2019-2020學(xué)年高中物理 第四章 電磁感應(yīng) 習(xí)題課 電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)及能量問題課件 新人教版選修3-2.ppt

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習(xí)題課 電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)及能量問題 探究一 探究二 電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問題問題探究在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的水平勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 豎直放置一個(gè) 形金屬框ABCD 框面垂直于磁場(chǎng) 寬度BC為L(zhǎng) 質(zhì)量為m的金屬桿PQ用光滑金屬套連接在框架AB和CD上 如圖 金屬桿PQ電阻為R 其他電阻不計(jì) 從桿自靜止開始沿框架下滑到達(dá)到最大速度的過程中 思考討論下列問題 探究一 探究二 1 開始下滑的加速度為多少 2 金屬桿中感應(yīng)電流的方向怎樣 金屬桿受的安培力向哪 如何變化 3 金屬桿的加速度如何變化 金屬桿的速度如何變化 4 滿足什么條件時(shí)金屬桿達(dá)到最大速度 金屬桿下滑的最大速度是多少 要點(diǎn)提示 1 g 2 向左 向上 變大 3 變小 變大 4 當(dāng)安培力 探究一 探究二 知識(shí)歸納由于通過導(dǎo)體的感應(yīng)電流在磁場(chǎng)中將受到安培力作用 因此電磁感應(yīng)問題往往和力學(xué)問題綜合在一起 1 理解電磁感應(yīng)問題中的兩個(gè)研究對(duì)象及其之間的相互制約關(guān)系 探究一 探究二 2 電磁感應(yīng)現(xiàn)象中涉及具有收尾速度的力學(xué)問題時(shí) 關(guān)鍵是做好受力情況和運(yùn)動(dòng)情況的動(dòng)態(tài)分析 3 處理此類問題的基本方法 1 用法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律求感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向 2 求回路中的感應(yīng)電流的大小和方向 3 分析研究導(dǎo)體受力情況 包括安培力 4 列動(dòng)力學(xué)方程或平衡方程求解 探究一 探究二 典例剖析 例題1 如圖所示 空間存在B 0 5T 方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng) MN PQ是不計(jì)電阻水平放置的平行長(zhǎng)直導(dǎo)軌 其間距L 0 2m 電阻R 0 3 接在導(dǎo)軌一端 ab是跨接在導(dǎo)軌上質(zhì)量m 0 1kg 電阻r 0 1 長(zhǎng)度與導(dǎo)軌間距相等的導(dǎo)體棒 已知導(dǎo)體棒和導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0 2 從零時(shí)刻開始 對(duì)ab棒施加一個(gè)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(dǎo)軌滑動(dòng) 過程中棒始終保持與導(dǎo)軌垂直且接觸良好 則 g取10m s2 1 求導(dǎo)體棒所能達(dá)到的最大速度 2 試定性畫出導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)的速度 時(shí)間圖象 探究一 探究二 解析 ab棒在拉力F作用下運(yùn)動(dòng) 隨著ab棒切割磁感線運(yùn)動(dòng)的速度增大 棒中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大 棒中感應(yīng)電流增大 棒受到的安培力也增大 最終達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)棒的速度達(dá)到最大值 外力在克服安培力做功的過程中 消耗了其他形式的能 轉(zhuǎn)化成了電能 最終轉(zhuǎn)化成了焦耳熱 1 導(dǎo)體棒切割磁感線運(yùn)動(dòng) 產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E BLv 導(dǎo)體棒受到的安培力F安 BIL 導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)過程中受到拉力F 安培力F安和摩擦力Ff的作用 根據(jù)牛頓第二定律得 F mg F安 ma 由 得 探究一 探究二 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(dāng)加速度a減小到0時(shí) 速度達(dá)到最大 2 導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)的速度 時(shí)間圖象如圖所示 答案 1 10m s 2 見解析圖 探究一 探究二 解決電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問題的思路解決電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問題的一般思路是 先電后力 具體思路如下 探究一 探究二 變式訓(xùn)練1 多選 如圖所示 MN和PQ是兩根互相平行豎直放置的光滑金屬導(dǎo)軌 已知導(dǎo)軌足夠長(zhǎng) 且電阻不計(jì) ab是一根與導(dǎo)軌垂直而且始終與導(dǎo)軌接觸良好的金屬桿 開始時(shí) 將開關(guān)S斷開 讓桿ab由靜止開始自由下落 一段時(shí)間后 再將S閉合 若從S閉合開始計(jì)時(shí) 則金屬桿ab的速度v隨時(shí)間t變化的圖象可能是 探究一 探究二 答案 ACD 探究一 探究二 電磁感應(yīng)中的能量問題問題探究在水平勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 豎直放置一個(gè) 形金屬框 框面垂直于磁場(chǎng) 金屬桿用光滑金屬套連接在框架上 如圖 桿自靜止開始沿框架下滑 試分析桿自靜止下滑一段時(shí)間 未達(dá)到最大速度 內(nèi) 有哪些力做了功 有哪些能量發(fā)生了變化 簡(jiǎn)述這些功能關(guān)系 探究一 探究二 要點(diǎn)提示 重力做功和安培力做功 重力勢(shì)能減少 動(dòng)能增加 電能增加 重力做的功等于重力勢(shì)能的減少量 克服安培力做的功等于電能的增加量 合力的功等于動(dòng)能的增加量 探究一 探究二 知識(shí)歸納1 電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化 2 求解焦耳熱Q的三種方法 探究一 探究二 3 求解電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能量問題的一般思路 1 用法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律確定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向 2 畫出等效電路 求出回路中電阻消耗的電功率表達(dá)式 3 分析導(dǎo)體機(jī)械能的變化 用能量守恒關(guān)系得到機(jī)械功率的改變與回路中電功率的改變所滿足的方程 產(chǎn)生和維持感應(yīng)電流的過程是其他形式的能向感應(yīng)電流的電能轉(zhuǎn)化的過程 安培力做功是其他形式的能和電能之間轉(zhuǎn)化的量度 探究一 探究二 典例剖析 例題2 多選 如圖所示 兩根電阻不計(jì)的光滑平行金屬導(dǎo)軌傾角為 導(dǎo)軌下端接有電阻R 勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直斜面向上 質(zhì)量為m 電阻不計(jì)的金屬棒ab在沿斜面與棒垂直的恒力F作用下沿導(dǎo)軌勻速上滑 上升高度為h 在這個(gè)過程中 A 金屬棒所受各力的合力所做的功等于零B 金屬棒所受各力的合力所做的功等于mgh和電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱之和C 恒力F與重力的合力所做的功等于棒克服安培力所做的功與電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱之和D 恒力F與重力的合力所做的功等于電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱 探究一 探究二 解析 棒勻速上升的過程有三個(gè)力做功 恒力F做正功 重力G做負(fù)功 安培力F安做負(fù)功 根據(jù)動(dòng)能定理得 W WF WG W安 0 故A對(duì) B錯(cuò) 恒力F與重力G的合力所做的功等于棒克服安培力做的功 而棒克服安培力做的功等于回路中電能 最終轉(zhuǎn)化為焦耳熱 的增加量 克服安培力做功與焦耳熱不能重復(fù)考慮 故C錯(cuò) D對(duì) 答案 AD 探究一 探究二 變式訓(xùn)練2如圖所示 勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向豎直向下 磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 正方形金屬框abcd可繞光滑軸OO 轉(zhuǎn)動(dòng) 邊長(zhǎng)為L(zhǎng) 總電阻為R ab邊質(zhì)量為m 其他三邊質(zhì)量不計(jì) 現(xiàn)將abcd拉至水平位置 并由靜止釋放 經(jīng)一定時(shí)間到達(dá)豎直位置 ab邊的速度大小為v 則在金屬框內(nèi)產(chǎn)生熱量大小等于 探究一 探究二 解析 金屬框繞光滑軸轉(zhuǎn)下的過程中機(jī)械能有損失但能量守恒 答案 C 1 2 3 1 如圖所示 在一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中有一U形導(dǎo)線框abcd 線框處于水平面內(nèi) 磁場(chǎng)與線框平面垂直 R為一電阻 ef為垂直于ab的一根導(dǎo)體桿 它可在ab cd上無(wú)摩擦地滑動(dòng) 桿ef及線框中導(dǎo)線的電阻都可不計(jì) 開始時(shí) 給ef一個(gè)向右的初速度 則 A ef將減速向右運(yùn)動(dòng) 但不是勻減速B ef將勻減速向右運(yùn)動(dòng) 最后停止C ef將勻速向右運(yùn)動(dòng)D ef將往返運(yùn)動(dòng)解析 ef向右運(yùn)動(dòng) 切割磁感線 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流 會(huì)受到向左的安培力而做減速運(yùn)動(dòng) 直到停止 但不是勻減速 由 答案 A 1 2 3 2 如圖所示 質(zhì)量為m 高為h的矩形導(dǎo)線框在豎直面內(nèi)自由下落 其上下兩邊始終保持水平 途中恰好勻速穿過一有理想邊界 高亦為h的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域 線框在此過程中產(chǎn)生的內(nèi)能為 A mghB 2mghC 大于mgh而小于2mghD 大于2mgh解析 因線框勻速穿過磁場(chǎng) 在穿過磁場(chǎng)的過程中合外力做功為零 克服安培力做功為2mgh 產(chǎn)生的內(nèi)能亦為2mgh 故選B 答案 B 1 2 3 3 如圖所示 長(zhǎng)L1 寬L2的矩形線圈電阻為R 處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)邊緣 線圈與磁感線垂直 求將線圈以向右的速度v勻速拉出磁場(chǎng)的過程中 1 拉力的大小F 2 線圈中產(chǎn)生的電熱Q