新高中物理 1.5 电磁感应中的能量转化与守恒学案 教科版选修32.doc

电磁感应中的能量转化与守恒学习目标定位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1垂直于匀强磁场放置、长为l的直导线通过电流为i时，它所受的安培力fbil，安培力方向的判断用左手定则2牛顿第二定律：fma，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，速度增大，反之速度减小当加速度a为零时，物体做匀速直线运动3做功的过程就是能量转化的过程，做了多少功，就有多少能量发生了转化，功是能量转化的量度几种常见的功能关系(1)合外力所做的功等于物体动能的变化(2)重力做的功等于重力势能的变化(3)弹簧弹力做的功等于弹性势能的变化(4)除了重力和系统内弹力之外的其他力做的功等于机械能的变化4电流通过导体时产生的热量 焦耳定律：qi2rt.在导线切割磁感线运动而产生感应电流时，产生的电能是通过外力克服安培力做功转化而来的，而这些电能又通过感应电流做功，转化为其他形式的能量.一、电磁感应中的动力学问题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要点提炼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：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qi2rt.(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qw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qe其他一、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1(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(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)求在下滑过程中，ab杆可以达到的速度最大值解析(1)如图所示，ab杆受：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(2)当ab杆速度大小为v时，感应电动势eblv，此时电路中电流iab杆受到的安培力f安bil根据牛顿第二定律，有mamgsin f安mgsin agsin .(3)当a0时，ab杆有最大速度：vm.答案(1)见解析图(2)gsin (3)二、电磁感应中的能量转化与守恒例2如图2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，线圈克服磁场力做的功为w1，重力做的功为w2，则以下关系中正确的是 ()图2aqek1ek2 bqw2w1cqw1 dw2ek2ek1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qw2ek1ek2，故选项a、b错误根据动能定理得w2w1ek2ek1，故选项d错误答案c1(电磁感应中的动力学问题)如图3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磁场力总小于其重力，则它在1、2、3、4位置时的加速度关系为 ()图3aa1a2a3a4 ba1a2a3a4ca1a3a2a4 da1a3a2a4答案c解析线圈自由下落时，加速度为a1g.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a3g.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，根据牛顿第二定律得知，a2g，a4g.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a2a4，故a1a3a2a4.所以本题选c.2.(电磁感应中的能量转化与守恒)如图4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4a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上产生的焦耳热答案ad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3(电磁感应中的动力学及能量综合问题)足够长的平行金属导轨mn和pk表面粗糙，与水平面之间的夹角为，间距为l.垂直于导轨平面向上的匀强磁场的磁感应强度为b，mp间接有阻值为r的电阻，质量为m的金属杆ab垂直导轨放置，其他电阻不计如图5所示，用恒力f沿导轨平面向下拉金属杆ab，使金属杆由静止开始运动，杆运动的最大速度为vm，t s末金属杆的速度为v1，前t s内金属杆的位移为x，(重力加速度为g)求：图5(1)金属杆速度为v1时加速度的大小；(2)整个系统在前t