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4楞次定律5电磁感应中的能量转化与守恒[课标解读]1.通过实验探究归纳出判断感应电流方向的规律——楞次定律.2.能够熟练运用楞次定律和右手定则判断感应电流的方向.3.掌握电磁感应现象中的能量转化与守恒,并灵活处理力、电、磁综合问题.01课前自主梳理02课堂合作探究03课后巩固提升课时作业一、右手定则1.内容:将右手手掌,使大拇指与其余并拢的四指,并与手掌在内,让磁感线从穿入,大拇指指向导体运动方向,这时四指的指向就是的方向,也就是感应电动势的方向.2.适用范围:闭合电路的一部分导体在磁场中做的运动.伸平垂直同一平面手心感应电流切割磁感线[思考]国庆阅兵时,我国的“飞豹FBC-1”型歼击轰炸机在天安门上空沿水平方向自东向西呼啸而过,那么在飞行员看来,该机翼两端哪端的电势比较高?提示:在天安门上空有竖直向下的磁感应强度分量,根据右手定则可知,机翼左端电势比较高.二、楞次定律1.实验探究(1)实验目的探究决定感应电流方向的因素以及所遵循的规律.(2)实验过程实验前先查明电流的方向与电流表指针偏转方向的关系,然后将螺线管与电流表组成闭合回路,分别将条形磁铁的N极、S极插入或抽出线圈,如图所示,记录感应电流方向如下.(3)实验记录及分析①线圈内磁通量增加时的情况图号磁场方向感应电流方向(俯视)感应电流的磁场方向归纳总结甲逆时针乙顺时针感应电流的磁场阻碍磁通量的向下向上向上向下增加②线圈内磁通量减少时的情况图号磁场方向感应电流方向(俯视)感应电流的磁场方向归纳总结丙顺时针丁逆时针感应电流的磁场阻碍磁通量的向下向下向上向上减少2.楞次定律(1)内容:感应电流具有这样的方向,即感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的.(2)利用楞次定律判断感应电动势和感应电流方向的步骤:①确定引起电磁感应的的方向.②确定B0通过闭合回路磁通量的.③根据楞次定律,确定方向.④用安培定则判断能够形成上述磁场B′的的方向.变化原磁场B0增减感应电流的磁场B′感应电流[思考]感应电流的磁场方向与原磁场方向总是相同或相反吗?提示:不是.当原磁通量增加时,感应电流的磁场方向与原磁场方向相反;当原磁通量减小时,感应电流的磁场方向与原磁场方向相同,可以概括为“增反减同”.三、电磁感应中的能量转化与守恒1.在导线切割磁感线运动而产生感应电流时,电路中的电能来源于.2.在电磁感应中,产生的电能是通过外力克服做功转化而来的.外力做了多少功,就有多少产生.3.感应电流做功将转化为其他形式的能量.4.电磁感应现象中,能量在转化过程中是守恒的.机械能安培力电能电能[试做]如图所示,处在匀强磁场中的水平导轨上有一根与导轨接触良好的可自由滑动的直导线ab在外力F作用下向右做匀速直线运动.则F=________,PF________P安(选填“大于”“小于”“等于”).解析:因为ab做匀速运动,故F=F安=BIL=B·BLvR·L=B2L2vR,且外力F的功率等于安培力F安的功率,即PF=P安.答案:B2L2vR等于要点一对楞次定律的理解1.对楞次定律的理解在闭合电路中产生的感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化,说明闭合电路中磁通量发生变化是产生感应电流的条件,所产生的感应电流的磁场又反过来影响电路中磁通量的变化.可简单描述为2.楞次定律中的阻碍通常表现为三种(1)阻碍原磁通量的变化(增反减同).(2)阻碍导体的相对运动(来拒去留),不是阻碍导体或磁体的运动.(3)通过改变线圈的面积来“反抗”磁场变化(增缩减扩).[例1]根据楞次定律可知,感应电流的磁场一定()A.阻碍引起感应电流的磁通量B.与引起感应电流的磁场方向相反C.阻碍引起感应电流的磁场的磁通量的变化D.与引起感应电流的磁场方向相同[解析]根据楞次定律,感应电流的磁场阻碍引起感应电流的磁场的磁通量的变化,与磁通量无关,所以选项A错误,选项C正确;当磁通量增加时,感应电流的磁场与原磁场方向相反,当磁通量减小时,感应电流的磁场与原磁场方向相同,所以选项B、D错误.[答案]C对楞次定律“阻碍”的理解1.(多选)如图是验证楞次定律实验的示意图,竖直放置的线圈固定不动,将磁铁从线圈上方插入或拔出,线圈和电流表构成的闭合回路中就会产生感应电流.各图中分别标出了磁铁的极性、磁铁相对线圈的运动方向以及线圈中产生的感应电流的方向等情况,其中表示正确的是()解析:根据楞次定律可确定感应电流的方向:如对C图分析,当磁铁向下运动时:(1)闭合线圈原磁场的方向——向上;(2)穿过闭合线圈的磁通量的变化——增加;(3)感应电流产生的磁场方向——向下;(4)利用安培定则判断感应电流的方向——与图中箭头方向相同.同理,可判断A、B错误,D正确.综合以上分析知,C、D正确.答案:CD2.如图所示,同一平面内的三条平行导线串有两个电阻R和r,导体棒PQ与三条导线接触良好;匀强磁场的方向垂直纸面向里,导体棒的电阻可忽略.当导体棒向左滑动时,下列说法正确的是()A.流过R的电流为由d到c,流过r的电流为由b到aB.流过R的电流为由c到d,流过r的电流为由b到aC.流过R的电流为由d到c,流过r的电流为由a到bD.流过R的电流为由c到d,流过r的电流为由a到b解析:依据右手定则可判断出导体棒PQ中的感应电流由P到Q,Q处电势最高,P处电势最低,由P到Q电势逐渐升高.外电路中的电流方向总是从高电势处流向低电势处,因此流过R的电流为由c到d,流过r的电流为由b到a,选项B正确.答案:B判断导体切割磁感线产生的感应电流方向时,采用右手定则更有针对性,当然用楞次定律也可以判断.要点二楞次定律的应用1.判断感应电流方向的步骤该方框图不仅概括了根据楞次定律判定感应电流方向的思路,同时也描述了磁通量变化、磁场方向、感应电流方向三个因素的关系,只要知道了其中任意两个因素,就可以判定第三个因素.2.判断回路运动情况及回路面积的变化趋势(1)常规法据原磁场(B原方向及ΔΦ情况)――→楞次定律确定感应磁场(B感方向)――→右手螺旋定则判断感应电流(I感方向)――→左手定则回路运动情况或面积变化趋势.(2)效果法由楞次定律可知,感应电流的“效果”是阻碍引起感应电流的“原因”,深刻理解“阻碍”的含义.据“阻碍”原则,可直接对运动趋势作出判断,更简捷、迅速.[特别提醒]判断感应电流方向时注意的要点可概括为四句话:“明确增减和方向,增反减同莫相忘;安培定则来判断,四指环绕是流向.”[例2]如图(a)所示,两个闭合圆形线圈A、B的圆心重合,放在同一水平面内,线圈A中通以如图(b)所示的交变电流,t=0时电流方向为顺时针(如图中箭头所示),在t1~t2时间段内,对于线圈B,下列说法中正确的是()A.线圈B内有顺时针方向的电流,线圈有扩张的趋势B.线圈B内有顺时针方向的电流,线圈有收缩的趋势C.线圈B内有逆时针方向的电流,线圈有扩张的趋势D.线圈B内有逆时针方向的电流,线圈有收缩的趋势[解析]t1~t2时间内,线圈A中的电流方向为逆时针,根据安培定则可知在线圈A内部产生的磁场方向向外,线圈外部产生的磁场方向向里,故线圈B的磁通量是穿出的.由于线圈A中的电流增加,故穿过线圈B的磁通量增加,因而根据楞次定律,在线圈B中将产生顺时针方向的感应电流,并且线圈B有扩张的趋势,故A对,B、C、D都错.[答案]A应用楞次定律结合左手定则判断感应电流所受安培力的方向时,要分析感应电流的具体方向及磁场的分布情况,而应用效果法时不必对感应电流方向及磁场的分布规律做具体分析.1.如图所示,圆环形导体线圈a平放在水平桌面上,在a的正上方固定一竖直螺线管b,二者轴线重合,螺线管与电源和滑动变阻器连接成如图所示的电路.若将滑动变阻器的滑片P向上滑动,下面说法中正确的是()A.穿过线圈a的磁通量变大B.线圈a有收缩的趋势C.线圈a中将产生俯视顺时针方向的感应电流D.线圈a对水平桌面的压力N将增大解析:P向上滑动,回路电阻增大,电流减小,磁场减弱,穿过线圈a的磁通量变小,根据楞次定律,a环面积应增大,A、B错;由于a环中向下的磁通量减小,根据楞次定律知a环中感应电流应为俯视顺时针方向,C对;由于a环中磁通量减小,根据楞次定律,a环有阻碍磁通量减小的趋势,可知a环对水平桌面的压力N减小,D错.答案:C2.如图所示,ab是一个可绕垂直于纸面的轴O转动的闭合矩形导线框,当滑动变阻器R的滑片自左向右滑动时,线框ab的运动情况是()A.保持静止不动B.逆时针转动C.顺时针转动D.发生转动,但电源极性不明,无法确定转动的方向解析:根据题图所示电路,线框ab所处位置的磁场为水平方向,当滑动变阻器的滑片向右滑动时,电路中电阻增大,电流减小,则穿过闭合导线框ab的磁通量将减少.Φ=B·Ssinθ,θ为线框平面与磁场方向的夹角,根据楞次定律,感应电流的磁场将阻碍原来磁场的变化,则线框ab只有顺时针旋转使θ角增大,才能使穿过线框的磁通量增加,C正确.答案:C“一定律三定则”的应用技巧基本现象应用的定则或定律运动电荷、电流产生磁场安培定则磁场对运动电荷、电流有作用力左手定则部分导体做切割磁感线运动右手定则电磁感应闭合回路磁通量变化楞次定律要点三电磁感应中能量问题的处理1.电磁感应现象中的能量转化方式(1)如果电磁感应现象是由于磁场的变化而引起的,则在这个过程中,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)在导线切割磁感线运动而产生感应电流时,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.求解电磁感应现象中能量守恒问题的一般思想(1)分析电路,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电路将产生感应电动势,该导体或电路就相当于电源,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.如:①有滑动摩擦力做功,必有内能产生.②有重力做功,重力势能必然发生变化.③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功,就产生多少电能.④如果是安培力做正功,就是电能转化为其他形式的能.(3)列有关能量的关系式.[例3]如图甲所示,不计电阻的平行金属导轨与水平面成夹角37°放置,导轨间距为L=1m,上端接有电阻R=3Ω,虚线OO′下方是垂直于导轨平面的匀强磁场.现将质量m=0.1kg、电阻r=1Ω的金属杆ab从OO′上方某处垂直导轨由静止释放,杆下滑过程中始终与导轨垂直并保持良好接触,杆下滑过程中的vt图像如图乙所示.(g取10m/s2)求:(1)磁感应强度B;(2)金属杆在磁场中下滑0.1s过程中电阻R产生的热量.[思路点拨](1)根据图像确定加速度大小,利用牛顿第二定律求得安培力大小,再根据安培力公式确定B的大小.(2)用焦耳定律或能量守恒列方程求热量.[解析](1)由题图乙得a=ΔvΔt=0.50.1m/s2=5m/s2,0~0.1s,由牛顿第二定律有mgsinθ-f=ma.代入数据得f=0.1N,0.1s后匀速运动,有mgsinθ-f-FA=0,而FA=BIL=BBLvR+rL=B2L2vR+r,得B=2T.(2)法一:磁场中下滑0.1s过程中,电流恒定,有I=BLvR+r=0.25A,QR=I2Rt=1.875×10-2J.法二:金属杆ab在磁场中匀速运动,则x=vt=0.05m,下落高度h=xsinθ=0.03m,由能量守恒有mgh=Q+fx,电阻R产生的热量QR=34Q=34(mgh-fx)=1.875×10-2J.[答案](1)2T(2)1.875×10-2J焦耳热的计算技巧(1)感应电路中电流恒定,则电阻产生的焦耳热等于电流通过电阻做的功,即Q=I2Rt.(2)感应电路中电流变化,可用以下方法分析:①利用动能定理,根据产生的焦耳热等于克服安培力做的功,即Q=W安.②利用能量守恒,即感应电流产生的焦耳热等于电磁感应现象中其他形式能量的减少,即Q=ΔE其他.1.(多选)如图所示,两根电阻不计的光滑平行金属导轨的倾角
本文标题:2019-2020学年高中物理 第一章 电磁感应 4+5 电磁感应中的能量转化与守恒课件 教科版选修
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