2019-2020学年物理高中人教版选修3-2学案：4.5电磁感应两类情况 .docx

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1、第四章电磁感应5电磁感应现象的两类情况学习目标1.了解感生电场,会解释感生电动势的产生原因.2.了解动生电动势的产生条件和洛伦兹力的关系.3.掌握两种感应电动势的区别与联系,会应用分析实际问题.4.了解电磁感应规律的一般应用,会分析科技实例.自主探究1.电源是通过做功把其他形式能转化为电能的装置. 2.如果电源移送电荷q时,非静电力所做的功为W,那么W与q的,叫做电源的电动势.定义式为E=.3.电动势的作用实际上是某种对自由电荷的作用.4.在电磁感应现象中,扮演了非静电力的角色.合作探究一、电磁感应现象中的感生电场自主学习:阅读课本P19的内容,学习感生电动势的知识.一个闭合电路静止于磁场中,

2、由于磁场强弱的变化,闭合电路内产生了感应电动势,我们称之为感生电动势.提出问题:(1)电流是怎样产生的?(2)自由电荷为什么会运动?问题探究:现代科学研究中常用到高速电子,电子感应加速器就是利用感生电场使电子加速的设备.它的基本原理如图所示,上、下为电磁铁的两个磁极,磁极之间有一个环形真空室,电子在真空室中做圆周运动.电磁铁线圈电流的大小、方向可以变化,产生感生电场使电子加速.右图为俯视图,如果从上向下看,电子沿逆时针方向运动.当电磁铁线圈的电流方向与图示方向一致时,电流的大小应该怎样变化才能使电子加速?归纳总结:1.磁场变化时会在空间激发,闭合导体中的在电场力的作用下定向运动,产生感应电流,

3、即产生了感应电动势.2.由感生电场产生的感应电动势称为.3.感生电场的方向可以根据判断.二、电磁感应现象中的洛伦兹力自主学习:阅读课本P20的电磁感应现象中的洛伦磁力的相关内容,思考讨论下列问题.(1)导体棒中的自由电荷受到什么力的作用?(注意导体棒中的自由电荷是带负电的电子)它将沿导体棒向哪个方向运动?(2)导体棒的哪端电势比较高?(3)如果导体棒一直运动下去,自由电荷是否也会沿着导体棒一直运动下去?归纳总结:一段导线在做切割磁感线的运动时,相当于一个,通过上面的分析可以看到,这时非静电力与有关.课堂检测1.下列说法中正确的是()A.动生电动势是洛伦兹力对导体中自由电荷做功而引起的B.因为洛

4、伦兹力对运动电荷始终不做功,所以动生电动势不是由洛伦兹力而产生的C.动生电动势的方向可以由右手定则来判定D.导体棒切割磁感线产生感应电流,受到的安培力一定与受到的外力大小相等、方向相反2.一矩形线框置于匀强磁场中,线框平面与磁场方向垂直.先保持线框的面积不变,将磁感应强度在1 s时间内均匀地增大到原来的两倍.接着保持增大后的磁感应强度不变,在1 s时间内,再将线框的面积均匀地减小到原来的一半.先后两个过程中,线框中感应电动势的比值为()A.12B.1C.2D.43.如图所示,PQRS为一正方形导线框,它以恒定速度向右进入以MN为边界的匀强磁场,磁场方向垂直线框平面,MN线与线框的边成45角.E

5、、F分别为PS与PQ的中点.关于线框中的感应电流,正确的说法是()A.当E点经过边界MN时,线框中感应电流最大B.当P点经过边界MN时,线框中感应电流最大C.当F点经过边界MN时,线框中感应电流最大D.当Q点经过边界MN时,线框中感应电流最大4.如图所示,在一水平光滑绝缘塑料板上有一环形凹槽,有一带正电小球质量为m,电荷量为q,在槽内沿顺时针做匀速圆周运动,现加一竖直向上的均匀变化的匀强磁场,且B逐渐增加,则()A.小球速度变大B.小球速度变小C.小球速度不变D.以上三种情况都有可能5.如图所示,平行导轨间有一矩形的匀强磁场区域,细金属棒PQ沿导轨从MN处匀速运动到MN的过程中,棒上感应电动势

6、E随时间t变化的图象可能正确的是()6.如图所示,一个由导体做成的矩形线圈,以恒定速率v运动,从无磁场区域进入匀强磁场区,磁场宽度大于矩形线圈的宽度da,然后从右侧离开磁场区域,若取逆时针方向的电流为正方向,那么下列选项中能正确地表示回路中电流对时间的函数关系的是()7.如图所示,平行导轨间距为d,左端跨接一个电阻R,匀强磁场的磁感应强度为B,方向垂直于平行金属导轨所在平面.一根金属棒与导轨成角放置,金属棒与导轨的电阻均不计且金属棒足够长.当金属棒沿垂直于棒的方向以恒定的速度v在金属导轨上滑行时,通过电阻R的电流为()A.BdvR B.BdvsinRC.BdvcosR D.BdvRsin8.如

7、图所示,两个互连的金属圆环,粗金属环的电阻为细金属环电阻的二分之一.磁场垂直穿过粗金属环所在区域.当磁感应强度随时间均匀变化时,在粗环内产生的感应电动势为E,则a、b 两点间的电势差为()A.12E B.13E C.23E D.E9.如图所示,金属杆ab以恒定的速率v在光滑平行导轨上向右滑行,设整个电路中总电阻为R(恒定不变),整个装置置于垂直纸面向里的匀强磁场中,下列叙述正确的是()A.ab杆中的电流与速率v成正比B.磁场作用于ab杆的安培力与速率v成正比C.电阻R上产生的电热功率与速率v成正比D.外力对ab杆做功的功率与速率v成正比10.半径为a右端开小口的导体圆环和长为2a的导体直杆,单

8、位长度电阻均为R0.圆环水平固定放置,整个内部区域分布着竖直向下的匀强磁场,磁感应强度为B.杆在圆环上以速度v平行于直径CD向右做匀速直线运动,杆始终有两点与圆环良好接触,从圆环中心O开始,杆的位置由确定,如图所示.则()A.=0时,杆产生的电动势为2BavB.=3时,杆产生的电动势为3BavC.=0时,杆受的安培力大小为2B2av(+2)R0D.=3时,杆受的安培力大小为3B2av(5+3)R011.如图甲所示的螺线管,匝数n=1 500,横截面积S=20 cm2,电阻r=1.5 ,与螺线管串联的外电阻R1=3.5 ,R2=25 .穿过螺线管的匀强磁场方向向右,磁感应强度按图乙所示规律变化,

9、试计算电阻R2的电功率和A、B两点的电势(C点电势为零).12.如图所示,水平放置的平行金属导轨MN和PQ,相距l=0.50 m,导轨左端接一电阻R=0.20 ,磁感应强度B=0.40 T的匀强磁场方向垂直于导轨平面,导体棒ac垂直导轨放置,并能无摩擦地沿导轨滑动,导轨和导体棒的电阻均可忽略不计.当ac棒以v=4.0 m/s的速度水平向右匀速滑动时,求:(1)ac棒中感应电动势的大小;(2)回路中感应电流的大小和方向;(3)维持ac棒做匀速运动的水平外力F的大小和方向.13.如图所示,两根足够长的光滑直金属导轨MN、PQ平行放置在倾角为的绝缘斜面上,两导轨间距为l,M、P两点间接有阻值为R的电

10、阻.一根质量为m的均匀直金属杆ab放在两导轨上,并与导轨垂直.整套装置处于匀强磁场中,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ab沿导轨由静止开始下滑,经过一段时间后,金属杆达到最大速度vmax,在这个过程中,电阻R上产生的热量为Q.导轨和金属杆接触良好,重力加速度为g.求:(1)金属杆达到最大速度时安培力的大小;(2)磁感应强度的大小;(3)金属杆从静止开始至达到最大速度的过程中杆下降的高度.参考答案自主探究1.非静电力2.比值Wq3.非静电力4.感应电场对电荷的作用合作探究一、电磁感应现象中的感生电场提出问题:(1)电流是自由电荷定向移动产生的.(2)导体中的自由电荷在感

11、生电场的作用下做定向运动.问题探究:电子带负电,它在电场中受力的方向与电场方向相反.本题中电子沿逆时针方向运动,所以为使电子加速,产生的电场必须沿顺时针方向.在图中,磁场方向由下向上.根据楞次定律,为使真空室中产生顺时针方向的感生电场,磁场应该由弱变强.也就是,为使电子加速,电磁铁中的电流应该由小变大.归纳总结:1.电场自由电子2.感生电动势3.右手定则二、电磁感应现象中的洛伦兹力自主学习:(1)洛伦兹力;自由电子沿导体棒由C到D运动.(2)C端的电势高.(3)当导体棒中的感生电场对自由电子的电场力与洛伦兹力平衡时,自由电子不会再沿着导体棒运动.归纳总结:电源洛伦兹力课堂检测1.C解析:洛伦兹

12、力沿导体方向的分力对导体中自由电荷做功是产生动生电动势的本质,A、B两项错误;C项正确;只有在导体棒做匀速切割时,除安培力以外的力的合力才与安培力大小相等、方向相反,做变速运动时不成立,故D项错误.2.B解析:在相同时间内,两个过程中磁通量的变化量相同,由法拉第电磁感应定律E=t可以判断感应电动势的大小也相同,即两次感应电动势的比值为1,B项正确.3.B解析:由题意知在线框进入磁场的过程中B与v都是不变的,根据公式E=Blv可知,有效长度l最大时,回路中的感应电流最大,当P点经过边界MN时,R点正好经过边界MN,切割磁感线运动的有效长度l有最大值,B项正确.4.A解析:在此空间中,没有闭合导体

13、,但磁场的变化,使空间产生感应电场.据楞次定律得出感应电场方向如图所示,又因小球带正电荷,电场力与小球速度同向,电场力对小球做正功,小球速度变大,A项正确.5.A解析:由E=Blv可以直接判断A项正确.6.C解析:当线圈开始运动,尚未进入磁场区时,没有产生感应电流.ab边切割磁感线时产生的感应电动势为定值,因此感应电流也为定值,方向为逆时针(正).当cd边进入磁场时,ab和cd边产生的感应电动势互相抵消,没有感应电流.当线圈继续运动,在磁场中只有cd边时,感应电流是顺时针(负),数值与线圈进入磁场时的等大,cd边离开磁场后,线圈无感应电流,C项正确.7.D解析:能够引起感应电流的电动势是闭合导

14、体回路中的部分MN产生的电动势,所以有效切割长度l=dsin,感应电动势E=Blv=Bdvsin,感应电流I=ER=BdvRsin,D项正确.8.C解析:粗环相当于电源的内电路,细环相当于电源的外电路,a、b间电势差即为外电压.由全电路欧姆定律得,Uab=ER2+RR,所以Uab=23E.9.AB解析:由E=Blv和I=ER得, ab杆中的电流I=BlvR,A项正确; ab杆受到的安培力F=BIl=B2l2vR,B项正确;电阻上消耗的热功率Q=I2R=B2l2v2R,外力对ab杆做功的功率等于消耗的热功率,C、D两项错误.10.AD解析:=0时,杆在CD位置,产生的电动势为E=B2av=2Ba

15、v,通过杆的电流为I=2BavaR0+2aR0=2BvR0+2R0,杆受到的安培力为F=BI2a=4B2avR0+2R0,A项正确,C项错误;=3时,杆切割的有效长度为a,产生的电动势为E=Bav,电路的总电阻为R=(2-3)aR0+aR0=53aR0+aR0,通过杆的电流为I=BavR=3Bv(5+3)R0,杆受到的安培力为F=BIa=3B2av(5+3)R0,B项错误,D项正确.11.解析:由题中B-t图可知,穿过螺线管的磁通量均匀增加,螺线管中感应电流产生磁场方向向左,感应电流在线圈内从B流向A,A端的电势高于B端的电势.把螺线管视为电源,由闭合电路欧姆定律可求出通过螺线管的回路电流,从

16、而求出R2消耗的电功率及A、B两点的电势.由题图乙,螺线管中的磁感应强度B均匀增加,其变化率Bt=6-22 T/s=2 T/s由法拉第电磁感应定律,螺线管产生的感应电动势E=nt=nSBt=1 5002010-42 V=6.0 V通过螺线管回路的电流I=Er+R1+R2=61.5+3.5+25 A=0.2 A电阻R2上消耗功率P2=I2R2=(0.2)225 W=1.0 W因C=0,则A-C=IR1=0.23.5 V=0.7 V,即A=0.7 V,C-B=IR2=0.225 V=5 V因为C=0,所以B=-5 V.答案:1.0 W0.7 V-5 V12.解析:(1)根据法拉第电磁感应定律,ac

17、棒中的感应电动势为E=Blv=0.400.504.0 V=0.80 V.(2)根据闭合电路欧姆定律,感应电流大小为I=ER=0.800.20 A=4.0 A由右手定则可知,回路中感应电流的方向为aMPca(或逆时针方向).(3)当ac棒向右匀速运动时,ac棒中有由c向a的电流,根据左手定则可知,ac棒所受的磁场力F安水平向左.为维持ac棒做匀速运动,应施加一个与F安等值反向的水平外力F,即F=F安=BIl=0.404.00.50 N=0.80 N方向水平向右.答案:(1)0.80 V(2)4.0 A方向为aMPca(3)0.80 N水平向右13.解析:(1)当达到最大速度时,设金属杆受安培力为Fmax,杆受力平衡Fmax=mgsin .(2)当杆达到最大速度时,感应电动势为Emax,感应电流为Imax,则Emax=BlvmaxImax=BlvmaxR由Fmax=BImaxl得,B=mgRsinvmaxl2.(3)设金属杆从静止开始至达到最大速度的过程中下降的高度为h由能量守恒得,mgh=12mvmax2+Q解得,h=mvmax2+2Q2mg.答案:(1)mgsin (2)mgRsinvmaxl2(3)mvmax2+2Q2mg