高中物理 第一章 电磁感应 电磁感应规律的应用学案 粤教版选修3-2.doc
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1、 学案6电磁感应规律的应用学习目标定位 1.知道法拉第电机的原理.2.掌握转动切割产生感应电动势的计算.3.掌握电磁感应现象中电路问题的分析方法和解题基本思路.4.理解电磁感应中的能量转化,并会应用能量观点分析电磁感应问题1感应电流的方向可用楞次定律或右手定则判断,其中后者仅适用于导体切割磁感线的情况2感应电动势的大小可以用公式En或EBLv进行计算,其中前者一般用来计算平均电动势,后者一般计算瞬时电动势3闭合电路中电源电动势E、内电压U内、外电压(路端电压)U外三者之间的关系为EU内U外,其中电源电动势E的大小等于电源未接入电路时两极间的电势差4做功的过程就是能量转化的过程,做了多少功,就有
2、多少能量被转化,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(5)电场力做的功等于电势能的变化(6)安培力做的功等于电能的变化5电流通过导体时产生的热量 焦耳定律:QI2Rt.一、法拉第电机法拉第圆盘可看作是由无数根长度等于半径的紫铜辐条组成,当圆盘转动时,辐条切割磁感线产生电动势当电路闭合时产生电流,在电源内部电流方向从电源负极流向正极二、电磁感应中的能量转化电磁感应现象中产生的电能是通过克服安培力做功转化而来的,而这些电能又通过电
3、流做功而转化为其他形式的能因此,电磁感应现象符合能量守恒定律.一、法拉第电机问题设计1参考课本法拉第圆盘发电机的构造图,简单说明法拉第圆盘发电机产生电流的原因答案法拉第电机的圆盘是由无数根辐条组成的,每根辐条做切割磁感线运动,产生感应电动势,电路闭合时产生感应电流2法拉第圆盘发电机的工作原理可以等效为一根导体棒在磁场中转动,如图1所示:当将导体棒和电阻组成闭合电路时,电路的哪部分相当于电源?电源的正极和负极在电路的哪个位置?电源内部电流方向如何?图1答案ab导体棒相当于电源,a是电源正极,b是电源负极,电源内部电流由负极流向正极要点提炼1导体棒绕一端为轴转动切割磁感线:由vr可知各点线速度随半
4、径按线性规律变化,切割速度用中点的线速度替代,即v或v.感应电动势EBl2.2电磁感应中的电路问题处理思路:(1)明确哪部分导体或电路产生感应电动势,该导体或电路就是电源,其他部分是外电路(2)用法拉第电磁感应定律确定感应电动势的大小,用楞次定律确定感应电动势的方向(3)画等效电路图分清内外电路,画出等效电路图是解决此类问题的关键(4)运用闭合电路欧姆定律、串并联电路特点、电功率、电热等公式联立求解二、电磁感应中的能量转化问题设计如图2所示,ab在拉力F的作用下以速度v匀速向右运动,已知导体棒ab的长度为L,磁感应强度为B,电路中的总电阻为R.ab中的电流是多少?ab所受的安培力为多大?当导体
5、棒匀速向右运动s距离时,拉力F做功和棒克服安培力做功分别是多少?图2答案电路的感应电动势EBLv电流I所以ab棒所受安培力F安BIL由于导体棒做匀速运动,所以FF安拉力做功WFFs导体棒克服安培力做功W安F安s要点提炼1电磁感应现象中产生的电能是克服安培力做功转化而来的,克服安培力做多少功,就产生多少电能,电磁感应过程遵循能量守恒定律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
6、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时,焦耳热QI2Rt.(2)感应电路中电流变化时,可用以下方法分析:利用动能定理先求克服安培力做的功,而产生的焦耳热等于克服安培力做的功,即QW安利用能量守恒,即感应电流产生的焦耳热等于其他形式能量的减少量,即QE其他一、转动切割产生感应电动势的计算例1长为L的金属棒ab以a点为轴在垂直于匀强磁场的平面内以角速度做匀速转动,如图3所示,磁感应强度为B.求:图3(1)ab棒各点速率的平均值(2)ab两端的电势差(3)经时间t金属棒ab所扫过面积中磁通量为多少?此过程中平均感应电动势多大?解析(1)ab棒各点速率
7、的平均值L(2)ab两端的电势差:EBLBL2(3)经时间t金属棒ab所扫过的扇形面积为S,则:SL2L2t,BSBL2t.由法拉第电磁感应定律得:EBL2.答案(1)L(2)BL2(3)BL2tBL2二、电磁感应中的电路问题例2(单选)用相同导线绕制的边长为L或2L的四个闭合导线框,以相同的速度匀速进入右侧匀强磁场,如图4所示在每个线框进入磁场的过程中,M、N两点间的电压分别为Ua、Ub、Uc和Ud.下列判断正确的是()图4AUaUbUcUd BUaUbUdUcCUaUbUcUd DUbUaUdUc解析UaBLv,UbBLv,UcB2LvBLv,UdB2LvBLv,故选B.答案B例3如图5所
8、示,有一范围足够大的匀强磁场,磁感应强度B0.2 T,磁场方向垂直纸面向里在磁场中有一半径r0.4 m的金属圆环,磁场与圆环面垂直,圆环上分别接有灯L1、L2,两灯的电阻均为R02 .一金属棒MN与圆环接触良好,棒与圆环的电阻均忽略不计图5(1)若棒以v05 m/s的速率在环上向右匀速滑动,求棒滑过圆环直径的瞬时MN中的电动势和流过灯L1的电流;(2)撤去金属棒MN,若此时磁场随时间均匀变化,磁感应强度的变化率为 T/s,求回路中的电动势和灯L1的电功率解析(1)等效电路如图所示MN中的电动势E1B2rv00.8 VMN中的电流I0.8 A流过灯L1的电流I10.4 A(2)等效电路如图所示回
9、路中的电动势E2r20.64 V回路中的电流I0.16 A灯L1的电功率P1I2R05.12102 W答案(1)0.8 V0.4 A(2)0.64 V5.12102W三、电磁感应中的能量问题例4如图6所示,足够长的光滑金属框竖直放置,框宽L0.5 m,框的电阻不计,匀强磁场的磁感应强度B1 T方向与框面垂直,金属棒MN的质量为100 g,有效电阻为1 ,现将MN无初速的释放并与框保持接触良好地竖直下落,从释放到达到最大速度的过程中通过棒某一截面的电荷量为2 C,求此过程回路中产生的电能为多少?(空气阻力不计,g10 m/s2)图6解析金属棒下落过程做加速度逐渐减小的加速运动,加速度减小到零时速
10、度达到最大,根据平衡条件得mg在下落过程中,金属棒减小的重力势能转化为它的动能和电能E,由能量守恒定律得mghmvE通过金属棒某一横截面的电荷量为q由解得:Emghmv J3.2 J答案3.2 J1(转动切割产生感应电动势的计算)(单选)如图7所示,导体棒AB的长为2R,绕O点以角速度匀速转动,OB长为R,且O、B、A三点在一条直线上,有一磁感应强度为B的匀强磁场充满转动平面且与转动平面垂直,那么AB两端的电势差为 ()图7A.BR2 B2BR2C4BR2 D6BR2答案C解析A点线速度vA3R,B点线速度vBR,AB棒切割磁感线的平均速度2R,由EBlv得,AB两端的电势差为EB2R4BR2
11、,C正确2(电磁感应中的电路问题)(单选)粗细均匀的电阻丝围成的正方形线框置于有界匀强磁场中,磁场方向垂直于线框平面,其边界与正方形线框的边平行现使线框以同样大小的速度沿四个不同方向平移出磁场,如图所示,则在移出过程中线框一边a、b两点间的电势差绝对值最大的是() 答案B解析本题在磁场中的线框与速度垂直的边等效为切割磁感线产生感应电动势的电源四个选项中的感应电动势大小均相等,回路电阻也相等,因此电路中的电流相等,B中a、b两点间电势差为路端电压,为电动势的,而其他选项则为电动势的.故B正确3.(电磁感应中的能量问题)(双选)如图8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
12、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,在沿着斜面且与棒垂直的恒力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8A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,
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