教科版_选修3-2_5. 电磁感应中的能量转化与守恒课件30张PPT
文档属性
| 名称 | 教科版_选修3-2_5. 电磁感应中的能量转化与守恒课件30张PPT |  | |
| 格式 | ppt | ||
| 文件大小 | 1.4MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 教科版 | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-11-16 14:16:04 | ||
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文档简介
电磁感应中的能量问题
电磁感应与能量守恒
1、能量转化
导体切割磁感线或磁通量发生变化，在回路中产生感应电流，这个过程中机械能或其他形式的能转化为________，具有感应电流的导体在磁场中受安培力作用或通过电阻发热，又可使电能转化为________或________．因此，电磁感应过程中总是伴随着能量的转化．
2、电磁感应过程的实质是不同形式的能量转化的过程，而能量的转化是通过安培力做功的形式实现的，安培力做功的过程，是电能转化为其他形式能的过程，外力克服安培力做功，则是其他形式的能转化为电能的过程．
1.电能 机械能 内能
3、用能量方法解决电磁感应问题的一般步骤
(1)用法拉第电磁感应定律和楞次定律确定电动势的大小和方向．
(2)画出等效电路，求出回路中电阻消耗电功率的表达式．
(3)分析导体机械能的变化，用能量守恒关系得到机械功率的改变与回路中电功率的改变所满足的关系式．
例题1：
【回归课本】 在倾角θ=30°的斜面上，沿下滑方向铺两条平行的光滑导轨，导轨足够长，导轨的间距为l=0.1m,两者的底端a和b用R=0.04Ω的电阻相连，如图所示。在导轨上垂直于导轨放有一根金属杆cd，其质量m=0.005kg,今用垂直于斜面加匀强磁场B，当金属杆以v=10m/s的速率匀速下滑时，R中的感应电流方向为a到b，设导轨和金属杆cd的电阻都忽略不计，g取10m/s2,求：
（1）匀强磁场B的大小和方向
（2）电流的功率P电
*
θ
×
v
F安
G
FN
解：（1）由右手定则可知，磁场的方向垂直于斜面向上。
匀速时，受力平衡得, F安=mgsinθ
又∵ F安=BIL，I=E/R ，E=BLV
得
力学方法
方法二：设匀速下滑一段过程中（位移为x），由能量守恒得
能量守恒
求：（1）匀强磁场B的大小和方向
（2）电流的功率P电
x
×
*
用能量转化和守恒的观点解决电磁感应的问题，只需要从过程考虑，不涉及电流产生的具体细节，可以使计算方便，解题简便。
例题小结：
（2）P电=
得 P电=0.25W
方法二：在匀速下滑中，由能量守恒得
P电=P重=mgvsinθ=0.005×10×0.5W
=0.25W
求：（1）匀强磁场B的大小和方向
（2）电流的功率P电
R=0.04Ω L=0.1m v=10m/s
*
原题拓展：
（3）若已知金属杆的电阻为r=0.01Ω，试确定金属杆稳定时，d、c两端的电势高低并求出其电势差？
解：（3）根据右手定则，产生感应电动势的导体相当于电源可知：d点的电势高于c点的电势:
原题拓展：
（4）若已知金属杆的电阻为r，且导体棒经过时间t达到稳定速率，试确定金属杆沿斜面下滑的距离？
解：在金属杆达到稳定之前，金属杆做加速度减小的加速运动，由牛顿第二定律可知：
1．导体棒在磁场中切割磁感线时，若速度发生变化，会影响电动势、电流发生变化，进而影响导体棒的受力发生变化，从而引起加速度变化．
2．在电磁感应现象中，通过安培力做功实现其他形式能量向电能的转化，电路再通过用电器转化为其他形式能量．
3．对变化的电流，在计算电量时，用电流的平均值；在计算焦耳热时，一般根据能量守恒定律间接计算．
小思考 微总结
(2014·江苏单科)如图所示，在匀强磁场中有一倾斜的平行金属导轨，导轨间距为L，长为3d，导轨平面与水平面的夹角为θ，在导轨的中部刷有一段长为d的薄绝缘涂层．匀强磁场的磁感应强度大小为B，方向与导轨平面垂直．质量为m的导体棒从导轨的顶端由静止释放，在滑上涂层之前已经做匀速运动，并一直匀速滑到导轨底端．导体棒始终与导轨垂直，且仅与涂层间有摩擦，接在两导轨间的电阻为R，其他部分的电阻均不计，重力加速度为g.求：
[试题调研]
(1)导体棒与涂层间的动摩擦因数μ；
(2)导体棒匀速运动的速度大小v；
(3)整个运动过程中，电阻产生的焦耳热Q.
[解题指导]
(1)导体棒在绝缘涂层运动时没有感应电流，不受安培力，根据匀速运动可求动摩擦因数．
(2)在光滑导轨上匀速运动，根据平衡条件求速度．
(3)根据能量守恒求焦耳热．
[答案] 见解析
例题2
名师归纳点题破疑
(多选)如图所示，固定在同一水平面上的两平行金属导轨AB、CD，两端接有阻值相同的两个定值电阻．质量为m的导体棒垂直放在导轨上，轻弹簧左端固定，右端连接导体棒，整个装置处于竖直向下的匀强磁场中．当导体棒静止在OO′位置时，弹簧处于原长状态．此时给导体棒一个水平向右的初速度v0，它能向右运动的最远距离为d，且能再次经过OO′位置．已知导体棒所受的摩擦力大小恒为f，导体棒向右运动过程中左侧电阻产生的热量为Q，不计导轨和导体棒的电阻．则( )
【变式训练2 】
电磁感应中的几个功能关系
(1)导体克服安培力做的功等于产生的电能W安＝E电；
(2)若电路为纯电阻电路，则电磁感应中产生的电能又完全转化为电路的焦耳热Q＝E电；
(3)导体克服安培力做的功等于消耗的机械能W安＝E机械能；
(4)综合起来可以看出“电路的焦耳热”等于“电磁感应中产生的电能”等于“机械能的减小”，即Q＝E电＝E机械能．这里还要特别明确“能量转化的层次性”，即E机械能→E电→Q，其中第一次转化是通过克服安培力做功W安来实现，第二次转化是通过感应电流流经电阻转化为焦耳热来实现．
课堂小结
【课堂训练1】如图所示，足够长平行金属导轨倾斜放置，倾角为37°，宽度为0.5 m，电阻忽略不计，其上端接一小灯泡，电阻为1 Ω.一导体棒MN垂直于导轨放置，质量为0.2 kg，接入电路的电阻为1 Ω，两端与导轨接触良好，与导轨间的动摩擦因数为0.5.在导轨间存在着垂直于导轨平面的匀强磁场，磁感应强度为0.8 T．将导体棒MN由静止释放，运动一段时间后，小灯泡稳定发光，此后导体棒MN的运动速度以及小灯泡消耗的电功率分别为(重力加速度取g＝10 m/s2，sin 37°＝0.6)( )
A．2.5 m/s 1 W
B．5 m/s 1 W
C．7.5 m/s 9 W
D．15 m/s 9 W
【课堂训练2】如图甲所示，在虚线mn的上方存在垂直纸面向里的匀强磁场，mn的下方存在竖直向下的匀强磁场，mn上下两侧磁场的磁感应强度大小相等．将两根足够长的直导轨平行放置在磁场中，且贯穿虚线的上下两侧．取两根等长的金属棒a、b，两端分别套上金属环，然后将两金属棒套在长直导轨上，其中a棒置于虚线上侧，b棒置于虚线下侧．从t＝0时刻开始在a棒上加一竖直向上的外力F，使a棒由静止开始向上做匀加速直线运动，外力随时间的变化规律如图乙所示，同时b棒在t＝0时刻由静止释放．已知两导轨的间距为L＝1.5 m，a、b棒的质量分别为m1＝1 kg、m2＝0.27 kg，两金属棒的总电阻为R＝1.8 Ω，忽略导轨的电阻，b棒与导轨的动摩擦因数为μ＝0.75，不计a棒与导轨之间的摩擦，取g＝10 m/s2.
甲 乙
(1)求虚线上下两侧的磁感应强度大小以及a棒匀加速运动的加速度大小；
(2)如果在0～2 s的时间内外力F对a棒做功为40 J，则该过程中整个电路产生的焦耳热为多少？
(3)经过多长时间b棒的速度最大？
答案：(1)1.2 T 1 m/s2 (2)18 J (3)2 s
电磁感应与能量守恒
1、能量转化
导体切割磁感线或磁通量发生变化，在回路中产生感应电流，这个过程中机械能或其他形式的能转化为________，具有感应电流的导体在磁场中受安培力作用或通过电阻发热，又可使电能转化为________或________．因此，电磁感应过程中总是伴随着能量的转化．
2、电磁感应过程的实质是不同形式的能量转化的过程，而能量的转化是通过安培力做功的形式实现的，安培力做功的过程，是电能转化为其他形式能的过程，外力克服安培力做功，则是其他形式的能转化为电能的过程．
1.电能 机械能 内能
3、用能量方法解决电磁感应问题的一般步骤
(1)用法拉第电磁感应定律和楞次定律确定电动势的大小和方向．
(2)画出等效电路，求出回路中电阻消耗电功率的表达式．
(3)分析导体机械能的变化，用能量守恒关系得到机械功率的改变与回路中电功率的改变所满足的关系式．
例题1：
【回归课本】 在倾角θ=30°的斜面上，沿下滑方向铺两条平行的光滑导轨，导轨足够长，导轨的间距为l=0.1m,两者的底端a和b用R=0.04Ω的电阻相连，如图所示。在导轨上垂直于导轨放有一根金属杆cd，其质量m=0.005kg,今用垂直于斜面加匀强磁场B，当金属杆以v=10m/s的速率匀速下滑时，R中的感应电流方向为a到b，设导轨和金属杆cd的电阻都忽略不计，g取10m/s2,求：
（1）匀强磁场B的大小和方向
（2）电流的功率P电
*
θ
×
v
F安
G
FN
解：（1）由右手定则可知，磁场的方向垂直于斜面向上。
匀速时，受力平衡得, F安=mgsinθ
又∵ F安=BIL，I=E/R ，E=BLV
得
力学方法
方法二：设匀速下滑一段过程中（位移为x），由能量守恒得
能量守恒
求：（1）匀强磁场B的大小和方向
（2）电流的功率P电
x
×
*
用能量转化和守恒的观点解决电磁感应的问题，只需要从过程考虑，不涉及电流产生的具体细节，可以使计算方便，解题简便。
例题小结：
（2）P电=
得 P电=0.25W
方法二：在匀速下滑中，由能量守恒得
P电=P重=mgvsinθ=0.005×10×0.5W
=0.25W
求：（1）匀强磁场B的大小和方向
（2）电流的功率P电
R=0.04Ω L=0.1m v=10m/s
*
原题拓展：
（3）若已知金属杆的电阻为r=0.01Ω，试确定金属杆稳定时，d、c两端的电势高低并求出其电势差？
解：（3）根据右手定则，产生感应电动势的导体相当于电源可知：d点的电势高于c点的电势:
原题拓展：
（4）若已知金属杆的电阻为r，且导体棒经过时间t达到稳定速率，试确定金属杆沿斜面下滑的距离？
解：在金属杆达到稳定之前，金属杆做加速度减小的加速运动，由牛顿第二定律可知：
1．导体棒在磁场中切割磁感线时，若速度发生变化，会影响电动势、电流发生变化，进而影响导体棒的受力发生变化，从而引起加速度变化．
2．在电磁感应现象中，通过安培力做功实现其他形式能量向电能的转化，电路再通过用电器转化为其他形式能量．
3．对变化的电流，在计算电量时，用电流的平均值；在计算焦耳热时，一般根据能量守恒定律间接计算．
小思考 微总结
(2014·江苏单科)如图所示，在匀强磁场中有一倾斜的平行金属导轨，导轨间距为L，长为3d，导轨平面与水平面的夹角为θ，在导轨的中部刷有一段长为d的薄绝缘涂层．匀强磁场的磁感应强度大小为B，方向与导轨平面垂直．质量为m的导体棒从导轨的顶端由静止释放，在滑上涂层之前已经做匀速运动，并一直匀速滑到导轨底端．导体棒始终与导轨垂直，且仅与涂层间有摩擦，接在两导轨间的电阻为R，其他部分的电阻均不计，重力加速度为g.求：
[试题调研]
(1)导体棒与涂层间的动摩擦因数μ；
(2)导体棒匀速运动的速度大小v；
(3)整个运动过程中，电阻产生的焦耳热Q.
[解题指导]
(1)导体棒在绝缘涂层运动时没有感应电流，不受安培力，根据匀速运动可求动摩擦因数．
(2)在光滑导轨上匀速运动，根据平衡条件求速度．
(3)根据能量守恒求焦耳热．
[答案] 见解析
例题2
名师归纳点题破疑
(多选)如图所示，固定在同一水平面上的两平行金属导轨AB、CD，两端接有阻值相同的两个定值电阻．质量为m的导体棒垂直放在导轨上，轻弹簧左端固定，右端连接导体棒，整个装置处于竖直向下的匀强磁场中．当导体棒静止在OO′位置时，弹簧处于原长状态．此时给导体棒一个水平向右的初速度v0，它能向右运动的最远距离为d，且能再次经过OO′位置．已知导体棒所受的摩擦力大小恒为f，导体棒向右运动过程中左侧电阻产生的热量为Q，不计导轨和导体棒的电阻．则( )
【变式训练2 】
电磁感应中的几个功能关系
(1)导体克服安培力做的功等于产生的电能W安＝E电；
(2)若电路为纯电阻电路，则电磁感应中产生的电能又完全转化为电路的焦耳热Q＝E电；
(3)导体克服安培力做的功等于消耗的机械能W安＝E机械能；
(4)综合起来可以看出“电路的焦耳热”等于“电磁感应中产生的电能”等于“机械能的减小”，即Q＝E电＝E机械能．这里还要特别明确“能量转化的层次性”，即E机械能→E电→Q，其中第一次转化是通过克服安培力做功W安来实现，第二次转化是通过感应电流流经电阻转化为焦耳热来实现．
课堂小结
【课堂训练1】如图所示，足够长平行金属导轨倾斜放置，倾角为37°，宽度为0.5 m，电阻忽略不计，其上端接一小灯泡，电阻为1 Ω.一导体棒MN垂直于导轨放置，质量为0.2 kg，接入电路的电阻为1 Ω，两端与导轨接触良好，与导轨间的动摩擦因数为0.5.在导轨间存在着垂直于导轨平面的匀强磁场，磁感应强度为0.8 T．将导体棒MN由静止释放，运动一段时间后，小灯泡稳定发光，此后导体棒MN的运动速度以及小灯泡消耗的电功率分别为(重力加速度取g＝10 m/s2，sin 37°＝0.6)( )
A．2.5 m/s 1 W
B．5 m/s 1 W
C．7.5 m/s 9 W
D．15 m/s 9 W
【课堂训练2】如图甲所示，在虚线mn的上方存在垂直纸面向里的匀强磁场，mn的下方存在竖直向下的匀强磁场，mn上下两侧磁场的磁感应强度大小相等．将两根足够长的直导轨平行放置在磁场中，且贯穿虚线的上下两侧．取两根等长的金属棒a、b，两端分别套上金属环，然后将两金属棒套在长直导轨上，其中a棒置于虚线上侧，b棒置于虚线下侧．从t＝0时刻开始在a棒上加一竖直向上的外力F，使a棒由静止开始向上做匀加速直线运动，外力随时间的变化规律如图乙所示，同时b棒在t＝0时刻由静止释放．已知两导轨的间距为L＝1.5 m，a、b棒的质量分别为m1＝1 kg、m2＝0.27 kg，两金属棒的总电阻为R＝1.8 Ω，忽略导轨的电阻，b棒与导轨的动摩擦因数为μ＝0.75，不计a棒与导轨之间的摩擦，取g＝10 m/s2.
甲 乙
(1)求虚线上下两侧的磁感应强度大小以及a棒匀加速运动的加速度大小；
(2)如果在0～2 s的时间内外力F对a棒做功为40 J，则该过程中整个电路产生的焦耳热为多少？
(3)经过多长时间b棒的速度最大？
答案：(1)1.2 T 1 m/s2 (2)18 J (3)2 s