高中物理选择性必修2 第2章电磁感应第2节法拉第电磁感应定律(2)课件(共49张PPT)

(共49张PPT)
法拉第电磁感应定律
1．感应电流在磁场中受到 的作用，因此电磁感应问题往往跟 学问题联系在一起．解决这类问题需要综合应用电磁感应规律(法拉第电磁感应定律)及力学中的有关规律(牛顿运动定律、动能定理等)，分析时要特别注意 、速度v达到 时的特点．
安培力
力
a＝0
最大值
一、电磁感应中的动力学问题
2．运动的动态分析
1．电磁感应现象的实质是 转化成电能．
2．感应电流在磁场中受安培力，外力克服安培力 ，将 转化为 ，电流做功再将电能转化为 ．
3．电流做功产生的热量用焦耳定律计算，公式为Q＝
.
其它形式的能
做功
其它形式的能
电能
其它形式的能
I2Rt
二、电磁感应中的能量问题
题型一：电磁感应与动力学的综合
例1 如图所示，一对光
滑的平行金属导轨固定在同一水
平面内，导轨间距L＝0.5 m，左
端接有阻值R＝0.3 Ω的电阻，一质量m＝0.1 kg，电阻r＝0.1 Ω的金属棒MN放置在导轨上，整个装置置于竖直向上的均强磁场中，磁场的磁感应强度B＝0.4 T．棒在水平向右的外力作用下，由静止开始以a＝2 m/s2的加速度做匀加速运动，当棒的位移x＝9 m时撤去外力，棒继续运动一段距离后 停下来，已知撤去外力前后回路中产生的焦耳热比Q1∶Q2＝2∶1.导轨足够长且电阻不计，棒在运动过程中始终与导轨垂直且两端与导轨保持良好接触．求：
(1)棒在匀加速运动过程中，通过电阻R的电荷量q；
(2)撤去外力后回路中产生的焦耳热Q2；
(3)外力做的功WF.
【方法与知识感悟】电磁感应中的动力学问题分析
1．两种状态处理
(1)导体处于平衡态——静止或匀速直线运动状态．
处理方法：根据平衡条件合外力等于零列式分析．
(2)导体处于非平衡态——加速度不为零．
处理方法：根据牛顿第二定律进行动态分析或结合功能关系分析．
2．电磁感应问题中两大研究对象及其相互制约关系
例2 电阻可忽略的光滑平行金属导轨长S＝1.15 m，两导轨间距L＝0.75 m，导轨倾角为30°，导轨上端ab接一阻值R＝1.5 Ω的电阻，磁感应强度B＝0.8 T的匀强磁场垂直轨道平面向上．阻值r＝0.5 Ω，质量m＝0.2 kg的金属棒与轨道垂直且接触良好，从轨道上端ab处由静止开始下滑至底端，在此过程中金属棒产生的焦耳热Qr＝0.1 J．(g取10 m/s2)求：
(1)金属棒在此过程中克服安培力做的功；
(2)金属棒下滑速度v＝2 m/s时的加速度a；
题型二：电磁感应与能量的综合
【方法与知识感悟】电磁感应中的能量转化问题
1．电磁感应中的能量转化特点
外力克服安培力做功，把机械能或其它能量转化成电能；感应电流通过电路做功又把电能转化成其它形式的能(如内能)．这一功能转化途径可表示为：
2．电能求解思路主要有三种
(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：其它形式的能的减少量等于产生的电能．
(3)利用电路特征来求解：通过电路中所消耗的电能来计算．
例3 如图所示，一矩形金属框架
与水平面成角θ＝37°，宽L＝
0.4 m，上、下两端各有一个电阻
R0＝2 Ω，框架的其它部分电阻
不计，框架足够长，垂直于金属框架平面的方向有一向上的匀强磁场，磁感应强度B＝1.0 T．ab为金属杆，与框架良好接触，其质量m＝0.1 kg，电阻r＝1.0 Ω，杆与框架的动摩擦因数μ＝0.5.杆由静止开始下滑，在速度达到最大的过程中，上端电阻R0产生的热量Q0＝0.5 J(g取10 m/s2，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8)．求：
(1)流过R0的最大电流；
(2)从开始到速度最大的过程中ab杆沿斜面下滑的距离；
(3)在时间1 s内通过ab杆某横截面的最大电荷量．
BD
2．如图所示，竖直放置的两根平
行金属导轨之间接有定值电阻R，
质量不能忽略的金属棒与两导轨
始终保持垂直并良好接触且无摩
擦，棒与导轨的电阻均不计，整
个装置放在匀强磁场中，磁场方向与导轨平面垂直，棒在竖直向上的恒力F作用下加速上升的一段时间内，力F做的功与安培力做的功的代数和等于( )
A．棒的机械能增加量
B．棒的动能增加量
C．棒的重力势能增加量
D．电阻R上放出的热量
A
【解析】棒加速上升时受到重力，拉力F及安培力．根据机械能守恒的条件可知力F与安培力做的功的代数和等于棒的机械能的增加量，A选项正确．
3． 如图，两根足够
长的金属导轨ab、cd竖直放置，导
轨间距离为L电阻不计．在导轨上
端并接两个额定功率均为P、电
阻均为R的小灯泡．整个系统置
于匀强磁场中，磁感应强度方向与导轨所在平面垂直．现将一质量为m、电阻可以忽略的金属棒MN从图示位置由静止开始释放．金属棒下落过程中保持水平，且与导轨接触良好．已知某时刻后两灯泡保持正常发光．重力加速度为g.求：
(1)磁感应强度的大小；
(2)灯泡正常发光时导体棒的运动速率．
1．如图所示，光滑的“U”型金
属导体框竖直放置，质量为m
的金属棒MN与框架接触良好．
磁感应强度分别为B1、B2的有界匀强磁场方向相反，但均垂直于框架平面，分别处在abcd和cdef区域．现从图示位置由静止释放金属棒MN，当金属棒进入磁场B1区域后，恰好做匀速运动．以下说法中正确的有( )
A．若B2＝B1，金属棒进入B2区域后将加速下滑
B．若B2＝B1，金属棒进入B2区域后仍将保持匀速下滑
BCD
【巩固基础】
C．若B2D．若B2>B1，金属棒进入B2区域后可能先减速后匀速下滑
【解析】金属棒从B1进入B2后速度不能瞬时变化，由于磁场方向发生了变化，产生的感应电流方向发生了变化，但安培力的方向不变．
*2.如图所示，水平放置的
光滑平行金属导轨上有一
质量为m的金属棒ab.导轨
的一端连接电阻R，其他电阻均不计，磁感应强度为B的匀强磁场垂直于导轨平面向下，金属棒ab在一水平恒力F作用下由静止开始向右运动．则( )
A．随着ab运动速度的增大，其加速度也增大
B．外力F对ab做的功等于电路中产生的电能
C．当ab做匀速运动时，外力F做功的功率等于电路中的电功率
D．无论ab做何种运动，它克服安培力做的功一定等于电路中产生的电能
CD
3．风速仪的简易装置如图甲所示．在风力作用下，风杯带动与其固定在一起的永磁铁转动，线圈中的感应电流随风速v的变化而变化．风速为v1时，测得线圈中的感应电流随时间变化的关系如图乙所示；若风速变为v2，且v2>v1，则感应电流的峰值Im、周期T和电动势E的变化情况是( )
A
A．Im变大，T变小 B．Im变大，T不变
C．Im变小，T变小 D．Im不变，E变大
*4.如图所示，边长为L的正方形金
属线框在水平恒力F作用下运动，
穿过方向垂直纸面向外的有界匀强
磁场区域，磁场区域的宽度为d(d>L)．
已知ab边进入磁场时，线框的加速度恰好为零．则线框进入磁场和穿出磁场的过程相比较，有( )
A．产生的感应电流方向和大小均相同
B．受到的安培力方向相反
C．进入磁场过程中通过ab的电荷量等于穿出磁场过程中通过ab的电荷量
D．进入磁场过程中产生的热量少于穿出磁场过程中产生的热量
CD
【提升能力】
*5.如图所示，质量为m，边长为L的正方形线框从某一高度自由落下后，通过一高度也为L的匀强磁场区域，不计空气阻力，则线框通过磁场过程中产生的焦耳热( )
A．可能大于2mgL
B．可能等于2mgL
C．可能小于2mgL
D．可能为零
ABC
D
【解析】从能量守恒的角度可知，A、B、C选项错误；有磁场时导体受到的安培力沿斜面向下，当速度为零时，所受安培力为零，D选项正确．
7．如图所示，水平地面上方矩形区
域内存在垂直纸面向里的匀强磁场，两
个边长相等的单匝闭合正方形线圈Ⅰ和
Ⅱ，分别用相同材料、不同粗细的导线
绕制(Ⅰ为细导线)、两线圈在距磁场上
界面h高处由静止开始自由下落，再进入磁场，最后落到地面．运动过程中，线圈平面始终保持在竖直平面内且下边缘平行于磁场上边界．设线圈Ⅰ、Ⅱ落地时的速度大小分别为v1、v2，在磁场中运动时产生的热量分别为Q1、Q2.不计空气阻力，则( )
A．v1C．v1Q2 D．v1＝v2，Q1D
8．如图甲所示，金属棒MN放
在曲线金属导轨ab和直线金属
导轨cd之间(不计一切摩擦及金
属棒和两导轨的电阻)．图中曲
线导轨ab被弯成正弦(或余弦)曲
线．两导轨右端连有一定值电阻R，整个装置水平置于竖直向下的匀强磁场中．在金属棒MN上施加一垂直于MN的水平作用力F，使MN始终垂直于直线导轨做匀速直线运动．图中P为金属棒MN与曲线导轨的接触点，图中Y为金属棒上一点，且MY的长度恰等于正弦曲线极值点之间的高度差，金属棒MN运动过程中与导轨接触良好．当金属棒MN处在两导轨左端虚线所在位置时开始计时，则对图乙判断正确的是( )
A．a为电阻两端电压随时间变化关系的UR－t图线
B．b线为金属棒MN两点电势差随时间变化关系的UMN－t图线
C．c为金属棒PN两点电势差随时间变化关系的UPN－t图线
D．d为金属棒MY两点电势差随时间变化关系的UMY－t图线
【解析】因为有效切割长度随时间变化，故UR不可能为恒定值，A错．因为MN的电阻不计，故UMN＝Blv(l为MN之长)且φM>φN，故UMN>0，B错；设My中点到N之长为h，UPN为U1＝Bvh的恒定值和U2＝Acosωt的交变值的代数和，相当于将U2－t图象的横轴向U轴负方向平移U1后，即得UPN的图象如图c或相当于将，U2的图象向U轴正方向平移U1后，即得到UPN的图象如图c，C对，UMy＝BvLMy为恒定值，D错．
A
10．如图所示，MN、PQ为相
距L＝0.2 m的光滑平行导轨，
导轨平面与水平面夹角为θ＝
30°，导轨处于磁感应强度为
B＝1 T、方向垂直于导轨平面
向上的匀强磁场中，在两导轨的M、P两端接有R＝ 2 Ω的定值电阻，回路其余电阻不计．一质量为m＝0.2 kg的导体棒垂直导轨放置且与导轨接触良好．今平行于导轨对导体棒施加一作用力F，使导体棒从ab位置由静止开始沿导轨向下匀加速滑到底端，滑动过程中导体棒始终垂直于导轨，加速度大小为a＝4 m/s2，经时间t＝1 s滑到cd位置，从ab到cd过程中电阻发热为Q＝0.1 J，g取10 m/s2.求：
(1)到达cd位置时，对导体棒施加的作用力．
(2)导体棒从ab滑到cd过程中作用力F所做的功．
11．如图所示，质量为M的导体棒ab，垂直放在相距为l的平行光滑金属轨道上．导轨平面与水平面的夹角为θ，并处于磁感应强度大小为B、方向垂直与导轨平面向上的匀强磁场中，左侧是水平放置、间距为d的平行金属板R和Rx分别表示定值电阻和滑动变阻器的阻值，不计其他电阻．
(1)调节Rx＝R，释放导体棒，当棒沿导轨匀速下滑时，求通过棒的电流I及棒的速率v.
(2)改变Rx，待棒沿导轨再次匀速下滑后，将质量为m、带电量为＋q的微粒水平射入金属板间，若它能匀速通过，求此时的Rx.
12．如图甲所示，光滑绝缘水平面上，磁感应强度B＝2T的匀强磁场以虚线MN为左边界，MN的左侧有一质量m＝0.1 kg，bc边长L1＝0.2 m，电阻R＝2 Ω的矩形线圈abcd，t＝0时，用一恒定拉力F拉线圈，使其由静止开始向右做匀加速运动，经过时间1 s，线圈的bc边到达磁场边界MN，此时立即将拉力F改为变力，又经过 1 s，线圈恰好完全进入磁场．整个运动过程中，线圈中感应电流i随时间t变化的图象如图乙所示．
(1)求线圈bc边刚进入磁场时的速度v1和线圈在第1 s内运动的距离x；
(2)写出第2 s内变力F随时间t变化的关系式；
(3)求出线圈ab边的长度L2.
13．如图所示，间距l＝0.3 m的平行金属导轨a1b1c1和a2b2c2分别固定在两个竖直面内，在水平面a1b1b2a2区域内和倾角θ＝37°的斜面c1b1b2c2区域内分别有磁感应强度B1＝0.4 T、方向竖直向上和B2＝1 T、方向垂直于斜面向上的匀强磁场．电阻R＝0.3 Ω、质量m1＝0.1 kg、长为l 的相同导体杆K、S、Q分别放置在导轨上，S杆的两端固定在b1、b2点，K、Q杆可沿导轨无摩擦滑动且始终接触良好．一端系于K杆中点的轻绳平行于导轨绕过轻质滑轮自然下垂，绳上穿有质量m2＝0.05 kg的小环．已知小环以a＝6 m/s2的加速度沿绳下滑，K杆保持静止，Q杆在垂直于杆且沿斜面向下的拉力F作用下匀速运动．不计导轨电阻和滑轮摩擦，绳不可伸长．g取10 m/s2，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8.求
【再上台阶】
(1)小环所受摩擦力的大小；
(2)Q杆所受拉力的瞬时功率．