高中物理 第一章 第五节 电磁感应规律的应用课件 粤教版选修3-2.ppt

第一章电磁感应第五节电磁感应规律的应用 知识点一法拉第电机 法拉第最早设计的 铜盘发电机 如右图所示 因为整个圆盘可看成是由许许多多辐条合并起来的 铜盘在垂直盘面的匀强磁场内匀速转动时所产生的感应电动势 与其中一条半径做切割磁感线运动所产生的感应电动势大小 方向相同 但内阻很小 因此 尝试应用1 如图所示 长L 10cm的金属棒ab在磁感应强度B 2T的匀强磁场中以a端为轴 在垂直磁场方向的平面内以角速度 10rad s做顺时针方向的匀速转动 ab两端的电势差是 V a b两端 端电势高 端电势低 知识点二电磁感应中的能量转化 1 电磁感应现象中产生感应电流的过程 实质上是能量的转化过程 2 电磁感应过程中产生的感应电流在磁场中必定受到安培力的作用 因此 要维持感应电流的存在 必须有 外力 克服安培力做功 此过程中 其他形式的能转化为电能 外力 克服安培力做了多少功 就有多少其他形式的能转化为电能 3 当感应电流通过用电器时 电能又转化为其他形式的能 安培力做功的过程 是电能转化为其他形式能的过程 安培力做了多少功 就有多少电能转化为其他形式的能 尝试应用2 把一个矩形线圈从有理想边界的匀强磁场中匀速拉出 如下图 第一次速度为v1 第二次速度为v2 且v2 2v1 则两种情况下拉力的做功之比W1 W2 拉力的功率之比P1 P2 线圈中产生的焦耳热之比Q1 Q2 由上面得出的W P Q的表达式可知 两种情况拉力的功 功率 线圈中的焦耳热之比分别为1 2 1 4 1 2 答案 1 21 41 2 题型一导体棒在磁场中转动产生感应电动势的计算 例1长为L的金属棒ab 绕b端在垂直于匀强磁场的平面内以角速度 匀速转动 磁感应强度为B 如图所示 求ab两端的电势差 变式训练1 如图所示 在磁感应强度为B的匀强磁场中 设导体棒Oa可以以点O为中心转动 而另一端a刚好搭在光滑的半圆形金属导轨上 Oa长为l且以角速度 匀速转动 在Ob间接入一阻值为R的电阻 不计其他电阻 试求 题型二电磁感应中的电路问题 2 对电磁感应电路的理解 1 在电磁感应电路中 相当于电源的部分把其他形式的能通过电流做功转化为电能 2 电源 两端的电压为路端电压 而不是感应电动势 3 路端电压 U IR E Ir 3 内电路和外电路 1 切割磁感线运动的导体或磁通量发生变化的线圈都相当于电源 2 该部分导体的电阻或线圈的电阻相当于电源的内阻 其余部分是外电路 例2如右图所示 在绝缘光滑水平面上 有一个边长为L的单匝正方形线框abcd 在外力的作用下以恒定的速率v向右运动进入磁感应强度为B的有界匀强磁场区域 线框被全部拉入磁场的过程中线框平面保持与磁场方向垂直 线框的ab边始终平行于磁场的边界 已知线框的四个边的电阻值相等 均为R 求 1 在ab边刚进入磁场区域时 线框内的电流大小 2 在ab边刚进入磁场区域时 ab边两端的电压 3 在ab边刚进入磁场区域时 cd边两端的电压 变式训练2 如图所示 MN PQ是间距为L的平行金属导轨 置于磁感强度为B 方向垂直导轨所在平面向里的匀强磁场中 M P间接有一阻值为R的电阻 一根与导轨接触良好 有效阻值也为R的金属导线ab垂直导轨放置 并在水平外力F的作用下以速度v向右匀速运动 则 不计导轨电阻 C A 通过电阻R的电流方向为P R MB a b两点间的电压为BLvC a端电势比b端高D 外力F做的功等于电阻R上产生的焦耳热解析 根据右手定则 或楞次定律 可知回路中的电流方向为逆时针的 故A错误 感应电动势为 E BLv 电阻R两端的电压为路 题型三电磁感应中的图象问题 1 题型特点 一般可把图象问题分为三类 1 由给定的电磁感应过程选出或画出正确的图象 2 由给定的有关图象分析电磁感应过程 求解相应的物理量 3 根据图象定量计算 2 解题关键 弄清初始条件 正负方向的对应 明确斜率的含义 变化范围 所研究物理量的函数表达式 进 出磁场的转折点是解决问题的关键 三个相似关系及其各自的物理意义 3 解决图象问题的一般步骤 1 明确图象的种类 即是Bt图象还是 t图象 或者是Et图象 It图象等 2 分析电磁感应的具体过程 3 用右手定则或楞次定律确定方向对应关系 4 结合法拉第电磁感应定律 欧姆定律 牛顿运动定律等规律写出函数关系式 5 根据函数关系式 进行数学分析 如分析斜率的变化 截距等 6 画出图象或判断图象 例3一矩形线圈位于一随时间t变化的匀强磁场内 磁场方向垂直线圈所在的平面 纸面 向里 如下图所示 以I表示线圈中的感应电流 以图中的线圈上所示方向的电流为正 则下图中的It图象正确的是 变式训练3 如右图 一载流长直导线和一矩形线框固定在同一平面内 线框在长直导线右侧 且其长边与长直导线平行 已知在t 0到t t1的时间间隔内 直导线中电流i发生某种变化 而线框中的感应电流总是沿顺时针方向 线框受到的安培力的合力先水平向左 后水平向右 设电流i正方向与图中箭头所示方向相同 则i随时间t变化的图线可能是 A 解析 要求框中感应电流顺时针 根据楞次定律 可知框内磁场要么向里减弱 载流直导线中电流正向减小 要么向外增强 载流直导线中电流负向增大 线框受安培力向左时 载流直导线电流一定在减小 线框受安培力向右时 载流直导线中电流一定在增大 故答案选A 题型四电磁感应中的能量分析 1 过程分析 1 电磁感应现象中产生感应电流的过程 实质上是能量的转化过程 2 电磁感应过程中产生的感应电流在磁场中必定受到安培力的作用 因此 要维持感应电流的存在 必须有 外力 克服安培力做功 此过程中 其他形式的能转化为电能 外力 克服安培力做了多少功 就有多少其他形式的能转化为电能 3 当感应电流通过用电器时 电能又转化为其他形式的能 安培力做功的过程 是电能转化为其他形式能的过程 安培力做了多少功 就有多少电能转化为其他形式的能 2 求解思路 1 若回路中电流恒定 可以利用电路结构及W UIt或Q I2Rt直接进行计算 2 若电流变化 则 利用安培力做的功求解 电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功 利用能量守恒求解 若只有电能与机械能的转化 则机械能的减少量等于产生的电能 例4如右图所示 平行光滑的金属导轨竖直放置 宽为L 上端接有电阻为R的定值电阻 质量为m的金属杆与导轨垂直放置且接触良好 匀强磁场垂直于导轨平面 磁感应强度为B 导轨和杆的电阻不计 金属杆由静止开始下落 下落h时速度达到最大 重力加速度为g 求 1 金属杆下落的最大速度 2 金属杆由静止开始下落至速度最大过程中 电阻R上产生的热量Q 解析 1 金属杆速度最大时 安培力和重力平衡 有mg BIL 金属杆中的电动势E BLvmax 变式训练4 如右图所示 电阻不计的光滑平行金属导轨MN和OP水平放置 MO间接有阻值为R的电阻 两导轨相距为L 其间有竖直向下的匀强磁场 质量为m 长度为L 电阻为R0的导体棒CD垂直于导轨放 置 并接触良好 用平行于MN向右的水平力拉动CD从静止开始运动 拉力的功率恒为P 经过时间t导体棒CD达到最大速度v0 1 求出磁场磁感应强度B的大小 2 求出该过程中电阻R上所产生的电热 题型五电磁感应中的动力学问题分析 1 导体两种状态及处理方法 1 导体的平衡态 静止状态或匀速直线运动状态 处理方法 根据平衡条件合外力等于零列式分析 2 导体的非平衡态 加速度不为零 处理方法 根据牛顿第二定律进行动态分析或结合功能关系分析 2 解决电磁感应中的动力学问题的一般思路是 1 先电后力 即 先作 源 的分析 分离出电路中由电磁感应所产生的电源 求出电源参数E和r 2 再进行 路 的分析 分析电路结构 弄清串 并联关系 求出相关部分的电流大小 以便求解安培力 3 然后是 力 的分析 分析研究对象 常是金属杆 导体线圈等 的受力情况 尤其注意其所受的安培力 4 接着进行 运动 状态的分析 根据力和运动的关系 判断出正确的运动模型 3 在电磁感应中的动力学问题中有两类常见的模型 例5如下图 a 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的均匀金属杆ab放在两导轨上 并与导轨垂直 整个装置处于磁感应强度为B的匀强磁场中 磁场方向垂直斜面向下 导轨和金属杆接触良好 不计它们之间的摩擦 1 由b向a方向看到的装置如上图 b 所示 请在此图中画出ab杆在下滑过程中某时刻的受力示意图 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 3 求在下滑的过程中 ab杆可以达到的速度最大值 解析 1 ab杆在下滑过程中受到三个力作用 重力mg 竖直向下 支持力N 垂直斜面向上 安培力F 沿斜面向上 受力分析如图所示 变式训练5 水平面上两根足够长的光滑金属导轨平行固定放置 间距为L 一端通过导线与阻值为R的电阻连接 导轨上放一质量为m的金属杆 如右图所示 金属杆与导轨的电阻忽略不计 均匀磁场竖直向下 用与导轨平行的恒定拉力F作用在金属杆上 杆最终将做匀速运动 当改变拉力的大小时 相对应的匀速运动速度v也会变化 v和F的关系如图所示 取重力加速度g 10m s2 1 金属杆在匀速运动之前做什么运动 2 若m 0 5kg L 0 5m R 0 5 则磁感应强度B为多大 解析 1 金属杆在运动过程中受到拉力 安培力 阻力 作用 拉力恒定 安培力随着速度的增大而逐渐增大 因此 金属杆的加速度越来越小 即金属杆做加速度越来越小的变加速运动 杆最终将做匀速运动