2015-2016学年高中物理 第四章 第5节 电磁感应现象的两类情况课件 新人教版选修3-2

1.电磁感应现象中的感生电场 (1)感生电场：磁场 变化 时在空间激发的一种电场。 (2)感生电动势：由 感生电场 产生的感应电动势。 (3)感生电动势中的非静电力： 感生电场 对自由电荷的作用。 (4)感生电场的方向： 与所产生的感应电流的方向相同，可根据楞次定律和 右手定则判断。
1．磁场一定能产生电场(
(1)求初始时刻导体棒受到的安培力； (2)若导体棒从初始时刻到速度第一次为零时，弹簧的弹性势能为 Ep， 则这一过程中安培力所做的功 W1 和电阻 R 上产生的焦耳热 Q1 分别为多少？ (3)导体棒往复运动，最终将静止于何处？从导体棒开始运动直到最终 静止的过程中，电阻 R 上产生的焦耳热 Q 为多少？
(3)然后是“力”的分析——画出必要的受力分析图， 分析力学所研究 对象(常是金属杆、导体线圈等)的受力情况，尤其注意其所受的安培力。 (4)接着进行“运动”状态分析——根据力和运动的关系， 判断出正确 的运动模型。
2．两种状态处理方法 达到稳定运动状态后，导体匀速运动，受力平衡，应根据平衡条件列 式分析平衡态；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。
kl2 答案：(1) r ，棒中电流方向由 b 到 a
kl3 (2) r (B0＋kt1)
考点三
电磁感应中的能量问题
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阻的内能。 (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，转化过来的电能也将全部转化为电阻的内能。
ΔB 解析：由 E＝n · S 可知，因磁感应强度均匀减小，感应电动势 E 恒 Δt E 定，由 F 安＝BIL，I＝R可知，ab 棒受的安培力随 B 的减小，均匀变小， 由外力 F＝F 安可知，外力 F 也均匀减少，为变力，由左手定则可判断 F 安 水平方向上的分量向右，所以外力 F 水平向左，C 正确。
[思路探究] (1)导体棒运动切割磁感线产生感应电流。 (2)安培力做功与电阻 R 上产生的焦耳热的关系。
[解析]
(1)初始时刻导体棒中感应电动势 E＝BLv0①
E 导体棒中感应电流 I＝R② 作用于导体棒上的安培力 F＝BLI③ B2L2v0 联立①②③得 F＝ R ，方向水平向左。
(2)由于安培力方向与位移方向相反，安培力做负功，由功能关系得 1 2 W1＝Ep－ mv0 2 1 电阻 R 上产生的焦耳热 Q1＝ mv2 －Ep 2 0
轨每米的电阻为 r0＝0.10
连，两导轨间的距离 l＝0.20 m。有随时间变化的磁场垂直于桌面向下， 已知磁感应强度 B 与时间 t 的关系为 B＝kt，比例系数 k＝0.020 T/s。一 电阻不计的金属杆可在导轨上无摩擦地滑动， 在滑动过程中保持与导轨垂 直，在 t＝0 时刻，金属杆紧靠 P、Q 端，在外力作用下，杆以恒定的加 速度 a＝1 m/s2 从静止开始向导轨的另一端滑动，求在 t＝0.6 s 时金属杆 所受的安培力。
(3)由能量转化及平衡条件等，可判断棒最终静止于初始位置，Q＝ 1 2 mv 2 0
B2L2v0 [答案] (1) R ，方向水平向左 (3)初始位置 1 2 mv 2 0 1 2 (2)Ep－ mv0 2 1 2 mv －Ep 2 0
【总结提能】 (1)安培力做负功的过程就是其他形式的能量转化为电能的过程。 (2)导体棒动能、弹性势能、回路中的电能在转移或转化过程中总量是 守恒的。
解析：(1)根据法拉第电磁感应定律得 E＝ ΔΦ ΔB ＝ S＝kl2 Δt Δt
E kl2 再根据欧姆定律得 I＝ r ＝ r 根据楞次定律判断，“增反减同”，回路中的电流方向为逆时针方向， 或棒上电流从 b 到 a。 (2)要保持棒静止，使作用到棒上的力平衡，即水平拉力等于棒受到的 安培力 kl2 kl3 F＝F 安＝BIl＝(B0＋kt1) r l＝ r (B0＋kt1)
答案：选 C
考点二
电磁感应中的力学问题
1．电磁感应问题往往跟力学问题联系在一起，这类问题需要综合运 用电磁感应规律和力学的相关规律解决。因此，处理此类问题的一般思路 是“先电后力”。具体如下： (1)先做“源”的分析——分离出电路中由电磁感应所产生的电源， 求 出电源参数 E 和 r。 (2)再进行“路”的分析——画出必要的电路图， 分析电路结构， 弄清 串、并联关系，求出相关部分的电流大小，以便安培力的求解。
2．电磁感应现象中能量变化的特点 做功情况 滑动摩擦力做功 重力做功 克服安培力做功 安培力做正功 能量变化特点 有内能产生 重力势能必然发生变化 必然有其他形式的能转化为电能，并且克服安培力 做多少功，就产生多少电能 电能转化为其他形式的能
3.求解电磁感应现象中能量守恒问题的一般思路 (1)确定感应电动势的大小和方向。 (2)画出等效电路，求出回路中消耗的电功率表达式。 (3)分析导体机械能的变化， 用能量守恒关系得到机械功率的改变与回 路中的电功率的改变所满足的方程。
)
解析：稳定的磁场不能产生电场，1 错误。
2．感生电场一定能产生感应电动势(
)
解析：感生电场一定能产生感应电动势，2 正确。
3．感生电场的方向与感应电流方向相反(
)
解析：感生电场的方向与感应电流的方向相同，3 错误。
2．电磁感应现象中的洛伦兹力 (1)动生电动势：由于 导体运动 而产生的感应电动势。 (2) 动生电动势中的“非静电力”：自由电荷因随导体棒运动而受 到 洛伦兹力 ，非静电力与 洛伦兹力 有关。 (3)动生电动势中的功能关系：闭合回路中，导体棒做切割磁感线运 动时，克服 安培 力做功，其他形式的能转化为 电能 。
1.如图所示，金属棒 ab 置于水平放置的光滑框架 cdef 上，棒与框架 接触良好，匀强磁场垂直于 ab 棒斜向下。从某时刻开始磁感应强度均匀 减小， 同时施加一个水平方向上的外力 F 使金属棒 ab 保持静止， 则 F( )
A．方向向右，且为恒力 C．方向向左，且为变力
B．方向向右，且为变力 D．方向向左，且为恒力
动生电动势 导体做切割磁感线运动 导体中自由电荷所受洛伦 兹力沿导体方向的分力 做切割磁感线运动的导体 通常由右手定则判断，也 可由楞次定律判断 由 E＝Blvsin θ 计算，也
大小计算方法
由 E＝n
ΔΦ 计算 ΔΦ Δt 可由 E＝n 计算 Δt
[典例 1]
如图所示，两根平行金属导轨固定在水平桌面上，每根导 Ω，导轨的端点 P、Q 用电阻可忽略的导线相
[答案]
1.44×10
－4
N，方向向右
【总结提能】 (1)E＝Blvsin θ 是由 E＝n 则 E＝Blvsin θ 和 E＝ n ΔΦ 在一定条件下推导出来的，若 B 不变， Δt
ΔΦ 是等效替代关系。 Δt
(2)若导体切割磁感线的同时，磁感应强度 B 是变化的，则 E＝Blvsin ΔΦ θ 和 E＝n 是同时存在的。 Δt
解析：变化的磁场产生的感生电动势为 E＝
ΔB 2 πr ＝kπr2，小球在环 Δt
上运动一周感生电场对其所做的功 W＝qE＝qkπr2，D 项正确，A、B、C 项错误。
答案：选 D
审题破题
电磁感应中的力电综合问题 [典例] 如图所示，间距 l＝0.3 m 的平行
金属导轨 a1b1c1 和 a2b2c2 分别固定在两个竖直 面内，在水平面 a1b1b2a2 区域内和倾角 θ＝37° 的斜面 c1b1b2c2 区域内分别有磁感应强度 B1＝ 0.4 T、方向竖直向上和 B2＝1 T、方向垂直于 斜面向上的匀强磁场。电阻 R＝0.3 Ω、质量 m1＝0.1 kg、长为 l 的相同导体杆 K、S、Q 分别放置在导轨上，S 杆的两端固定在 b1、b2 点，K、Q 杆可沿导轨 无摩擦滑动且始终接触良好。 一端系于 K 杆中点的轻绳平行于导轨绕过轻质定 滑轮自然下垂，绳上穿有质量 m2＝0.05 kg 的小环。
[典例 3]
如图所示， 固定的水平光滑金属导轨，
间距为 L，左端接有阻值为 R 的电阻，处在方向竖 直向下、磁感应强度为 B 的匀强磁场中，质量为 m 的导体棒与固定弹簧相连，放在导轨上，导轨与导体棒的电阻可忽略。初始 时刻，弹簧恰处于自然长度，导体棒具有水平向右的初速度 v0。在沿导轨往 复运动的过程中，导体棒始终与导轨垂直并保持良好接触。
导体在磁场中运动时，一定能产生动生电动势？
解析：不一定，只有导体在磁场中做切割磁感线运动时才产生电动势。
考点一
感生、动生电动势的理解及应用
感生电动势与动生电动势的对比 感生电动势 产生原因 磁场的变化 感生电场对自由 移动电荷的非静电力 电荷的电场力 回路中相当于电源的 处于变化磁场中 部分 的线圈部分 方向判断方法 由楞次定律判断
2.如图所示，固定于水平桌面上的金属框架 cdef，处在竖直向下的匀 强磁场中，金属棒 ab 搁在框架上，可无摩擦滑动。此时 adeb 构成一个边 长为 l 的正方形。金属棒的电阻为 r，其余部分电阻不计。开始时磁感应 强度为 B0。
(1)若从 t＝0 时刻起，磁感应强度均匀增加，每秒增加 k，同时保持棒 静止，求金属棒中的感应电流大小和方向； (2)在上述(1)情况中，始终保持金属棒静止，当 t＝t1 末时需加的垂直 于棒的水平拉力为多大？
[典例 2]
如图所示，在竖直向下的磁感应强度为
B 的匀强磁场中，有两根水平放置且足够长的平行金 属导轨 AB、CD，在导轨的 A、C 端连接一阻值为 R 的电阻。一根质量为 m、长度为 L 的金属棒 ab 垂直导 轨放置，导轨和金属棒的电阻不计，金属棒与导轨间的动摩擦因数为 μ。若 用恒力 F 沿水平方向向右拉金属棒使其运动，求金属棒的最大速度。