高中物理选修3-2第四章5电磁感应现象的两类情况

第四章5电磁感应现象的两类情况2013年11月7日1.什么是电源？2.什么是电动势？复习电源是通过非静电力做功把其他形式能转化为电能的装置。如果电源移送电荷q时非静电力所做的功为W，那么W与q的比值，叫做电源的电动势。3.干电池中的非静电力是什么？化学作用。说明：电路中电动势的作用实际上是某种非静电力对自由电荷的作用。思考：在电磁感应现象中，哪一种作用扮演了非静电力的角色？一、电磁感应现象中的感生电场1、感生电场：磁场变化时在其周围空间激发的电场称为感生电场。注：静止的电荷激发的电场叫静电场，静电场电场线是由正电荷出发，终于负电荷，电场线是不闭合的，而感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的。磁场变强思考：如何确定感生电场的方向？感生电场的方向与感应电流的方向相同——用楞次定律判定2、感生电动势：由感生电场使导体产生的电动势叫感生电动势（导线不动，磁场随时间变化时在导线产生的感应电动势）感生电动势的非静电力是感生电场对电荷的作用。磁场变强分析与解答：电子带负电，它在电场中受力的方向与电场的方向相反。本题中电子沿逆时针方向运动，所以为使电子加速，产生的电场应沿顺时针方向。图中，磁场方向由下向上。根据楞次定律，为使真空室中产生顺时针方向的感生电场，磁场应该由弱变强。也就是说，为使电子加速，电磁铁中的电流应该由小变大。思考与讨论-UωF洛F2F1讨论结果：1．导体中自由电荷（正电荷）具有水平方向的速度，由左手定则可判断受到沿棒向上的洛伦兹力作用，其合运动是斜向上的。2．自由电荷不会一直运动下去。因为C、D两端聚集电荷越来越多，在CD棒间产生的电场越来越强，当电场力等于洛伦兹力时，自由电荷不再定向运动。3．C端电势高。4．导体棒中电流是由D指向C的。二、电磁感应现象中的洛伦兹力1.动生电动势：由于导体运动而产生的电动势。动生电动势的非静电力与洛伦兹力有关。探讨：-洛伦兹力不做功，不提供能量，只是起传递能量的作用。即外力克服洛伦兹力的一个分量F2所做的功，通过另一个分量F1转化为感应电流的能量※洛伦兹力做功吗？※能量是怎样转化的呢？UωF洛F2F12.动生电动势的大小：则动生电动势为：E=BLv法拉第电磁感应定律得到。感生电动势动生电动势产生原因磁场的变化导体做切割磁感线运动移动电荷的非静电力感生电场对自由电荷的电场力导体中自由电荷所受洛伦兹力沿导体方向的分力回路中相当于电源的部分处于变化磁场中的线圈部分做切割磁感线运动的导体感生电动势与动生电动势的比较方向判断方法由楞次定律判断通常由右手定则判断，也可由楞次定律判断大小计算方法由E＝nΔΦΔt计算通常由E＝Blvsinθ计算，也可由E＝nΔΦΔt计算如图所示，内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于圆环直径的带正电的小球，以速率v0沿逆时针方向匀速转动，若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场．设运动过程中小球带电荷量不变，那么()A．小球对玻璃圆环的压力一定不断增大B．小球所受的磁场力一定不断增大C．小球先沿逆时针方向减速运动，之后沿顺时针方向加速运动D．磁场力对小球一直不做功例1【思路点拨】解答本题时可按以下思路分析：【精讲精析】变化的磁场将产生感生电场，这种感生电场由于其电场线是闭合的，也称为涡旋电场，其场强方向可借助电磁感应现象中感应电流方向的判定方法，使用楞次定律判断．当磁场增强时，会产生顺时针方向的涡旋电场，电场力先对小球做负功使其速度减为零,后对小球做正功使其沿顺时针方向做加速运动，所以C正确；磁场力始终与小球运动方向垂直，因此始终对小球不做功，D正确；小球在水平面内沿半径方向受两个力作用：环的压力FN和磁场的洛伦兹力F，这两个力的合力充当小球做圆周运动的向心力，其中F＝Bqv,磁场在增强，小球的速度先减小，后增大，所以洛伦兹力不一定总在增大；向心力F向＝mv2r，其大小随速度先减小后增大，因此压力FN也不一定始终增大．【答案】CD【规律总结】本题的关键是判断出感生电场的方向，感生电场对小球做功，使带电小球的动能发生变化．电磁感应中的能量守恒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.分析清楚有哪些力做功，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☆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，转化过来的电能将全部转化为电阻的内能．在倾角为θ的两平行光滑长直金属导轨的下端接有一电阻R，导轨自身的电阻可忽略不计，有一匀强磁场与两金属导轨平面垂直，方向垂直于导轨面向上．质量为m，电阻可不计的金属棒ab，在沿着导轨面且与棒垂直的恒力F作用下沿导轨匀速上滑，上升高度为h，如图所示．则在此过程中()A．恒力F在数值上等于mgsinθB．恒力F对金属棒ab所做的功等于mghC．恒力F与重力的合力对金属棒ab所做的功等于电阻R上释放的焦耳热D．恒力F与重力的合力对金属棒ab所做的功等于零例2解析：选C.金属棒ab沿导轨匀速上滑，合外力为零，恒力F在数值上等于重力沿导轨方向的分力与安培力之和，故A错；动能不变，拉力做功等于克服重力和安培力做功，克服重力做的功等于重力势能的增加，克服安培力做的功最终转化为电阻R上释放的焦耳热，故B错；恒力与重力的合力对金属棒做的功等于克服安培力做的功，大小等于电阻R上释放的焦耳热，C对D错．电磁感应中的图象问题电磁感应中常涉及磁感应强度B、磁通量Φ、感应电动势E、感应电流I、安培力F安或外力F外随时间t变化的图象，即B－t图、Φ－t图、E－t图、I－t图、F－t图．对于切割磁感线产生感应电动势和感应电流的情况，还常涉及感应电动势E和感应电流I随位移x变化的图象，即E－x图、I－x图等．这些图象问题大体上可分为两类：1.由给定的电磁感应过程选出或画出正确图象．2.由给定的有关图象分析电磁感应过程，求解相应的物理量．处理图象问题首先要分清阶段，然后对每个阶段的导体切割情况或回路磁通量变化情况进行详细分析，并进一步确定感应电动势、感应电流等的大小和方向的变化特点，最后把握整个过程的变化规律．如图甲所示，光滑导轨水平放置在与水平方向夹角60°斜向下的匀强磁场中，匀强磁场的磁感应强度B随时间的变化规律如图乙所示(规定斜向下为正方向)，导体棒ab垂直导轨放置，除电阻R的阻值外，其余电阻不计，导体棒ab在水平外力作用下始终处于静止状态．规定a→b的方向为电流的正方向，水平向右的方向为外力的正方向，则在0～t时间内，能正确反映流过导体棒ab的电流I和导体棒ab所受水平外力F随时间t变化的图象是()例3【精讲精析】由楞次定律可判定回路中的电流始终为b→a方向，由法拉第电磁感应定律可判定回路电流大小恒定，故A、B错；由F安＝BIL可得F安随B的变化而变化，在0～t0时间内，F安方向向右，故外力F与F安等值反向，方向向左为负值；在t0～t时间内，F安方向改变，故外力F方向也改变为正值，综上所述，D项正确．【答案】D【规律总结】解决这类问题时，一般采取排除法．根据物理量的方向(正、负)判断较为简单．导体棒在磁场中运动的动态分析通过导体的感应电流在磁场中将受到安培力作用，从而引起导体速度、加速度的变化．1.基本方法(1)用法拉第电磁感应定律和楞次定律求出感应电流的方向和感应电动势的大小．(2)求出回路中电流的大小．(3)分析研究导体受力情况(包括安培力，用左手定则确定其方向)(4)列出动力学方程或者平衡方程求解．2.基本思路：电磁感应力学问题中，要抓好受力情况、运动情况的动态：分析导体受力运动产生感应电动势→感应电流→通电导体受到安培力→合外力变化→加速度变化→速度变化，周而复始的循环，循环结束时，加速度为0，导体达到稳定状态，速度达到最值．如图甲所示，两根足够长的直金属导体MN、PQ平行放置在倾角为θ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．例4【解题样板】(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，平行斜面向上．如图所示．(4分)(2)当ab杆速度为v时，感应电动势E＝BLv，此时电路中电流I＝ER＝BLvR(2分)ab杆所受安培力F＝BIL＝B2L2vR(2分)ab杆所受安培力F＝BIL＝B2L2vR(2分)根据牛顿运动定律，有ma＝mgsinθ－F＝mgsinθ－B2L2vR(2分)解得a＝gsinθ－B2L2vmR.(1分)(3)当B2L2vR＝mgsinθ时，ab杆达到最大速度vm，vm＝mgRsinθB2L2.(3分)Thanks谢谢您的观看！