高中物理 第4章第5节《电磁感应现象的两类情况》新人教版选修32.ppt

第5节电磁感应现象的两类情况 电磁感应 磁流体发电机磁流体发电机是一种将高温的带电流体 等离子体或液态金属 以极高的速度喷射到磁场中去 利用磁场对带电流体的作用而发电的一种装置 从能量形式看它将化学能变成热能 再将热能直接转化为电能 它与普通火力发电机的主要区别是 在磁流体发电机中 高温高速的带电流体代替了普通火力发电机中的电枢绕组和转动部分 磁流体发电机的构造如下图所示 由燃烧室 发电通道及磁体三个主要部件组成 其中发电通道是磁流体发电机的核心部件 磁流体发电机的主要特点是 发电效率高 环境污染少 实际应用时将它作为热循环系统的第一级 与普通火力发电机组成联合电站 我们知道 常温下的气体是绝缘体 须在6000 以上才能电离 这样的高温是难以达到的 为使气体在较低温度下 3000 左右 就能电离 可在高温燃烧的气体中添加一定比例 1 的容易电离的低电离电位物质 如钾 铯等碱金属化合物 磁流体发电机燃烧室产生的高温等离子体经喷管提高流速 以高温高速进入发电通道 切割磁感线产生电磁感应 并在电极壁的两极上形成电动势 或者说 离子在洛伦兹力的作用下 不断奔向两电极 从而形成电势差对外供电 因为e blv 所以p 由此可知 利用磁流体发电 只要加快等离子体的喷射速度 增加磁感应强度 就能提高磁流体发电机的功率 磁流体发电机产生的是直流电 须经逆变换器变换成交流电才能并入电网 1 磁场变化时会在空间激发一种电场 如果此时空间存在闭合导体 导体中的自由电荷就会在这种电场的作用下做定向运动 产生感应电流 或者说导体中产生了 在这种情况下 所谓的非静电力就是这种 对自由电荷的作用 2 一段导体在做切割磁感线运动时 相当于一个 这时的非静电力与 有关 1 感应电动势感应电场2 电源洛伦兹力 一 感生电动势1 感应电场19世纪60年代 英国物理学家麦克斯韦在他的电磁场理论中指出 变化的磁场能在周围空间激发电场 我们把这种电场叫感应电场 1 产生如右图所示 当磁场变化时 产生的感应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 2 方向闭合环形回路 可假定存在 的电流方向就表示感应电场的电场方向 感应电场是否存在仅取决于有无变化的磁场 与是否存在导体及是否存在闭合回路无关 尽管如此 我们要判定感应电场的方向还要依据实际存在的或假定存在的回路结合楞次定律来进行 2 感生电动势的产生由感应电场使导体产生的电动势叫感生电动势 感生电动势在电路中的作用就是充当电源 其电路就是内电路 当它与外电路连接后就会对外电路供电 变化的磁场在闭合导体所在空间产生电场 导体内自由电荷在电场力作用下产生感应电流 或者说导体中产生了感应电动势 由此可见 感生电场就相当于电源内部的所谓的非静电力 对电荷产生力的作用 如下图 a 所示 截面积为0 2m2的100匝圆形线圈a处在变化的磁场中 磁场方向垂直纸面 其磁感应强度b随时间t的变化规律如图 b 所示 设向里为b的正方向 线圈a上的箭头为感应电流i的正方向 r1 4 r2 6 c 30 f 线圈内阻不计 求电容器充电时的电压和2s后电容器放电的电荷量 解析 由题意可知圆形线圈a上产生的感生电动势e ns 100 0 02 0 2v 0 4v 电路中的电流i 0 04a 电容器充电时的电压uc ir2 0 04a 6 0 24v 2s后电容器放电的电荷量q cuc 30 10 6f 0 24v 7 2 10 6c 答案 0 24v7 2 10 6c 变式迁移 1 某空间出现了如右图所示的闭合的电场 电场线为一簇闭合曲线 这可能是 a 沿ab方向磁场在迅速减弱b 沿ab方向磁场在迅速增加c 沿ba方向磁场在迅速增加d 沿ba方向磁场在迅速减弱 解析 根据电磁感应 闭合回路中的磁通量变化时 使闭合回路中产生感应电流 该电流可用楞次定律判断 根据麦克斯韦电磁理论 闭合回路中产生感应电流 是因为闭合回路中受到了电场力的作用 而变化的磁场产生电场 与是否存在闭合回路没有关系 故空间磁场变化产生的电场方向 仍然可用楞次定律判断 四指环绕方向即为感应电场的方向 由此可知a c正确 答案 ac 二 动生电动势1 动生电动势原因分析导体在磁场中做切割磁感线运动时 产生动生电动势 它是由于导体中自由电子受洛伦兹力作用而引起的 如下图甲所示 一条直导线cd在匀强磁场b中以速度v向右运动 并且导线cd与b v的方向垂直 由于导体中的自由电子随导体一起以速度v运动 因此每个电子受到的洛伦兹力为f evb f的方向竖直向下 在力f的作用下 自由电子沿导体向下运动 使导体下端出现过剩的负电荷 导体上端出现过剩的正电荷 结果使导体上端d的电势高于下端c的电势 出现由d指向c的静电场 此电场对电子的作用力f 是向上的 与洛伦兹力的方向相反 随着导体两端正 负电荷的积累 场强不断增强 当作用在自由电子上的静电力f 与洛伦兹力f互相平衡时 dc两端便产生了一个稳定的电势差 如果用另外的导线把cd两端连接起来 由于d端电势比c端高 自由电子在静电力的作用下将在导线框中沿顺时针方向流动 形成逆时针方向的感应电流如图乙所示 电荷的流动使cd两端积累的电荷减少 洛伦兹力又不断地使电子从d端运动到c端 从而在cd两端维持一个稳定的电动势 可见 运动的导体cd就是一个电源 d端为正极 c端为负极 自由电子受洛伦兹力的作用 从d端被搬运到c端 也可以看作是正电荷受洛伦兹力的作用从c端搬运到d端 这里 洛伦兹力就相当于电源中的非静电力 根据电动势的定义 电动势等于单位正电荷从负极通过电源内部移动到正极非静电力所做的功 作用在单位正电荷上的洛伦兹力f vb于是 动生电动势就是e fl blv上式与法拉第电磁感应定律得到的结果一致 2 动生电动势与感生电动势的区别 1 相当于电源的部分不同由于导体运动而产生电动势时 运动部分的导体相当于电源 而由于磁场变化产生感应电动势时 磁场穿过的线圈部分相当于电源 2 的含义不同导体运动产生的电动势 是由于导体线框本身的面积发生变化而产生的 所以 b s 而感生电动势 是由于 b引起的 所以 b s 如图甲所示 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 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杆可以达到的最大速度 答案 1 重力mg 方向竖直向下 支持力fn 方向垂直斜面向上 安培力f 方向平行斜面向上 如右图所示 变式迁移 2 如右图所示 水平地面上方有正交的匀强电场e和匀强磁场b 电场方向竖直向下 磁场方向垂直纸面向外 等腰三角形的金属框由底边呈水平位置开始沿竖直平面的电磁场中由静止开始下落 下落过程中三角形平面始终在竖直平面内 不计阻力 a b落到地面的次序是 a a先于bb b先于ac a b同时落地d 无法判断 解析 本题考查由楞次定律判定感应电动势的方向 本题关键是用楞次定律判定感应电动势的方向 并理解感应电动势的正 负极是聚集着正 负电荷 当 abc线框下落时 闭合回路中磁通量没有发生变化 回路不产生感应电流 但由于各边都在切割磁感线 所以会产生感应电动势 根据楞次定律 可以判定出a点的电势高 是电源的正极 b点的电势低 是电源的负极 a点聚集着多余的正电荷 b点聚集着负电荷 a点的正电荷受到的电场力向下 使a点加速度 g b点的负电荷受到的电场力向上 使b点加速度 g 故a点先落地 故正确答案为a 答案 a 三 电磁感应中的能量问题电磁感应现象中总是伴随着能量的转化和守恒 当外力克服安培力做多少功时 就有多少其他形式的能转化为电能 当安培力做多少正功时 就有多少电能转化为其他形式的能 例如 将条形磁铁插入或拔出闭合的螺线管的相对运动 阻碍不等于阻止 相对运动继续进行 在整个过程中外力克服磁场力做功 把其他形式的能转化为电能 再如导体切割磁感线产生感应电流会受到安培力的作用 安培力的方向与推动导体运动的外力方向是相反的 推动力克服安培力做功 以电流的形式使导线及环境的温度升高 如下图所示 水平放置的平行轨道m n间接一阻值为r 0 128 的电阻 轨道宽为l 0 8m 轨道上搭一金属棒ab 其质量m 0 4kg ab与轨道间动摩擦因数为0 5 除r外其余电阻不计 垂直于轨道面的匀强磁场磁感应强度为b 2t ab在一电动机牵引下由静止开始运动 经过2s ab运动了1 2m并达到最大速度 此过程中电动机平均输出功率为8w 最大输出功率为14 4w 求该过程中电阻r上消耗的电能 取g 10m s2 变式迁移 3 如下图所示 固定的水平放置金属导轨 间距为l 左端接有阻值为r的电阻 处在方向竖直 磁感应强度为b的匀强磁场中 质量为m的导体棒与固定的弹簧相连 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 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 1 如下图所示 金属杆ab以恒定的速率v在光滑平行导轨上向右滑行 设整个电路中总电阻为r 恒定不变 整个装置置于垂直纸面向里的匀强磁场中 下列叙述正确的是 a ab杆中的电流与速率v成正比b 磁场作用于ab杆的安培力与速率v成正比c 电阻r上产生的电热功率与速率v的平方成正比d 外力对ab杆做功的功率与速率v的平方成正比 基础巩固 7 2011年北京海淀 水平面内两光滑的平行金属导轨 左端与电阻r相连接 匀强磁场b竖直向下分布在导轨所在的空间内 质量一定的金属棒垂直于导轨并与导轨接触良好