高中物理第四章电磁感应5电磁感应现象的两类情况课件新人教版选修3_2-68张

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电磁感应现象的两类情况
一、电磁感应现象中的感生电场
1.感生电场:英国物理学家麦克斯韦认为,_____变化时
会在空间激发一种电场,这种电场与静电场不同,它不
是由电荷产生的,我们把它叫做感生电场。
磁场
2.感生电动势:_________产生的感应电动势。
3.感生电动势中的非静电力:感生电场对_________的
作用。
感生电场
自由电荷
二、电磁感应现象中的洛伦兹力
1.成因:导体棒做切割磁感线运动时,棒中的_________
随棒一起定向运动,并因此受到洛伦兹力。
2.动生电动势:由于_________而产生的感应电动势。
3.动生电动势中的非静电力:与洛伦兹力有关。
自由电荷
导体运动
【思考辨析】
(1)如果空间不存在闭合电路,变化的磁场周围不会产生感生电场。
(　　)
(2)处于变化磁场中的导体,其内部自由电荷定向移动,是由于受到感生电场的作用。
(　　)
(3)感生电场就是感应电动势。
(　　)
(4)动生电动势(切割磁感线产生的电动势)产生的原因是导体内部的自由电荷受到洛伦兹力的作用。
(　　)
提示:(1)×。麦克斯韦认为,磁场的变化在空间激发一种电场,这种电场与是否存在闭合电路无关。
(2)√。导体处于变化磁场中时,导体中的自由电荷将发生定向移动,产生感应电流,或者说导体中产生感应电动势,其非静电力就是这种感生电场产生的。
(3)×。感应电动势是导体中产生的,与感生电场不是一个物理概念。
(4)√。洛伦兹力提供非静电力,产生了动生电动势。
一　感生电动势和动生电动势
考查角度1
感生电场和感生电动势
【典例1】(多选)某空间出现了如图所
示的一组闭合的电场线,这可能是
(　　)
A.沿AB方向的磁场在迅速减弱
B.沿AB方向的磁场在迅速增强
C.沿BA方向的磁场在迅速增强
D.沿BA方向的磁场在迅速减弱
【正确解答】选A、C。由右手定则可知,感应电流产生的磁场方向竖直向下,如果磁场方向沿AB,则感应磁场与原磁场方向相同,由楞次定律可知,原磁场正在减弱,故A正确,B错误;如果磁场沿BA方向,则感应磁场方向与原磁场方向相反,由楞次定律可知,原磁场方向正在增强,故C正确,D错误;故选A、C。
考查角度2
动生电动势
【典例2】如图所示,在竖直向下的匀强磁场①中,将一
水平放置的金属棒ab以水平初速度v0抛出②,设在整个
过程中棒的方向不变且不计空气阻力③,则在金属棒运
动过程中产生的感应电动势大小变化情况以及哪端电
势高
(
)
A.越来越大、a端电势高　　　　
B.越来越小、b端电势高
C.保持不变、a端电势高
D.保持不变、b端电势高
【审题关键】
序号
信息提取
①
磁场方向:竖直向下
②
有水平初速度v0
③
运动性质:平抛运动
【正确解答】选C。棒ab水平抛出后做平抛运动,其速度越来越大,但只有水平分速度v0切割磁感线产生感应电动势,故E=Blv0保持不变,选项A、B错误;导体中的自由电荷是带负电的电子随金属棒一块运动,由左手定则可知电子在洛伦兹力的作用下向b端运动,所以a端的电势高,选项C正确,D错误。
【核心归纳】
感生电动势与动生电动势的比较
感生电动势
动生电动势
产生原因
磁场的变化
导体做切割磁感线运动
移动电荷的
非静电力
感生电场对自由电荷的电场力
导体中自由电荷所受洛伦兹力沿导体方向的分力
回路中相当于电源的部分
处于感生电场中的部分线圈
做切割磁感线运动的导体
感生电动势
动生电动势
方向判断
方法
由楞次定律判断
通常由右手定则判断,也
可由楞次定律判断
大小计算
方法
由E=n
计算
通常由E=Blvsinθ计算,也可由E=n
计算
【特别提醒】
(1)感生电场的产生跟空间是否存在闭合电路无关。
(2)感应电动势的产生与电路是否闭合无关。
(3)动生电动势的产生过程中,洛伦兹力对自由电子并不做功。
【过关训练】
1.(多选)如图所示,一个闭合电路静止于磁场中,由于磁场强弱的变化,而使电路产生了感生电动势,下列说法正确的是
(　　)
A.磁场变化时,会在空间激发一种电场
B.使电荷定向移动形成电流的是磁场力
C.使电荷定向移动形成电流的是电场力
D.以上说法都不对
【解析】选A、C。磁场变化时,会形成感生电场,A正确。感生电场对电荷的电场力使电荷定向移动,B错误,C正确。
2.(多选)如图所示,导体AB在做切割磁感线运动时,将产生一个电动势,因而在电路中有电流通过,下列说法中正确的是
(　　)
A.因导体运动而产生的感应电动势称为动生电动势
B.动生电动势的产生与洛伦兹力有关
C.动生电动势的产生与电场力有关
D.动生电动势和感生电动势产生的原因是一样的
【解析】选A、B。导体在磁场中做切割磁感线运动时产生的电动势叫动生电动势,是由于导体运动时,自由电荷受到洛伦兹力作用而引起的,感生电动势是由于感生电场引起的,原因不相同。
3.(多选)平面上的光滑平行导轨MN、PQ上放着光滑导体棒ab、cd,两棒用细线系住,开始时匀强磁场的方向如图甲所示,而磁感应强度B随时间t的变化如图乙所示,不计ab、cd间电流的相互作用,则细线中张力
(　　)
A.由0到t0时间内细线中的张力逐渐增大
B.由0到t0时间内细线中的张力逐渐减小
C.由0到t0时间内细线中张力不变
D.由t0到t时间内两杆靠近,细线中的张力消失
【解析】选B、D。0到t0时间内,磁场向里,磁感应强度
B均匀减小,线圈中磁通量均匀减小,由法拉第电磁感应
定律得知,回路中产生恒定的感应电动势,形成恒定的
电流。由楞次定律可得出电流方向沿顺时针,故ab受力
向左,cd受力向右,而张力F=F安=BIL,因B减小,故张力
将减小,故A错误、B正确、C错误;由t0到t时间内,线圈
中的磁场向外,B均匀增大,回路中产生恒定的感应电流,由楞次定律可知,电流为顺时针,由左手定则可得出,两杆受力均向里,故两杆靠近,细线中张力消失,故D正确,故选B、D。
【补偿训练】
将一段导线绕成图甲所示的闭合回路,并固定在水平面(纸面)内。回路的ab边置于垂直纸面向里的匀强磁场Ⅰ中。回路的圆环区域内有垂直纸面的磁场Ⅱ,以向里为磁场Ⅱ的正方向,其磁感应强度B随时间t变化的图象如图乙所示。用F表示ab边受到的安培力,以水平向右为F的正方向,能正确反映F随时间t变化的图象是
(　　)
【解析】选B。根据楞次定律,在前半个周期内,圆环内产生的感应电流方向为顺时针,即通过ab边的电流方向为由b指向a,再根据左手定则判断,ab边受到的安培力为水平向左,即负方向。根据法拉第电磁感应定律,前半个周期内ab中的电流为定值,则所受安培力也为定值。结合选项可知B正确。
二　电磁感应中的动力学问题
【典例】两根足够长的光滑直金属导轨平行放置在倾角为θ的绝缘斜面上,两导轨间距为L,且接有阻值为R的电阻。整套装置处于磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向垂直于斜面向上。导轨和金属杆的电阻可忽略。让金属杆MN由静止沿导轨开始下滑。求
(1)当导体棒的速度为v(未达到最大速度)时,通过MN棒的电流大小和方向;
(2)导体棒运动的最大速度。
【解题探究】
(1)导体棒沿斜面下滑时,回路中哪部分是电源?回路总电阻为多大?
提示:导体棒相当于电源,回路总电阻为R。
(2)回路中的电流是恒定电流吗?导体棒所受的安培力是恒力吗?
提示:在达到最大速度之前回路中的电流越来越大,安培力也越来越大。
(3)导体棒达到最大速度时的合外力是多少?
提示:为零。
【正确解答】(1)当导体棒的速度为v时,产生的感应电
动势为E=BLv
回路中的电流大小为I=
由右手定则可知电流方向为从N到M
(2)导体棒在磁场中运动时,所受安培力大小为
F=ILB=
由左手定则可知,安培力方向沿斜面向上
当导体棒的加速度为零时,速度最大
即:mgsinθ=
可解得最大速度为vm=
答案:(1)I=
　方向为从N到M　(2)vm=
【核心归纳】
1.导体中的感应电流在磁场中将受到安培力作用,所以电磁感应问题往往与力学问题联系在一起,处理此类问题的基本方法:
(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。
2.电磁感应现象中涉及的具有收尾速度的力学问题,关键要抓好受力情况和运动情况的动态分析:
周而复始地循环,达到稳定状态时,加速度等于零,导体达到稳定运动状态。
3.两种运动状态的处理思路:
(1)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。
(2)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。
【特别提醒】
电磁感应中力学问题的解题技巧
(1)将安培力与其他力一起进行分析。
(2)要特别注意安培力的大小和方向都有可能变化,不像重力或其他力一样是恒力。
(3)列出稳定状态下的受力平衡方程往往是解题的突破口。
【过关训练】
1.如图所示,两平行金属导轨水平放置,导轨间接有电阻R,置于匀强磁场中,导轨上垂直搁置两根金属棒ab、cd。当用外力F拉动ab棒向右运动的过程中,cd棒将会
(　　)
A.保持静止　　
B.向左运动
C.向右运动
D.向上跳起
【解析】选C。当用外力F拉动ab棒向右运动,根据右手定则,在ab棒中产生从b到a的电流,则在cd棒中有从c到d的电流,根据左手定则,cd棒受到向右的安培力,所以cd棒将会向右运动。故C正确,A、B、D错误。
2.(多选)如图所示,一金属方框abcd从离磁场区域上方高h处自由下落,然后进入与线框平面垂直的匀强磁场中。在进入磁场的过程中,可能发生的情况是
(　　)
A.线框做变加速运动
B.线框做匀加速运动
C.线框做匀减速运动
D.线框做匀速运动
【解析】选A、D。在进入磁场的过程中,若安培力等于
重力,即mg=
,线框做匀速运动,D可能。若安培力大
于重力,线框做减速运动,随着速度的变化安培力也发生
变化,由牛顿第二定律可知加速度大小也发生变化,不
是匀变速直线运动,C错;若安培力小于重力,线框做加
速运动,但随着向上的安培力的逐渐增大,加速度逐渐
减小,线框做的也是变加速直线运动,B错;同理判断A对,故选A、D。
3.如图所示,水平放置的平行金
属导轨宽度为d=1
m,导轨间接
有一个阻值为R=2
Ω的灯泡,
一质量为m=1
kg的金属棒跨接在导轨之上,其电阻为
r=1
Ω,且和导轨始终接触良好。整个装置放在磁感应
强度B=2
T的匀强磁场中,磁场方向垂直导轨平面向下。
金属棒与导轨间的动摩擦因数μ=0.2,现对金属棒施加一水平向右的拉力F=10
N,使金属棒从静止开始向右运动。则金属棒达到的稳定速度v是多少?此时灯泡的实际功率P是多少?
【解析】由I=
和F安=BId
可得F安=
根据平衡条件可得F=μmg+F安
解得v=6
m/s
所以I=
=4
A
由P=I2R得P=32
W
答案:6
m/s　32
W
三　电磁感应中的功能关系问题
【典例】(多选)如图,水平放置的光滑平行金属导轨上有一质量为m电阻不计的金属棒ab,在一水平恒力F作用下由静止向右运动,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做何运动,它克服安培力做的功一定等于电路中产生的电能
【正确解答】选C、D。金属棒所受的安培力为:FA=BIL
速度增大,安培力增大,则加速度减小,故
A错误。根据能量守恒知,外力F对ab做的功等于电路
中产生的电能以及ab棒的动能之和,故B错误。当ab棒
匀速运动时,外力做的功全部转化为电路中的电能,则
外力F做功的功率等于电路中的电功率,故C正确。根
据功能关系知,克服安培力做的功等于电路中产生的
电能,故D正确。故选C、D。
【核心归纳】
1.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。可简单表述如下:
2.电磁感应中的能量问题分析思路:
(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)分清有哪些力做功,明确有哪些形式的能量发生了转化。
(3)根据功能关系列式求解。
【易错提醒】
不能混淆安培力做功还是克服安培力做功,前者是电能转化为其他形成的能,后者是其他形式的能转化为电能。
【过关训练】
1.如图所示,质量为m,高度为h的矩形导
体线框在竖直面内由静止开始自由下
落。它的上下两边始终保持水平,途中
恰好匀速通过一个有理想边界的匀强磁场区域,区域上
下宽度也为h,则线框在此过程中产生的热量为
(　　)
A.mgh
B.大于mgh,小于2mgh
C.2mgh
D.大于2mgh
【解析】选C。线框穿过磁场时产生感应电流,线框的机械能减少,线框产生的热量等于线框减少的机械能,线框匀速下落,动能不变,重力势能减少,线框穿过磁场的整个过程中减少的机械能ΔE=2mgh,则线框产生的热量:Q=ΔE=2mgh,故C正确。
2.如图所示,先后以速度v1和v2(v1=2v2)匀速地把同一线圈从同一位置拉出有界匀强磁场的过程中,在先后两种情况下:
(1)线圈中的感应电流之比I1∶I2=________。?
(2)线圈中产生的热量之比Q1∶Q2=________。?
(3)拉力做功的功率之比P1∶P2=________。?
【解析】(1)根据E=BLv,得感应电流
可知感应电流I∝v,所以感应电流之比I1∶I2=2∶1。
(2)由焦耳定律得:热量
可知Q∝v,则热量之比为2∶1。
(3)匀速运动时,作用在线圈上的外力大小等于安培力
大小,F=F安=BIL=
可知F∝v,则知F1∶F2=2∶1,
外力功率P=Fv,则得P1∶P2=4∶1。
答案:(1)2∶1　(2)2∶1　(3)4∶1