2019-2020学年高中物理第4章电磁感应第5节电磁感应现象的两类情况课件 人教版选修3-2 54页

第 5 节　电磁感应现象的两类情况 1 ．感生电场：英国物理学家麦克斯韦认为，磁场 ________ 时会在空间激发一种电场，叫感生电场，所谓的非静电力就是感生电场对 ____________ 的作用． 2 ．感生电动势：由 ____________ 产生的电动势． 3 ．感生电动势的方向：与产生的感应电流的方向 ________. 要点一　电磁感应现象中的感生电场 变化　 课前教材预案 自由电荷　 感生电场　 相同　 1 ．动生电动势的成因：导体棒做切割磁感线运动时，导体棒中的自由电荷随着导体棒运动，并因此受到洛伦兹力． 2 ．动生电动势：由于 ____________ 产生的感应电动势． 3 ．动生电动势中的非静电力：与 ____________ 有关． 导体运动　 要点二　洛伦兹力与动生电动势 洛伦兹力　 课堂深度拓展 考点一　对感生电动势的理解 【例题 1 】　 ( 多选 ) 某空间出现了如图所示的磁场，当磁感应强度变化时，在垂直于磁场的方向上会产生感生电场，下列有关磁感应强度的变化与感生电场的方向关系的描述正确的是 ( 　　 ) A ．当磁感应强度均匀增大时，感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向 B ．当磁感应强度均匀增大时，感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向 C ．当磁感应强度均匀减小时，感生电场的电场线从上向下看应为顺时针方向 D ．当磁感应强度均匀减小时，感生电场的电场线从上向下看应为逆时针方向 思维导引： 感生电场是否存在取决于有无变化的磁场，与是否存在导体或是否存在闭合回路无关．尽管如此，我们要判定感生电场方向还要依据实际存在的或假定存在的回路结合楞次定律和安培定则来进行． 答案　 BC 　 解析　 感生电场中电场线的方向用楞次定律和安培定则来判定．原磁场向下且磁感应强度在增大，在周围有闭合导线的情况下，感应电流的磁场方向应与原磁场方向相反，即感应电流的磁场方向向上，再由安培定则得到感应电流的方向从上向下看应为逆时针方向，则感生电场的方向从上向下看也为逆时针方向；同理可知，原磁场方向向下且磁感应强度减小时，感生电场的方向从上向下看应为顺时针方向，选项 B 、 C 正确． 易错指津： 静电场与感应电场的区别：静电场的电场线不闭合，总是始于正电荷，终止于负电荷，不闭合也不相交；而变化磁场周围产生的感生电场的电场线是闭合曲线，没有终点与起点，这种情况与磁场中的磁感线类似，所以感生电场又称为涡旋电场． 【变式 1 】　 ( 多选 ) 如图所示，在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于圆环口径的带正电的小球，正以速率 v 0 沿逆时针方向匀速转动．若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度 B 随时间成正比例增加的变化磁场，设运动过程中小球带的电荷量不变，那么 ( 　　 ) A ．小球对玻璃圆环的压力不断增大 B ．小球受到的磁场力不断增大 C ．小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动 D ．磁场力对小球一直不做功答案　 CD 　 解析　 因为玻璃圆环所在处有均匀变化的磁场，在周围产生稳定的涡旋电场，对带正电的小球做功，由楞次定律可判断感生电场方向为顺时针方向，在电场力作用下，小球先沿逆时针方向做减速运动，后沿顺时针方向做加速运动，选项 C 正确． 小球在水平面内沿轨迹半径方向受两个力作用，环的弹力 F N 和洛伦兹力 F ＝ q v B ，而且两个力的矢量和时刻等于小球做圆周运动的向心力，由于小球速度大小的变化、方向的变化，以及磁场强弱的变化，弹力 F N 和洛伦兹力 F 不是始终在增大，选项 A 、 B 错误．磁场力始终与圆周运动的线速度方向垂直，所以磁场力对小球不做功，选项 D 正确． 1 ． 动生电动势 (1) 一段导体做切割磁感线运动时，导体内自由电荷随导体在磁场中运动，则必受洛伦兹力作用．自由电荷在洛伦兹力作用下定向移动，这样，异种电荷就分别在导体两端聚集，从而使导体两端产生电势差，这就是动生电动势．若电路闭合，则电路中产生感应电流． (2) 一段导体在做切割磁感线的运动时相当于一个电源，这时的非静电力与洛伦兹力有关． 考点二　对动生电动势的理解 F 的方向竖直向上，在 F 的作用下自由电荷沿导线向上运动， C 端出现过剩的正电荷，结果是 C 端的电势高于 D 端的电势，出现由 C 端指向 D 端的静电场，此电场对电荷的作用力 F ′ 是向下的，与洛伦兹力的方向相反．随着 C 端正电荷的积累，场强不断增大，当自由电荷上的静电力与洛伦兹力互相平衡时， C 、 D 两端便产生一稳定的电势差， 如果用另外的导线把 C 、 D 两端连起来，由于 C 端电势比 D 端高，形成感应电流．电荷的流动使 C 端积累的电荷减少，洛伦兹力又不断地使电荷运动到 C 端，达到动态平衡，形成一个稳定的电动势，导线 CD 相当于电源． 3 ． 动生电动势的大小 E ＝ BL v ( B 的方向与 v 的方向垂直 ) ． 对洛伦兹力做功的理解 (1) 自由电荷由于随棒的运动在磁场中受到的洛伦兹力对自由电荷相对棒的运动做正功． (2) 自由电荷由于相对棒的运动在磁场中受到的洛伦兹力对自由电荷随棒的运动做负功． (3) 自由电荷受到洛伦兹力的合力不做功． 思维导引： 应用楞次定律判断感生电动势的方向，应用右手定则确定动生电动势的方向，依据同向相加反向相减的原则求总电动势． 答案　 1.44×10 － 3 N 易错指津： 当穿过回路所在空间的磁场变化时，会产生感生电动势，当回路中还有一部分导体同时做切割磁感线运动时，同时还会产生动生电动势． 1 ． 分析回路，分清电源和外电路 在电磁感应现象中，切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路将产生感应电动势，该导体或回路就相当于电源，其余部分相当于外电路． 2 ．分析清楚有哪些力做功，明确有哪些形式的能量发生了转化． 考点三　电磁感应中的能量转化问题 3 ． 根据功能关系列式求解 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阻的内能． 处理电磁感应中的能量问题的常用方法 (1) 利用克服安培力做功求解：能量的转化和守恒是通过做功来实现的，在电磁感应中要注意，安培力做的功是电能与其他形式的能相互转化的桥梁． (2) 利用能量守恒求解：一般是机械能与电能的转化，即机械能的减少量等于电能的增加量． (3) 利用电路特征求解：即利用电功、电热求解电能． 【例题 3 】　 如图所示，足够长的平行光滑“ U” 形导轨倾斜放置，所在平面的倾角 θ ＝ 37° ，导轨间的距离 L ＝ 1.0 m ，下端连接 R ＝ 1.6 Ω 的电阻，导轨电阻不计，所在空间存在垂直于导轨平面向上的匀强磁场，磁感应强度 B ＝ 1.0 T ．质量 m ＝ 0.5 kg 、电阻 r ＝ 0.4 Ω 的金属棒 ab 垂直置于导轨上，现用沿导轨平面且垂直于金属棒、大小为 F ＝ 5.0 N 的恒力使金属棒 ab 从静止开始沿导轨向上滑行，当金属棒滑行 s ＝ 2.8 m 后速度保持不变， (sin37° ＝ 0.6 ， cos37° ＝ 0.8 ， g ＝ 10 m/s 2 ) 求： (1) 金属棒匀速运动时的速度大小 v ； (2) 当金属棒沿导轨向上滑行的速度 v ′ ＝ 2 m/s 时，其加速度的大小 a ； (3) 金属棒从静止到刚开始匀速运动的过程中，电阻 R 上产生的热量 Q R . 思维导引： 本题将电磁感应与牛顿运动定律及能量转化结合起来，需要通过受力分析和功能关系分析，运用相关物理规律列方程求解． 答案　 (1)4 m/s 　 (2)2 m/s 2 　 (3)1.28 J 【变式 3 】　 英国物理学家麦克斯韦认为，磁场变化时会在空间激发感生电场，如图所示，一个半径为 r 的绝缘细圆环水平放置，环内存在竖直向上的匀强磁场 B ，环上套一带电荷量为＋ q 的小球，已知磁感应强度 B 随时间均匀增加，其变化率为 k ，若小球在环上运动一周，则感生电场对小球的作用力所做功的大小是 ( 　　 ) 答案　 D 　 1 ． ( 多选 ) 下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．感生电场由变化的磁场产生 B ．恒定的磁场也能在周围空间产生感生电场 C ．感生电场的方向也同样可以用楞次定律来判定 D ．感生电场的电场线是闭合曲线，其方向一定是沿逆时针方向 答案　 AC 　 课末随堂演练 解析　 磁场变化时在空间激发感生电场，其方向与所产生的感应电流方向相同，可由楞次定律判断，故选项 A 、 C 正确， B 、 D 错误． 2 ． ( 多选 ) 如图所示，导体 AB 在做切割磁感线运动时，将产生一个感应电动势，因而在电路中有电流通过，下列说法正确的是 ( 　　 ) 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 答案　 AB 　 解析　 根据动生电动势的定义，选项 A 正确；动生电动势中的非静电力与洛伦兹力有关，感生电动势中的非静电力与感生电场有关，选项 B 正确， C 、 D 错误． 3 ．如图所示，在磁感应强度为 B 、方向垂直纸面向里的匀强磁场中，金属杆 MN 在平行金属导轨上以速度 v 向右匀速滑动， MN 中产生的感应电动势为 E 1 ；若磁感应强度增为 2 B ，其他条件不变， MN 中产生的感应电动势变为 E 2 ，则通过电阻 R 的电流方向及 E 1 与 E 2 的大小之比 E 1 ∶ E 2 分别为 ( 　　 ) A ． c → a 　 2∶1 B ． a → c 　 2∶1 C ． a → c 　 1∶2 D ． c → a 　 1∶2 答案　 C 　 4 ．如图所示，矩形线圈长为 L ，宽为 h ，电阻为 R ，质量为 m ，线圈在空气中竖直下落一段距离后 ( 空气阻力不计 ) ，进入一宽度也为 h 、磁感应强度为 B 的匀强磁场中．线圈进入磁场时的动能为 E k1 ，线圈刚穿出磁场时的动能为 E k2 ，从线圈刚进入磁场到线圈刚穿出磁场的过程中产生的热量为 Q ，线圈克服磁场力做的功为 W 1 ，重力做的功为 W 2 ，则下列关系正确的是 ( 　　 ) A ． Q ＝ E k1 － E k2 B ． Q ＝ W 2 － W 1 C ． Q ＝ W 1 D ． W 2 ＝ E k2 － E k1 答案　 C 　 解析　 线圈进入磁场和离开磁场的过程中，产生的感应电流受到安培力的作用，线圈克服安培力所做的功等于产生的热量，故选项 C 正确．根据功能的转化关系得，线圈减少的机械能等于产生的热量，即 Q ＝ W 2 ＋ E k1 － E k2 ，故选项 A 、 B 错误．根据动能定理得 W 2 － W 1 ＝ E k2 － E k1 ，故选项 D 错误． 5 ．两根平行的金属导轨相距 L 1 ＝ 1 m ，与水平方向成 θ ＝ 30° 角倾斜放置，如图所示，其上端连接阻值 R ＝ 1.5 Ω 的电阻，另有一根质量 m ＝ 0.2 kg ，电阻 r ＝ 0.5 Ω 的金属棒 ab 放在两根导轨上，距离上端 L 2 ＝ 4 m ，棒与导轨垂直并接触良好，导轨电阻不计，因有摩擦力作用，金属棒处于静止状态．现在垂直导轨面加上从零均匀增强的磁场，磁感应强度的变化规律如图乙所示，已知在 t ＝ 2 s 时棒与导轨间的摩擦力刚好为零 ( g 取 10 m/s 2 ) ，则在棒发生滑动之前： (1) t ＝ 2 s 时，磁感应强度 B 为多大？ (2) 假如 t ＝ 5 s 时棒刚要发生滑动，则棒与导轨间最大静摩擦力多大？ (3) 从 t ＝ 0 到 t ＝ 3 s 内，电阻 R 上产生的电热有多少？ (2) 当 t ＝ 5 s 时，对金属棒由平衡条件得 B 5 IL 1 ＝ mg sin θ ＋ F fmax ， 由题图乙及第 (1) 问可得 t ＝ 5 s 时， B 5 ＝ 2.5 T ， 联立解得 F fmax ＝ 1.5 N. (3) 由焦耳定律得 Q R ＝ I 2 Rt ， 代入数据解得 Q R ＝ 4.5 J. 答案　 (1)1 T 　 (2)1.5 N 　 (3)4.5 J