新教材高中物理选择性必修2 第2章电磁感应知识整合与阶段检测课件(共51张PPT)
文档属性
| 名称 | 新教材高中物理选择性必修2 第2章电磁感应知识整合与阶段检测课件(共51张PPT) |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 1.6MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2022-11-17 08:57:40 | ||
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文档简介
(共51张PPT)
专题二 法拉第电磁感应定律的综合应用
图象类型 (1)磁感应强度B、磁通量Φ、感应电动势E和感应电流I随时间t变化的图象，即B t图象、Φ t图象、E t图象和I t图象
(2)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随线圈位移x变化的图象，即E x图象和I x图象
问题类型 (1)由给定的电磁感应过程选出或画出正确的图象
(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
应用知识 左手定则、安培定则、楞次定律、法拉第电磁感应定律、欧姆定律、牛顿定律、相关数学知识等
不管是何种类型的图象，电磁感应中的图象问题常需利用右手定则、楞次定律和法拉第电磁感应定律等规律进行分析解决.
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．电磁感应现象中的能量转化：(1)与感生电动势有关的电磁感应现象中，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路的内能；(2)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路的内能．
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．
由于通过导体的感应电流在磁场中将受到安培力作用，因此电磁感应问题往往和力学问题综合在一起考查．
1．理解电磁感应问题中的两个研究对象及其之间的相互制约关系
2．领会力和运动的动态关系
3．解决电磁感应现象中的力学问题的思路
(1)对电学对象要画好必要的等效电路图．
(2)对力学对象要画好必要的受力分析图和过程示意图．
(3)电磁感应中切割磁感线的导体要运动，产生的感应电流又要受到安培力的作用．在安培力作用下，导体的运动状态发生变化，这就可能需要应用牛顿运动定律．
对电磁感应现象中的力学问题，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→周而复始地循环，循环结束时，加速度等于零，导体达到稳定运动状态．要抓住a＝0时，速度v达最大值的特点．
如图甲所示，空间有一宽为2L的匀强磁场区域，磁感应强度为B，方向垂直纸面向外．abcd是由均匀电阻丝做成的边长为L的正方形线框，总电阻为R.线框以垂直磁场边界的速度v匀速通过磁场区域．在运动过程中，线框ab、cd两边始终与磁场边界平行．线框刚进入磁场的位置x＝0，x轴沿水平方向向右．求：
(1)cd边刚进入磁场时，ab两端的电势差，并指明哪端电势高；
(2)线框穿过磁场的过程中，线框中产生的焦耳热；
(3)在图乙中，画出ab两端电势差Uab随距离变化的图象．其中U0＝BLv.
【方法总结】
解决此类问题的一般步骤
①明确图象的种类，是B t图，Φ t图、E t图还是I t图等；
②分析电磁感应的具体过程；
③结合法拉第电磁感应定律、欧姆定律、牛顿运动定律等规律写出函数方程；
④根据函数方程进行数学分析，例如分析斜率的变化、截距等；
⑤画图象或判断图象．
矩形导线框abcd固定在匀强磁场中，磁感线的方向与导线框所在平面垂直．规定磁场的正方向垂直纸面向里，磁感应强度B随时间t变化的规律如图所示．若规定顺时针方向为感应电流i的正方向，图中的i t图象正确的是( )
解析：磁感应强度均匀变化，产生恒定的感应电流，A错误．第1 s内，磁场垂直于纸面向里均匀增强，由楞次定律可以判定感应电流方向为逆时针，为负，C错误．同理可判定，第4 s内感应电流方向为逆时针，为负，故B错误，D正确．
答案：D
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，方向垂直于导轨平面向上．质量为m，电阻可不计的金属棒ab，在沿着导轨平面且与棒垂直的恒力F作用下由导轨下端沿导轨匀速上滑，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mgsinθ
B．恒力F对金属棒ab所做的功等于mgh
C．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
【解析】 逐项分析如下：
故选C.
【答案】 C
选项 诊断 结论
A 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 ×
B 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 ×?
C 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 √
D ×
【方法总结】
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)根据能量守恒方程求解．
如图所示，竖直固定的光滑U形金属导轨MNOP每米长度的电阻为r，MN平行于OP，且相距为l，磁感应强度为B的匀强磁场与导轨所在平面垂直．有一质量为m、电阻不计的水平金属杆ab可在导轨上自由滑动，滑动过程中与导轨接触良好且保持垂直．将ab从某一位置由静止开始释放后，下滑h高度时速度达最大，在此过程中，电路中产生的热量为Q，以后设法让杆ab保持这个速度匀速下滑，直到离开导轨为止．求：
(1)金属杆匀速下滑时的速度；
(2)匀速下滑过程中通过金属杆的电流I与时间t的关系．
如图甲所示，两根足够长的直金属导轨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，请在此图中画出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杆中的电流大小及其加速度的大小；
(3)求在下滑过程中，AB杆可以达到的最大速度值．
【答案】 见解析
【方法总结】
解决电磁感应现象中的力学问题的基本步骤：
(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；
(3)分析研究导体受力情况(包含安培力，用左手定则确定其方向)；
(4)列动力学方程或平衡方程求解．
如图所示，两金属杆ab和cd长均为L，电阻均为R，质量分别为M和m.现用两根质量和电阻均可忽略不计且不可伸长的柔软导线将它们连接成闭合回路，并悬挂于水平、光滑、不导电的圆棒两侧．已知两金属杆都处于水平位置，整个装置处在一个与回路平面垂直且磁感应强度为B的匀强磁场中，求金属杆ab向下做匀速运动时的速度．
解析：当金属杆ab以速度v向下做匀速运动时，cd杆也将以速度v向上做匀速运动，两杆同时做切割磁感线运动，回路中产生的感应电动势为E＝2BLv.
分别以ab杆和cd杆为研究对象进行受力分析，画出受力分析图，如图甲、乙所示，
1．如图所示，阻值为R的金属棒从图示位置ab分别以v1、v2的速度沿光滑导轨(电阻不计)匀速滑动到a′b′位置，若v1∶v2＝1∶2，则在这两次过程中( )
A．回路电流I1∶I2＝1∶2
B．产生的热量Q1∶Q2＝1∶2
C．通过任一截面的电荷量q1∶q2
＝1∶2
D．外力的功率P1∶P2＝1∶2
答案：AB
2.如图所示，有两根和水平方向成α角的光滑平行的金属轨道，上端接有可变电阻R，下端足够长，空间有垂直于轨道平面的匀强磁场，磁感应强度为B.一根质量为m的金属杆从轨道上由静止滑下，经过足够长的时间后，金属杆的速度会趋近于一个最大速度vm，则( )
A．如果B变大，vm将变大
B．如果α变大，vm将变大
C．如果R变大，vm将变大
D．如果m变小，vm将变大
答案：BC
3．如图(a)所示，面积为0.01 m2、电阻为0.1 Ω的正方形导线框放在匀强磁场中，磁场方向与线框平面垂直．磁感应强度B随时间t的变化图线如图(b)．t＝0时刻，磁感应强度的方向垂直于纸面向里．在1 s末线框中感应电流的大小为________A．若规定水平向左为正方向，请在图(c)中定性画出前4 s内ab边所受的安培力F随时间t的变化图线．
但由于磁感应强度是变化的，所以ab边受的安培力是变化的．若规定向左为正方向，根据F＝BIL，安培力与B成正比，0～1 s安培力为正向减小，1～2 s安培力为反向增大，2～3 s为正向减小，3～4 s为反向增大，如图所示．
答案：0.2 图见解析
4.如图所示，光滑的金属导轨间距为L，导轨平面与水平面成α角，导轨下端接有阻值为R的电阻，质量为m的金属杆与绝缘轻质弹簧相连静止在导轨上，弹簧劲度系数为k，上端固定，弹簧与导轨平面平行，整个装置处在垂直于导轨平面斜向上的匀强磁场中，磁感应强度为B.
现给杆一沿轨道向下的初速度v0，杆向下运动至速度为零后，再沿轨道平面向上运动至最大速度，大小为v1，然后减速为零，再沿轨道平面向下运动……一直往复运动到静止(导轨与金属杆的电阻忽略不计)．试求：
(1)金属杆获得初速度瞬间，通过R的电流大小；
(2)当金属杆速度为v1时离最初静止时位置的距离L1；
(3)金属杆由初速度v0开始运动直到最后静止，电阻R上产生的焦耳热Q.
答案：见解析
专题二 法拉第电磁感应定律的综合应用
图象类型 (1)磁感应强度B、磁通量Φ、感应电动势E和感应电流I随时间t变化的图象，即B t图象、Φ t图象、E t图象和I t图象
(2)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随线圈位移x变化的图象，即E x图象和I x图象
问题类型 (1)由给定的电磁感应过程选出或画出正确的图象
(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
应用知识 左手定则、安培定则、楞次定律、法拉第电磁感应定律、欧姆定律、牛顿定律、相关数学知识等
不管是何种类型的图象，电磁感应中的图象问题常需利用右手定则、楞次定律和法拉第电磁感应定律等规律进行分析解决.
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．电磁感应现象中的能量转化：(1)与感生电动势有关的电磁感应现象中，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路的内能；(2)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路的内能．
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．
由于通过导体的感应电流在磁场中将受到安培力作用，因此电磁感应问题往往和力学问题综合在一起考查．
1．理解电磁感应问题中的两个研究对象及其之间的相互制约关系
2．领会力和运动的动态关系
3．解决电磁感应现象中的力学问题的思路
(1)对电学对象要画好必要的等效电路图．
(2)对力学对象要画好必要的受力分析图和过程示意图．
(3)电磁感应中切割磁感线的导体要运动，产生的感应电流又要受到安培力的作用．在安培力作用下，导体的运动状态发生变化，这就可能需要应用牛顿运动定律．
对电磁感应现象中的力学问题，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→周而复始地循环，循环结束时，加速度等于零，导体达到稳定运动状态．要抓住a＝0时，速度v达最大值的特点．
如图甲所示，空间有一宽为2L的匀强磁场区域，磁感应强度为B，方向垂直纸面向外．abcd是由均匀电阻丝做成的边长为L的正方形线框，总电阻为R.线框以垂直磁场边界的速度v匀速通过磁场区域．在运动过程中，线框ab、cd两边始终与磁场边界平行．线框刚进入磁场的位置x＝0，x轴沿水平方向向右．求：
(1)cd边刚进入磁场时，ab两端的电势差，并指明哪端电势高；
(2)线框穿过磁场的过程中，线框中产生的焦耳热；
(3)在图乙中，画出ab两端电势差Uab随距离变化的图象．其中U0＝BLv.
【方法总结】
解决此类问题的一般步骤
①明确图象的种类，是B t图，Φ t图、E t图还是I t图等；
②分析电磁感应的具体过程；
③结合法拉第电磁感应定律、欧姆定律、牛顿运动定律等规律写出函数方程；
④根据函数方程进行数学分析，例如分析斜率的变化、截距等；
⑤画图象或判断图象．
矩形导线框abcd固定在匀强磁场中，磁感线的方向与导线框所在平面垂直．规定磁场的正方向垂直纸面向里，磁感应强度B随时间t变化的规律如图所示．若规定顺时针方向为感应电流i的正方向，图中的i t图象正确的是( )
解析：磁感应强度均匀变化，产生恒定的感应电流，A错误．第1 s内，磁场垂直于纸面向里均匀增强，由楞次定律可以判定感应电流方向为逆时针，为负，C错误．同理可判定，第4 s内感应电流方向为逆时针，为负，故B错误，D正确．
答案：D
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，方向垂直于导轨平面向上．质量为m，电阻可不计的金属棒ab，在沿着导轨平面且与棒垂直的恒力F作用下由导轨下端沿导轨匀速上滑，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mgsinθ
B．恒力F对金属棒ab所做的功等于mgh
C．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
【解析】 逐项分析如下：
故选C.
【答案】 C
选项 诊断 结论
A 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 ×
B 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 ×?
C 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 √
D ×
【方法总结】
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)根据能量守恒方程求解．
如图所示，竖直固定的光滑U形金属导轨MNOP每米长度的电阻为r，MN平行于OP，且相距为l，磁感应强度为B的匀强磁场与导轨所在平面垂直．有一质量为m、电阻不计的水平金属杆ab可在导轨上自由滑动，滑动过程中与导轨接触良好且保持垂直．将ab从某一位置由静止开始释放后，下滑h高度时速度达最大，在此过程中，电路中产生的热量为Q，以后设法让杆ab保持这个速度匀速下滑，直到离开导轨为止．求：
(1)金属杆匀速下滑时的速度；
(2)匀速下滑过程中通过金属杆的电流I与时间t的关系．
如图甲所示，两根足够长的直金属导轨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，请在此图中画出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杆中的电流大小及其加速度的大小；
(3)求在下滑过程中，AB杆可以达到的最大速度值．
【答案】 见解析
【方法总结】
解决电磁感应现象中的力学问题的基本步骤：
(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；
(3)分析研究导体受力情况(包含安培力，用左手定则确定其方向)；
(4)列动力学方程或平衡方程求解．
如图所示，两金属杆ab和cd长均为L，电阻均为R，质量分别为M和m.现用两根质量和电阻均可忽略不计且不可伸长的柔软导线将它们连接成闭合回路，并悬挂于水平、光滑、不导电的圆棒两侧．已知两金属杆都处于水平位置，整个装置处在一个与回路平面垂直且磁感应强度为B的匀强磁场中，求金属杆ab向下做匀速运动时的速度．
解析：当金属杆ab以速度v向下做匀速运动时，cd杆也将以速度v向上做匀速运动，两杆同时做切割磁感线运动，回路中产生的感应电动势为E＝2BLv.
分别以ab杆和cd杆为研究对象进行受力分析，画出受力分析图，如图甲、乙所示，
1．如图所示，阻值为R的金属棒从图示位置ab分别以v1、v2的速度沿光滑导轨(电阻不计)匀速滑动到a′b′位置，若v1∶v2＝1∶2，则在这两次过程中( )
A．回路电流I1∶I2＝1∶2
B．产生的热量Q1∶Q2＝1∶2
C．通过任一截面的电荷量q1∶q2
＝1∶2
D．外力的功率P1∶P2＝1∶2
答案：AB
2.如图所示，有两根和水平方向成α角的光滑平行的金属轨道，上端接有可变电阻R，下端足够长，空间有垂直于轨道平面的匀强磁场，磁感应强度为B.一根质量为m的金属杆从轨道上由静止滑下，经过足够长的时间后，金属杆的速度会趋近于一个最大速度vm，则( )
A．如果B变大，vm将变大
B．如果α变大，vm将变大
C．如果R变大，vm将变大
D．如果m变小，vm将变大
答案：BC
3．如图(a)所示，面积为0.01 m2、电阻为0.1 Ω的正方形导线框放在匀强磁场中，磁场方向与线框平面垂直．磁感应强度B随时间t的变化图线如图(b)．t＝0时刻，磁感应强度的方向垂直于纸面向里．在1 s末线框中感应电流的大小为________A．若规定水平向左为正方向，请在图(c)中定性画出前4 s内ab边所受的安培力F随时间t的变化图线．
但由于磁感应强度是变化的，所以ab边受的安培力是变化的．若规定向左为正方向，根据F＝BIL，安培力与B成正比，0～1 s安培力为正向减小，1～2 s安培力为反向增大，2～3 s为正向减小，3～4 s为反向增大，如图所示．
答案：0.2 图见解析
4.如图所示，光滑的金属导轨间距为L，导轨平面与水平面成α角，导轨下端接有阻值为R的电阻，质量为m的金属杆与绝缘轻质弹簧相连静止在导轨上，弹簧劲度系数为k，上端固定，弹簧与导轨平面平行，整个装置处在垂直于导轨平面斜向上的匀强磁场中，磁感应强度为B.
现给杆一沿轨道向下的初速度v0，杆向下运动至速度为零后，再沿轨道平面向上运动至最大速度，大小为v1，然后减速为零，再沿轨道平面向下运动……一直往复运动到静止(导轨与金属杆的电阻忽略不计)．试求：
(1)金属杆获得初速度瞬间，通过R的电流大小；
(2)当金属杆速度为v1时离最初静止时位置的距离L1；
(3)金属杆由初速度v0开始运动直到最后静止，电阻R上产生的焦耳热Q.
答案：见解析