2020版高中物理 第四章 电磁感应 5 电磁感应现象的两类情况课件 新人教版选修3-2

5电磁感应现象的两类情况一、电磁感应现象中的感生电场1.感生电场:英国物理学家麦克斯韦认为,_____变化时会在空间激发一种电场,这种电场与静电场不同,它不是由电荷产生的,我们把它叫做感生电场。磁场2.感生电动势:_________产生的感应电动势。3.感生电动势中的非静电力:感生电场对_________的作用。感生电场自由电荷二、电磁感应现象中的洛伦兹力1.成因:导体棒做切割磁感线运动时,棒中的_________随棒一起定向运动,并因此受到洛伦兹力。2.动生电动势:由于_________而产生的感应电动势。3.动生电动势中的非静电力:与洛伦兹力有关。自由电荷导体运动【思考辨析】(1)如果空间不存在闭合电路,变化的磁场周围不会产生感生电场。()(2)处于变化磁场中的导体,其内部自由电荷定向移动,是由于受到感生电场的作用。()(3)感生电场就是感应电动势。()(4)动生电动势(切割磁感线产生的电动势)产生的原因是导体内部的自由电荷受到洛伦兹力的作用。()提示:(1)×。麦克斯韦认为,磁场的变化在空间激发一种电场,这种电场与是否存在闭合电路无关。(2)√。导体处于变化磁场中时,导体中的自由电荷将发生定向移动,产生感应电流,或者说导体中产生感应电动势,其非静电力就是这种感生电场产生的。(3)×。感应电动势是导体中产生的,与感生电场不是一个物理概念。(4)√。洛伦兹力提供非静电力,产生了动生电动势。一感生电动势和动生电动势考查角度1感生电场和感生电动势【典例1】(多选)某空间出现了如图所示的一组闭合的电场线,这可能是()世纪金榜导学号A.沿AB方向的磁场在迅速减弱B.沿AB方向的磁场在迅速增强C.沿BA方向的磁场在迅速增强D.沿BA方向的磁场在迅速减弱【正确解答】选A、C。由右手定则可知,感应电流产生的磁场方向竖直向下,如果磁场方向沿AB,则感应磁场与原磁场方向相同,由楞次定律可知,原磁场正在减弱,故A正确,B错误;如果磁场沿BA方向,则感应磁场方向与原磁场方向相反,由楞次定律可知,原磁场方向正在增强,故C正确,D错误;故选A、C。考查角度2动生电动势【典例2】如图所示,在竖直向下的匀强磁场①中,将一水平放置的金属棒ab以水平初速度v0抛出②,设在整个过程中棒的方向不变且不计空气阻力③,则在金属棒运动过程中产生的感应电动势大小变化情况以及哪端电势高世纪金榜导学号()A.越来越大、a端电势高B.越来越小、b端电势高C.保持不变、a端电势高D.保持不变、b端电势高【审题关键】序号信息提取①磁场方向:竖直向下②有水平初速度v0③运动性质:平抛运动【正确解答】选C。棒ab水平抛出后做平抛运动,其速度越来越大,但只有水平分速度v0切割磁感线产生感应电动势,故E=Blv0保持不变,选项A、B错误;导体中的自由电荷是带负电的电子随金属棒一块运动,由左手定则可知电子在洛伦兹力的作用下向b端运动,所以a端的电势高,选项C正确,D错误。【核心归纳】感生电动势与动生电动势的比较感生电动势动生电动势产生原因磁场的变化导体做切割磁感线运动移动电荷的非静电力感生电场对自由电荷的电场力导体中自由电荷所受洛伦兹力沿导体方向的分力回路中相当于电源的部分处于感生电场中的部分线圈做切割磁感线运动的导体感生电动势动生电动势方向判断方法由楞次定律判断通常由右手定则判断,也可由楞次定律判断大小计算方法由E=n计算通常由E=Blvsinθ计算,也可由E=n计算tt【特别提醒】(1)感生电场的产生跟空间是否存在闭合电路无关。(2)感应电动势的产生与电路是否闭合无关。(3)动生电动势的产生过程中,洛伦兹力对自由电子并不做功。【过关训练】1.(多选)如图所示,一个闭合电路静止于磁场中,由于磁场强弱的变化,而使电路产生了感生电动势,下列说法正确的是()A.磁场变化时,会在空间激发一种电场B.使电荷定向移动形成电流的是磁场力C.使电荷定向移动形成电流的是电场力D.以上说法都不对【解析】选A、C。磁场变化时,会形成感生电场,A正确。感生电场对电荷的电场力使电荷定向移动,B错误,C正确。2.(多选)如图所示,导体AB在做切割磁感线运动时,将产生一个电动势,因而在电路中有电流通过,下列说法中正确的是()A.因导体运动而产生的感应电动势称为动生电动势B.动生电动势的产生与洛伦兹力有关C.动生电动势的产生与电场力有关D.动生电动势和感生电动势产生的原因是一样的【解析】选A、B。导体在磁场中做切割磁感线运动时产生的电动势叫动生电动势,是由于导体运动时,自由电荷受到洛伦兹力作用而引起的,感生电动势是由于感生电场引起的,原因不相同。3.(多选)平面上的光滑平行导轨MN、PQ上放着光滑导体棒ab、cd,两棒用细线系住,开始时匀强磁场的方向如图甲所示,而磁感应强度B随时间t的变化如图乙所示,不计ab、cd间电流的相互作用,则细线中张力()A.由0到t0时间内细线中的张力逐渐增大B.由0到t0时间内细线中的张力逐渐减小C.由0到t0时间内细线中张力不变D.由t0到t时间内两杆靠近,细线中的张力消失【解析】选B、D。0到t0时间内,磁场向里,磁感应强度B均匀减小,线圈中磁通量均匀减小,由法拉第电磁感应定律得知,回路中产生恒定的感应电动势,形成恒定的电流。由楞次定律可得出电流方向沿顺时针,故ab受力向左,cd受力向右,而张力F=F安=BIL,因B减小,故张力将减小,故A错误、B正确、C错误;由t0到t时间内,线圈中的磁场向外,B均匀增大,回路中产生恒定的感应电流,由楞次定律可知,电流为顺时针,由左手定则可得出,两杆受力均向里,故两杆靠近,细线中张力消失,故D正确,故选B、D。【补偿训练】将一段导线绕成图甲所示的闭合回路,并固定在水平面(纸面)内。回路的ab边置于垂直纸面向里的匀强磁场Ⅰ中。回路的圆环区域内有垂直纸面的磁场Ⅱ,以向里为磁场Ⅱ的正方向,其磁感应强度B随时间t变化的图象如图乙所示。用F表示ab边受到的安培力,以水平向右为F的正方向,能正确反映F随时间t变化的图象是()【解析】选B。根据楞次定律,在前半个周期内,圆环内产生的感应电流方向为顺时针,即通过ab边的电流方向为由b指向a,再根据左手定则判断,ab边受到的安培力为水平向左,即负方向。根据法拉第电磁感应定律,前半个周期内ab中的电流为定值,则所受安培力也为定值。结合选项可知B正确。二电磁感应中的动力学问题【典例】两根足够长的光滑直金属导轨平行放置在倾角为θ的绝缘斜面上,两导轨间距为L,且接有阻值为R的电阻。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上。导轨和金属杆的电阻可忽略。让金属杆MN由静止沿导轨开始下滑。求世纪金榜导学号(1)当导体棒的速度为v(未达到最大速度)时,通过MN棒的电流大小和方向;(2)导体棒运动的最大速度。【解题探究】(1)导体棒沿斜面下滑时,回路中哪部分是电源?回路总电阻为多大?提示:导体棒相当于电源,回路总电阻为R。(2)回路中的电流是恒定电流吗?导体棒所受的安培力是恒力吗?提示:在达到最大速度之前回路中的电流越来越大,安培力也越来越大。(3)导体棒达到最大速度时的合外力是多少?提示:为零。【正确解答】(1)当导体棒的速度为v时,产生的感应电动势为E=BLv回路中的电流大小为I=由右手定则可知电流方向为从N到MBLvR(2)导体棒在磁场中运动时,所受安培力大小为F=ILB=由左手定则可知,安培力方向沿斜面向上当导体棒的加速度为零时,速度最大即:mgsinθ=可解得最大速度为vm=答案:(1)I=方向为从N到M(2)vm=22BLvR22mBLvR22mgRsinBLBLvR22mgRsinBL【核心归纳】1.导体中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:(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,关键要抓好受力情况和运动情况的动态分析:周而复始地循环,达到稳定状态时,加速度等于零,导体达到稳定运动状态。3.两种运动状态的处理思路:(1)达到稳定运动状态后,导体匀速运动,受力平衡,应根据平衡条件——合外力为零,列式分析平衡态。(2)导体达到稳定运动状态之前,往往做变加速运动,处于非平衡态,应根据牛顿第二定律或结合功能关系分析非平衡态。【特别提醒】电磁感应中力学问题的解题技巧(1)将安培力与其他力一起进行分析。(2)要特别注意安培力的大小和方向都有可能变化,不像重力或其他力一样是恒力。(3)列出稳定状态下的受力平衡方程往往是解题的突破口。【过关训练】1.如图所示,两平行金属导轨水平放置,导轨间接有电阻R,置于匀强磁场中,导轨上垂直搁置两根金属棒ab、cd。当用外力F拉动ab棒向右运动的过程中,cd棒将会()A.保持静止B.向左运动C.向右运动D.向上跳起【解析】选C。当用外力F拉动ab棒向右运动,根据右手定则,在ab棒中产生从b到a的电流,则在cd棒中有从c到d的电流,根据左手定则,cd棒受到向右的安培力,所以cd棒将会向右运动。故C正确,A、B、D错误。2.(多选)如图所示,一金属方框abcd从离磁场区域上方高h处自由下落,然后进入与线框平面垂直的匀强磁场中。在进入磁场的过程中,可能发生的情况是()A.线框做变加速运动B.线框做匀加速运动C.线框做匀减速运动D.线框做匀速运动【解析】选A、D。在进入磁场的过程中,若安培力等于重力,即mg=,线框做匀速运动,D可能。若安培力大于重力,线框做减速运动,随着速度的变化安培力也发生变化,由牛顿第二定律可知加速度大小也发生变化,不是匀变速直线运动,C错;若安培力小于重力,线框做加速运动,但随着向上的安培力的逐渐增大,加速度逐渐22BLvR减小,线框做的也是变加速直线运动,B错;同理判断A对,故选A、D。3.如图所示,水平放置的平行金属导轨宽度为d=1m,导轨间接有一个阻值为R=2Ω的灯泡,一质量为m=1kg的金属棒跨接在导轨之上,其电阻为r=1Ω,且和导轨始终接触良好。整个装置放在磁感应强度B=2T的匀强磁场中,磁场方向垂直导轨平面向下。金属棒与导轨间的动摩擦因数μ=0.2,现对金属棒施加一水平向右的拉力F=10N,使金属棒从静止开始向右运动。则金属棒达到的稳定速度v是多少?此时灯泡的实际功率P是多少?世纪金榜导学号【解析】由I=和F安=BId可得F安=根据平衡条件可得F=μmg+F安解得v=6m/s所以I==4A由P=I2R得P=32W答案:6m/s32WBdvRr22BdvRrBdvRr三电磁感应中的功能关系问题【典例】(多选)如图,水平放置的光滑平行金属导轨上有一质量为m电阻不计的金属棒ab,在一水平恒力F作用下由静止向右运动,则()世纪金榜导学号A.随着ab运动速度的增大,其加速度也增大B.外力F对ab做的功等于电路中产生的电能C.当ab做匀速运动时,外力F做功的功率等于电路中的电功率D.无论ab做何运动,它克服安培力做的功一定等于电路中产生的电能【正确解答】选C、D。金属棒所受的安培力为:FA=BIL速度增大,安培力增大,则加速度减小,故A错误。根据能量守恒知,外力F对ab做的功等于电路中产生的电能以及ab棒的动能之和,故B错误。当ab棒匀速运动时,外力做的功全部转化为电路中的电能,则外力F做功的功率等于电路中的电功率,故C正确。根据功能关系知,克服安培力做的功等于电路中产生的电能,故D正确。故选C、D。22AFFBLv,a,Rm【核心归纳】1.电磁感应现象中的能量转化:(1)与感生电动势有关的电磁感应现象中,磁场能转化为电能,若电路是纯电阻电路,转化过来的电能将全部转化为电路的内能。(2)与动生电动势有关的电磁感应现象中,通过克服安培力做功,把机械能或其他形式的能转化为电能。克服安培力做多少功,就产生多少电能。若电路是纯电阻电路,转化过来的电能将全部转化为电路的内能。可简单表述如下:2.