2021_2022学年高中物理第1章电磁感应与现代生活4电磁感应的案例分析课件沪科版选修3_2(共37张PPT)

(共37张PPT)
1.4　电磁感应的案例分析
课标阐释 思维脉络
1.知道什么是反电动势,会用电磁感应定律判定反电动势的方向。
2.理解具有反电动势的电路中的功率关系。
3.掌握电磁感应现象中的能量转化与守恒问题,并能用来处理力、电综合问题。
一、反电动势
电动机转动时,线圈因切割磁感线,所以会产生感应电动势。线圈中产生的感应电动势跟加在线圈上的电压方向相反。把这个跟外加电压方向相反的感应电动势叫做反电动势。
二、功率关系
具有反电动势的电路中的功率关系:IU-IE反=I2R,IU是电源供给电动机的功率(输入功率),IE反是电动机输出的机械功率(输出功率), I2R是电动机回路中损失的热功率。
练一练
关于反电动势,下列说法中正确的是(　　)
A.只要线圈在磁场中运动就能产生反电动势
B.只要穿过线圈的磁通量变化,就产生反电动势
C.电动机在转动时线圈内产生反电动势
D.反电动势就是发电机产生的电动势
解析:反电动势是与电源电动势相反的电动势,其作用是削弱电源的电动势。产生反电动势的前提是必须有电源存在,选项C正确。
答案:C
探究一
探究二
探究三
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探究一电磁感应中的能量转化与守恒
问题导引
电磁感应现象中如何实现能量的转化过程
提示在电磁感应现象中,克服安培力做功的过程就是将其他形式的能转化为电能的过程,安培力做正功的过程就是将电能转化为其他形式的能的过程。
探究一
探究二
探究三
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名师精讲
1.电磁感应现象中的能量守恒
能量守恒定律是自然界中的一条基本规律,电磁感应现象当然也不例外。电磁感应现象中,从磁通量变化的角度来看,感应电流总要阻碍原磁通量的变化;从导体和磁体相对运动的角度来看,感应电流总要阻碍它们的相对运动。电磁感应现象中的“阻碍”正是能量守恒的具体体现,在这种“阻碍”的过程中,其他形式的能转化为电能。
2.电磁感应中的能量转化
(1)电磁感应现象的实质是其他形式的能和电能之间的转化。
(2)感应电流在磁场中受安培力,外力克服安培力做功,将其他形式的能转化为电能,电流做功再将电能转化为内能。
(3)电流做功产生的热量用焦耳定律计算,公式为Q=I2Rt。
探究一
探究二
探究三
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3.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。
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。如:
做功情况 能量变化特点
滑动摩擦力做功 有内能产生
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功,就产生多少电能
安培力做正功 电能转化为其他形式的能
(3)根据能量守恒列方程求解。
探究一
探究二
探究三
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4.电能的三种求解思路
(1)利用克服安培力做功求解:电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功。
(2)利用能量守恒求解:相应的其他能量的减少量等于产生的电能。
(3)利用电路特征求解:通过电路中所消耗的电能来计算。
探究一
探究二
探究三
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例题1如图所示,固定的水平光滑金属导轨,间距为L,左端接有阻值为R的电阻,处在方向竖直向下、磁感应强度为B的匀强磁场中,质量为m的导体棒与固定弹簧相连,放在导轨上,导轨与导体棒的电阻均可忽略,初始时刻,弹簧恰处于自然长度,导体棒具有水平向右的初速度v0。在沿导轨往复运动的过程中,导体棒始终与导轨垂直并保持良好的接触。
(1)求初始时刻导体棒受到的安培力。
(2)若导体棒从初始时刻到速度第一次为零时,弹簧的弹性势能为Ep,则这一过程中安培力所做的功W1和电阻R上产生的焦耳热Q1分别是多少
(3)导体棒往复运动,最终将静止于何处 从导体棒开始运动直到最终静止的过程中,电阻R上产生的焦耳热Q为多少
探究一
探究二
探究三
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点拨:导体棒切割磁感线相当于电源,通过力的做功寻找功能关系,依据能量守恒和力的平衡求解。
探究一
探究二
探究三
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探究一
探究二
探究三
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变式训练如图所示,电阻不计的光滑平行金属导轨MN和OQ水平放置,MO间接有阻值为R的电阻,导轨相距为L,其间有竖直向下的匀强磁场,质量为m,电阻为R0的导体棒CD垂直于导轨放置,并接触良好。用平行
于MN向右的水平力拉动CD从静止开始运动,拉力的功率恒定为P,经过时间t导体棒CD达到最大速度v0。求:
(1)磁场磁感应强度B的大小;
(2)该过程中R电阻上所产生的电热。
探究一
探究二
探究三
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探究一
探究二
探究三
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探究二电磁感应中的力学问题
问题导引
感应电流所受安培力有哪些作用
提示电磁感应的安培力阻碍感应电流部分导体相对磁场的运动,通过安培力做功实现能量的转化。
探究一
探究二
探究三
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名师精讲
电磁感应现象中的力学问题分析
(1)导体中的感应电流在磁场中将受到安培力作用,所以电磁感应问题常常与力学问题联系在一起,处理此类问题的基本方法是:
①用法拉第电磁感应定律和楞次定律求感应电动势的大小和方向。
②求回路中的电流强度的大小和方向。
③分析研究导体受力情况(包括安培力)。
④列动力学方程或平衡方程求解。
探究一
探究二
探究三
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(2)电磁感应现象中涉及的具有首尾速度的力学问题。
①关键要抓好受力情况和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→通电导体受安培力→合外力变化→加速度变化→速度变化
加速度等于零时,导体达到稳定运动状态。
②两种状态处理:
达到稳定运动状态后,导体匀速运动,受力平衡,应根据平衡条件合外力为零列式分析平衡态;导体达到稳定运动状态之前,往往做变加速运动,处于非平衡态,应根据牛顿第二定律或结合功能关系分析非平衡态。
探究一
探究二
探究三
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特别提醒
对于电磁感应现象中,导体在安培力及其他力共同作用下运动,最终趋于一稳定状态的问题,利用好导体达到稳定状态时的平衡方程,往往是解答该类问题的突破口。
探究一
探究二
探究三
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例题2如图所示,光滑的平行长直金属导轨置于水平面内,间距为L,导轨左端接有阻值为R的电阻,质量为m的导体棒垂直跨接在导轨上。导轨和导体棒的电阻均不计,且接触
良好。在导轨平面上有一矩形区域内存在着竖直向下的匀强磁场,磁感应强度大小为B。开始时,导体棒静止于磁场区域的右端,当磁场以速度v1匀速向右移动时,导体棒随之开始运动,同时受到水平向左、大小为f的恒定阻力,并很快达到恒定速度,此时导体棒仍处于磁场区域内。求导体棒所达到的恒定速度v2。
点拨:(1)导体棒的切割速度是导体棒与磁场的相对速度。(2)导体棒先做加速运动后达到匀速运动状态。(3)导体棒达到恒定速度时受力平移。
探究一
探究二
探究三
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探究一
探究二
探究三
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题后反思
此题情境相对复杂需要理清几个关键点:导体棒移动速度并非常规条件下的切割速度,因磁场移动与磁场的相对速度才是切割速度;随着导体棒加速运动,所受安培力在不断减小,当达到f=F时,受力平衡,匀速运动。
探究一
探究二
探究三
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触类旁通
导体棒达到恒定速度时,导体棒所受安培力做正功还是负功 由于安培力做功,试分析能量的转化情况。
提示:由右手定则可判断感应电流方向,由左手定则可判断导体棒所受安培力方向与速度方向相同,所以安培力做正功,而安培力做正功时,消耗电能,同时克服阻力而导致内能增加,所以安培力做功时电能转化为内能。
探究一
探究二
探究三
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探究三电磁感应中的电路问题
问题导引
反电动势的原理是什么 反电动势的方向判断和电动势一样吗
提示
如图所示,当电动机通过如图所示电流时,线圈受安培力方向可由左手定则判定,转动方向如图所示,此时AB、CD两边切割磁感线,必有感应电动势产生,感应电流方向可由右手定则来判定,与原电流方向相反,故这个电动势叫做反电动势。
探究一
探究二
探究三
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名师精讲
电磁感应现象中的电路问题
(1)分析思路: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。若回路闭合,则产生感应电流,感应电流引起热效应等,所以电磁感应问题常与电路知识综合考查。解决与电路相联系的电磁感应问题的基本方法是:
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。
探究一
探究二
探究三
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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。
探究一
探究二
探究三
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例题3
如图所示,用相同的均匀导线制成的两个圆环a和b,已知b的半径是a的两倍,若在a内存在着随时间均匀变化的磁场,b在磁场外,M、N两点间的电势差为U;若该磁场存在于b内,a在磁场外,M、N两点间的电势差为多少 (M、N在连接两环的导线的中点,该连接导线的长度不计)
点拨:此类问题侧重于简单电磁感应电路的分析与计算,处在磁场变化的区域内的线圈相当于电源,磁场外部的线圈是外电路。这里要注意的问题是感应电动势和路端电压的区别。
探究一
探究二
探究三
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探究一
探究二
探究三
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答案:2U
题后反思
解决电磁感应与电路的综合问题的关键是找准等效电源和外电路,必要时要画出等效电路图帮助分析。
探究一
探究二
探究三
当堂检测
1.如图所示,水平导轨的电阻忽略不计,金属棒ab和cd的电阻分别为Rab和Rcd,且Rab>Rcd,处于匀强磁场中。金属棒cd在力F的作用下向右匀速运动。ab在外力作用下处于静止状态,下面说法正确的是(　　)
A.Uab>Ucd
B.Uab=Ucd
C.UabD.无法判断
探究一
探究二
探究三
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解析:金属棒在力F的作用下向右做切割磁感线的运动应视为电源,而c、d分别等效为这个电源的正、负极,Ucd是电源两极的路端电压,不是内电压。
又因为导轨的电阻忽略不计,因此金属棒ab两端的电压Uab也等于路端电压,即Ucd=Uab,
所以正确选项为B。
答案:B
探究一
探究二
探究三
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2.如图所示,在x≤0的区域内存在匀强磁场,磁场的方向垂直xOy平面向里,具有一定电阻的矩形线框abcd位于xOy平面内,线框的ab边与y轴重合。令线框从t=0的时刻起由静止开始沿x轴正方向做匀加速运动,则线框中的感应电流I(取逆时针电流方向为正方向)随时间t的变化规律可能是下图中的(　　)
探究一
探究二
探究三
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解析:要找到感应电流I随时间t的变化规律图线,首先就要找到I与t的关系,而电流I与导体棒cd切割磁感线产生的感应电动势E相关,感应电动势E直接与运动的速度有关,速度又与加速度和时间有关,由此,问题得到解决。
线框向右做匀加速运动,ab边离开磁场,cd边在磁场中切割磁感线,产生感应电动势,由右手定则判断cd中的电流方向为从c到d,
答案:D
探究一
探究二
探究三
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3.(多选)如图所示,通有恒定电流的螺线管竖直放置,铜环R沿螺线管的轴线加速下落,在下落过程中,环面始终保持水平,铜环先后经过轴线上1、2、3位置时的加速度分别为a1、a2、a3,位置2处于螺线管的中心,位置1、3与位置2等距离,则(　　)
A.a1B.a3C.a1=a3D.a3探究一
探究二
探究三
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解析:由楞次定律知,感应电流的磁场总是阻碍导体间的相对运动,所以当铜环在位置1时,受到向上的安培力,阻碍靠近。在位置3时,受到向上的安培力,阻碍远离,故a1和a3均小于g,又由于整个下落过程中,铜环速度逐渐增大,而从位置1到位置2和从位置2到位置3的磁通量变化相同。但后者所用时间短,所以后者磁通量变化率大。即感应电动势大,感应电流大,圆环在位置3时安培力大,故a3答案:ABD
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探究二
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4.(多选)某地的地磁场磁感应强度的竖直分量方向向下,大小为4.5×10-5T。一灵敏电压表连接在当地入海河段的两岸,河宽100 m,该河段涨潮和落潮时有海水(视为导体)流过。设落潮时,海水自西向东流,流速为2 m/s。下列说法正确的是(　　)
A.河北岸的电势较高
B.河南岸的电势较高
C.电压表记录的电压为9 mV
D.电压表记录的电压为5 mV
探究一
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解析:由E=BLv=(4.5×10-5×100×2) V=9×10-3 V=9 mV,可知电压表记录的电压为9 mV,选项C正确、D错误;从上往下看,画出水流切割磁感线示意图如图所示,据右手定则可知北岸电势高,选项A正确、B错误。
答案:AC
探究一
探究二
探究三
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5.如图所示,一平行金属轨道平面与水平面成θ角,两轨道宽为L,上端用一电阻R相连,该装置处于磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向垂直于轨道平面向上。质量为m的金属杆ab以初速度v0从轨道底端向上滑行,达到最大高度h后保持静止。若运动过程中金属杆始终保持与导轨垂直且接触良好,轨道与金属杆的电阻均忽略不计。关于上滑过程,下列说法正确的是(　　)
探究一
探究二
探究三
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答案:A