高中物理 4.5 电磁感应现象的两类情况课件 新人教版选修32.ppt

1 知道感生电场 感生电动势 动生电动势的概念 知道产生感生电动势的非静电力是感生电场的作用 产生动生电动势的非静电力与洛伦兹力有关 2 会用楞次定律判断感生电场的方向 用左手定则判断洛伦兹力的方向 3 知道电磁感应现象遵守能量守恒定律 读教材 填要点 1 电磁感应现象中的感生电场 1 感生电场 磁场时在空间激发的一种电场 2 感生电动势 由产生的感应电动势 3 感生电动势中的非静电力 对自由电荷的作用 4 感生电场的方向 与所产生的感应电流的方向相同 可根据楞次定律和右手定则判断 变化 感生电场 感生电场 关键一点 变化的磁场周围存在感生电场 与是否存在电路以及电路是否闭合无关 2 电磁感应现象中的洛伦兹力 1 动生电动势 由于而产生的感应电动势 2 动生电动势中的 非静电力 自由电荷因随导体棒运动而受到 非静电力与有关 3 动生电动势中的功能关系 闭合回路中 导体棒做切割磁感线运动时 克服力做功 其他形式的能转化为 导体运动 洛伦兹力 洛伦兹力 安培 电能 试身手 夯基础 1 下列说法中正确的是 a 感生电场是由变化的磁场产生的b 恒定的磁场也能在周围空间产生感生电场c 感生电场的方向也同样可以用楞次定律和右手螺旋定则来判定d 感生电场的电场线是闭合曲线 其方向一定沿逆时针方向 解析 由麦克斯韦电磁场理论知a正确 b错误 感生电场的产生也是符合电磁感应原理的 c正确 感生电场的电场线是闭合的 但不一定沿逆时针方向 故d错误 答案 ac 2 下列说法中正确的是 a 动生电动势是洛伦兹力对导体中自由电荷做功而引起的b 因为洛伦兹力对运动电荷始终不做功 所以动生电动势不是由洛伦兹力而产生的c 动生电动势的方向可以由右手定则来判定d 导体棒切割磁感线产生感应电流 受到的安培力一定与受到的外力大小相等 方向相反 解析 动生电动势是洛伦兹力沿导体方向的分力做功引起的 但洛伦兹力对自由电荷所做的总功仍为零 选项a b错误 动生电动势是由于导体切割磁感线产生的 可由右手定则判定方向 c正确 只有在导体棒做匀速切割时 除安培力以外的力的合力才与安培力大小相等 方向相反 做变速运动时不成立 故d错误 答案 c 3 某空间出现了如图4 5 1所示的一组闭合的电场线 这可能是磁场沿ab方向 且正在迅速 也可能是磁场沿ba方向 且正在迅速 图4 5 1 解析 由楞次定律可知 若磁场沿ab方向 形成的电场方向如题图所示 则磁场应正在迅速减弱 若磁场沿ba方向 形成的电场方向如题图所示 则磁场应正在迅速增强 答案 减弱增强 解析 电磁铁中电流减小 感生电场方向为逆时针 电子受电场力与速度方向相反 电子减速 答案 减速 1 对感生电场的理解19世纪60年代 英国物理学家麦克斯韦在他的电磁理论中指出 变化的磁场能在周围空间激发电场 这种电场叫感生电场 1 感生电场是一种涡旋电场 电场线是闭合的 2 感生电场的产生跟空间中是否存在闭合电路无关 3 感生电场的方向根据闭合电路 或假想的闭合电路 中感应电流的方向确定 2 感生电动势 1 产生机理 如图4 5 3所示 当磁场变化时 产生的感生电场的电场线是与磁场方向垂直的曲线 如果空间存在闭合导体 导体中的自由电荷就会在电场力的作用下定向移动 而产生感应电流 或者说导体中产生了感应电动势 图4 5 3图4 5 4 2 方向判定 根据楞次定律判断 如图4 5 4所示 即为磁感应强度b增加时导线中的感生电动势方向 3 对动生电动势中电荷所受洛伦兹力的理解 1 运动导体中的自由电子 不仅随导体以速度v运动 而且还沿导体以速度u做定向移动 如图4 5 5所示 因此 导体中的电子的合速度v合等于v和u的矢量和 所以电子受到的洛伦兹力为f合 ev合b f合与合速图4 5 5度v合垂直 2 从做功角度分析 由于f合与v合垂直 它对电子不做功 更具体地说 f合的一个分量是f1 evb 这个分力做功 产生动生电动势 f合的另一个分量是f2 eub 阻碍导体运动 做负功 可以证明两个分力f1和f2所做功的代数和为零 结果仍然是洛伦兹力并不提供能量 而只是起传递能量的作用 即外力克服洛伦兹力的一个分力f2所做的功通过另一个分力f1转化为能量 1 如图4 5 6所示 两根平行金属导轨固定在水平桌面上 每根导轨每米的电阻为r0 0 10 导轨的图4 5 6端点p q用电阻可忽略的导线相连 两导轨间的距离l 0 20m 有随时间变化的磁场垂直于桌面向下 已知磁感应强度b与时间t的关系为b kt 比例系数k 0 020t s 一电阻不计的金属杆可在导轨上无摩擦地滑动 在滑动过程中保持与导轨垂直 在t 0时刻 金属杆紧靠p q端 在外力作用下 杆以恒定的加速度a 1m s2从静止开始向导轨的另一端滑动 求在t 0 6s时金属杆所受的安培力 思路点拨 解答本题时应注意以下三点 1 由金属杆切割磁感线产生动生电动势 2 由磁场随时间变化产生感生电动势 3 回路中的电动势应等于两个电动势的合电动势 答案 1 44 10 4n 方向向右 1 电磁感应现象中的能量转化 1 与感生电动势有关的电磁感应现象中 磁场能转化为电能 若电路是纯电阻电路 转化过来的电能将全部转化为电阻的内能 2 与动生电动势有关的电磁感应现象中 通过克服安培力做功 把机械能或其他形式的能转化为电能 克服安培力做多少功 就产生多少电能 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 2 电磁感应现象中能量变化的特点 3 求解电磁感应现象中能量守恒问题的一般思路 1 确定感应电动势的大小和方向 2 画出等效电路 求出回路中消耗的电功率表达式 3 分析导体机械能的变化 用能量守恒关系得到机械功率的改变与回路中的电功率的改变所满足的方程 4 电能的三种求解思路 1 利用克服安培力做功求解 电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功 2 利用能量守恒求解 相应的其他能量的减少量等于产生的电能 3 利用电路特征求解 通过电路中所消耗的电能来计算 2 如图4 5 7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 处在方向竖直向下 磁感应强度为b的匀强磁场中 质量为m图4 5 7的导体棒与固定弹簧相连 放在导轨上 导轨与导体棒的电阻可忽略 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 求初始时刻导体棒受到的安培力 2 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 3 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 思路点拨 解答本题时应注意以下两点 1 导体棒运动切割磁感线产生感应电流 2 安培力做功与电阻r上产生的焦耳热的关系 1 安培力做负功的过程就是其他形式的能量转化为电能的过程 2 导体棒动能 弹性势能 回路中的电能在转移或转化过程中总量是守恒的 电磁感应问题往往跟力学问题联系在一起 这类问题需要综合运用电磁感应规律和力学的相关规律解决 因此 处理此类问题的一般思路是 先电后力 即 1 先做 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 画出必要的电路图 分析电路结构 弄清串 并联关系 求出相关部分的电流大小 以便安培力的求解 3 然后是 力 的分析 画出必要的受力分析图 分析力学所研究对象 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 状态分析 根据力和运动的关系 判断出正确的运动模型 5 路线是 导轨受力运动产生感应电动势 感应电流 通电导体受安培力 合外力变化 加速度变化 速度变化 感应电动势变化 周而复始地循环 循环结束时 加速度等于零 导体达到稳定运动状态 要画好受力图 抓住a 0时速度v达到最大值的特点 最后运用物理规律列方程求解 6 两种状态处理方法 达到稳定运动状态后 导体匀速运动 受力平衡 应根据平衡条件列式分析平衡态 导体达到稳定运动状态之前 往往做变加速运动 处于非平衡态 应根据牛顿第二定律或结合功能关系分析非平衡态 3 2012 山东高考 如图4 5 8所示 相距为l的两条足够长的光滑平行金属导轨与水平面的夹角为 上端接有定值电阻r 匀强磁场垂直于导轨平面 磁感应图4 5 8强度为b 将质量为m的导体棒由静止释放 当速度达到v时开始匀速运动 此时对导体棒施加一平行于导轨向下的拉力 并保持拉力的功率恒为p 导体棒最终以2v的速度匀速运动 导体棒始终与导轨垂直且接触良好 不计导轨和导体棒的电阻 重力加速度为g 下列选项正确的是 思路点拨 解答本题时应注意以下两点 1 导体棒所受安培力与导体棒速度的关系 2 r上的焦耳热与克服安培力做功的关系 答案 ac 1 导体运动切割磁感线产生感应电流 会使导体由此受到安培力 而安培力的大小往往因速度的改变而改变 2 导体运动的加速度为零时 对应的速度最大 此时回路中的电流也最大