高中物理第四章電磁感應(yīng)習題課電磁感應(yīng)中的動力學及能量問題課件新人教版

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1、習題課,:,電磁感應(yīng)中的動力學及能量問題,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,當堂檢測,電磁感應(yīng)中的動力學問題,在磁感應(yīng)強度為,B,的水平勻強磁場中,豎直放置一個,“ ”,形金屬框,ABCD,框面垂直于磁場,寬度,BC,為,L,質(zhì)量為,m,的金屬桿,PQ,用光滑金屬套連接在框架,AB,和,CD,上,如圖。金屬桿,PQ,電阻為,R,其他電阻不計,從桿自靜止開始沿框架下滑到達到最大速度的過程中,思考討論下列問題,:,(1),開始下滑的加速度為多少,?,(2),金屬桿中感應(yīng)電流的方向怎樣,?,金屬桿受的安培力向哪,?,如何變化,?,(3),金屬桿的加速度如何變化,?,金屬桿的速度如何變化,

2、?,(4),滿足什么條件時金屬桿達到最大速度,?,金屬桿下滑的最大速度是多少,?,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,當堂檢測,要點提示,:,(1),g,。,(2),向左,向上,變大。,(3),變小,變大。,(4),當安培力等于重力時,速度最大,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,當堂檢測,由于通過導體的感應(yīng)電流在磁場中將受到安培力作用,因此電磁感應(yīng)問題往往和力學問題綜合在一起。,1,.,理解電磁感應(yīng)問題中的兩個研究對象及其之間的相互制約關(guān)系。,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,當堂檢測,2,.,電磁感應(yīng)現(xiàn)象中涉及的具有收尾速度的力學問題時,關(guān)鍵是做好受力情況和

3、運動情況的動態(tài)分析,:,3,.,處理此類問題的基本方法,:,(1),用法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律求感應(yīng)電動勢的大小和方向。,(2),求回路中的感應(yīng)電流的大小和方向。,(3),分析研究導體受力情況,(,包括安培力,),。,(4),列動力學方程或平衡方程求解。,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,當堂檢測,【例題,1,】,如圖所示,空間存在,B=,0,.,5 T,、方向豎直向下的勻強磁場,MN,、,PQ,是水平放置的平行長直導軌,其間距,L=,0,.,2 m,電阻,R=,0,.,3,接在導軌一端,ab,是跨接在導軌上質(zhì)量,m=,0,.,1 kg,、電阻,r=,0,.,1,的導體棒,已知

4、導體棒和導軌間的動摩擦因數(shù)為,0,.,2,。從零時刻開始,對,ab,棒施加一個大小為,F=,0,.,45 N,、方向水平向左的恒定拉力,使其從靜止開始沿導軌滑動,過程中棒始終保持與導軌垂直且接觸良好,則,:(,g,取,10 m/s,2,),(1),求導體棒所能達到的最大速度。,(2),試定性畫出導體棒運動的速度,時間圖象。,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,當堂檢測,解析,:,ab,棒在拉力,F,作用下運動,隨著,ab,棒切割磁感線運動的速度增大,棒中的感應(yīng)電動勢增大,棒中感應(yīng)電流增大,棒受到的安培力也增大,最終達到勻速運動時棒的速度達到最大值。外力在克服安培力做功的過程中,消耗了

5、其他形式的能,轉(zhuǎn)化成了電能,最終轉(zhuǎn)化成了焦耳熱。,(1),導體棒切割磁感線運動,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢,E=BLv,導體棒受到的安培力,F,安,=BIL,導體棒運動過程中受到拉力,F,、安培力,F,安,和摩擦力,F,f,的作用,根據(jù)牛頓第二定律得,F-mg-F,安,=ma,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,當堂檢測,由,得,由上式可以看出,隨著速度的增大,安培力增大,加速度,a,減小,當加速度,a,減小到,0,時,速度達到最大。,(2),導體棒運動的速度,時間圖象如圖所示。,答案,:,(1)10 m/s,(2),見解析圖,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,當堂檢測,歸納總結(jié)解

6、決電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的力學問題的思路,(1),對電學對象要畫好必要的等效電路圖。,(2),對力學對象要畫好必要的受力分析圖和過程示意圖。,(3),電磁感應(yīng)中切割磁感線的導體要運動,產(chǎn)生的感應(yīng)電流又要受到安培力的作用。在安培力作用下,導體的運動狀態(tài)發(fā)生變化,這就可能需要應(yīng)用牛頓運動定律。,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,當堂檢測,變式訓練,1,(,多選,),如圖所示,MN,和,PQ,是兩根互相平行豎直放置的光滑金屬導軌,已知導軌足夠長,且電阻不計。,ab,是一根與導軌垂直而且始終與導軌接觸良好的金屬桿。開始時,將開關(guān),S,斷開,讓桿,ab,由靜止開始自由下落,一段時間后,再將,S,閉合

7、,若從,S,閉合開始計時,則金屬桿,ab,的速度,v,隨時間,t,變化的圖象可能是,(,),探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,當堂檢測,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,當堂檢測,電磁感應(yīng)中的能量問題,在水平勻強磁場中,豎直放置一個,“ ”,形金屬框,框面垂直于磁場,金屬桿用光滑金屬套連接在框架上,如圖。桿自靜止開始沿框架下滑,試分析桿自靜止下滑一段時間,(,未達到最大速度,),內(nèi),有哪些力做了功,?,有哪些能量發(fā)生了變化,?,簡述這些功能關(guān)系。,要點提示,:,重力做功和安培力做功。重力勢能減少,動能增加,電能增加。重力做的功等于重力勢能的減少量,克服安培力做的功等于電

8、能的增加量,合力的功等于動能的增加量。,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,當堂檢測,1,.,電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量守恒,電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的,“,阻礙,”,是能量守恒的具體體現(xiàn),在這種,“,阻礙,”,的過程中,其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。,2,.,電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化,(1),與感生電動勢有關(guān)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象中,磁場能轉(zhuǎn)化為電能,若電路是純電阻電路,轉(zhuǎn)化過來的電能將全部轉(zhuǎn)化為電路的內(nèi)能。,(2),與動生電動勢有關(guān)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象中,通過克服安培力做功,把機械能或其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。克服安培力做多少功,就產(chǎn)生多少電能。若電路是純電阻電路,轉(zhuǎn)化過來的電能將全部轉(zhuǎn)化為電路的內(nèi)能。,探究一,探究

9、二,問題導引,名師精講,典例剖析,當堂檢測,3,.,求解電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能量問題的一般思路,(1),用法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律確定感應(yīng)電動勢的大小和方向。,(2),畫出等效電路,求出回路中電阻消耗的電功率表達式。,(3),分析導體機械能的變化,用能量守恒關(guān)系得到機械功率的改變與回路中電功率的改變所滿足的方程。,產(chǎn)生和維持感應(yīng)電流的過程是其他形式的能向感應(yīng)電流的電能轉(zhuǎn)化的過程,安培力做功是其他形式的能和電能之間轉(zhuǎn)化的量度。,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,當堂檢測,【例題,2,】,(,多選,),如圖所示,兩根電阻不計的光滑平行金屬導軌傾角為,導軌下端接有電阻,R,勻強磁場垂直斜面

10、向上。質(zhì)量為,m,、電阻不計的金屬棒,ab,在沿斜面與棒垂直的恒力,F,作用下沿導軌勻速上滑,上升高度為,h,在這個過程中,(,),A.,金屬棒所受各力的合力所做的功等于零,B.,金屬棒所受各力的合力所做的功等于,mgh,和電阻,R,上產(chǎn)生的焦耳熱之和,C.,恒力,F,與重力的合力所做的功等于棒克服安培力所做的功與電阻,R,上產(chǎn)生的焦耳熱之和,D.,恒力,F,與重力的合力所做的功等于電阻,R,上產(chǎn)生的焦耳熱,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,當堂檢測,解析,:,棒勻速上升的過程有三個力做功,:,恒力,F,做正功、重力,G,做負功、安培力,F,安,做負功。根據(jù)動能定理得,W=W,F,

11、+W,G,+W,安,=,0,故,A,對,B,錯,;,恒力,F,與重力,G,的合力所做的功等于棒克服安培力做的功。而棒克服安培力做的功等于回路中電能,(,最終轉(zhuǎn)化為焦耳熱,),的增加量,克服安培力做功與焦耳熱不能重復考慮,故,C,錯,D,對。,答案,:,AD,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,當堂檢測,變式訓練,2,如圖所示,勻強磁場方向豎直向下,磁感應(yīng)強度為,B,。正方形金屬框,abcd,可繞光滑軸,OO,轉(zhuǎn)動,邊長為,L,總電阻為,R,ab,邊質(zhì)量為,m,其他三邊質(zhì)量不計,現(xiàn)將,abcd,拉至水平位置,并由靜止釋放,經(jīng)一定時間到達豎直位置,ab,邊的速度大小為,v,則在金屬框內(nèi)產(chǎn)

12、生熱量大小等于,(,),探究一,探究二,1,2,3,當堂檢測,1,.,(,電磁感應(yīng)中的力學問題,),如圖所示,在一勻強磁場中有一,U,形導線框,abcd,線框處于水平面內(nèi),磁場與線框平面垂直,R,為一電阻,ef,為垂直于,ab,的一根導體桿,它可在,ab,、,cd,上無摩擦地滑動。桿,ef,及線框中導線的電阻都可不計。開始時,給,ef,一個向右的初速度,則,(,),A.,ef,將減速向右運動,但不是勻減速,B.,ef,將勻減速向右運動,最后停止,C.,ef,將勻速向右運動,D.,ef,將往返運動,解析,:,ef,向右運動,切割磁感線,產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流,會受到向左的安培力而做減速運動,直

13、到停止,但不是勻減速,由,F=BIl=,=ma,知,ef,做的是加速度減小的減速運動。故,A,正確。,答案,:,A,探究一,探究二,1,2,3,當堂檢測,2,.,(,電磁感應(yīng)中的能量問題,),如圖所示,質(zhì)量為,m,、高為,h,的矩形導線框在豎直面內(nèi)自由下落,其上下兩邊始終保持水平,途中恰好勻速穿過一有理想邊界、高亦為,h,的勻強磁場區(qū)域,線框在此過程中產(chǎn)生的內(nèi)能為,(,),A.,mgh,B.2,mgh,C.,大于,mgh,而小于,2,mgh,D.,大于,2,mgh,解析,:,因線框勻速穿過磁場,在穿過磁場的過程中合外力做功為零,克服安培力做功為,2,mgh,產(chǎn)生的內(nèi)能亦為,2,mgh,。故選,B,。,答案,:,B,探究一,探究二,1,2,3,當堂檢測,3,.,(,電磁感應(yīng)中的動力學與能量綜合問題,),如圖所示,長,L,1,、寬,L,2,的矩形線圈電阻為,R,處于磁感應(yīng)強度為,B,的勻強磁場邊緣,線圈與磁感線垂直,求將線圈以向右的速度,v,勻速拉出磁場的過程中,(1),拉力的大小,F,。,(2),線圈中產(chǎn)生的電熱,Q,。,