《45《电磁感应规律的应用》课件(新人教选修3-2)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《45《电磁感应规律的应用》课件(新人教选修3-2)（24页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、4.5 电磁感应规律的两类情况电磁感应规律的两类情况导体切割磁感线导体切割磁感线动生电动势动生电动势电键闭合，改变滑动片的电键闭合，改变滑动片的位置位置感生电动势感生电动势ABABABAB相当于电源相当于电源相当于电源相当于电源线圈线圈B B相当相当于电源于电源磁场变化引磁场变化引起的电动势起的电动势+- + + + + + + + + +回顾电荷在外电路和内电路中的运动。回顾电荷在外电路和内电路中的运动。电源电动势的作用是某种电源电动势的作用是某种非静电力对自由电荷的作用。非静电力对自由电荷的作用。化学作用就是我们所说的非静电力问题问题: :感应电动势对应的非静电力是一种什么样的作用感应电动
2、势对应的非静电力是一种什么样的作用?一、理论探究动生电动势的产生一、理论探究动生电动势的产生一、理论探究动生电动势的产生一、理论探究动生电动势的产生思考与讨论思考与讨论思考与讨论思考与讨论1、动生电动势是怎样产生的？、动生电动势是怎样产生的？2、什么力充当非静电力？、什么力充当非静电力？提提提提 示示示示导体中的自由电荷受到导体中的自由电荷受到 什么力的作用？什么力的作用？导体棒的哪端电势比较高？导体棒的哪端电势比较高？非静电力与洛伦兹力有关吗？非静电力与洛伦兹力有关吗？F洛- -F电-F电文本呈现文本呈现文本呈现文本呈现： 当导体棒在匀强磁场当导体棒在匀强磁场B B中以速度中以速度v v运动
3、运动时，时，导体棒内部的自由电子要受到导体棒内部的自由电子要受到洛伦兹力洛伦兹力作用，作用，在洛仑兹力作用下电子沿导线在洛仑兹力作用下电子沿导线向向D D 端定向运动端定向运动，使使D D端和端和C C端出现了等量端出现了等量异种异种电荷，电荷，D D为为负极负极（低电势），（低电势），C C为为正极正极（高电势）则导体（高电势）则导体CDCD相相当一个当一个电源电源。 动生电动势的非静电力就是洛伦兹力。动生电动势的非静电力就是洛伦兹力。 例：如图，水平面上有两根相距例：如图，水平面上有两根相距0.5m0.5m的足够长的平的足够长的平行金属导轨行金属导轨MNMN和和PQPQ，它们的电阻可忽略不
4、计，在，它们的电阻可忽略不计，在M M和和 P P之间接有阻值为之间接有阻值为R R 3.03.0的定值电阻，导体棒的定值电阻，导体棒abab长长0.5m0.5m，其电阻为，其电阻为r r 1.01.0 ，与导轨接触良好，与导轨接触良好. .整个装整个装置处于方向竖直向上的匀强磁场中，置处于方向竖直向上的匀强磁场中，B B0.4T0.4T。现使。现使abab以以v v10m10ms s的速度向右做匀速运动。的速度向右做匀速运动。（1 1）a ba b哪点电势高哪点电势高? a b? a b两点间的电压多大？两点间的电压多大？（2 2）维持）维持abab做匀速运动的外力多大？做匀速运动的外力多大
5、？（3 3）abab向右运动向右运动1m1m的过程中，外力做的功是多少？电路的过程中，外力做的功是多少？电路中产生的热量是多少？中产生的热量是多少？ RBrPMNaQbv（1） a 1.5V（2）0.1N（3）0.1J 0.1J二、理论探究感生电动势的产生二、理论探究感生电动势的产生二、理论探究感生电动势的产生二、理论探究感生电动势的产生电流是怎样产生的？电流是怎样产生的？自由电荷为什么会运动？自由电荷为什么会运动？使电荷运动的力难道是变化使电荷运动的力难道是变化的磁场对其施加的力吗？的磁场对其施加的力吗？猜想：使电荷运动的力可能是猜想：使电荷运动的力可能是洛伦兹力、静电力、或者是其它力洛伦兹
6、力、静电力、或者是其它力磁场变强磁场变强(1)定义定义:变化的磁场在周围空间激发的电场叫变化的磁场在周围空间激发的电场叫感感生电场生电场(涡旋电场涡旋电场).(3) 电场线电场线:是闭合的曲线是闭合的曲线.1、感生电场、感生电场(2)方向方向:就是感生电流的方向就是感生电流的方向. 用楞次定律判断用楞次定律判断.一、感生电场一、感生电场与与感生电动势感生电动势磁场变强磁场变强例例1、如图，内壁光滑的塑料管弯成的圆环平放在、如图，内壁光滑的塑料管弯成的圆环平放在水平桌面上，环内有一带负电小球，整个装置处水平桌面上，环内有一带负电小球，整个装置处于竖直向下的磁场中，当磁场突然增大时，小球于竖直向下
7、的磁场中，当磁场突然增大时，小球将（将（ ）A、沿顺时针方向运动、沿顺时针方向运动B、沿逆时针方向运动、沿逆时针方向运动C、在原位置附近往复运动、在原位置附近往复运动D、仍然保持静止状态、仍然保持静止状态 如图如图,100匝线圈两端匝线圈两端A,B与一个电压表相连与一个电压表相连.线圈内有线圈内有指向纸内方向磁场指向纸内方向磁场,线圈中的磁通量在按图乙所示规线圈中的磁通量在按图乙所示规律变化律变化 (1) 电压表的读数应该等于多少？电压表的读数应该等于多少？ (2) 请在线圈位置上标出请在线圈位置上标出感生电场感生电场的方向的方向 (3) 、两端，哪端应该与电压表标号的接线柱、两端，哪端应该与
8、电压表标号的接线柱连接？连接？例与练例与练1动生电动势动生电动势感生电动势感生电动势特特点点磁场不变磁场不变，闭合电路的整，闭合电路的整体或局部在磁场中体或局部在磁场中运动运动导导致回路中磁通量变化致回路中磁通量变化闭合回路的任何部分都不闭合回路的任何部分都不动，空间动，空间磁场变化磁场变化导致回导致回路中磁通量变化路中磁通量变化原原因因由于由于S变化变化引起引起回路中回路中 变化变化由于由于B变化变化引起引起回路中回路中 变化变化非静电力是洛仑兹力非静电力是洛仑兹力，由洛仑兹力对运动电荷由洛仑兹力对运动电荷作用而产生电动势作用而产生电动势变化磁场在它周围空间激发变化磁场在它周围空间激发感生电
9、场，感生电场，非静电力是感生非静电力是感生电场力电场力，由感生电场力对电，由感生电场力对电荷做功而产生电动势荷做功而产生电动势方方向向的的来来源源非非静静电电力力楞次定律楞次定律楞次定律或右手定则楞次定律或右手定则课堂总结课堂总结课堂总结课堂总结二、电磁感应中的力电综合问题二、电磁感应中的力电综合问题电磁感应中产生的感应电流在磁场中将受到安电磁感应中产生的感应电流在磁场中将受到安培力的作用，因此，电磁感应问题往往跟力学问题培力的作用，因此，电磁感应问题往往跟力学问题联系在一起。联系在一起。解决这类电磁感应中的力学问题，不仅要应用解决这类电磁感应中的力学问题，不仅要应用电磁学中的有关规律，如电磁
10、学中的有关规律，如楞次定律楞次定律、法拉第电磁感法拉第电磁感应定律应定律、左右手定则左右手定则、安培力的计算公式安培力的计算公式等，还要等，还要应用力学中的有关规律，如应用力学中的有关规律，如牛顿运动定律牛顿运动定律、动能定动能定理理、机械能守恒定律机械能守恒定律等。要将电磁学和力学的知识等。要将电磁学和力学的知识综合起来应用。综合起来应用。由于安培力和导体中的电流、运动速度均有关，由于安培力和导体中的电流、运动速度均有关， 所以对磁场中运动导体进行所以对磁场中运动导体进行动态分析动态分析十分必要。十分必要。问题：问题：竖直放置的竖直放置的U U形导轨宽为形导轨宽为L L，上端串有电阻上端串有
11、电阻R R。磁感应强度为。磁感应强度为B B的的匀强磁场方向垂直于纸面向外。金匀强磁场方向垂直于纸面向外。金属棒属棒abab的质量为的质量为m m，与导轨接触良好，与导轨接触良好，不计摩擦。从静止释放后不计摩擦。从静止释放后abab保持水保持水平而下滑。试分析平而下滑。试分析abab下滑过程中的下滑过程中的运动情况并确定能表征其最终运动运动情况并确定能表征其最终运动情况的物理量的值情况的物理量的值（其余导体部（其余导体部分的电阻都忽略不计）分的电阻都忽略不计）基本思路是基本思路是: : F=BILF=BIL临界状态临界状态v v与与a a方向关系方向关系运动状态的分析运动状态的分析a a变化情
12、况变化情况F=maF=ma合外力合外力运动导体所运动导体所受的安培力受的安培力感应电流感应电流确定电源（确定电源（E E，r r）变形变形 ：水平放置水平放置的的U U形导轨宽为形导轨宽为L L，上端串有电阻，上端串有电阻R R，磁感应，磁感应强度为强度为B B匀强磁场方向竖直向下，匀强磁场方向竖直向下，有一根导体棒有一根导体棒abab，与导轨接触与导轨接触良好，良好，用恒力用恒力F F作用在作用在abab上，由静止开始运动，上，由静止开始运动，不计摩擦。不计摩擦。分析分析ab ab 的运动情况，并求的运动情况，并求abab的最大速度。的最大速度。abBR F分析：分析：ab ab 在在F F
13、作用下向右加速运动，切割磁感应线，产生感应作用下向右加速运动，切割磁感应线，产生感应电流，感应电流又受到磁场的作用力电流，感应电流又受到磁场的作用力f f，画出受力图：，画出受力图： f1a=(F-f)/m v E=BLv I= E/R f=BIL F f2最后，当最后，当f=F f=F 时，时，a=0a=0，速度达到最大，速度达到最大， FfF=f=BIL=B2 L2 vm /R vm=FR / B2 L2vm称为收尾速度称为收尾速度.变形：变形：如图所示，竖直平行导轨间距如图所示，竖直平行导轨间距l l=20cm=20cm，导轨，导轨顶端接有一电键顶端接有一电键K K。导体棒。导体棒aba
14、b与导轨接触良好且无摩擦，与导轨接触良好且无摩擦，abab的电阻的电阻R=0.4R=0.4，质量，质量m=10gm=10g，导轨的电阻不计，整，导轨的电阻不计，整个装置处在与轨道平面垂直的匀强磁场中，磁感强度个装置处在与轨道平面垂直的匀强磁场中，磁感强度B=1TB=1T。当。当abab棒由静止释放棒由静止释放0.8s 0.8s 后，突然接通电键，不后，突然接通电键，不计空气阻力，设导轨足够长。求计空气阻力，设导轨足够长。求abab棒的最大速度和最棒的最大速度和最终速度的大小。（终速度的大小。（g g取取10m/s10m/s2 2）K Ka ab b解解: :abab棒由静止开始自由下落棒由静止
15、开始自由下落0.8s0.8s时速度大小为时速度大小为v=gt=8m/sv=gt=8m/s则闭合则闭合K K瞬间，导体棒中产生的感应电流大小瞬间，导体棒中产生的感应电流大小I IBlv/R=4ABlv/R=4Aabab棒受重力棒受重力mg=0.1N, mg=0.1N, 安培力安培力F=BIL=0.8N.F=BIL=0.8N.因为因为F Fmgmg，abab棒加速度向上，开始做减速运动，棒加速度向上，开始做减速运动，产生的感应电流和受到的安培力逐渐减小，产生的感应电流和受到的安培力逐渐减小，当安培力当安培力 F=mgF=mg时，开始做匀速直线运动。时，开始做匀速直线运动。此时满足此时满足B B2
16、2l l2 2 v vm m /R/R =mg=mg解得最终速度，解得最终速度，v vm m = mgR/B = mgR/B2 2l l2 2 = 1m/s= 1m/s。闭合电键时闭合电键时速度最大速度最大为为8m/s8m/s。t=0.8sl=20cmR=0.4m=10gB=1TKabmgF变变形形：竖竖直直放放置置冂冂形形金金属属框框架架，宽宽1m1m，足足够够长长，一一根根质质量量是是0.1kg0.1kg，电电阻阻0.10.1的的金金属属杆杆可可沿沿框框架架无无摩摩擦擦地地滑滑动动. .框框架架下下部部有有一一垂垂直直框框架架平平面面的的匀匀强强磁磁场场，磁磁感感应应强强度度是是0.1T0
17、.1T，金金属属杆杆MNMN自自磁磁场场边边界界上上方方0.8m0.8m处处由由静静止止释放释放( (如图如图).).求：求：(1)(1)金属杆刚进入磁场时的感应电动势；金属杆刚进入磁场时的感应电动势；(2)(2)金属杆刚进入磁场时的加速度；金属杆刚进入磁场时的加速度；(3)(3)金属杆运动的最大速度金属杆运动的最大速度答：答：(1)(1)(2) I=E/R=4A(2) I=E/R=4AF=BIL=0.4NF=BIL=0.4Na=(mg-F)/m=6m/sa=(mg-F)/m=6m/s2 2; ;(3)(3) F=BIL=BF=BIL=B2 2 L L2 2 v vm m /R =mg /R
18、=mg v vm m=mgR / B=mgR / B2 2 L L2 2 =10m/s, =10m/s,E=BLv=0.4V;E=BLv=0.4V;NM拓展：拓展：如图所示如图所示, ,ABAB、CDCD是两根足够长的固定平行是两根足够长的固定平行金属导轨金属导轨, ,两导轨间的距离为两导轨间的距离为L L, ,导轨平面与水平面的导轨平面与水平面的夹角为夹角为, ,在整个导轨平面内都有垂直于导轨平面斜在整个导轨平面内都有垂直于导轨平面斜向上方的匀强磁场向上方的匀强磁场, ,磁感应强度为磁感应强度为B B, ,在导轨的在导轨的 ACAC端连端连接一个阻值为接一个阻值为 R R的电阻的电阻, ,一
19、根质量为一根质量为m m、垂直于导轨放、垂直于导轨放置的金属棒置的金属棒abab, ,从静止开始沿导轨下滑从静止开始沿导轨下滑, ,求此过程中求此过程中abab棒的最大速度棒的最大速度. .已知已知abab与导轨间与导轨间无摩擦无摩擦, ,导轨和金属棒导轨和金属棒的电阻都不计的电阻都不计. .变形变形：如图所示如图所示, ,ABAB、CDCD是两根足够长的固定平行金属导轨是两根足够长的固定平行金属导轨, ,两两导轨间的距离为导轨间的距离为L L, ,导轨平面与水平面的夹角为导轨平面与水平面的夹角为, ,在整个导轨在整个导轨平面内都有垂直于导轨平面斜向上方的匀强磁场平面内都有垂直于导轨平面斜向上
20、方的匀强磁场, ,磁感应强度磁感应强度为为B B, ,在导轨的在导轨的 ACAC端连接一个阻值为端连接一个阻值为 R R的电阻的电阻, ,一根质量为一根质量为m m、垂直于导轨放置的金属棒垂直于导轨放置的金属棒abab, ,从静止开始沿导轨下滑从静止开始沿导轨下滑, ,求此过程求此过程中中abab棒的最大速度棒的最大速度. .已知已知abab与导轨间与导轨间摩擦因数为摩擦因数为, ,导轨和金属导轨和金属棒的电阻都不计棒的电阻都不计. .解析解析:ab:ab沿导轨下滑过程中受四个力作用沿导轨下滑过程中受四个力作用, ,即重力即重力mg,mg,支持力支持力F FN N 、摩擦力、摩擦力F Ff f
21、和安培力和安培力F F安安, ,如图所示如图所示,ab,ab由静止开始下滑后由静止开始下滑后, ,将是将是 所以这是个变加速过程所以这是个变加速过程, ,当加速度减到当加速度减到a=0a=0时时, ,其速度即其速度即增到最大增到最大v=vv=vm m, ,此时必将处于平衡状态此时必将处于平衡状态, ,以后将以以后将以v vm m匀速匀速下滑下滑 labab下滑时因切割磁感线下滑时因切割磁感线, ,要产生感应电动势要产生感应电动势, ,根据电磁根据电磁感应定律感应定律: : E=BLv E=BLv l闭合电路闭合电路ACAC baba中将产生感应电流中将产生感应电流, ,根据闭合电路欧姆根据闭合
22、电路欧姆定律定律: : I=E/R I=E/R l据右手定则可判定感应电流方向为据右手定则可判定感应电流方向为aAC baaAC ba, ,再据左手定再据左手定则判断它受的安培力则判断它受的安培力F F安安方向如图示方向如图示, ,其大小为其大小为: : F F安安= =BILBIL l取平行和垂直导轨的两个方向对取平行和垂直导轨的两个方向对abab所受的力进行正交所受的力进行正交分解分解, ,应有应有: :F FN N= = mg mgcoscos F Ff f= =mgmgcoscos由由可得可得 l以以abab为研究对象，根据牛顿第二定律应有：为研究对象，根据牛顿第二定律应有：lmgmg
23、sinsin mgmgcoscos - - = =mamalabab做加速度减小的变加速运动，当做加速度减小的变加速运动，当a=0a=0时速度达最大时速度达最大l因此，因此，abab达到达到v vm m时应有：时应有：lmgsin mgsin mgcos - =0 mgcos - =0 l由由式可解得式可解得 l注意：在分析运动导体的受力时注意：在分析运动导体的受力时, ,常画出侧面图或常画出侧面图或截面图截面图. . 例例. .电阻为电阻为R R的矩形导线框的矩形导线框abcdabcd，边长，边长ab=1ab=1，ad=had=h，质量，质量为为m m，自某一高度自由落下，通过一匀强磁场，磁场方向，自某一高度自由落下，通过一匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里，磁场区域的宽度为垂直纸面向里，磁场区域的宽度为h h，如图所示，若线框，如图所示，若线框恰好以恒定速度通过磁场，线框内产生的内能是多少？恰好以恒定速度通过磁场，线框内产生的内能是多少？
