2.3电磁感应规律的应用 课件 (共40张PPT)高二下学期物理粤教版(2019)选择性必修第二册

(共40张PPT)
by甘腾胜@20230328
新粤教版(2019)高中物理选择性必修第二册 第二章
2.3 电磁感应规律的应用
新课引入
都与电磁感应现象有着密切的联系！
超速“电子眼”
为了保障道路交通安全，很多地方都在马路上安装“电子眼”，对违章超速车辆进行抓拍。目前普遍使用的一款“电子眼”即是一套利用电磁感应规律制成的交通监测设备。如下右图所示，在路面下方间隔一段距离埋设两个通电线圈。当车辆通过通电线圈上方的道路时，由于车身是由金属材料制成的，做切割磁感线运动会产生感应电流，引起电路中电流的变化。
根据v=s/t，只有汽车先后通过两个线圈上方的时间间隔小于某个值，拍摄装置才会被触发拍下超速车辆的照片。
旋转切割
【练1】如图所示，长为L的铜棒OA在垂直于匀强磁场的平面上绕点O以角速度ω匀速转动，磁场的磁感应强度为B。用两种方法求铜棒中感应电动势的大小，并分析O、A两点电势的高低。
O点电势高，A点电势低
铜棒在匀强磁场中旋转做切割磁感线运动产生感应电动势，这是一个典型的物理模型。
旋转切割
【练1变1】如图所示，铜棒OA在垂直于匀强磁场的平面上绕AO延长线上的C点以角速度ω匀速转动，OA=OC=L，磁场的磁感应强度为B。求铜棒中感应电动势的大小，并分析O、A两点电势的高低。
O点电势高，A点电势低
旋转切割
【练1变2】如图所示，铜棒OA在垂直于匀强磁场的平面上绕AO连线上的D点以角速度ω匀速转动，AO=L，DO=L/3，磁场的磁感应强度为B。求铜棒中感应电动势的大小，并分析O、A两点电势的高低。
O点电势高，A点电势低
法拉第发电机
铜棒旋转做切割磁感线运动产生了感应电动势，如果通过导线与铜棒组成闭合回路，则回路中将产生感应电流。如果将很多根铜棒连成一体组成一个导体圆盘在磁场中持续转动，则产生的感应电流将更大，这就是发电机的雏形。
法拉第发电机
基于此思路，1831年10月，法拉第将一个由紫铜制成的圆盘置于蹄形磁极之间，发明了世界上第一台发电机——法拉第圆盘发电机，如图所示。
圆盘的圆心处固定一个摇柄，圆盘的边缘和圆心处各与一个黄铜电刷紧贴。当转动摇柄使铜盘旋转起来时，与电刷连接的电流计显示电路中产生了持续的电流。
航母阻拦技术
2012年11月，我国歼-15舰载机(如下左图所示)在“辽宁号”航空母舰上着舰成功，它的阻拦系统原理如下中图所示，飞机着舰时，通过阻拦索对飞机施加作用力，使飞机在甲板上短距离滑行后停止。新一代航母阻拦系统的研制，则从阻拦索阻拦转向了引入电磁学模型的电磁阻拦技术，其基本原理如下右图所示，飞机着舰时钩住轨道上的一根金属棒并关闭动力系统，在磁场中共同滑行减速。阻拦索与金属棒绝缘。
(1)试分析电磁阻拦相对于阻拦索阻拦的优点。
(2)试分析电磁阻拦中，飞机从钩住金属棒到停下来的整个过程做怎样的运动。
提炼模型
单棒模型--阻尼式
如图所示，间距为L的足够长的光滑平行金属导轨ab、dc水平固定放置，a、d端连有一电阻R，金属棒PQ的质量为m，电阻为r，其余电阻均不计，整个装置有垂直纸面向里的磁场，磁感应强度大小为B。PQ与导轨接触良好且始终与导轨保持垂直，现给PQ一个初速度v0，运动一段时间后PQ停止运动。求：
(1)此过程通过电阻R的电量q。
(2)ab棒运动的距离x。
(3)整个过程PQ棒上产生的热量Q。
思考：如果金属棒与导轨的动摩擦因素为μ，运动时间为t，上面三问的结果又是什么？
(1)
(2)
(3)
(1)
(2)
(3)
提炼模型
单棒模型--发电式
如图所示，间距为L的足够长的光滑平行金属导轨ab、dc水平固定放置，a、d端连有一电阻R，金属棒PQ的质量为m，电阻为r，其余电阻均不计，整个装置有垂直纸面向里的磁场，磁感应强度大小为B。PQ与导轨接触良好且始终与导轨保持垂直，PQ受一水平恒力F从静止开始运动，运动一段时间t后PQ匀速运动。求：
(1)PQ运动的最大速度vm。
(2)PQ棒加速运动的距离x。
(1)
(2)
提炼模型
单棒模型--电动式
如图所示，间距为L的足够长的光滑平行金属导轨ab、dc水平固定放置，a、d端连有一电动势为E0、内阻忽略的电源，金属棒PQ的电阻为r，其余电阻均不计，整个装置有垂直纸面向里的磁场，磁感应强度大小为B。PQ与导轨接触良好且始终与导轨保持垂直，现闭合开关。求PQ运动的最大速度vm。
PQ运动后切割磁感线出现反电动势
提炼模型
单棒模型
电容放电式
电容无外力充电式
电容有外力充电式
单棒模型
【练2】如图所示，足够长的固定平行粗糙金属双轨MN、PQ相距d=0.5m，导轨平面与水平面夹角α=30°，处于方向垂直导轨平面向上、磁感应强度大小B=0.5T的匀强磁场中。长也为d的金属棒ab垂直于导轨MN、PQ放置，且始终与导轨接触良好，棒的质量m=0.1kg，电阻R=0.1Ω，与导轨之间的动摩擦因数，导轨上端连接电路如图所示。已知电阻R1与灯泡电阻RL的阻值均为0.2Ω，导轨电阻不计，重力加速度大小g取10 m/s2。
(1)求棒由静止刚释放瞬间下滑的加速度大小a;
(2)假若棒由静止释放并向下加速运动一段距离后，灯L的发光亮度稳定，求此时灯L的实际功率P和棒的速率v。
(1)2.5m/s2
(2)0.05W 0.8m/s
提炼模型
双棒模型-无外力等距
如图，两条光滑平行金属导轨间距为L，所在平面与水平面重合，导轨电阻忽略不计。ab、cd为两根质量均为m、电阻均为R的金属棒，两者始终与导轨垂直且接触良好，两导轨所在区域存在方向竖直向上大小为B的匀强磁场，现给ab棒一初速度v0使其向左运动，求：
(1)ab、cd的最终速度v1、v2；
(2)整个过程回路中产生的热量Q；
提炼模型
双棒模型-有外力等距
水平面上有足够长且电阻不计的两平行导电轨道，轨道之间有竖直向下的匀强磁场（未画出），两根质量相同，电阻相同的导体棒ab和cd垂直于轨道静止放置，如图所示。现对导体棒施加一外力F，使cd棒向右匀速运动，则ab棒从静止开始向右运动。不计一切摩擦，试分析：
(1)导体棒ab怎样运动；
(2)外力F大小如何变化。
思考1：如果导体棒与导轨间有摩擦，情况又如何？
思考2：如果施加的是恒力，cd从静止开始运动，情况又如何？
提炼模型
双棒模型
无外力不等距双棒
有外力不等距双棒
双棒模型
【练3】(单)空间中存在竖直向下的匀强磁场，有两根相互平行的金属导轨（足够长）水平放置，如图所示（俯视图）。导轨上静止放置着两金属棒AB、CD，某时刻在AB棒上施加一恒力F，使AB棒向左运动，导轨对金属棒的摩擦力不计，金属棒运动过程中始终与导轨垂直且接触良好，下列说法正确的是
A．回路中有顺时针方向的电流
B．磁场对金属棒AB的作用力向左
C．金属棒CD一直做加速直线运动
D．金属棒AB先做加速度减小的加速运动，之后做匀速直线运动
C
问题与思考
感生电动势和动生电动势产生的原因是否一样呢？
非静电力
非静电
力做功
其它形式的能
电能
复习与回顾
这种转化的本领用电动势来描述
每一种电动势都对应有一种非静电力
电动势的方向在电源内部由负极→正极
开关闭合（断开），或改变滑片的位置
部分导体切割磁感线
线圈B相当于电源
导体棒AB相当于电源
感生电动势
由磁场变化引起的电动势：
动生电动势
由导体运动引起的电动势：
复习与回顾
哪部分相当于电源？
I
如图所示，闭合导体环处于磁场越来越强的磁场中，环的半径为R，磁感应强度的变化率为ΔB/Δt 。
-
-
-
-
-
-
-
-
B
E感
B感
导体环中的感应电流的方向？
导体中自由电子做怎样的定向移动？
是什么作用使自由电子做定向移动？
感生电场
感生电场方向的判断方法：
感生电场的方向判断：
楞次定律
右手螺旋
+
电磁感应现象中的感生电场
由变化的磁场激发；
电场线呈闭合状，形同漩涡；
涡旋面与磁场方向垂直；
与感应磁场方向满足右手螺旋。
如图所示，闭合导体环处于磁场越来越强的磁场中，环的半径为R，磁感应强度的变化率为ΔB/Δt 。
电磁感应现象中的感生电场
如果环有个小缺口而不闭合有感生电场吗？
环中的自由电荷将在哪一端聚集？哪一端相当于电源的正极？
感生电场由变化的磁场激发，而非闭合环激发，故：感生电场与环闭合与否、存在与否均无关！
(1)自由电荷会随着导体棒运动，并因此受到洛伦兹力。导体中自由电荷的合运动在空间大致沿什么方向？为了方便，可以认为导体中的自由电荷是正电荷。
B
V
f
Vy
+
-
(2)导体棒一直运动下去，自由电荷是否总会沿着导体棒一直运动下去
F电
C
D
(3)导体棒的哪端电势比较高
(4)如果用导线把C、D两端连到磁场外的一个用电器上，导体棒中电流是沿什么方向
(5)如果移去C、D两端连接的用电器，导体棒中还有电流吗 还有电动势吗
v合
电磁感应现象中的洛伦兹力
B
V
f
Vy
+
F
C
D
与洛伦兹力有关
V合
电磁感应现象中的洛伦兹力
动生电动势
动生电动势的非静电力：
动生电动势方向的判断方法：
右手定则
动生电动势大小的计算：
-
B
V
f1
Vy
+
-
F
C
D
f2
v合
F安
F外
沿杆方向的洛伦兹力做功吗？与我们在前面学习时得到的结论“洛伦兹力永不做功！”矛盾吗？
f合
导体棒接用电器后，要继续做匀速运动时还需要外力推动吗？
能量是怎样转化的呢？
其它形式的能
F外做正功
导体棒的动能
F安做负功
电 能
电流做功
内能……
f1做正功
电磁感应现象中的洛伦兹力
动生电动势
电磁感应现象中的洛伦兹力
动生电动势
能量是怎样转化的呢？
洛伦兹力不做功，不提供能量，只是起传递能量的作用。
洛伦兹力的沿杆分力f1：扮演了非静电力，其做了多少正功，就转化出了多少电能。
洛伦兹力的垂直杆分力f2：宏观表现为安培力，通过计算克服安培力做了多少功，也可知道产生了多少电能。
通过能量角度也能推导出电动势公式：
1、电磁感应与力学的联系
在电磁感应现象中导体运动切割磁感线，产生感应电流，感应电流使导体受到安培力的作用。因此，电磁感应问题往往和力学问题联系在一起。解决电磁感应中的力学问题时，一方面要考虑电磁学中的有关规律，另一方面要考虑力学中的有关规律，要将电磁学和力学知识综合起来应用。
电磁感应现象中的动力学和能量问题
2、解题思路
电磁感应现象中的动力学和能量问题
3、电磁感应现象中的能量转化
4、求解焦耳热Q的三种方法
电磁感应现象中的动力学和能量问题
5、解电磁感应现象中的能量问题的一般步骤
(1)在电磁感应中，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。
(2)分析清楚有哪些力做功，就可以知道有哪些形式的能量发生了相互转化。
(3)根据能量守恒列方程求解。
电磁感应现象中的动力学和能量问题
电磁感应中的动力学和能量问题
【练4】如图所示，两平行光滑金属导轨由两部分组成，左面部分水平，右面部分为半径r=0.5m的竖直半圆，两导轨间距离d=0.3m，导轨水平部分处于竖直向上、磁感应强度大小B=1T的匀强磁场中,两导轨电阻不计。有两根长度均为d的金属棒ab、cd，均垂直导轨置于水平导轨上，金属棒ab、cd的质量分别为m1=0.2kg、m2=0.1kg,电阻分别为R1=0.1Ω、R2=0.2Ω。现让ab棒以v0=10m/s的初速度开始水平向右运动，cd棒进入圆轨道后，恰好能通过轨道最高点PP'，cd棒进入圆轨道前两棒未相碰，重力加速度g取10m/s2,求：
(1)ab棒开始向右运动时cd棒的加速度a0;
(2)cd棒刚进入半圆轨道时ab棒的速度大小v1;
(3)cd棒进入半圆轨道前ab棒克服安培力做的功W。
(1)30m/s2
(2)7.5m/s
(3)4.375J
电磁感应中的动力学和能量问题
【练5】如图所示，MN、PQ两条平行的光滑金属轨道与水平面成θ角固定，轨距为d。空间存在匀强磁场，磁场方向垂直于轨道平面向上，磁感应强度为B。P、M间所接电阻阻值为R。质量为m的金属杆ab水平放置在轨道上，其有效电阻为r。现从静止释放ab，当它沿轨道下滑距离s时，达到最大速度。若轨道足够长且电阻不计，重力加速度为g。求：
（1）金属杆ab运动的最大速度；
（2）金属杆ab运动的加速度为gsinθ/2时，电阻R上的电功率；
（3）金属杆ab从静止到具有最大速度的过程中，克服安培力所做的功。
1、对电磁感应电路的理解
(1)在电磁感应电路中，相当于电源的部分把其他形式的能通过电流做功转化为电能。
(2)“电源”两端的电压为路端电压，而不是感应电动势。
(3)电源的正负极、感应电流的方向、电势的高低、电容器极板带电问题，均可用右手定则或楞次定律判定。
电磁感应现象中的电路和图像问题
2、电磁感应中电路知识的关系图
电磁感应现象中的电路和图像问题
3、求解电磁感应现象中电路问题的“三步法”
第1步：确定电源
①判断产生电磁感应现象的那一部分导体(电源);
②利用E=ΔΦ/Δt(法拉第电磁感应定律)或E=Blvsinθ求感应电动势的大小;
③利用右手定则或楞次定律判断电流方向。
第2步：分析电路结构
弄清各元件的串并联关系，画等效电路图。
第3步：利用电路规律求解
结合闭合电路欧姆定律、串并联电路知识和电功率、焦耳定律等列方程求解。
电磁感应现象中的电路和图像问题
4、电磁感应中图像类选择题的两个常用方法
(1)排除法：定性地分析电磁感应过程中物理量的变化趋势(增大还是减小)、变化快慢(均匀变化还是非均匀变化)，特别是分析物理量的正负，以排除错误的选项。
(2)函数法：根据题目所给条件定量地写出两个物理量之间的函数关系，然后由函数关系对图像进行分析和判断。
电磁感应现象中的电路和图像问题
5、关于图像问题的一般步骤
(1)明确图像的种类，即是B-t图还是Φ-t图，或者E-t图、I-t图等;
(2)分析电磁感应的具体过程;
(3)用右手定则或楞次定律确定方向的对应关系;
(4)结合法拉第电磁感应定律、欧姆定律、牛顿运动定律等知识写出函数关系式;
(5)根据函数关系式，进行数学分析，如分析斜率的变化、截距等;
(6)画图像或判断图像。
电磁感应现象中的电路和图像问题
电磁感应现象中的电路和图像问题
【练6】(单)在竖直向上的匀强磁场中，水平放置一个不变形的单匝金属圆线圈，规定线圈中感应电流的正方向如图甲所示，当磁场的磁感应强度B随时间t如图乙变化时，选项图中能正确表示线圈中感应电动势E变化的是
A
电磁感应现象中的电路和图像问题
【练7】(单)如图甲所示,水平面上的两光滑金属导轨平行固定放置，间距d=0.5m，电阻不计，左端通过导线与阻值R=2Ω的电阻连接，右端通过导线与阻值RL=4Ω的小灯泡L连接。在CDFE矩形区域内有垂直于导轨平面向上的匀强磁场，CE长l=2m，有一阻值r=2Ω的金属棒PQ放置在靠近磁场边界CD处(恰好不在磁场中)。CDFE区域内磁场的磁感应强度B随时间变化的图像如图乙所示。在t=0至t=4s内，金属棒PQ保持静止，在t=4s时使金属棒PQ以某一速度进入磁场区域并保持匀速运动。已知从t=0开始到金属棒运动到磁场边界EF处的整个过程中,小灯泡的亮度没有发生变化。求:
(1)通过小灯泡的电流;
(2)金属棒PQ在磁场区域中运动的速度大小。
(1)0.1A
(2)1m/s