2012【优化方案】精品课件：物理粤教选修3-2第一章第五节

(共45张PPT)
第五节 电磁感应规律的应用
课标定位
学习目标：
1.知道法拉第电机的工作原理．
2.理解电磁感应现象中的能量转化，并会运用能量观点分析电磁感应问题．
重点难点：
1.电磁感应现象中内电路、外电路的分析及感应电动势方向的确定．
2.运用动力学观点及能量观点分析电磁感应现象．
第五节
核心要点突破
课堂互动讲练
知能优化训练
课前自主学案
课标定位
课前自主学案
一、法拉第电机
1．法拉第电机的原理
如图1－5－1所示是_______做成的世界上第一台发电机模型的原理图．
法拉第
把一个铜盘放在磁场里，使磁感线_____穿过铜盘；转动铜盘，就可以使_________获得持续的电流．
图1－5－1
垂直
闭合电路
2．感应电动势的大小
(1)铜盘可以看做由无数根长度等于铜盘半径的导体棒组成，导体棒在转动过程中要_____磁感线(如图1－5－2所示)．
图1－5－2
切割
(2)铜盘转动时，由于棒上各处速率_____，故不能直接用公式E＝BLv进行求解，由v＝ωr可知，棒上各点线速度跟半径成正比，故可用棒的中点的速度作为平均切割速度代入公式E＝BLv计算，根据 ＝ 有：E＝________.
不等
3．感应电动势的方向
导体Oa在转动切割磁感线时产生感应电动势，相当于______.如果它与用电器连接构成闭合电路，则产生感应电流的方向由_______右手定则)．而电源内部电流方向是由负极流向正极，所以O为电动势的______，a为电动势的______.
电源
a→O
正极
负极
二、电磁感应中的能量转化
1．电磁感应中的能量转化
图1－5－3
在电磁感应现象中，产生感应电动势的那部分导体相当于_____.如果电路闭合，电路中会产生_________，而导体又处在磁场中，因此导体将受到_______的作用如图1－5－3所示．
导体ab向右运动，会产生由___流向___的感应电流，在磁场中，通电导体ab要受到_____的安培力作用．
电磁感应现象中产生的电能是通过克服______做功转化而来的．克服_______做了多少功，就有多少_____产生，而这些_____又通过电流做功而转化为其它形式的能．因此，电磁感应现象符合能量守恒定律．
电源
感应电流
安培力
b
a
向左
安培力
安培力
电能
电能
2．反电动势
(1)概念：当电动机通过如图1－5－4所示的电流时,因线圈受_______作用，电动机会按图示方向转动，
图1－5－4
安培力
此时ab、cd两边因切割磁感线而产生的感应电动势的方向跟令线圈转动的电流方向相反，因此也跟外加电压的方向相反，这个电动势被称为反电动势．
(2)作用：消弱电源电动势；阻碍线圈的转动．
核心要点突破
一、导体切割磁感线时感应电动势的计算
1．对于导体切割磁感线时，所产生的感应电动势不能死记教材中的E＝BLvsinθ，而是要记住处理问题的方法和普遍适用的公式E＝BLv⊥.
2．导体水平运动时，其速度v与磁感线方向平行，导体不切割磁感线，此时产生的感应电动势E＝0.
3．导体倾斜切割磁感线时，应先把速度v沿平行磁感线方向和垂直磁感线方向分解，再代入公式E＝Blv⊥计算．
4．导体棒以端点为轴，在垂直于磁感线的匀强磁场中匀速转动产生的感应电动势：E＝BL2ω(平均速度取中点位置线速度Lω)．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
1.如图1－5－5所示，
图1－5－5
长为1 m的导体棒，在垂直纸面向里的匀强磁场中以a点为圆心做圆周运动，角速度为2 rad/s，磁感应强度为B＝2 T，则金属导体棒中产生的感应电动势大小为__________．
答案：2 V
二、电磁感应中的力、电综合问题
电磁感应的题目往往综合性较强，与前面的知识联系较多，涉及到力和运动、能量、直流电路、安培力等多方面的知识．应用主要可分为以下两个方面：
1．电磁感应现象中的力学问题分析
(1)基本思路是：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→感应电动势变化→……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．要画好受力图，抓住a＝0时速度v达到最大值的特点．
(2)基本方法是：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求回路中的电流强度的大小和方向．
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．
(3)电磁感应现象中涉及的具有收尾速度的力学问题
①关键要抓好受力情况和运动情况的动态分析
加速度等于零时，导体达到稳定运动状态．
②两种状态处理
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；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：对于电磁感应现象中，导体在安培力及其他力共同作用下运动，最终趋于一稳定状态的问题，利用好导体达到稳定状态时的平衡方程，往往是解答该类问题的突破口．
2．电磁感应现象中的能量问题分析
(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阻的内能．
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，转化过来的电能也将全部转化为电阻的内能．
(2)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．
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
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：
③根据能量守恒列方程求解．
(3)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．
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
2. (双选)如图1－5－6所示，位于一水平面内的两根平行的光滑金属导轨，处在匀强磁场中，磁场方向垂直于导轨所在的平面，导轨的一端与一电阻相连；具有一定质量的金属杆ab放在导轨上并与导轨垂直．现用一平行于导轨的恒力F拉杆ab，使它由静止开始向右运动．杆和导轨的电阻、感应电流产生的磁场均可不计．用E表示回路中的感应电动势，I表示回路中的感应电流，在I随时间增大的过程中，电阻消耗的功率等于(　　)
图1－5－6
A．F的功率
B．克服安培力的功率
C．F与安培力的合力的功率
D．IE
解析：选BD.ab棒上产生的是动生电动势，设两导轨之间的距离为l，由题知，ab杆由静止开始向右加速运动，切割磁感线产生的电动势为E＝Blv逐渐增大，所以电流I＝ ＝ 逐渐增大，ab杆所受的安培力F安＝BIl＝ 也逐渐增大，由牛顿第二定律得F－F安＝ma，所以杆的加速度为a＝
－ 逐渐减小，故杆ab开始做的是向右的加
速度a逐渐减小的加速运动；当a减小到零时，速度达到最大，vmax＝ ，以后杆ab将以最大速度vmax做匀速直线运动．在杆ab达到最大速度vmax之前，通过外力做功与安培力做功，使其他形式的能转化为电路中的电能与金属杆的动能，其中克服安培力所做的功等于电路中的电能，所以电阻消耗的功率等于克服安培力做功的功率，选项B正确；由于电路中的电功率还可以表示为IE，所以选项D正确．
课堂互动讲练
导体棒转动切割磁感线电动势的计算
如图1－5－7所示，
例1
图1－5－7
半径为L的金属圆盘放置在磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中，在圆盘的圆心和边缘间接有一电阻为R的电阻,现该金属圆盘以角速度ω旋转，在金属圆盘电阻不计的情况下求电阻R两端的电压的大小．
【思路点拨】　该题的金属圆盘中的每一条半径都可以看成一条长为L的金属棒，所有这些金属棒一端都在金属圆盘的边缘上，另一端交于O点，且绕O点以角速度ω旋转．所有这些金属棒并联，所以电阻R两端的电压的大小等于每一条金属棒产生的电动势的大小即为 BL2ω.
【精讲精析】
在解答该题之前，应先回顾一下我们比较熟悉的一个物理模型：
如图1－5－8所示，
图1－5－8
一根长为L的金属棒AO，在磁感应强度为B的磁场中绕O点以角速度ω旋转，求棒AO两端的电势差．
【答案】　 BL2ω
【方法总结】　导体棒绕一固定端点转动时，单位时间内扫过面积S＝ ωL2，棒的各点平均速率 ＝ ωL，记住这些公式在解决选择题、填空题时可以达到事半功倍的效果．
电磁感应和力学知识的综合应用
如图1－5－9
例2
图1－5－9
所示，水平放置的平行金属导轨，相距l＝0.50 m,左端接一电阻R＝0.20 Ω，磁感应强度B＝0.40 T的匀强磁场方向垂直导轨平面，导体棒ac垂直放在导轨上，并能无摩擦地沿导轨滑动，导轨和导体棒的电阻均可忽略不计，当ac以v＝4.0 m/s的速度水平向右匀速滑动时，求：
(1)ac棒中感应电动势的大小；
(2)回路中感应电流的大小；
(3)维持ac棒做匀速运动的水平外力F的大小．
【思路点拨】
【自主解答】　(1)由导体棒切割磁感线产生感应电动势表达式得ac的电动势为E＝BLv＝0.40×0.50×4.0 V＝0.80 V.
(2)由闭合电路欧姆定律得感应电流大小为
I＝ ＝ A＝4.0 A.
(3)由于ac棒受安培力F＝BIL＝0.4×4.0×0.5 N＝0.8 N，由平衡条件知外力的大小也为0.8 N.
【答案】　(1)0.8 V　(2)4.0 A　(3)0.8 N
【方法总结】　导体中的感应电流在磁场中将受到安培力作用，所以电磁感应问题常常与力学问题联系在一起，处理此类问题的基本方法是：
(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)求电路中电流强度的大小和方向．
(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．
用能量观点解析电磁感应问题
(单选)如图1－5－10所示，
例3
图1－5－10
虚线框abcd内为一矩形匀强磁场区域，ab＝2bc，磁场方向垂直于纸面，实线框a′b′c′d′是一正方形导线框，a′b′边与ab边平行．若将导线框匀速地拉离磁场区域，以W1表示沿平行于ab的方向拉出过程中外力所做的功；以W2表示以同样速率沿平行于bc的方向拉出过程中外力所做的功,则(　　)
A．W1＝W2　　　　　　　B．W2＝2W1
C．W1＝2W2 D．W2＝4W1
【答案】　B
【方法总结】　电磁感应过程的实质是不同形式的能量之间的转化过程，电磁感应过程中产生的感应电流在磁场中必定受到安培力作用，因此要维持安培力存在，必须有“外力”克服安培力做功，在此过程中，其他形式的能转化为电能，当感应电流通过用电器时，电能又转化为其他形式的能．“外力”克服安培力做多少功，就有多少其他形式的能转化为电能．同理，安培力做功的过程，是电能转化为其他形式能的过程，安培力做多少功就有多少电能转化为其他形式的能．
知能优化训练
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