高中物理人教版选修3-2 电磁感应单元复习 学习任务单
文档属性
| 名称 | 高中物理人教版选修3-2 电磁感应单元复习 学习任务单 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 127.6KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-05-22 15:43:30 | ||
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文档简介
《电磁感应中力电问题》学习任务单
【学习目标】
1．能够从受力角度分析杆在安培力和其它力共同作用下的运动性质，选用力学规律分析有关问题。
2．能够分别从宏观上安培力做功和微观上洛伦兹力分力做功分析杆运动过程中能量是如何转化的。
3．对于杆在运动中加速度变化时，具有微元意识，会用动量定理处理相关问题。
【课前预习任务】
任务一、比较通电导体棒与运动电荷在磁场中运动时所受的安培力与洛伦兹力做功的不同点；
任务二、回顾力学三大观点对应的五大规律，请写出来。
【课上学习任务】
“重力灯”（GravityLight）是由英国伦敦设计师马丁?瑞德福等人发明的，解决了身处发展中国家贫困地区的人们依靠极度危险的煤油灯照明问题。重力灯的基本构造是：在灯身上挂着的一个重物，重物下落时，它会拉动灯中心的一根绳子，启动一台发电机发电，为电灯供电从而电灯被点亮，如图1所示。发电机是重力灯里的关键器件，其工作原理图可以简化为间距为L的两根直导轨，导轨电阻忽略不计，其一端连接着阻值为R的电阻（相当于灯泡），导轨所在空间存在竖直向下的磁场。质量为m的导体棒MN放在导轨上，其长度恰好等于导轨间距，与导轨接触良好，如图2所示。导体棒在外力作用下切割磁感线运动从而产生感应电流。
任务一、假设导轨光滑且足够长，导轨所在空间的磁场为匀强磁场，磁感应强度为B。导体棒的电阻为r。导体棒在水平恒力F作用下从静止开始向右运动，如图3所示。请思考并完成以下两个问题：
【问题1】分析说明导体棒做的是什么运动；
【问题2】恒力F的最大功率Pm。
任务二、假设导轨光滑且足够长，导轨所在空间的磁场为匀强磁场，磁感应强度为B，导体棒的电阻r=0.5R。导体棒MN在水平拉力作用下以速度v0向右匀速运动，如图4所示。请思考并完成以下三个问题：
【问题3】请推导出导体棒MN产生的感应电动势E的大小；
【问题4】计算导体棒MN两端的电压U；
【问题5】经典物理学认为，金属的电阻源于定向运动的自由电子与金属离子（即金属原子失去电子后的剩余部分）的碰撞。设电子的电荷量为e，求出导体棒MN中金属离子对一个自由电子沿导体棒长度方向的平均阻力大小。
任务三、假设导轨光滑且足够长，导轨所在空间的磁场为匀强磁场，磁感应强度为B。导体棒的电阻r=0.5R。导体棒MN在水平拉力作用下以速度v0向右匀速运动。若突然撤去水平拉力，如图5所示。请思考并完成三个问题：
【问题6】导体棒在运动的整个过程中电阻R产生的焦耳热QR；
【问题7】导体棒切割磁感线时，产生的电能是通过导体棒克服安培力做功将动能转化而来的。而安培力是洛伦兹力的宏观表现，但洛伦兹力对运动电荷并不做功，请计算说明导体棒MN中的自由电子所受洛伦兹力在能量转化过程中充当什么角色？
【问题8】设经过一段时间导体棒运动的位移大小为x，该段时间末导体棒所受的安培力大小为F安，在图6中画出导体棒所受的安培力随运动位移变化的图像。
任务四、假设导轨不光滑，导体棒与导轨间的动摩擦因数为μ，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力。若磁场随时间均匀变化，磁感应强度B＝B0+kt（k＞0），开始导体棒静止，且距离导轨左端距离也是L，如图7所示。
【问题9】从t＝0 时刻起，求导体棒经过多长时间开始运动以及运动的方向。
【课后作业】
1．如图所示，一个有界匀强磁场区域，磁场方向垂直纸面向外。一个矩形闭合导线框abcd，沿纸面由位置1(左)匀速运动到位置2(右)。则 （ ）
A．导线框进入与离开磁场时，感应电流方向相同
B．导线框进入和离开磁场时，受到的安培力方向相同
C．导线框进入和离开磁场过程中通过横截面的感应电荷量相同
D．导线框进入和离开磁场过程中产生的焦耳热相同
2．如图所示，一足够长的光滑平行金属轨道，其轨道平面与水平面成θ角，上端用一电阻R相连，处于方向垂直轨道平面向上的匀强磁场中。质量为m、电阻为r的金属杆ab，从高为h处由静止释放，下滑一段时间后，金属杆开始以速度v匀速运动直到轨道的底端。金属杆始终保持与导轨垂直且接触良好，轨道电阻及空气阻力均可忽略不计，重力加速度为g。则（ ）
A．金属杆加速运动过程中的平均速度为
B．金属杆加速运动过程中克服安培力做功的功率大于匀速阶段克服安培力做功的功率
C．当金属杆的速度为时，它的加速度大小为
D．整个运动过程中电阻R产生的焦耳热为mgh - mv2
3．如图甲所示，电阻不计且间距L＝1 m的光滑平行金属导轨竖直放置，上端接一阻值R＝2 Ω的电阻，虚线OO′下方有垂直于导轨平面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B＝2T。现将质量m＝0.1 kg、电阻不计的金属杆ab从OO′上方某处由静止释放，金属杆在下落的过程中与导轨保持良好接触且始终水平。金属杆从静止开始，下落0.3 m的过程中，加速度a与下落距离h的关系图像如图乙所示，g取10 m/s2，求：
（1）金属杆刚进入磁场时，速度的大小v0；
（2）金属杆从静止开始下落0.3m的过程中，在电阻R上产生的热量Q；
（3）在图丙的坐标系中，定性画出回路中电流随时间变化的图线，并说明图线与坐标轴围成面积的物理意义（以金属杆进入磁场时为计时起点）。
4．在电磁感应现象中，感应电动势分为动生电动势和感生电动势两种。产生感应电动势的那部分导体就相当于“电源”，在“电源”内部非静电力做功将其它形式的能转化为电能。
（1）利用图甲所示的电路可以产生动生电动势。设匀强磁场的磁感应强度为B ，导体棒ab的长度为L，在外力作用下以速度v水平向右匀速运动。请从能量守恒角度出发推导动生电动势E的表达式；
甲 乙 丙
（2）磁场变化时会在空间激发感生电场，该电场与静电场不同，其电场线是一系列同心圆，如图乙中的虚线所示。如果此刻空间存在导体，就会在导体中产生感应电流。如图丙所示，一半径为r、单位长度电阻为R0的金属导体环垂直放置在匀强磁场中，当磁场均匀增强时，导体环中产生的感应电流为I。请你判断导体环中感应电流的方向（俯视）并求出磁感应强度随时间的变化率；
（3）请指出在（1）（2）两种情况下，“电源”内部的非静电力分别是哪一种作用力；并分析说明在感生电场中能否像静电场一样建立“电势”的概念。
【课后作业参考答案】
1．答案：BCD
2．答案：C
3.（1）进入磁场后，根据右手定则判断可知金属杆ab中电流的方向由a到b，由左手定则判断出，杆ab所受的安培力竖直向上。
刚进入磁场时，由牛顿第二定律得：
其中m/s2；
联立得：=1.0m/s
（２）通过图像得到h=0.3m时，a=0，表明金属杆受到的重力与安培力平衡，有
其中 联立得： =0.5m/s
从开始到下落0.3m的过程中，由能的转化和守恒定律有
得到：=0.2875J
（３）图线如图丙所示，
面积的物理意义是：某段时间内通过电阻的电量。
4.（1）当导体棒匀速运动时，其受到向右的恒定拉力和向左的安培力平衡，则
F外=BIL
拉力做功的功率：P外=F外v=BILv
闭合电路消耗的总功率： P电=E
根据能量的转化和守恒可知：P外= P电
可得到：E=BLv
（2）根据楞次定律可以判断导体环中感应电流的方向为顺时针方向。
根据法拉第电磁感应定律，电路产生的感生电动势
导体环的总电阻
根据闭合电路欧姆定律，电路中的电流
联立④⑤⑥式可得：
（3）在（1）中非静电力是洛伦兹力沿导体棒方向的分力；在（2）中非静电力是感生电
场力。
在感生电场中不能建立“电势”的概念。因为在感生电场中电荷沿电场线运动一周，感生电场力做功不为零，即感生电场力做功与路径有关，因此无法建立“电势能”的概念，也就无法建立“电势”的概念。
【学习目标】
1．能够从受力角度分析杆在安培力和其它力共同作用下的运动性质，选用力学规律分析有关问题。
2．能够分别从宏观上安培力做功和微观上洛伦兹力分力做功分析杆运动过程中能量是如何转化的。
3．对于杆在运动中加速度变化时，具有微元意识，会用动量定理处理相关问题。
【课前预习任务】
任务一、比较通电导体棒与运动电荷在磁场中运动时所受的安培力与洛伦兹力做功的不同点；
任务二、回顾力学三大观点对应的五大规律，请写出来。
【课上学习任务】
“重力灯”（GravityLight）是由英国伦敦设计师马丁?瑞德福等人发明的，解决了身处发展中国家贫困地区的人们依靠极度危险的煤油灯照明问题。重力灯的基本构造是：在灯身上挂着的一个重物，重物下落时，它会拉动灯中心的一根绳子，启动一台发电机发电，为电灯供电从而电灯被点亮，如图1所示。发电机是重力灯里的关键器件，其工作原理图可以简化为间距为L的两根直导轨，导轨电阻忽略不计，其一端连接着阻值为R的电阻（相当于灯泡），导轨所在空间存在竖直向下的磁场。质量为m的导体棒MN放在导轨上，其长度恰好等于导轨间距，与导轨接触良好，如图2所示。导体棒在外力作用下切割磁感线运动从而产生感应电流。
任务一、假设导轨光滑且足够长，导轨所在空间的磁场为匀强磁场，磁感应强度为B。导体棒的电阻为r。导体棒在水平恒力F作用下从静止开始向右运动，如图3所示。请思考并完成以下两个问题：
【问题1】分析说明导体棒做的是什么运动；
【问题2】恒力F的最大功率Pm。
任务二、假设导轨光滑且足够长，导轨所在空间的磁场为匀强磁场，磁感应强度为B，导体棒的电阻r=0.5R。导体棒MN在水平拉力作用下以速度v0向右匀速运动，如图4所示。请思考并完成以下三个问题：
【问题3】请推导出导体棒MN产生的感应电动势E的大小；
【问题4】计算导体棒MN两端的电压U；
【问题5】经典物理学认为，金属的电阻源于定向运动的自由电子与金属离子（即金属原子失去电子后的剩余部分）的碰撞。设电子的电荷量为e，求出导体棒MN中金属离子对一个自由电子沿导体棒长度方向的平均阻力大小。
任务三、假设导轨光滑且足够长，导轨所在空间的磁场为匀强磁场，磁感应强度为B。导体棒的电阻r=0.5R。导体棒MN在水平拉力作用下以速度v0向右匀速运动。若突然撤去水平拉力，如图5所示。请思考并完成三个问题：
【问题6】导体棒在运动的整个过程中电阻R产生的焦耳热QR；
【问题7】导体棒切割磁感线时，产生的电能是通过导体棒克服安培力做功将动能转化而来的。而安培力是洛伦兹力的宏观表现，但洛伦兹力对运动电荷并不做功，请计算说明导体棒MN中的自由电子所受洛伦兹力在能量转化过程中充当什么角色？
【问题8】设经过一段时间导体棒运动的位移大小为x，该段时间末导体棒所受的安培力大小为F安，在图6中画出导体棒所受的安培力随运动位移变化的图像。
任务四、假设导轨不光滑，导体棒与导轨间的动摩擦因数为μ，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力。若磁场随时间均匀变化，磁感应强度B＝B0+kt（k＞0），开始导体棒静止，且距离导轨左端距离也是L，如图7所示。
【问题9】从t＝0 时刻起，求导体棒经过多长时间开始运动以及运动的方向。
【课后作业】
1．如图所示，一个有界匀强磁场区域，磁场方向垂直纸面向外。一个矩形闭合导线框abcd，沿纸面由位置1(左)匀速运动到位置2(右)。则 （ ）
A．导线框进入与离开磁场时，感应电流方向相同
B．导线框进入和离开磁场时，受到的安培力方向相同
C．导线框进入和离开磁场过程中通过横截面的感应电荷量相同
D．导线框进入和离开磁场过程中产生的焦耳热相同
2．如图所示，一足够长的光滑平行金属轨道，其轨道平面与水平面成θ角，上端用一电阻R相连，处于方向垂直轨道平面向上的匀强磁场中。质量为m、电阻为r的金属杆ab，从高为h处由静止释放，下滑一段时间后，金属杆开始以速度v匀速运动直到轨道的底端。金属杆始终保持与导轨垂直且接触良好，轨道电阻及空气阻力均可忽略不计，重力加速度为g。则（ ）
A．金属杆加速运动过程中的平均速度为
B．金属杆加速运动过程中克服安培力做功的功率大于匀速阶段克服安培力做功的功率
C．当金属杆的速度为时，它的加速度大小为
D．整个运动过程中电阻R产生的焦耳热为mgh - mv2
3．如图甲所示，电阻不计且间距L＝1 m的光滑平行金属导轨竖直放置，上端接一阻值R＝2 Ω的电阻，虚线OO′下方有垂直于导轨平面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B＝2T。现将质量m＝0.1 kg、电阻不计的金属杆ab从OO′上方某处由静止释放，金属杆在下落的过程中与导轨保持良好接触且始终水平。金属杆从静止开始，下落0.3 m的过程中，加速度a与下落距离h的关系图像如图乙所示，g取10 m/s2，求：
（1）金属杆刚进入磁场时，速度的大小v0；
（2）金属杆从静止开始下落0.3m的过程中，在电阻R上产生的热量Q；
（3）在图丙的坐标系中，定性画出回路中电流随时间变化的图线，并说明图线与坐标轴围成面积的物理意义（以金属杆进入磁场时为计时起点）。
4．在电磁感应现象中，感应电动势分为动生电动势和感生电动势两种。产生感应电动势的那部分导体就相当于“电源”，在“电源”内部非静电力做功将其它形式的能转化为电能。
（1）利用图甲所示的电路可以产生动生电动势。设匀强磁场的磁感应强度为B ，导体棒ab的长度为L，在外力作用下以速度v水平向右匀速运动。请从能量守恒角度出发推导动生电动势E的表达式；
甲 乙 丙
（2）磁场变化时会在空间激发感生电场，该电场与静电场不同，其电场线是一系列同心圆，如图乙中的虚线所示。如果此刻空间存在导体，就会在导体中产生感应电流。如图丙所示，一半径为r、单位长度电阻为R0的金属导体环垂直放置在匀强磁场中，当磁场均匀增强时，导体环中产生的感应电流为I。请你判断导体环中感应电流的方向（俯视）并求出磁感应强度随时间的变化率；
（3）请指出在（1）（2）两种情况下，“电源”内部的非静电力分别是哪一种作用力；并分析说明在感生电场中能否像静电场一样建立“电势”的概念。
【课后作业参考答案】
1．答案：BCD
2．答案：C
3.（1）进入磁场后，根据右手定则判断可知金属杆ab中电流的方向由a到b，由左手定则判断出，杆ab所受的安培力竖直向上。
刚进入磁场时，由牛顿第二定律得：
其中m/s2；
联立得：=1.0m/s
（２）通过图像得到h=0.3m时，a=0，表明金属杆受到的重力与安培力平衡，有
其中 联立得： =0.5m/s
从开始到下落0.3m的过程中，由能的转化和守恒定律有
得到：=0.2875J
（３）图线如图丙所示，
面积的物理意义是：某段时间内通过电阻的电量。
4.（1）当导体棒匀速运动时，其受到向右的恒定拉力和向左的安培力平衡，则
F外=BIL
拉力做功的功率：P外=F外v=BILv
闭合电路消耗的总功率： P电=E
根据能量的转化和守恒可知：P外= P电
可得到：E=BLv
（2）根据楞次定律可以判断导体环中感应电流的方向为顺时针方向。
根据法拉第电磁感应定律，电路产生的感生电动势
导体环的总电阻
根据闭合电路欧姆定律，电路中的电流
联立④⑤⑥式可得：
（3）在（1）中非静电力是洛伦兹力沿导体棒方向的分力；在（2）中非静电力是感生电
场力。
在感生电场中不能建立“电势”的概念。因为在感生电场中电荷沿电场线运动一周，感生电场力做功不为零，即感生电场力做功与路径有关，因此无法建立“电势能”的概念，也就无法建立“电势”的概念。