【物理】法拉第电磁感应定律课时三 2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册.pptx

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1、人教版（2019）选修 第二册2.2 法拉第电磁感应定律（课时3）电磁感应中的动力学和能量问题1.1.知道知道安培力安培力做正功，电做正功，电能能转化为其它形式能；安培力做负功，表示转化为其它形式能；安培力做负功，表示有多少其它形式的能转化为电能。有多少其它形式的能转化为电能。2.2.利用动力学观点、能量观点、动量观点分析同一物理问题，灵活选利用动力学观点、能量观点、动量观点分析同一物理问题，灵活选择解决问题的视角；择解决问题的视角；通过电磁感应中的通过电磁感应中的动力学动力学问题和能量问题的探究，提高分析、综问题和能量问题的探究，提高分析、综合等思维能力。合等思维能力。学习目标学习目标模型：

2、杆杆+导轨模型导轨模型轨道光滑轨道光滑共同特点：共同特点：初状态静止初状态静止金属棒受恒定非安培力作用金属棒受恒定非安培力作用baB B30300 0乙乙导体在恒力作用下由静止开始切割磁感线运动导体在恒力作用下由静止开始切割磁感线运动abB BR R F F甲甲a bR R丙丙一、电磁感应中的动力学问题一、电磁感应中的动力学问题例例例例1 1 1 1 如图所示，空间存在如图所示，空间存在B B=0.5T=0.5T、方向竖直向下的匀强磁场，、方向竖直向下的匀强磁场，MNMN、PQPQ是水平放是水平放置的平行长直导轨，其间距置的平行长直导轨，其间距L L=0.2m=0.2m，R R=0.3=0.3

3、的电阻接在导轨一端，的电阻接在导轨一端，ab是跨接在是跨接在导轨上质量导轨上质量m=0.1kg=0.1kg、接入电路的电阻、接入电路的电阻r=0.10.1的导体棒，已知导体棒和导轨间的的导体棒，已知导体棒和导轨间的动摩擦因数为动摩擦因数为0.20.2。从零时刻开始，对。从零时刻开始，对ab棒施加一个大小为棒施加一个大小为F F=0.45N=0.45N、方向水平向、方向水平向左的恒定拉力，使其从静止开始沿导轨滑动，过程中左的恒定拉力，使其从静止开始沿导轨滑动，过程中ab棒始终保持与导轨垂直且棒始终保持与导轨垂直且接触良好。（接触良好。（g=10m/s=10m/s2 2）分析导体棒的运动性质；分析

4、导体棒的运动性质；求导体棒所能达到的最大速度；求导体棒所能达到的最大速度；试定性画出导体棒运动的速度时间图象。试定性画出导体棒运动的速度时间图象。可得可得 由牛顿第二定律，得由牛顿第二定律，得 可见，随着速度的增大，安培力增大，加速度可见，随着速度的增大，安培力增大，加速度a减小，当加速度减小，当加速度a减小到减小到0 0时，时，速度达到最大，此后导体棒做匀速直线运动；速度达到最大，此后导体棒做匀速直线运动；故故导体棒做加速度减小的加速导体棒做加速度减小的加速运动，最终做匀速运动运动，最终做匀速运动。当导体棒达到最大速度时，有当导体棒达到最大速度时，有 代入数据解得代入数据解得如右图。如右图。

5、解析：解析：解析：解析：关键点：寻找临界状态关键点：寻找临界状态 核心点：受力分析、运动分析核心点：受力分析、运动分析例题总结：例题总结：例题总结：例题总结：电磁感应中的动力学问题电磁感应中的动力学问题 收尾速度：加速度减小的加速运动，当收尾速度：加速度减小的加速运动，当a=0=0时速度达最大值时速度达最大值vm m 问题：定性分析物体的运动定性分析物体的运动速度增加速度增加同向同向反向反向速度减小速度减小1.1.加速度变化加速度变化分析分析2.2.速度变化速度变化分析分析由由F F合合=ma得得根据根据F F合合变化，判断变化，判断a的变化的变化F F合合（或（或a）与）与v方向方向间关系间

6、关系E=BLE=BLvF F合合导体切割导体切割磁感线磁感线vaF F安安=ILB=ILB电学对象电学对象（电源、电路）（电源、电路）力学对象力学对象（导体棒）（导体棒）F F安安（桥梁）（桥梁）法拉第电磁法拉第电磁感应定律感应定律楞次定律楞次定律闭合电路欧姆定律闭合电路欧姆定律功能关系功能关系F F合合=maF F合合=0=0小结小结：解决电磁感应中的动力学问题的基本思路解决电磁感应中的动力学问题的基本思路针对练针对练针对练针对练 如图，匀强磁场如图，匀强磁场B B0.2T0.2T，方向，方向垂直垂直于足够长的金属于足够长的金属U U形框架形框架向上，框架向上，框架宽度宽度L L1m1m，与

7、水平面夹角，与水平面夹角=30300 0，电阻忽略不计。导体棒，电阻忽略不计。导体棒ab质量质量m0.2kg0.2kg，电阻，电阻R R0.10.1，垂直跨放在框架上，并能无摩擦的滑动，求：，垂直跨放在框架上，并能无摩擦的滑动，求：导体下滑的最大速度导体下滑的最大速度vm m。在最大速度在最大速度vm m时，时，导体棒导体棒上消耗的电功率上消耗的电功率P Pm m。参考答案参考答案参考答案参考答案B BmgF F安安F FN NbaB BL L 如图，定值电阻如图，定值电阻R R，导体棒，导体棒ab电阻电阻r，水平光滑导轨间距，水平光滑导轨间距l，其电阻不计。匀强磁场，其电阻不计。匀强磁场磁感

8、应强度为磁感应强度为B B，当棒，当棒ab以速度以速度v向右匀速运动时，求：向右匀速运动时，求：棒棒ab受到的安培力为多大？要使棒受到的安培力为多大？要使棒ab匀速运动，要施加多大的外力？方向如何匀速运动，要施加多大的外力？方向如何？整个回路中消耗的电能从哪里转化来？整个回路中消耗的电能从哪里转化来？R Rabv当匀速运动时，有当匀速运动时，有分析：分析：分析：分析：当导体棒匀速运动时，有当导体棒匀速运动时，有F F外外=F F安安二、二、电磁感应中的能量问题电磁感应中的能量问题例题例题例题例题2 2 2 2 有一边长有一边长l=0.1m=0.1m的正方形导线框的正方形导线框abcd，质量，质

9、量m=10g=10g，由高度，由高度h=0.2m=0.2m处自处自由下落，如图所示。其下边由下落，如图所示。其下边ab进入匀强磁场区域后，线圈开始做匀速运动，直到进入匀强磁场区域后，线圈开始做匀速运动，直到其上边其上边dc刚刚开始穿出匀强磁场为止，此匀强磁场区域宽度也为刚刚开始穿出匀强磁场为止，此匀强磁场区域宽度也为l。求：线框在穿越匀强磁场过程中产生的焦耳热。（求：线框在穿越匀强磁场过程中产生的焦耳热。（g取取10m/s10m/s2 2）解析：解析：解析：解析：重力势能减少转化为电能，根据能重力势能减少转化为电能，根据能量守恒定律得，线框在穿越匀强磁场过程量守恒定律得，线框在穿越匀强磁场过程

10、中发出的焦耳热中发出的焦耳热 Q=Q=2mgl=20.01100.1J=0.02J=20.01100.1J=0.02J针对练针对练针对练针对练 如图所示，竖直平面内的两条水平虚线之间有垂直于纸面向外的匀强如图所示，竖直平面内的两条水平虚线之间有垂直于纸面向外的匀强磁场，磁场宽度磁场，磁场宽度d=0.2m=0.2m。一质量。一质量m=10g=10g，电阻，电阻R R=0.05=0.05，边长，边长L L=0.1m=0.1m的正方形单的正方形单匝导线框匝导线框abcd，由距磁场上边界高度，由距磁场上边界高度h=0.2m=0.2m处自由下落，其处自由下落，其ab边进入磁场区域瞬边进入磁场区域瞬间，线

11、框恰好能匀速运动，其间，线框恰好能匀速运动，其cd边离开磁场瞬间速度边离开磁场瞬间速度v2 2=2.4m/s=2.4m/s。空气阻力忽略不。空气阻力忽略不计，重力加速度计，重力加速度g=10m/s=10m/s2 2求：求：匀强磁场的磁感应强度匀强磁场的磁感应强度B B的大小；的大小；导线框穿越匀强磁场的整个过程中产生的焦耳热导线框穿越匀强磁场的整个过程中产生的焦耳热Q Q。参考答案：参考答案：参考答案：参考答案：0.5T0.5T；0.0212J0.0212J线框线框ab边到达磁场上边界速度为边到达磁场上边界速度为v，线框在进入磁场前做自由落体运动，线框在进入磁场前做自由落体运动，其速度为其速度

12、为v2 2=2=2gh，解得，解得v=2m/s=2m/s 进入磁场瞬间，进入磁场瞬间，ab边：边：E E=BLv 线框中的电流为线框中的电流为 对于对于ab边，边，F F安安=ILBILB 由于进入磁场中匀速运动，有由于进入磁场中匀速运动，有mg=F F安安 解得解得 B B=0.5T=0.5T在整个运动过程中，在整个运动过程中，由能量守恒定律可得由能量守恒定律可得 解得解得Q Q=0.0212J=0.0212J解析：解析：解析：解析：1.1.电路中的能量转化电路中的能量转化P P安安=P P电电 或 F F安安v=IEIE安培力做负功安培力做负功机械能机械能电能电能安培力做正功安培力做正功求

13、解焦耳热思路求解焦耳热思路公式公式适用条件适用条件焦耳定律焦耳定律功能关系功能关系能量转化能量转化电流恒定电流恒定普适普适Q Q=I I2 2R RtQ Q=W W克服安培力克服安培力Q Q=E E其它形式能减少量其它形式能减少量2.2.计算焦耳热计算焦耳热小结小结：分析电磁感应中的能量问题基本思路电磁感应中的能量问题基本思路例题例题例题例题3 3 3 3 如图，足够长的平行光滑如图，足够长的平行光滑U U形导轨倾斜放置，所在平面的倾角形导轨倾斜放置，所在平面的倾角=37370 0，导，导轨间的距离轨间的距离L L=1.0m1.0m，下端连接，下端连接R R=1.6 1.6 的电阻，导轨电阻不

14、计，所在空间存在垂的电阻，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，磁感应强度直于导轨平面向上的匀强磁场，磁感应强度B B=1.0T1.0T。质量质量m=0.5kg0.5kg、电阻、电阻r=0.40.4的金属棒的金属棒ab垂直置于导轨上，现用沿导轨平面且垂垂直置于导轨上，现用沿导轨平面且垂直于金属棒、大小为直于金属棒、大小为F F=5.0N5.0N的恒力使金属棒的恒力使金属棒ab从静止开始沿导轨向上滑行，当金从静止开始沿导轨向上滑行，当金属棒滑行属棒滑行s=2.8m2.8m后速度保持不变。后速度保持不变。(sin37sin370 0=0.60.6 cos37cos370 0=0.

15、8 0.8 g=10m/s10m/s2 2)求：求：金属棒匀速运动时的速度大小金属棒匀速运动时的速度大小v；金属棒从静止到刚开始匀速运动的过程中，金属棒从静止到刚开始匀速运动的过程中，电阻电阻R R上产生的热量上产生的热量Q QR R。参考答案参考答案参考答案参考答案（1 1）4m/s4m/s；（；（2 2）1.28J1.28J三、三、电磁感应中的动力学和能量问题电磁感应中的动力学和能量问题综合综合根据法拉第电磁感应定律，可得感应电动势为根据法拉第电磁感应定律，可得感应电动势为 E=E=BLv 感应电流为：感应电流为：导体棒受到的安培力为导体棒受到的安培力为F F安安=ILB ILB 导体棒做

16、匀速运动，由平衡条件得导体棒做匀速运动，由平衡条件得 F F=mgsin+ILBILB 解得解得v=4m/s=4m/s金属棒运动过程，由能量守恒定律得金属棒运动过程，由能量守恒定律得 电阻电阻R R产生的热量为产生的热量为 ，代入数据解得代入数据解得Q QR R=1.28J=1.28J解析：解析：解析：解析：针对练针对练针对练针对练 如图，相距为如图，相距为L L的两条足够长的光滑平行金属导轨的两条足够长的光滑平行金属导轨MNMN、PQPQ水平放置于磁水平放置于磁感应强度大小为感应强度大小为B B、方向竖直向上的匀强磁场中，导轨的、方向竖直向上的匀强磁场中，导轨的M M、P P两端连接一阻值为

17、两端连接一阻值为R R的的电阻，金属棒电阻，金属棒ab垂直于导轨放置且接触良好，并通过水平细线跨过滑轮与物体垂直于导轨放置且接触良好，并通过水平细线跨过滑轮与物体A A相相连，已知连，已知ab棒与物体棒与物体A A质量相等，除质量相等，除R R外其余部分的电阻均不计、一切摩擦以及细线外其余部分的电阻均不计、一切摩擦以及细线和滑轮的质量不计。现将和滑轮的质量不计。现将ab棒由静止释放，测得棒由静止释放，测得ab棒沿导轨滑行达到最大速度为棒沿导轨滑行达到最大速度为vm m，在此过程中流过电阻，在此过程中流过电阻R R的总电量为的总电量为q，重力加速度为，重力加速度为g，求：，求：物体物体A A的质

18、量为多少？的质量为多少？ab棒速度为最大速度棒速度为最大速度 时加速度时加速度a的大小；的大小；ab棒从开始运动到最大速度的过程中电阻棒从开始运动到最大速度的过程中电阻R R上上 产生的焦耳热产生的焦耳热Q Q。参考答案参考答案参考答案参考答案 当当ab棒速度最大时，其所受安培力与细线拉力平衡，即棒速度最大时，其所受安培力与细线拉力平衡，即 解得解得 当当ab棒速度为棒速度为 时，对时，对ab和和A A整体根据牛顿第二定律有整体根据牛顿第二定律有 解得解得 设设ab棒从开始运动到最棒从开始运动到最大速度的过程中运动的位移为大速度的过程中运动的位移为x，则，则 解得解得 根据能量守恒定律可得该过

19、程中根据能量守恒定律可得该过程中回路产生的总焦耳热为回路产生的总焦耳热为解析：解析：解析：解析：例例例例4 4 4 4 如图，夹角为如图，夹角为的三角形金属框架的三角形金属框架MONMON平面与匀强磁场平面与匀强磁场B B垂直，光滑导体棒垂直，光滑导体棒ab(垂直于垂直于OMOM)在外力作用下以垂直于自身的速度在外力作用下以垂直于自身的速度v0 0向右匀速运动，导体棒在滑动过程向右匀速运动，导体棒在滑动过程中始终保持与框架良好接触，经过中始终保持与框架良好接触，经过O O点瞬间作为计时起点。点瞬间作为计时起点。求：回路中的求：回路中的E E-t函数关系式。函数关系式。若不计金属框架的电阻，导体

20、棒若不计金属框架的电阻，导体棒ab单位长度电阻为单位长度电阻为r0 0，试分析：，试分析：I I-t 关系关系 回路中消耗的电功率回路中消耗的电功率P P与导体棒水平移动与导体棒水平移动 的距离的距离x变化规律？变化规律？N Na b O OM M四、切割长度四、切割长度L L满足某种变化关系的情况满足某种变化关系的情况解析：解析：解析：解析：设切割磁场的部分导体有效长为设切割磁场的部分导体有效长为l，其电阻为，其电阻为R R,则则 E E=B Blv0 0 R R=lr0 0故故又又l=xtan，代入得，代入得结论：结论：结论：结论：整个框架材料、粗细相同时，整个框架材料、粗细相同时，回路电

21、流恒定回路电流恒定，与时间、位移无关。，与时间、位移无关。E E-t函数关系式：函数关系式：针对练针对练针对练针对练 如图，在水平面（纸面）内有三根相同如图，在水平面（纸面）内有三根相同的均匀金属棒的均匀金属棒ab、ac和和MNMN，其中，其中ab、ac在在a点接触，点接触，构成构成“V”“V”字型导轨，空间存在垂直于纸面的均匀磁字型导轨，空间存在垂直于纸面的均匀磁场。用力使场。用力使MNMN向右匀速运动，从图示位置开始计时，向右匀速运动，从图示位置开始计时，运动中运动中MNMN始终与始终与bac的平分线垂直且和导轨保持良的平分线垂直且和导轨保持良好接触。下列关于回路中电流好接触。下列关于回路中电流i与时间与时间t的关系图线，的关系图线，可能正确的是可能正确的是 （）A.A.B.B.C.C.D.D.A A A A法拉第电磁感法拉第电磁感应定律的应用应定律的应用课堂小结课堂小结课堂小结电磁感应中的电磁感应中的动力学问题动力学问题切割长度切割长度L L满足某种满足某种变化关系的情况变化关系的情况电磁感应中的电磁感应中的能量问题能量问题