《高中物理：1.4《电磁感应的案例分析》课件（人教版选修3－2）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理：1.4《电磁感应的案例分析》课件（人教版选修3－2）（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1.4 1.4 电磁感应的案例分析电磁感应的案例分析 1.1.能灵活分析实际生活中的电磁感应类问题。能灵活分析实际生活中的电磁感应类问题。 3.3.理解电磁感应过程实质就是不同形式的能的转化过理解电磁感应过程实质就是不同形式的能的转化过程，会从能量的角度分析有关现象。程，会从能量的角度分析有关现象。 2.2.会分析以电磁感应现象为中心综合各种不同的力学会分析以电磁感应现象为中心综合各种不同的力学规律等内容形成的综合类问题。规律等内容形成的综合类问题。 回顾复习：回顾复习：1.1.通电导体在磁场中受到力的作用。通电导体在磁场中受到力的作用。2.2.通电导体在磁场中受到力的方向跟电流方向和磁场方向
2、通电导体在磁场中受到力的方向跟电流方向和磁场方向有关。有关。3.3.方向关系用左手定则来判断。方向关系用左手定则来判断。（当只改变电流方向或是只改变磁场方向时，通电导体（当只改变电流方向或是只改变磁场方向时，通电导体受到的磁场力方向发生改变。）受到的磁场力方向发生改变。）4.4.通电导体在磁场中受力的过程是电能转化为机械能的过程。通电导体在磁场中受力的过程是电能转化为机械能的过程。5.5.当电流方向与磁感线方向平行时，导体不受力。当电流方向与磁感线方向平行时，导体不受力。我们在初中学过了直流电动机，它是由于通电导线在磁场中我们在初中学过了直流电动机，它是由于通电导线在磁场中受到了安培力而产生了
3、运动。你能说出有关的知识吗？受到了安培力而产生了运动。你能说出有关的知识吗？直流电动机的构造直流电动机的构造直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理闭合电键观看闭合电键观看直流电动机的工作过程：直流电动机的工作过程：学过电磁感应现象以后，我们可以从另一个角度审视这个学过电磁感应现象以后，我们可以从另一个角度审视这个问题。问题。电动机转动时，线圈内是否也会产生感应电动势？电动机转动时，线圈内是否也会产生感应电动势？案例案例1 1启动家用空调时，室内的电灯往往会暗一下；正在转动的启动家用空调时，室内的电灯往往会暗一下；正在转动的电风扇叶片，一旦被卡住，电风扇电动机的温度会立刻上电风扇叶片，一旦被卡
4、住，电风扇电动机的温度会立刻上升，时间一久，便会发出一种焦糊味，十分危险。产生这升，时间一久，便会发出一种焦糊味，十分危险。产生这些现象的原因是什么呢些现象的原因是什么呢? ?现在的问题是，既然线圈在磁场中转动，线圈中就会产生现在的问题是，既然线圈在磁场中转动，线圈中就会产生感应电动势。感应电动势加强了电源产生的电流，还是削感应电动势。感应电动势加强了电源产生的电流，还是削弱了它？是有利于线圈的转动，还是阻碍了线圈的转动？弱了它？是有利于线圈的转动，还是阻碍了线圈的转动？在右图中，电源在电动在右图中，电源在电动机线圈中产生的电流的机线圈中产生的电流的方向以及方向以及abab、cdcd两个边两个
5、边受力的方向都已经标出。受力的方向都已经标出。线圈在磁场中转动，线圈因切割磁感线，所以会产生感线圈在磁场中转动，线圈因切割磁感线，所以会产生感应电动势，这个感应电动势跟加在线圈上的电压方向相应电动势，这个感应电动势跟加在线圈上的电压方向相反，总是起到削弱电源电动势的作用，我们把这个电动反，总是起到削弱电源电动势的作用，我们把这个电动势称为反电动势。它的作用是阻碍线圈的转动。如果要势称为反电动势。它的作用是阻碍线圈的转动。如果要使线圈维持原来的转动，电源就要向电动机提供能量。使线圈维持原来的转动，电源就要向电动机提供能量。这正是电能转化为其他形式的能的过程。这正是电能转化为其他形式的能的过程。如
6、果用如果用 表示反电动势，表示反电动势， 表示外加电压，表示外加电压， 表示电动机表示电动机回路的总电阻（线圈和滑环），回路的总电阻（线圈和滑环）， 表示电动机工作时的电表示电动机工作时的电流大小，显然，线圈中的电流为流大小，显然，线圈中的电流为在具有反电动势的电路中，其功率关系为在具有反电动势的电路中，其功率关系为式中式中 是电源供给电动机的功率（输入功率），是电源供给电动机的功率（输入功率）， 是电是电动机输出的机械功率（输出功率），动机输出的机械功率（输出功率）， 是电动机电路中损是电动机电路中损失的热功率失的热功率如果电动机工作中由于机械阻力过大而停止转动，这时没有如果电动机工作中由于
7、机械阻力过大而停止转动，这时没有了反电动势，电阻很小的线圈直接连在电源的两端，电流会了反电动势，电阻很小的线圈直接连在电源的两端，电流会很大，时间长了很可能把电动机烧毁。所以，如果电动机由很大，时间长了很可能把电动机烧毁。所以，如果电动机由于机械故障停转，要立即切断电源，进行检查。于机械故障停转，要立即切断电源，进行检查。思考与讨论：思考与讨论：1.1.电动机空载转动时跟带负载转动时的电流大小一样吗？电动机空载转动时跟带负载转动时的电流大小一样吗？不一样不一样2.2.转动中的电动机因故障卡住不转动时，回路中的电流将转动中的电动机因故障卡住不转动时，回路中的电流将如何变化？如何变化？如图所示，固
8、定在同一水平面内的两根平行长直金属导轨如图所示，固定在同一水平面内的两根平行长直金属导轨的间距为的间距为d d，其右端接有阻值为，其右端接有阻值为R R的电阻，整个装置处在竖的电阻，整个装置处在竖直向上磁感应强度大小为直向上磁感应强度大小为B B的匀强磁场中。一质量为的匀强磁场中。一质量为m m（质（质量分布均匀）的导体杆量分布均匀）的导体杆abab垂直于导轨放置，且与两导轨保垂直于导轨放置，且与两导轨保持良好接触，杆与导轨之间的动摩擦因数为持良好接触，杆与导轨之间的动摩擦因数为。现杆在水平。现杆在水平向左、垂直于杆的恒力向左、垂直于杆的恒力F F作用下从静止开始沿导轨运动距离作用下从静止开始
9、沿导轨运动距离L L时，速度恰好达到最大（运动过程中杆始终与导轨保持垂时，速度恰好达到最大（运动过程中杆始终与导轨保持垂直）。设杆接入电路的电直）。设杆接入电路的电阻为阻为r r，导轨电阻不计，重力加速，导轨电阻不计，重力加速度大小为度大小为g g。则此过程（。则此过程（ ）案例案例2 2A.A.杆的速度最大值为杆的速度最大值为B.B.流过电阻流过电阻R R的电量为的电量为C.C.恒力恒力F F做的功与摩擦力做的功之和等于杆动能的变化量做的功与摩擦力做的功之和等于杆动能的变化量D.D.恒力恒力F F做的功与安培力做的功之和大于杆动能的变化量做的功与安培力做的功之和大于杆动能的变化量本题以两条平
10、行的光滑金属导轨中导体棒本题以两条平行的光滑金属导轨中导体棒abab的运动为背景的运动为背景, ,主要考查学生对电磁感应的受力分析、电路问题及运用力主要考查学生对电磁感应的受力分析、电路问题及运用力和运动的观点分析问题的能力。和运动的观点分析问题的能力。 从电磁感应的角度分析，导体杆、导轨和电阻构成闭合回路，从电磁感应的角度分析，导体杆、导轨和电阻构成闭合回路，回路平面与匀强磁场方向垂直。回路平面与匀强磁场方向垂直。当导体杆受拉力作用沿导轨向左运动时，其中产生从当导体杆受拉力作用沿导轨向左运动时，其中产生从b b 流向流向a a的感应电流，感应电流随导体杆速度的增大而增大。的感应电流，感应电流
11、随导体杆速度的增大而增大。有感应电流通过的导体杆，在磁场中要受到向后的安培力作有感应电流通过的导体杆，在磁场中要受到向后的安培力作用。力的大小随感应电流的增大而增大。用。力的大小随感应电流的增大而增大。分析：分析：也就是说，导体杆在磁场中沿运动方向受到三个力的作也就是说，导体杆在磁场中沿运动方向受到三个力的作用：拉力用：拉力F F，方向向左，大小不变；摩擦力，方向向右，大，方向向左，大小不变；摩擦力，方向向右，大小为小为 mgmg；安培力，方向向右，大小随速度的增大而增大。安培力，方向向右，大小随速度的增大而增大。导体杆开始运动后的一段时间内，速度较小，摩擦力与安培导体杆开始运动后的一段时间内
12、，速度较小，摩擦力与安培力的和小于拉力力的和小于拉力F F，导体杆受到的合力方向向左，杆的速度逐，导体杆受到的合力方向向左，杆的速度逐渐增大，感应电流增大，安培力也增大，合力逐渐减小，所渐增大，感应电流增大，安培力也增大，合力逐渐减小，所以杆做的是加速度向左的变加速直线运动；以杆做的是加速度向左的变加速直线运动；经过一段时间，摩擦力与安培力的和与拉力经过一段时间，摩擦力与安培力的和与拉力F F相等，合力与加相等，合力与加速度都为速度都为0 0，则杆就以某个最大速度向左做匀速运动。此时杆，则杆就以某个最大速度向左做匀速运动。此时杆运动的距离为运动的距离为L L从电路的角度分析，导体杆相当于电路中
13、的电源，其电阻从电路的角度分析，导体杆相当于电路中的电源，其电阻r r为电源电阻，电阻为电源电阻，电阻R R为外电阻，它们组成了下图所示的电路。为外电阻，它们组成了下图所示的电路。解析：当杆达到最大速度解析：当杆达到最大速度v vm m时，时，得得 ，A A错；错；由公式由公式 ，B B对；对；在棒从开始到达到最大速度的过程中由动能定理有：在棒从开始到达到最大速度的过程中由动能定理有： ，其中，其中 ， ，恒力恒力F F做的功与摩擦力做的功之和等于杆动能的变化量与回做的功与摩擦力做的功之和等于杆动能的变化量与回路产生的焦耳热之和，路产生的焦耳热之和，C C错；恒力错；恒力F F做的功与安培力做
14、的功做的功与安培力做的功之和等于杆动能的变化量与克服摩擦力做的功之和，之和等于杆动能的变化量与克服摩擦力做的功之和，D D对。对。答案：答案：BDBD一、巧解电磁感应中力、电、能等综合问题的关键：一、巧解电磁感应中力、电、能等综合问题的关键：1.1.认真审题，弄清题目给出的情景和运动过程的关键状态。认真审题，弄清题目给出的情景和运动过程的关键状态。2.2.明确等效电源，画出等效电路，进行电路的分析并列式。明确等效电源，画出等效电路，进行电路的分析并列式。3.3.确定研究对象进行受力分析，确定研究对象进行受力分析， 画出受力示意图。画出受力示意图。4.4.写出安培力的表达式，抓住关键状态列出牛顿
15、运动定律的写出安培力的表达式，抓住关键状态列出牛顿运动定律的表达式。表达式。5.5.确定研究过程，明确安培力做功与电路中电能的转化关系，确定研究过程，明确安培力做功与电路中电能的转化关系，列出动能定理的表达式。列出动能定理的表达式。6.6.联立方程进行求解。联立方程进行求解。规律总结规律总结1.1.力的观点：是指应用牛顿第二定律和运动学公式解决问力的观点：是指应用牛顿第二定律和运动学公式解决问题的方法，即先对研究对象进行受力分析，根据受力变化题的方法，即先对研究对象进行受力分析，根据受力变化应用牛顿第二定律判断加速度的变化情况，最后找出求解应用牛顿第二定律判断加速度的变化情况，最后找出求解问题
16、的方法。问题的方法。2.2.能量的观点：动能定理、能量转化守恒定律在电磁感应能量的观点：动能定理、能量转化守恒定律在电磁感应中同样适用。中同样适用。 二、巧解电磁感应与力学综合题的两个基本思路巧解电磁感应与力学综合题的两个基本思路1.1.一金属圆环水平固定放置。现将一竖直的条形磁铁，在一金属圆环水平固定放置。现将一竖直的条形磁铁，在圆环上方沿圆环轴线从静止开始释放，在条形磁铁穿过圆圆环上方沿圆环轴线从静止开始释放，在条形磁铁穿过圆环的过程中，条形磁铁与圆环环的过程中，条形磁铁与圆环A A始终相互吸引始终相互吸引B B始终相互排斥始终相互排斥C C先相互吸引，后相互排斥先相互吸引，后相互排斥D
17、D先相互排斥，后相互吸引先相互排斥，后相互吸引答案：答案：D D2.2.如图，两根足够长的光滑金属导轨如图，两根足够长的光滑金属导轨abab、cdcd竖直放置，导轨间距竖直放置，导轨间距离为离为L L，电阻不计。在导轨上端并接两个额定功率均为，电阻不计。在导轨上端并接两个额定功率均为P P、电阻均、电阻均为为R R的小灯泡。整个系统置于匀强磁场中，磁感应强度方向与导轨的小灯泡。整个系统置于匀强磁场中，磁感应强度方向与导轨所在平面垂直。现将一质量为所在平面垂直。现将一质量为m m、电阻可以忽略的金属棒、电阻可以忽略的金属棒MNMN从图示从图示位置由静止开始释放。金属棒下落过程中保持水平，且与导轨
18、接位置由静止开始释放。金属棒下落过程中保持水平，且与导轨接触良好。已知某时刻后两灯泡保持正常发光。重力加速度为触良好。已知某时刻后两灯泡保持正常发光。重力加速度为g g。求：。求： (1)(1)磁感应强度的大小；磁感应强度的大小； (2)(2)灯泡正常发光时导体棒的运动速率。灯泡正常发光时导体棒的运动速率。解析：每个灯上的额定电流为解析：每个灯上的额定电流为额定电压为：额定电压为：（1 1）最后）最后MNMN匀速运动匀速运动, ,故：故：2BIL=mg2BIL=mg求出：求出：（2 2）由）由U=BLvU=BLv得：得：3.3.如图所示，两根足够长的光滑金属导轨如图所示，两根足够长的光滑金属导
19、轨MNMN、PQPQ之间的间距为之间的间距为l=0.5m=0.5m，其电阻不计，两导轨及其构成的平面均与水平面成，其电阻不计，两导轨及其构成的平面均与水平面成3030角。完全相同的两金属棒角。完全相同的两金属棒abab、cdcd分别垂直导轨放置，每棒两端都分别垂直导轨放置，每棒两端都与导轨始终良好接触，已知两棒的质量均为与导轨始终良好接触，已知两棒的质量均为0.02kg0.02kg，电阻均为，电阻均为R=0.1R=0.1，整个装置处在垂直于导轨平面向上的匀强磁场中，磁感，整个装置处在垂直于导轨平面向上的匀强磁场中，磁感应强度为应强度为B=0.2TB=0.2T，棒，棒abab在平行于导轨向上的力
20、在平行于导轨向上的力F F作用下，沿导轨向作用下，沿导轨向上匀速运动，而棒上匀速运动，而棒cdcd恰好能保持静止。取恰好能保持静止。取g=10m/sg=10m/s2 2，问：，问： （1 1）通过）通过cdcd棒的电流棒的电流I I是多少？方向如何？是多少？方向如何？（2 2）棒）棒abab受到的力受到的力F F多大？多大？（3 3）棒）棒cdcd每产生每产生0.1J0.1J的热量，的热量， 力力F F做的功做的功W W是多少？是多少？（1 1）棒）棒cdcd受到的安培力受到的安培力 棒棒cdcd在共点力作用下平衡，则在共点力作用下平衡，则 由由式代入数据解得式代入数据解得=1A=1A，方向由
21、右手定则可知由，方向由右手定则可知由d d到到c c。（2 2）棒）棒abab与棒与棒cdcd受到的安培力大小相等受到的安培力大小相等 F Fabab=F=Fcdcd对棒对棒abab由共点力平衡有由共点力平衡有 代入数据解得代入数据解得 F=0.2N F=0.2N （3 3）设在时间）设在时间t t内棒内棒cdcd产生产生0.1J0.1J热量，由焦耳定律可知热量，由焦耳定律可知 设设abab棒匀速运动的速度大小为棒匀速运动的速度大小为v v，则其的感应电动势，则其的感应电动势 E=BLv E=BLv 由闭合电路欧姆定律知由闭合电路欧姆定律知 由运动学公式知，在时间由运动学公式知，在时间t t内
22、，棒内，棒abab沿导轨的位移沿导轨的位移 x=vt x=vt 力力F F做的功做的功 W=Fx W=Fx 综合上述各式，代入数据解得综合上述各式，代入数据解得 W=0.4JW=0.4J4.4.如图甲所示，在水平面上固定有长为如图甲所示，在水平面上固定有长为L=2mL=2m、宽为、宽为d=1md=1m的金属的金属“U U”形轨导，在形轨导，在“U U”形导轨右侧形导轨右侧l=0.5m=0.5m范围内存在垂直纸面向范围内存在垂直纸面向里的匀强磁场，且磁感应强度随时间变化规律如图乙所示。在里的匀强磁场，且磁感应强度随时间变化规律如图乙所示。在t=0t=0时刻，质量为时刻，质量为m=0.1kgm=0
23、.1kg的导体棒以的导体棒以v v0 0=1m/s=1m/s的初速度从导轨的左的初速度从导轨的左端开始向右运动，导体棒与导轨之间的动摩擦因数为端开始向右运动，导体棒与导轨之间的动摩擦因数为=0.1=0.1，导，导轨与导体棒单位长度的电阻均为轨与导体棒单位长度的电阻均为 ，不计导体棒与导轨，不计导体棒与导轨之间的接触电阻及地球磁场的影响（取之间的接触电阻及地球磁场的影响（取g=10m/sg=10m/s2 2）。）。（1 1）通过计算分析）通过计算分析4s4s内导体棒的运动情况；内导体棒的运动情况；（2 2）计算）计算4s4s内回路中电流的大小，并判断电流的方向；内回路中电流的大小，并判断电流的方
24、向；（3 3）计算）计算4s4s内回路产生的焦耳热。内回路产生的焦耳热。解析：解析：（1 1）导体棒先在无磁场区域做匀减速运动，有）导体棒先在无磁场区域做匀减速运动，有 代入数据解得：代入数据解得： 导体棒没有进入磁场区域。导体棒没有进入磁场区域。导体棒在导体棒在1s1s末已经停止运动，以后一直保持静止，离左末已经停止运动，以后一直保持静止，离左端位置仍为端位置仍为（2 2）前）前2s2s磁通量不变，回路电动势和电流分别为磁通量不变，回路电动势和电流分别为E=0,=0E=0,=0后后2s2s回路产生的电动势为回路产生的电动势为回路的总长度为回路的总长度为5m5m，因此回路的总电阻为，因此回路的
25、总电阻为电流为电流为根据楞次定律，在回路中的电流方向是顺时针方向根据楞次定律，在回路中的电流方向是顺时针方向（3 3）前）前2s2s电流为零，后电流为零，后2s2s有恒定电流，产生的焦耳热为有恒定电流，产生的焦耳热为1.1.能灵活分析实际生活中的电磁感应类问题。能灵活分析实际生活中的电磁感应类问题。 3.3.理解电磁感应过程实质就是不同形式的能的转化过程，理解电磁感应过程实质就是不同形式的能的转化过程，会从能量的角度分析有关现象。会从能量的角度分析有关现象。 2.2.会分析以电磁感应现象为中心综合各种不同的力学规会分析以电磁感应现象为中心综合各种不同的力学规律等内容形成的综合类问题。掌握律等内容形成的综合类问题。掌握巧解电磁感应与力学巧解电磁感应与力学综合题的两个基本思路。综合题的两个基本思路。最大的骄傲与最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。斯宾诺莎同学们来学校和回家的路上要注意安全同学们来学校和回家的路上要注意安全
