（新課標）2018-2019學年高考物理 主題三 電磁感應及其應用 提升課2 電磁感應中的動力學及能量問題課件 新人教版選修3-2.ppt

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提升課2電磁感應中的動力學及能量問題 電磁感應中的動力學問題 1 具有感應電流的導體在磁場中將受到安培力作用 所以電磁感應問題往往與力學問題聯系在一起 處理此類問題的基本方法是 1 用法拉第電磁感應定律和楞次定律求感應電動勢的大小和方向 2 求回路中的感應電流的大小和方向 3 分析導體的受力情況 包括安培力 4 列動力學方程或平衡方程求解 要點歸納 2 兩種狀態(tài)處理 1 導體處于平衡狀態(tài) 靜止或勻速直線運動狀態(tài) 處理方法 根據平衡條件 合力等于零列式分析 2 導體處于非平衡狀態(tài) 加速度不為零 處理方法 根據牛頓第二定律進行動態(tài)分析或結合功能關系分析 例1 如圖1所示 空間存在B 0 5T 方向豎直向下的勻強磁場 MN PQ是水平放置的平行長直導軌 其間距L 0 2m 電阻R 0 3 接在導軌一端 ab是跨接在導軌上質量m 0 1kg 電阻r 0 1 的導體棒 已知導體棒和導軌間的動摩擦因數為0 2 從t 0時刻開始 對ab棒施加一個大小為F 0 45N 方向水平向左的恒定拉力 使其從靜止開始沿導軌滑動 滑動過程中棒始終保持與導軌垂直且接觸良好 求 g 10m s2 圖1 1 導體棒所能達到的最大速度 2 試定性畫出導體棒運動的速度 時間圖象 導體棒受到的安培力F安 BIL 由上式可以看出 隨著速度的增大 安培力增大 加速度a減小 當加速度a減小到0時 速度達到最大 答案 1 10m s 2 見解析圖 2 導體棒運動的速度 時間圖象如圖所示 電磁感應動力學問題中的動態(tài)分析思路 例2 如圖2甲所示 兩根足夠長的直金屬導軌MN PQ平行放置在傾角為 的絕緣斜面上 兩導軌間距為L M P兩點間接有阻值為R的電阻 一根質量為m的均勻直金屬桿ab放在兩導軌上 并與導軌垂直 整套裝置處于磁感應強度為B的勻強磁場中 磁場方向垂直于斜面向下 導軌和金屬桿的電阻可忽略 讓ab桿沿導軌由靜止開始下滑 導軌和金屬桿接觸良好 不計它們之間的摩擦 圖2 1 由b向a方向看到的裝置如圖乙所示 請在此圖中畫出ab桿下滑過程中某時刻的受力示意圖 2 在加速下滑過程中 當ab桿的速度大小為v時 求此時ab桿中的電流及其加速度的大小 3 求在下滑過程中 ab桿可以達到的速度最大值 解析 1 由右手定則知 產生的感應電流方向a b 如圖所示 ab桿受重力mg 豎直向下 支持力FN 垂直于斜面向上 安培力F安 沿斜面向上 電磁感應中力學問題的解題技巧 1 受力分析時 要把立體圖轉換為平面圖 同時標明電流方向及磁場B的方向 以便準確地畫出安培力的方向 2 要特別注意安培力的大小和方向都有可能變化 不像重力或其他力一樣是恒力 3 根據牛頓第二定律分析a的變化情況 以求出穩(wěn)定狀態(tài)的速度 4 列出穩(wěn)定狀態(tài)下的受力平衡方程往往是解題的突破口 針對訓練1 如圖3所示 兩條相距d的平行金屬導軌位于同一水平面內 其右端接一阻值為R的電阻 質量為m的金屬桿靜置在導軌上 其左側的矩形勻強磁場區(qū)域MNPQ的磁感應強度大小為B 方向豎直向下 當該磁場區(qū)域以速度v0勻速地向右掃過金屬桿后 金屬桿的速度變?yōu)関 導軌和金屬桿的電阻不計 導軌光滑且足夠長 桿在運動過程中始終與導軌垂直且兩端與導軌保持良好接觸 求 圖3 1 MN剛掃過金屬桿時 桿中感應電流的大小I 2 MN剛掃過金屬桿時 桿的加速度大小a 3 PQ剛要離開金屬桿時 感應電流的功率P 解析 1 感應電動勢E Bdv0 3 金屬桿切割磁感線的速度v v0 v 則感應電動勢E Bd v0 v 2 安培力F Bid牛頓第二定律F ma 電磁感應中的能量問題 1 電磁感應中能量的轉化電磁感應過程實質是不同形式的能量相互轉化的過程 其能量轉化方式為 要點歸納 2 求解電磁感應現象中能量問題的一般思路 1 確定回路 分清電源和外電路 2 分析清楚有哪些力做功 明確有哪些形式的能量發(fā)生了轉化 如 有滑動摩擦力做功 必有內能產生 有重力做功 重力勢能必然發(fā)生變化 克服安培力做功 必然有其他形式的能轉化為電能 并且克服安培力做多少功 就產生多少電能 如果安培力做正功 就是電能轉化為其他形式的能 3 列有關能量的關系式 例3 如圖4所示 足夠長的平行光滑U形導軌傾斜放置 所在平面的傾角 37 導軌間的距離L 1 0m 下端連接R 1 6 的電阻 導軌電阻不計 所在空間存在垂直于導軌平面向上的勻強磁場 磁感應強度B 1 0T 質量m 0 5kg 電阻r 0 4 的金屬棒ab垂直置于導軌上 現用沿導軌平面且垂直于金屬棒 大小為F 5 0N的恒力使金屬棒ab從靜止開始沿導軌向上滑行 當金屬棒滑行s 2 8m后速度保持不變 求 sin37 0 6 cos37 0 8 g 10m s2 圖4 1 金屬棒勻速運動時的速度大小v 2 金屬棒從靜止到剛開始勻速運動的過程中 電阻R上產生的熱量QR 安培力F安 BIL 金屬棒ab受力如圖所示 由平衡條件有F mgsin BIL代入數據解得v 4m s 答案 1 4m s 2 1 28J 電磁感應中焦耳熱的計算技巧 1 電流恒定時 根據焦耳定律求解 即Q I2Rt 2 感應電流變化 可用以下方法分析 利用動能定理 求出克服安培力做的功 產生的焦耳熱等于克服安培力做的功 即Q W安 利用能量守恒 即感應電流產生的焦耳熱等于其他形式能量的減少 即Q E其他 針對訓練2 水平放置的光滑平行導軌上放置一根長為L 質量為m的導體棒ab ab處在磁感應強度大小為B 方向如圖5所示的勻強磁場中 導軌的一端接一阻值為R的電阻 導軌及導體棒電阻不計 現使ab在水平恒力F作用下由靜止沿垂直于磁場的方向運動 當通過的位移為x時 ab達到最大速度vm 此時撤去外力 最后ab靜止在導軌上 在ab運動的整個過程中 下列說法正確的是 圖5 答案D 1 電磁感應中的動力學問題 如圖6所示 在一勻強磁場中有一U形導線框abcd 線框處于水平面內 磁場與線框平面垂直 R為一電阻 ef為垂直于ab的一根導體桿 它可在ab cd上無摩擦地滑動 桿ef及線框中導線的電阻都可不計 開始時 給ef一個向右的初速度 則 圖6A ef將減速向右運動 但不是勻減速B ef將勻減速向右運動 最后停止C ef將勻速向右運動D ef將往返運動 答案A 2 電磁感應中的動力學問題 多選 如圖7所示 MN和PQ是兩根互相平行豎直放置的光滑金屬導軌 已知導軌足夠長 且電阻不計 ab是一根與導軌垂直而且始終與導軌接觸良好的金屬桿 開始時 將開關S斷開 讓桿ab由靜止開始自由下落 一段時間后 再將S閉合 若從S閉合開始計時 則金屬桿ab的速度v隨時間t變化的圖象可能是 圖7 答案ACD 3 電磁感應中的能量問題 如圖8所示 豎直放置的兩根平行金屬導軌之間接有定值電阻R 質量不能忽略的金屬棒與兩導軌始終保持垂直并良好接觸且無摩擦 棒與導軌的電阻均不計 整個裝置放在勻強磁場中 磁場方向與導軌平面垂直 棒在豎直向上的恒力F作用下加速上升的一段時間內 力F做的功與安培力做的功的代數和等于 A 棒的機械能增加量B 棒的動能增加量C 棒的重力勢能增加量D 電阻R上產生的熱量 圖8 解析棒加速上升時受到重力 拉力F及安培力 根據功能關系可知 力F與安培力做的功的代數和等于棒的機械能的增加量 選項A正確 答案A 4 電磁感應中的動力學綜合問題 如圖9所示 質量m1 0 1kg 電阻R1 0 3 長度l 0 4m的導體棒ab橫放在U型金屬框架上 框架固定在絕緣水平面上 相距0 4m的MM NN 相互平行 電阻不計且足夠長 電阻R2 0 1 的MN垂直于MM 整個裝置處于豎直向上的勻強磁場中 磁感應強度B 1 0T 現垂直于ab施加F 2N的水平恒力 使棒ab從靜止開始無摩擦地運動 棒始終與MM NN 保持良好接觸 圖9 1 求棒ab能達到的最大速度 2 若棒ab從靜止到剛好達到最大速度的過程中 導體棒ab上產生的熱量QR1 1 2J 求該過程中棒ab的位移大小 解析 1 ab棒做加速度逐漸變小的加速運動 當a 0時 速度達到最大 設最大速度為vm E Blvm 2 棒ab從靜止到剛好達到vm的過程中 設閉合電路產生的總熱量為Q總 對棒ab由功能關系 得x 1 425m 答案 1 5m s 2 1 425m