据,判定电动势方向,。,楞次定律,Bl,v,右手定则,知识点梳理,2,、,当导体做切割磁感线运动时,E,，,感应电动势方向由,判断,。,1、闭合回路的磁通量发生变化时，根据法拉第电磁感应定律En,3,、,垂直于匀强磁场放置、长为,L,的直导线通过的电流为,I,时，它所受的安培力,F,，,安培力方向的判断用,。,BIL,左手定则,ma,增大,减小,匀速直线运动,4,、,牛顿第二定律：,F,，它揭示了力与运动的关系,.,当加速度,a,与速度,v,方向相同时，速度,，反之速度,，,当加速度,a,为零时，速度达到最大或最小，物体做,。,3、垂直于匀强磁场放置、长为L的直导线通过的电流为I时，它所,5,、,做功的过程就是,的过程，做了多少功，就有多少能量发生了,，,是能量转化的量度,。,能量转化,转化,功,动能,重力势能,弹性势能,机械能,电能,I,2,Rt,6,、,几种常见的功能关系,(1),合外力所做的功等于物体,的变化,。,(,动能定理,),(2),重力做的功等于,的变化,。,(3),弹簧弹力做的功等于,的变化,。,(4),除了重力和系统内弹力之外的其他力做的功等于,的变化,。,(5),安培力做的功等于,的变化,。,5.,焦耳定律：,Q,。,5、做功的过程就是 的过,一、,电磁感应中的动力学问题,1,、,具有感应电流的导体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,感应电流的大小和方向,；,(3),分析导体的,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1、具有感应电流的导体在磁场中将受,例,1,：,如图,1,所示，空间存在,B,0.5 T,、方向竖直向下的匀强磁场，,MN,、,PQ,是水平放置的平行长直导轨，其间距,L,0.2 m,，电阻,R,0.3,接在导轨一端，,ab,是跨接在导轨上质量,m,0.1 kg,、电阻,r,0.1,的导体棒，已知导体棒和导轨间的动摩擦因数为,0.2.,从零时刻开始，对,ab,棒施加一个大小为,F,0.45 N,、方向水平向左的恒定拉力，使其从静止开始沿导轨滑动，过程中棒始终保持与导轨垂直且接触良好，求：,图,1,(1),导体棒所能达到的最大速度,；,(2),试定性画出导体棒运动的速度,时间图象,。,例1：如图1所示，空间存在B0.5 T、方向竖直向下的匀强,(1),导体棒所能达到的最大速度,；,解析：,ab,棒在拉力,F,作用下运动，随着,ab,棒切割磁感线运动的速度增大，棒中的感应电动势增大，棒中感应电流增大，棒受到的安培力也增大，最终达到匀速运动时棒的速度达到最大值,.,外力在克服安培力做功的过程中，消耗了其他形式的能，转化成了电能，最终转化成了焦耳热,.,导体棒切割磁感线运动，产生的感应电动势：,E,BL,v,(1)导体棒所能达到的最大速度；解析：ab棒在拉力F作用下运,导体棒受到的安培力,F,安,BIL,棒运动过程中受到拉力,F,、安培力,F,安,和摩擦力,F,f,的作用，根据牛顿第二定律：,F,mg,F,安,ma,导体棒受到的安培力F安BIL,由上式可以看出，随着速度的增大，安培力增大，加速度,a,减小，当加速度,a,减小到,0,时，速度达到最大,.,答案,10 m/s,由上式可以看出，随着速度的增大，安培力增大，加速度a减小，当,(2),试定性画出导体棒运动的速度,时间图象,。,解析：,棒的速度,时间图象如图所示,.,答案,见解析图,(2)试定性画出导体棒运动的速度时间图象。解析：棒的速度,例,2,：,如图,2,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,。,图,2,例2：如图2甲所示，两根足够长的直金属导轨MN、PQ平行放置,(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,杆受重力,mg,，竖直向下；支持力,F,N,，垂直于斜面向上；安培力,F,安,.,答案,见解析图,(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,(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；,(2)在加速下滑过程中，当ab杆的速度大小为v时，求此时ab,电磁感应中的动力学和能量问题51534课件,(3),求在下滑过程中，,ab,杆可以达到的速度最大值,.,(3)求在下滑过程中，ab杆可以达到的速度最大值.,2,、,电磁感应现象中涉及的具有收尾速度的力学问题，关键是要抓好,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,.,2、电磁感应现象中涉及的具有收尾速度的力学问题，关键是要抓好,3,、,两种状态处理,（,1,）,导体,匀速运动,，,受力平衡,，,应根据,平衡条件,列式分析,；,（,2,）,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,结合,功能关系,分析,。,3、两种状态处理（1）导体匀速运动，受力平衡，应根据平衡条件,例,3,：,如图,3,所示，竖直平面内有足够长的金属导轨，轨距为,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，突然闭合开关,S,，则：,图,3,(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,10 m/s,2,),例3：如图3所示，竖直平面内有足够长的金属导轨，轨距为0.,(1),试说出,S,接通后，导体,ab,的运动情况；,解析：,闭合,S,之前导体自由下落的末速度为：,v,0,gt,4 m/s.,(1)试说出S接通后，导体ab的运动情况；解析：闭合S之前导,答案：,先做竖直向下的加速度逐渐减小的减速运动，后做匀速运动,答案：先做竖直向下的加速度逐渐减小的减速运动，后做匀速运动,(2),导体,ab,匀速下落的速度是多少？,(,g,取,10 m/s,2,),答案,0.5 m/s,(2)导体ab匀速下落的速度是多少？(g取10 m/s2)答,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,”,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,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,.,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,(,焦耳热,),。,二、电磁感应中的能量问题1、电磁感应现象中的能量守恒,3,、,求解电磁感应现象中能量问题的一般思路,(1),确定回路，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,。,3、求解电磁感应现象中能量问题的一般思路,4,、,电磁感应中焦耳热的计算技巧,(1),电流恒定时，根据焦耳定律求解，即,Q,I,2,Rt,.,(2),感应电流变化，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,.,4、电磁感应中焦耳热的计算技巧,图,4,例,4,：,如图,4,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,图4例4：如图4所示，两根电阻不计的光滑平行金属导轨倾角为,解析：,棒匀速上升的过程有三个力做功：恒力,F,做正功、重力,G,做负功、安培力,F,安,做负功,.,根据动能定理：,W,W,F,W,G,W,安,0,，故,A,对，,B,错；,恒力,F,与重力,G,的合力所做的功等于棒克服安培力做的功,.,而棒克服安培力做的功等于回路中电能,(,最终转化为焦耳热,),的增加量，克服安培力做功与焦耳热不能重复考虑，故,C,错，,D,对,.,答案：,A D,解析：棒匀速上升的过程有三个力做功：恒力F做正功、重力G做负,例,5,：,如图,5,所示，足够长的光滑金属框竖直放置，框宽,L,0.5m,，框的电阻不计，匀强磁场的磁感应强度,B,1T,，方向与框面垂直，金属棒,MN,的质量为,100g,，电阻为,1,，现让,MN,无初速度释放并与框保持接触良好的竖直下落，从释放直至到最大速度的过程中通过棒某一截面的电荷量为,2C,，求此过程中回路产生的电能为多少？,(,空气阻力不计，,g,10 m/s,2,),图,5,例5：如图5所示，足够长的光滑金属框竖直放置，框宽L0.5,电磁感应中的动力学和能量问题51534课件,答案,3.2 J,答案3.2 J,1.,如图,6,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,(,),电磁感应中的动力学问题,图,6,对点练习,1.如图6所示，在光滑水平桌面上有一边长为L、电磁感应中的动,电磁感应中的动力学和能量问题51534课件,解析,根据题意，线框进入磁场时，由右手定则和左手定则可知线框受到向左的安培力，阻碍线框的相对运动，,v,减小，由,F,安,，则安培力减小，故线框做加速度减小的减速运动；由于,d,L,，线框完全进入磁场后，线框中没有