《2015-2016学年高中物理 第1章 第5节 电磁感应中的能量转化与守恒学案 教科版选修3-2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2015-2016学年高中物理 第1章 第5节 电磁感应中的能量转化与守恒学案 教科版选修3-2（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、学案7电磁感应中的能量转化与守恒目标定位1.进一步理解能量守恒定律是自然界普遍遵循的一条规律，楞次定律的实质就是能量守恒在电磁感应现象中的具体表现.2.通过具体实例理解电磁感应现象中的能量转化.3.掌握电磁感应中动力学问题的分析方法一、电磁感应中的动力学问题1电磁感应中产生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
2、好受力情况和运动情况的动态分析周而复始地循环，加速度等于零时，导体达到稳定运动状态3两种状态处理导体匀速运动，应根据平衡条件列式分析；导体做匀速直线运动之前，往往做变加速运动，处于非平衡状态，应根据牛顿第二定律或结合功能关系分析二、电磁感应中的能量转化与守恒问题设计为什么说楞次定律是能量守恒定律在电磁感应中的具体表现？答案楞次定律表明，感应电流的效果总是阻碍引起感应电流的原因正是由于“阻碍”作用的存在，电磁感应现象中产生电能的同时必然伴随着其他形式能量的减少，可见，楞次定律是能量转化和守恒定律的必然结果要点提炼1电磁感应中的能量转化特点外力克服安培力做功，把机械能或其他形式的能转化成电能；感应
3、电流通过电路做功又把电能转化成其他形式的能(如内能)这一功能转化途径可表示为：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(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：有摩擦力做功，必有内能产生；有重力做功，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(3)列有关能量的关系式3焦耳热的计算技巧(1)感应电路中电流恒定，焦耳热QI2Rt.(2)感应电路中电流变化，可用以下方法分析：利用功能关系，产生的焦耳热等于克服安培力做的功，即QW安而克服安培力做的功W安可由动能定理求得利用能量守恒，即
4、感应电流产生的焦耳热等于其他形式能量的减少，即QE其他一、电磁感应中的动力学问题例1如图1甲所示，两根足够长的直金属导轨MN、PQ平行放置在倾角为的绝缘斜面上，两导轨间距为L，M、P两点间接有阻值为R的电阻一根质量为m的均匀直金属杆ab放在两导轨上，并与导轨垂直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下导轨和ab杆的电阻可忽略，让ab杆沿导轨由静止开始下滑，导轨和ab杆接触良好，不计它们之间的摩擦，已知重力加速度为g.图1(1)由b向a方向看到的装置如图乙所示，请在此图中画出ab杆下滑过程中某时刻的受力示意图(2)在加速下滑过程中，当ab杆的速度大小为v时，求此时ab杆中的
5、电流及其加速度的大小(3)求在下滑过程中，ab杆可以达到的速度最大值解析(1)如图所示，ab杆受力分析：重力mg，竖直向下；支持力N，垂直于斜面向上；安培力F安，沿斜面向上(2)当ab杆速度大小为v时，感应电动势EBLv，此时电路中电流Iab杆受到的安培力F安BIL根据牛顿第二定律，有mamgsin F安mgsin agsin .(3)当a0时，ab杆有最大速度为vm.答案(1)见解析图(2)gsin (3)例2如图2所示，MN和PQ是两根互相平行竖直放置的光滑金属导轨，已知导轨足够长，且电阻不计ab是一根与导轨垂直而且始终与导轨接触良好的金属杆，开始时，将开关S断开，让金属杆ab由静止开始自
6、由下落，过段时间后，再将S闭合，若从S闭合开始计时，则金属杆ab的速度v随时间t变化的图像可能是()图2解析S闭合时，若mg，金属杆ab先减速再匀速，D项有可能；若mg，金属杆ab匀速运动，A项有可能；若mg，金属杆ab先加速再匀速，C项有可能；由于v变化，mgma中a不恒定，故B项不可能答案ACD二、电磁感应中的能量转化与守恒例3如图3所示，足够长的U形框架宽度是L0.5 m，电阻忽略不计，其所在平面与水平面成37角，磁感应强度B0.8 T的匀强磁场方向垂直于导体框平面，一根质量为m0.2 kg、有效电阻R2 的导体棒MN垂直跨放在U形框架上，该导体棒与框架间的动摩擦因数0.5，导体棒由静止
7、开始沿框架下滑到刚开始匀速运动时，通过导体棒横截面的电荷量为Q2 C(sin 370.6，cos 370.8)求：图3(1)导体棒匀速运动的速度大小；(2)导体棒从静止开始下滑到刚开始匀速运动，这一过程中导体棒的有效电阻消耗的电功解析(1)导体棒受力分析如图，匀速下滑时有平行斜面方向：mgsin fF0垂直斜面方向：Nmgcos 0其中fN安培力FBIL电流强度I感应电动势EBLv由以上各式得v5 m/s(2)通过导体棒的电荷量Qt其中平均电流设导体棒下滑位移为x，则BxL由以上各式得x m10 m全程由动能定理得mgxsin W安mgxcos mv2其中克服安培力做功W安等于电功W则Wmgx
8、sin mgxcos mv2(1282.5) J1.5 J.答案(1)5 m/s(2)1.5 J针对训练如图4所示，矩形线圈长为L，宽为h，电阻为R，质量为m，线圈在空气中竖直下落一段距离后(空气阻力不计)，进入一宽度也为h、磁感应强度为B的匀强磁场中线圈进入磁场时的动能为Ek1，线圈刚穿出磁场时的动能为Ek2，从线圈刚进入磁场到线圈刚穿出磁场的过程中产生的热量为Q，线圈克服安培力做的功为W1，重力做的功为W2，则以下关系中正确的是 ()图4AQEk1Ek2 BQW2W1CQW1 DW2Ek2Ek1答案C解析线圈进入磁场和离开磁场的过程中，产生的感应电流受到安培力的作用，线圈克服安培力所做的功
9、等于产生的热量，故选项C正确根据功能的转化关系得，线圈减少的机械能等于产生的热量，即QW2Ek1Ek2，故选项A、B错误根据动能定理得W2W1Ek2Ek1，故选项D错误1(电磁感应中的动力学问题)如图5所示，匀强磁场存在于虚线框内，矩形线圈竖直下落如果线圈中受到的安培力总小于其重力，则它在1、2、3、4位置时的加速度关系为()图5Aa1a2a3a4 Ba1a2a3a4Ca1a3a2a4 Da1a3a2a4答案C解析线圈自由下落时，加速度为a1g.线圈完全在磁场中时，磁通量不变，不产生感应电流，线圈不受安培力作用，只受重力，加速度为a3g.线圈进入和穿出磁场过程中，切割磁感线产生感应电流，将受到
10、向上的安培力，根据牛顿第二定律知，a2g，a4g.线圈完全在磁场中时做匀加速运动，到达4处的速度大于2处的速度，则线圈在4处所受的安培力大于在2处所受的安培力，又知，磁场力总小于重力，则a2a4，故a1a3a2a4.所以本题选C.2. (电磁感应中的能量转化与守恒)如图6所示，两根光滑的金属导轨，平行放置在倾角为的斜面上，导轨的左端接有电阻R，导轨自身的电阻可忽略不计斜面处在一匀强磁场中，磁场方向垂直于斜面向上质量为m、电阻可以忽略不计的金属棒ab，在沿着斜面与金属棒垂直的恒力F作用下沿导轨匀速上滑，且上升的高度为h，在这一过程中 ()图6A作用于金属棒上的各个力的合力所做的功等于零B作用于金
11、属棒上的各个力的合力所做的功等于mgh与电阻R上产生的焦耳热之和C恒力F与安培力的合力所做的功等于零D恒力F与重力的合力所做的功等于电阻R上产生的焦耳热答案AD解析金属棒匀速上滑的过程中，对金属棒受力分析可知，有三个力对金属棒做功，恒力F做正功，重力做负功，安培力阻碍金属棒相对运动，沿斜面向下，做负功匀速运动时，所受合力为零，故合力做功为零，A正确；克服安培力做多少功就有多少其他形式的能转化为电路中的电能，电能又等于R上产生的焦耳热，故外力F与重力的合力所做的功等于电阻R上产生的焦耳热，D正确3. 如图7所示，长为L1、宽为L2的矩形线圈的电阻为R，处于磁感应强度为B的匀强磁场边缘，线圈与磁感
12、线垂直，求将线圈以向右的速度v匀速拉出磁场的过程中，图7(1)拉力F的大小；(2)线圈中产生的电热Q.答案(1)(2)解析(1)线圈被拉出磁场时，线圈所受的拉力与安培力等大反向，故FBIL2I线圈中产生的感应电动势为EBL2v联立上式得F(2)方法一线圈被拉出磁场时所用的时间t所以线圈中产生的电热QI2Rt方法二线圈中产生的电热等于拉力所做的功，故QWFL1.题组一电磁感应中的动力学问题1. 如图1所示，在一匀强磁场中有一U形导线框abcd，线框处于水平面内，磁场与线框平面垂直，R为一电阻，ef为垂直于ab的一根导体杆，它可在ab、cd上无摩擦地滑动杆ef及线框中导线的电阻都可不计开始时，给e
13、f一个向右的初速度，则()图1Aef将减速向右运动，但不是匀减速Bef将匀减速向右运动，最后停止Cef将匀速向右运动Def将往返运动答案A解析ef向右运动，切割磁感线，产生感应电动势和感应电流，会受到向左的安培力而做减速运动，直到停止，但不是匀减速，由FBILma知，ef做的是加速度逐渐减小的减速运动，故A正确2. 如图2所示，金属棒ab置于水平放置的光滑框架cdef上，ab棒与框架接触良好，匀强磁场垂直于ab棒斜向下从某时刻开始磁感应强度均匀减小，同时施加一个水平方向上的外力F使ab棒保持静止，则F()图2A方向向右，且为恒力B方向向右，且为变力C方向向左，且为变力D方向向左，且为恒力答案C
14、解析由EnS可知，因磁感应强度均匀减小，感应电动势E恒定，由F安BIL，I可知，ab棒受到的安培力随B的减小而均匀变小，由外力FF安可知，外力F也均匀减小，为变力，由左手定则可判断F安水平向右，所以外力F水平向左，故C正确3. 如图3所示，有两根和水平方向成角的光滑平行的金属轨道，间距为l，上端接有可变电阻R，下端足够长，空间有垂直于轨道平面的匀强磁场，磁感应强度为B.一根质量为m的金属杆从轨道上由静止滑下，经过足够长的时间后，金属杆的速度会趋于一个最大速度vm，除R外其余电阻不计，则()图3A如果B变大，vm将变大 B如果变大，vm将变大C如果R变大，vm将变大 D如果m变小，vm将变大答案BC解析金属杆从轨道上滑下切割磁感线产生感应电动势EBlv，在闭合电路中形成电流I，因此金属杆从轨道上滑下的过程中除受重力、轨道的弹力外还受安培力F作用，FBIl，先用右手定则判定感应电流的方向，再用左手定则判定出安培力的方向，如图所示根据牛顿第二定律，得mgsin ma，当a0时，vvm，解得vm，故选项B、C正确4. 如图4所示，空间某区域中有一匀强磁场，磁场方向水平，且垂直于纸面向里，磁场上边界b和下
