高中物理 第1章 電磁感應(yīng) 第5節(jié) 電磁感應(yīng)規(guī)律的應(yīng)用課件 粵教版選修3-2.ppt

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第五節(jié)電磁感應(yīng)規(guī)律的應(yīng)用 1 如圖所示 閉合開關(guān)S 將條形磁鐵插入閉合線圈 第一次用0 2s 第二次用0 4s 并且兩次的起始和終止位置相同 則 課前 自主學(xué)習(xí) A 第一次磁通量變化較大B 第一次G的最大偏角較大C 第一次經(jīng)過G的總電荷量較多D 若斷開S G均不偏轉(zhuǎn) 故均無感應(yīng)電動勢 答案 B 2 一根直導(dǎo)線長0 1m 在磁感應(yīng)強度為0 1T的勻強磁場中以10m s的速度勻速運動 則導(dǎo)線中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢不可能的是 A 1VB 零C 0 1VD 0 01V 答案 A 解析 在垂直于磁感線的平面上運動 產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大 為Emax Blv 0 1T 0 1m 10m s 0 1V 即感應(yīng)電動勢E Emax 則A不可能 一 法拉第電機 O 2 法拉第電機 在磁場中做 磁感線運動 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的導(dǎo)體相當(dāng)于電源 運動導(dǎo)體 切割 如圖所示是法拉第電機原理圖 銅盤轉(zhuǎn)起來之后相當(dāng)于電源 圓心O和圓盤邊緣誰是正極 答案 銅盤可以看成是由無數(shù)根導(dǎo)線組成 它運動時切磁感線 由右手定則可知圓心O是正極 二 電磁感應(yīng)的應(yīng)用1 如下圖所示 導(dǎo)體棒ef沿著導(dǎo)軌面向右勻速運動 導(dǎo)軌電阻不計 相當(dāng)于電源 是其正極 是負極 電源內(nèi)部電流由 流向 和導(dǎo)軌構(gòu)成外電路 外電路中電流由電源的 流向 導(dǎo)體棒 f e 負極 正極 電阻R 正極 負極 如果讓你設(shè)計一個發(fā)電機 你設(shè)計的這個發(fā)電機至少應(yīng)該由哪些部分組成 答案 設(shè)計發(fā)電機需要的部分有很多 最基本的組成部分有磁體提供的磁場 讓線圈在磁場中運動以改變磁通量的大小從而產(chǎn)生感應(yīng)電流 三 電磁感應(yīng)中的反電動勢與能量轉(zhuǎn)化1 電磁感應(yīng)中的能量 在由導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象中 導(dǎo)體克服 做多少功 就有多少其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能 即電能是通過 轉(zhuǎn)化得到的 2 反電動勢 1 定義 直流電動機模型通電后 線圈因受 而轉(zhuǎn)動 切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢 2 方向 與外加電壓的方向 3 決定因素 電動機線圈轉(zhuǎn)動 反電動勢越大 安培力 其他形式的能 安培力 相反 越快 1 用E BLv求解用E BLv求解感應(yīng)電動勢時 要求導(dǎo)體上各點的切割速度相同或能求其等效切割速度 課堂 優(yōu)化整合 可設(shè)想 在前面圖中有一個 柔軟 形狀可變 的回路在0時刻與棒疊在一起 當(dāng)棒轉(zhuǎn)動后 原有部分不動 而外端將把導(dǎo)線拉伸 且假設(shè)導(dǎo)體棒外端所到之處導(dǎo)線即貼在那里 則 t時間后拉開的電路形狀如圖中虛線和實線所示 例1 解析 圓盤轉(zhuǎn)動時 相當(dāng)于無數(shù)條相同的 并聯(lián)的長度為圓盤半徑R的導(dǎo)體棒在轉(zhuǎn)動 只要求得一條導(dǎo)體棒轉(zhuǎn)動的感應(yīng)電動勢 即為整個圓盤的電動勢 如下圖所示 設(shè)圓盤的半徑為R 處于磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中 磁場方向與圓盤平面垂直 其一條半徑以角速度 勻速轉(zhuǎn)動 答案 見解析 1 如圖所示 金屬棒ab長為L 以角速度 繞ab棒延長線上一點O逆時針轉(zhuǎn)動 Oa間距為r 金屬棒轉(zhuǎn)動方向與磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場方向垂直 磁場方向垂直紙面向里 則a b兩點間電勢差大小為 答案 D 1 確定所研究的回路 明確回路中相當(dāng)于電源的部分和相當(dāng)于外電路的部分 畫出等效電路圖 2 由楞次定律或右手定則判斷感應(yīng)電動勢的方向 由法拉第電磁感應(yīng)定律或?qū)w切割磁感線公式寫出感應(yīng)電動勢表達式 3 運用閉合電路歐姆定律 部分電路歐姆定律 串并聯(lián)電路的電壓 電流 電阻特點 電功率公式等進行計算求解 例2 題后反思這是電磁感應(yīng)與電路結(jié)合的綜合題 切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的導(dǎo)體相當(dāng)于電源 畫出等效電路圖應(yīng)用歐姆定律就可求解 2 如圖所示 在方向豎直向上的磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中 有兩條足夠長的平行金屬導(dǎo)軌 其電阻不計 間距為L 導(dǎo)軌平面與磁場方向垂直 ab cd為兩根垂直導(dǎo)軌放置 電阻都為R 質(zhì)量都為m的金屬棒 棒cd與導(dǎo)軌間的最大靜摩擦力為f且被能承受最大拉力為T0的水平細線拉住 棒ab與導(dǎo)軌間的摩擦不計 在水平拉力F的作用下以加速度a由靜止開始向右做勻加速直線運動 求 1 電磁感應(yīng)的本質(zhì) 能量轉(zhuǎn)化電磁感應(yīng)的過程 實質(zhì)上是一個能量轉(zhuǎn)化與守恒的過程 可以說它是能量轉(zhuǎn)化與守恒定律在電磁現(xiàn)象中的一個特例 通過克服安培力做功 將其他能量 非電能 轉(zhuǎn)化為電能 克服安培力做多少功 就有多少其他能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)量的電能 當(dāng)產(chǎn)生的電流通過用電器后 同時將轉(zhuǎn)化來的電能進一步轉(zhuǎn)化成其他非電能 因此 電磁感應(yīng)過程總伴隨著能量轉(zhuǎn)化 2 克服安培力做功與產(chǎn)生電能關(guān)系的特例論證如下圖所示 矩形閉合金屬線框abcd電阻為R 置于有界的勻強磁場B中 現(xiàn)在拉力F的作用下 以速度v勻速拉出磁場 設(shè)ad bc邊的長度為L 則線框被勻速拉出的過程中 結(jié)論 在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中 克服安培力做多少功 就有多少電能產(chǎn)生 本例中 這些電能又通過電流做功使電阻發(fā)熱轉(zhuǎn)變成了內(nèi)能 3 關(guān)于電磁感應(yīng)的能量問題 要注意以下分析程序 1 準確應(yīng)用電磁感應(yīng)定律確定感應(yīng)電動勢的大小 準確應(yīng)用楞次定律或右手定則 判定感應(yīng)電動勢的方向 2 畫出等效電路 求解電路中各相關(guān)參量 3 研究導(dǎo)體機械能的變化 利用能量轉(zhuǎn)化與守恒關(guān)系 列出機械運動功率變化與電路中電功率變化的守恒關(guān)系式 如下圖所示 一對光滑的平行金屬導(dǎo)軌固定在同一水平面內(nèi) 導(dǎo)軌間距l(xiāng) 0 5m 左端接有阻值R 0 3 的電阻 一質(zhì)量m 0 1kg 電阻r 0 1 的金屬棒MN放置在導(dǎo)軌上 整個裝置置于豎直向上的勻強磁場中 磁場的磁感應(yīng)強度B 0 4T 棒在水平向右的外力作用下 由靜止開始以a 2m s2的加速度做勻加速運動 當(dāng)棒的位移x 9m時撤去外力 棒繼續(xù)運動一段距離后停下來 已知撤去外力前后回路中產(chǎn)生的焦耳熱之比Q1 Q2 2 1 導(dǎo)軌足夠長且電阻不計 棒在運動過程中與導(dǎo)軌垂直且兩端與導(dǎo)軌保持良好接觸 求 例3 1 棒在勻加速運動過程中 通過電阻R的電荷量q 2 撤去外力后回路中產(chǎn)生的焦耳熱Q2 3 外力做的功WF 解析 1 設(shè)棒勻加速運動的時間為 t 回路的磁通量變化量為 回路中的平均感應(yīng)電動勢為 由法拉第電磁感應(yīng)定律得 聯(lián)立 式 代入數(shù)據(jù)得Q2 1 8J CD EF為兩足夠長的導(dǎo)軌 CE l 勻強磁場方向與導(dǎo)軌平面垂直 磁感應(yīng)強度為B 導(dǎo)體CE連接一電阻R 導(dǎo)體ab質(zhì)量為m 框架與導(dǎo)體電阻不計 如圖所示 框架平面與水平面成 角 框架與導(dǎo)體ab間的動摩擦因數(shù)為 求 例4 1 導(dǎo)體ab下滑的最大速度 2 設(shè)ab從靜止開始達到最大速度時下降的高度為h 利用能量觀點求這一變速過程中共在R上產(chǎn)生的熱量 解析 1 由能的轉(zhuǎn)化和守恒定律知 當(dāng)導(dǎo)體ab以最大速度vm勻速運動以后 導(dǎo)體ab下滑過程中 減少的重力勢能 機械能 等于克服摩擦力所做的功和電阻R產(chǎn)生的熱量 并設(shè)以最大速度運動的時間為t 則mgsin vmt mgcos vmt I2Rt 題后反思求最大速度問題 一般是從受力分析入手 由牛頓第二定律列式 再經(jīng)過分析得出 當(dāng)a 0時 速度最大 這種思路是解題的一種方法 本題也可以通過該方法求解 利用力學(xué)觀點處理問題的方法往往繁瑣 不如用能量觀點處理方便 像本例題求最大速度問題 盡管達最大速度前運動為變速運動 感應(yīng)電流 電動勢 都在變化 但達最大速度之后 感應(yīng)電流及安培力均恒定 計算熱量可用Q I2Rt 這樣 對不少題目通過抓住速度最大之后速度不變這一關(guān)鍵條件出發(fā) 運用能量觀點處理 運算過程得以簡捷 3 如圖所示 足夠長平行金屬導(dǎo)軌傾斜放置 傾角為37 寬度為0 5m 電阻忽略不計 其上端接一小燈泡 電阻為1 一導(dǎo)體棒MN垂直于導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn) 質(zhì)量為0 2kg 接入電路的電阻為1 兩端與導(dǎo)軌接觸良好 與導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)為0 5 在導(dǎo)軌間存在著垂直于導(dǎo)軌平面的勻強磁場 磁感應(yīng)強度為0 8T 將導(dǎo)體棒MN由靜止釋放 運動一段時間后 小燈泡穩(wěn)定發(fā)光 此后導(dǎo)體棒MN的運動速度穩(wěn)定 小燈泡穩(wěn)定發(fā)光 此后導(dǎo)體MN的運動速度以及小燈泡消耗的電功率分別為 重力加速度g取10m s2 sin37 0 6 A 2 5m s1WB 5m s1WC 7 5m s9WD 15m s9W 答案 B 4 如圖所示 bacd為靜止于水平面上寬度為L 而長度足夠長的U形金屬滑軌 ac邊接有電阻R 其他部分電阻不計 ef為一可在滑軌平面上滑動 質(zhì)量為m的均勻?qū)w棒 整個滑軌面處在豎直向上的勻強磁場中 磁感應(yīng)強度為B 忽略所有摩擦 解析 1 解法一導(dǎo)體棒受到恒力F后的運動情況 可用如下式子表示 感生電動勢和動生電動勢的區(qū)別與聯(lián)系 改改 如圖所示 導(dǎo)軌OM和ON都在紙面內(nèi) 導(dǎo)體AB可在導(dǎo)軌上無摩擦滑動 若AB以5m s的速度從O點開始沿導(dǎo)軌勻速右滑 導(dǎo)體與導(dǎo)軌都足夠長 它們每米長度的電阻都是0 2 磁場的磁感應(yīng)強度為0 2T 求 1 3s末夾在導(dǎo)軌間的導(dǎo)體長度是多少 此時導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢多大 回路中的電流為多少 例5 2 3s內(nèi)回路中的磁通量變化了多少 此過程中的平均感應(yīng)電動勢為多少 5 在如圖所示的四種磁場情況中能產(chǎn)生恒定的感生電場的是 答案 C 解析 據(jù)麥克斯韋電磁理論 恒定的感生電場 必須由均勻變化的磁場產(chǎn)生 C對 ABCD