物理人教版选修3-2课堂探究第四章第五节电磁感应现象的两种情况

课堂探究探究一对感生电动势的理解·问题导引·著名物理学家费曼曾设计过这样一个实验装置：一块绝缘圆板可绕其中心的光滑轴自由转动，在圆板的中部有一个线圈，圆板的四周固定着一圈带电的金属小球，如图所示。当线圈接通电源后，发现圆板转动起来。请思考圆板转动起来的原因是什么？提示：在线圈接通电源的瞬间，线圈中的电流是增大的，产生的磁场是逐渐增强的，逐渐增强的磁场会产生电场。在小球所在圆周处相当于有一个环形电场，小球因带电而受到电场力作用从而会让圆板转动。·名师精讲·1．产生：如图所示，当磁场变化时，产生感生电场。感生电场的电场线是与磁场垂直的曲线。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生电动势。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。【例题1】(多选)某空间出现了如图所示的磁场，当磁感应强度变化时，在垂直于磁场的方向上会产生感生电场，有关磁感应强度的变化与感生电场的方向关系描述正确的是()A．当磁感应强度均匀增大时，感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向B．当磁感应强度均匀增大时，感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向C．当磁感应强度均匀减小时，感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向D．当磁感应强度均匀减小时，感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向点拨：感生电场的方向与感生电动势、感应电流的方向相同，因此可以用楞次定律分析。解析：感生电场中电场线的方向用楞次定律来判定：原磁场向上且磁感应强度在增大，在周围有闭合导线的情况下，感应电流的磁场方向应与原磁场方向相反，即感应电流的磁场方向向下，再由右手螺旋定则得到感应电流的方向是：从上向下看应为顺时针方向，则感生电场的方向从上向下看也为顺时针方向；同理可知，原磁场方向向上且磁感应强度减小时，感生电场的方向从上向下看应为逆时针方向。所以A、D正确。答案：AD题后反思明确感生电场与感应电动势、感应电流的方向关系，并能利用楞次定律进行分析是解决这类问题的关键。探究二对动生电动势的理解·问题导引·如图，导体棒在磁场中做切割磁感线的运动，请思考：(1)导体棒中是否产生感应电动势？哪端电势高？(2)导体棒中自由电荷是在什么力的作用下移动的？提示：(1)导体棒中会产生感应电动势，由右手定则可判断两端电势高低；(2)自由电荷是在洛伦兹力的作用下移动的。·名师精讲·1．动生电动势的产生：如图甲所示，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的方向互相垂直。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，结果是C端的电势高于D端的电势，出现由C端指向D端的静电场，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，电场强度不断增强，当作用到自由电子上的静电力与洛伦兹力互相平衡时，C、D两端便产生了一个稳定的电势差。如果用另外的导线把C、D两端连起来，由于C端电势比D端高，自由电子在静电力作用下将在导线框中沿顺时针方向流动，形成逆时针的感应电流。如图乙所示。电荷的流动使C、D两端积累的电荷减少，洛伦兹力又不断地使电子从C端运动到D端，达到动态平衡，形成一个稳定的电动势。2．感生电动势与动生电动势的区别【例题2】如图所示，固定于水平桌面上的金属框架cdef，处在竖直向下的匀强磁场中，金属棒ab搁在框架上，可无摩擦滑动。此时adeb构成一个边长为l的正方形，棒的电阻为r，其余部分电阻不计。开始时磁感应强度为B0。(1)若从t＝0时刻起，磁感应强度均匀增加，每秒增加k，同时保持棒ab静止，求棒中的感应电流大小和方向。(2)在上述(1)情况中，始终保持棒ab静止，当t＝t1秒末时需加的垂直于棒的水平拉力为多大？解析：(1)由题意知：＝k，根据法拉第电磁感应定律得：E＝＝S＝kl2，再根据欧姆定律得：I＝＝根据楞次定律判断，“增反减同”，回路中的电流方向为逆时针方向，或棒上电流从b到a。(2)要保持棒ab静止，使作用到棒ab上的力平衡，即水平拉力等于棒ab受到的安培力：F＝FA＝BIl＝(B0＋kt)l＝(B0＋kt1)。答案：(1)，棒中电流方向由b到a(2)探究三电磁感应中的能量问题·问题导引·如图是环保型手电筒的外形。环保型手电筒不需要任何化学电池作为电源，不会造成由废电池引起的环境污染，使用时只需将它摇动一分钟，手电筒可持续照明好几分钟。手电筒内部有一永久磁铁，外层有一线圈，请你探究分析这种手电筒的工作原理。提示：环保型手电筒应用了电磁感应原理，内部有磁铁外部有线圈，摇动时，使磁铁相对线圈运动，产生感应电流，把机械能转化为电能，并有一电容器暂时储存电能从而维持手电筒照明几分钟。·名师精讲·1．电磁感应现象中的能量转化方式(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．电磁感应中的能量问题分析思路(1)分析回路，分清电源和外电路。在电磁感应现象中，切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路将产生感应电动势，该导体或回路就相当于电源，其余部分相当于外电路。(2)分清有哪些力做功，明确有哪些形式的能量发生了转化。(3)根据功能关系列式求解。【例题3】如图所示，abcd为静止于水平面上宽度为L而长度足够长的U形金属滑轨，ac边接有电阻R，其他部分电阻不计。ef为一可在滑轨平面上滑动、质量为m的均匀导体棒。整个滑轨面处在竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度为B。忽略所有摩擦。(1)若用恒力F沿水平方向向右拉棒，使其平动，求导体棒的最大速度。(2)若导体棒从开始运动到获得最大速度发生的位移为x，求这一过程中电阻R上产生的热量Q。点拨：求解此题应把握以下两点：(1)运动过程中v、E、I、F安、F合、a各量不断变化。(2)整个运动过程中，能量守恒。解析：(1)方法一导体棒受到恒力F后的运动情况，可用简图表示如下：当a＝0时，即F＝ILB＝时，速度达到最大值，解得：v＝方法二从能量角度看，当棒稳定时P外＝P电，即Fv＝＝，解得：v＝。(2)导体棒受到恒力F后的能量转化情况，可用简图表示如下：根据能量转