电磁感应现象的能量转化与守恒课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,1.5,电磁感应中的能量,转化与守恒,1,学习目标,1,、分析电磁感应中机械能与电能的转化，理解电磁感应中能量转化与守恒,2,、通过探究和分析电磁感应现象中克服安培力做功的情况，探究其中的规律认识物理变化的因果关系和制约因素,2,探究,如图所示，设运动的导体,ab,的长为,L,，水平向右速度为,V,，匀强磁场的磁感强度,B,，闭合电路的总电阻为,R,，探究为了保持导体棒,匀速运动,，,外力所做的功,W,外,和,感应电流的电功,W,电,关系,R,a,b,W,外,=W,电,W,外,和,W,电,关系：,注意：,（,1,）安培力做什么功？,（,2,）它与电功是什么关系？,F,外,F,安,I,3,结论:,1.,在电磁感应现象中,产生的电能,是外力,克服安培力做功,转化而来的，克服安培力做了,多少,的功，就有,多少,电能生成，而这些电能又通过感应电流做功，转化成其他形式的能量。,2.,安培力做正功和克服安培力做功的区别：,电磁感应的过程，实质上是不同形式的能量相互转化的过程，,（1）,当外力克服安培力做多少功时，就有多少其它形式的能转化为电能；,（2）当安培力做多少正功时，就有多少电能转化为其它形式的能。,4,能量守恒和转化规律是自然界中最普遍的规律之一，所以在电磁感应现象中也伴随着能量转化。,产生,和,维持,感应电流的过程就是其它形式的能量转化为电能过程。,其它形式能量转化为电能的过程实质就是,安培力做负功,的过程。,克服安培力做多少功，就有多少其它形式能量转化为电能,。,电磁感应现象中,生成的电能又会通过感应电流做功转化成其他形式的能量。,5,W,外,=W,安,W,安,=E,电,电磁感应现象中能量转化关系,1,、产生电能过程：（电源）,导体做匀速移动时，,外力等于安培力,，所以外力移动导体所做的功，全部用于克服安培力做功，,能量全部转化为感应电流的电能。,（,1,）导体做匀速运动过程中：,6,（,2,）导体做加速运动过程中：,外力移动导体所做的功，一部分用于克服安培力做功，转化为产生感应电流的电能，另一部分用于增加导体的动能,W,外,-W,安,=E,K,W,安,=E,电,动能定理,7,2,、消耗电能过程：（负载）,电磁感应现象中生成的电能在闭合回路中又会通过负载消耗，生成其他形式的能量。,如果负载是纯电阻电路，那么电能转化成热能,如果负载是非纯电阻电路，那么电能转化成热能和其他形式的能量（机械能）,E,电,=Q,E,电,=Q+E,其他,8,1,、如图所示，磁感应强度,B=0.2T,，金属棒,ab,向右匀速运动，,v=5m/s,，,L=40cm,，,电阻,R=0.5,其余电阻不计，摩擦也不计，试求：,（,1,）感应电动势的大小,（,2,）感应电流的大小和方向,（,3,）金属棒安培力大小和方向,（,4,）感应电流的功率,（,5,）拉力的功率,R,B,a,b,v,9,一、电磁感应与电路综合,在电磁感应中，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，将它们接上电容器，便可使电容器充电；接上电阻或用电器就会对它们供电，在回路形成电流,.,（2）分析电路结构,(,内、外电路及外电路的串并联关系,),，画等效电路图应特别注意产生感应电动势的那部分导体相当于电路中的电源，其电阻相当于电源内阻，其电流流出的一端为正极,（3）利用电路规律求解欧姆定律即串并联电路的基本性质列方程求解,思路：,（1）确定电源,10,临界状态,运动状态的分析,F=BIL,v,与,a,方向关系,a,变化情况,F=ma,合外力,运动导体所受的安培力,感应电流,确定电源（,E,，,r,）,二、电磁感应中的力电综合问题,这类问题覆盖面广，题型也多种多样；但解决这类问题的关键在于通过运动状态的分析来寻找过程中的临界状态，如速度、加速度取最大值或最小值的条件等，基本思路是：,1.理解电磁感应问题中的两个研究对象及其之间的相互制约关系：,2.领会力和运动的动态关系,循环变化的结果：a=0,速度达最大，稳定状态,3.解决电磁感应现象中力学问题的思路：练习册17页,11,从能量转化和守恒着手，运用动能定律或能量守恒定律,(1),基本思路：受力分析弄清哪些力做功，正功还是负功明确有哪些形式的能量参与转化，哪增哪减，如有滑动摩擦力做功，必然有内能出现；重力做功，就可能有机械能参与转化；安培力做负功就将其它形式能转化为电能，做正功将电能转化为其它形式的能；由动能定理或能量守恒定律列方程求解,12,2,、如图所示，一导轨,PM,，,NQ,，水平固定在一个竖直向下的匀强磁场中，导轨上跨放一根质量为,m,的金属棒,ab,，,MN,之间接一电阻，它们的电阻分别是,R,和,r,，导轨的其余部分的电阻不计。若沿水平向右使金属棒,ab,获得一初速度,v,0,，设导轨足够长。求：,（,1,）分析金属棒,ab,的运动情况,（,2,）在金属棒,ab,中产生的热量和电路中总热量。,R,B,a,b,v,0,M,P,N,Q,r,13,在较复杂的电磁感应现象中，经常涉及求解焦耳热的问题。尤其是,安培力为变力,时，不能直接由,Q=I,2,Rt,解，用,能量守恒,的方法就可以不必追究变力、变电流做功的具体细节，,只需弄清能量的转化途径，注意分清有多少种形式的能在相互转化,，用能量的转化与守恒定律就可求解，而用能量的转化与守恒观点，只需从全过程考虑，不涉及电流的产生过程，计算简便。这样用守恒定律求解的方法最大特点是省去许多细节，解题简捷、方便。,14,3、,如图所示，光滑且足够长的平行金属导轨,MN,和,PQ,固定在同一水平面上，两导轨间距,L,=0.2m,，电阻,R,=0.4,，导轨上静止放置一质量,m,=0.1kg,、电阻,r,=0.1,的金属杆，导轨电阻忽略不计，整个装置处在磁感应强度,B,=0.5T,的匀强磁场中，磁场的方向竖直向下，现用一外力,F,沿水平方向拉杆，使之由静止起做匀加速运动并开始计时，若,5s,末理想电压表的读数为,0.2V.,求：,（,1,）,5s,末时电阻,R,上消耗的电功率；,（,2,）金属杆在,5s,末的运动速率；,（,3,）,5s,末时外力,F,的功率,.,F,M,V,R,Q,N,P,15,4,、如图所示，在磁感应强度为,B,的水平方向的匀强磁场中竖直放置两平行导轨，磁场方向与导轨所在平面垂直导轨宽,L,，其上端跨接一阻值为,R,的电阻,(,导轨电阻不计,),一金属棒,a,的电阻为,R,，质量分别为,m,，它与导轨相连，让金属棒,a,由某以高度静止释放，设导轨足够长，求：,（,1,）分析金属棒,a,的运动情况,（,2,）金属棒,a,的最大速度,v,m,（,3,）如果金属棒下落高度,h,时,达到最大速度，那么在,这个过程中电路生成的,总热能和金属棒,a,生成,的热能,R,a,通过金属棒,a,的电荷量？,16,作业,1,.,如图所示，电动机牵引一根原来静止的，质量,m=0.1kg,的导体,MN,，其电阻,R=1,，导体棒架在处于磁感应强度,B=1T,，竖直放置的框架上，框架宽,L=1m,；当导体棒上升,h=3.8m,时获得稳定的速度，导体产生的热量为,12J,，电动机牵引棒时，电压表、电流表的读数分别为,7V,、,1A,，电动机内阻,r=1,，不计框架电阻及一切摩擦，,g,取,10m/s,2,，,求,:,(1),棒能达到的,稳定,速度,v,(2),棒从静止到达到稳定速,度所需要的时间,t,A,V,M,N,17,5,、如图：两足够长平行光滑的金属导轨,MN,、,PQ,相距为,L,，导轨平面与水平面的夹角为,=30,，导轨电阻不计，磁感应强度为,B,的匀强磁场垂直导轨平面向上，长为,L,、质量为,m,、电阻为,R,的金属棒,ab,垂直于,MN,、,PQ,放置在导轨上，且始终与导轨电接触良好，两金属导轨的上端连接右端电路，定值电阻,R,1,=2R,，现将金属棒由静止释放，试求：,（,1,）金属棒下滑的最大速度是多少？,（,2,）当金属棒下滑距离,为,s,0,时速度恰好达,到最大，求金属棒,由静止开始下滑,2s,0,的过程中，整个电,路产生的电热。,R,1,B,a,b,M,P,N,Q,18,6,、如图所示，在水平绝缘平面上固定足够长的平行光滑金属导轨（电阻不计），导轨左端连接一个阻值为,R,的电阻，质量为,m,的金属棒,(,电阻不计,),放在导轨上，金属棒与导轨垂直且与导轨接触良好整个装置放在匀强磁场中，磁场方向与导轨平面垂直，在用水平恒力,F,把金属棒从静止开始向右拉动的过程中，下列说法正确的是,(),A,恒力,F,与安培力做的功之和等于电路中产生的电能与金属棒获得的动能和,B,恒力,F,做的功一定等于克服安培力做的功与电路中产生的电能之和,C,恒力,F,做的功一定等于克服安培力,做的功与金属棒获得的动能之和,D,恒力,F,做的功一定等于电路中产生,的电能与金属棒获得的动能之和,R,F,如果导轨是粗糙的呢？,19,7,、如图所示，平行金属导轨与水平面成,角，导轨与固定电阻,R,1,和,R,2,相连，匀强磁场垂直穿过导轨平面有一导体棒,ab,，质量为,m,，导体棒的电阻与固定电阻,R,1,和,R,2,的阻值均相等，与导轨之间的动摩擦因数为,，导体棒,ab,沿导轨向上滑动，当上滑的速度为,V,时，受到安培力的大小为,F,此时（）,（,A,）电阻,R,1,消耗的热功率为,Fv,3,（,B,）电阻,R,2,消耗的热功率为,Fv,6,（,C,）整个装置因摩擦而消耗,的热功率为,mgvcos,（,D,）整个装置消耗的机械功,率为（,F,mgcos,）,v,R,1,B,a,b,R,2,v,BCD,20,8,、在光滑绝缘水平面上，一边长为,10cm,、电阻,1,、质量,0.1kg,的正方形金属框,abcd,以,V,0,=6m/s,的速度向一有界的匀强磁场滑去，磁场方向与线框面垂直，,B=0.5T,，当线框全部进入磁场时，线框中已放出了,1.0J,的热量，则当线框,ab,边刚穿出磁场的瞬间，线框中电流的瞬时功率为,，加速度大小为,_,。,a,b,c,d,21,9,、位于竖直平面内的矩形平面导线框,abcd,，,ab,长,L,1,=1.0m,，,bc,长,L,2,=0.5m,，线框的质量,m=0.2kg,，电阻,R=2.,其下方有一匀强磁场区域，该区域的上下边界间距离为,H,，,HL,2,，磁场的磁感应强度,B=1.0T,，如图所示，线框的,cd,边从离磁场区域的上边界的距离为,h=0.7m,处自由下落，已知在线框的,cd,边进入磁场以后，,ab,边到达上边界之前线框的速度已达到这一阶段的最大值。求：,从线框开始下落到,cd,边刚刚,到达磁场区域下边界的过程,中，磁场作用于线框的安培,力做的总功为多少？以及这,一瞬间重力的功率？,(,取,g=10m/s,2,),a,b,c,d,h,H,22,a,F,b,B,R,c,e,f,1,0,.如图所示，有两根足够长、不计电阻，相距,L,的平行光滑金属导轨,cd,、,ef,与水平面成,角固定放置，底端接一阻值为,R,的电阻，在轨道平面内有磁感应强度为,B,的匀强磁场，方向垂直轨道平面斜向上,.,现有一平行于,ce,、垂直于导轨、质量为,m,、电阻不计的金属杆,ab,，在沿轨道平面向上的恒定拉力,F,作用下，从底端,ce,由静止沿导轨向上运动，当,ab,杆速度达到稳定后，撤去拉力,F,，最后,ab,杆又沿轨道匀速回到,ce,端,.,已知,ab,杆向上和向下运动的最大速度相等,.,求,:,拉力,F,和杆,ab,最后回到,ce,端的速度,v,.,d,23,1,1,、如右图所示，在磁感应强度为,B,的水平方向的匀强磁场中竖直放置两平行导轨，磁场方向与导轨所在平面垂直导轨上端跨接一阻值为,R,的电阻,(,导轨电阻不计,),两金属棒,a,和,b,的电阻均为,R,，质量分别为,m,a,210,2,kg,和,m,b,110,2,kg,，它们与导轨相连，如右图并可沿导轨无摩擦滑动闭合开关,S,，先固定,b,，用一恒力,F,向上拉,a,，稳定后,a,以,v,1,10 m/s,的速度匀速运动，此时再释放,b,，,b,恰好能保持静止，设导轨足够长，取,g,10 m/s,2,.,(1),求拉力,F,的大小；,(2),若将金属棒,a,固定，让金属棒,b,自,由下滑,(,开关仍闭合,),，求,b,滑行的最,大速度,v,2,；,(3),若断开开关，将金属棒,a,和,b,都固,定，使磁感应强度从,B,随时间均匀增,加，经,0.1 s,后磁感应强度增到,2,B,时，,a,棒受到的安培力正好等于,a,棒的重力，,求两金属棒间的距离,h,.,R,a,b,F,24,12,、两根相距为,L,的足够长的金属直角导轨如图所示放置，它们各有一边在同一水平面内，另一边垂直于水平面质量均为,m,的金属细杆,ab,、,cd,与导轨垂直接触形成闭合回路，杆与水平和竖直导轨之间有相同的动摩擦因数,，导轨电阻不计，回路总电阻为,2,R,，整个装置处于磁感应强度大小为,B,、方向竖直向上的匀强磁场中当,ab,杆在平行于水平导轨的拉力作用下沿导轨向右匀速运动时，,cd,杆也正好以某一速度向下匀速运动，设运动过程中金属细杆,ab,、,cd,与导轨接触良好，重力加速度为,g,，求：,（,1,）,ab,杆匀速运动的速度,v,1,；,（,2,）,ab,杆所受拉力,F,；,（,3,）,ab,杆以,v,1,匀速运动时，,cd,杆以,v,2,（,v,2,已知）匀速运动，,则在,cd,杆向下运动,h,的过程中，,整个回路中产生的焦耳热。,a,b,c,d,B,v,1,v,2,25,扬州市07-08学年度第一学期期末调研试卷,13,如图所示，一边长,L,=0.2m,，质量,m,1,=0.5kg,，电阻,R,=0.1,的正方形导体线框,abcd,，与一质量为,m,2,=2kg,的物块通过轻质细线跨过两定滑轮相连。起初,ad,边距磁场下边界为,d,1,=0.8m,，磁感应强度,B,=2.5T,，磁场宽度,d,2,=0.3m,，物块放在倾角,=53,的斜面上，物块与斜面间的动摩擦因数,=0.5,。现将物块由静止释放，经一段时间后发现当,ad,边从磁场上边缘穿出时，线框恰好做匀速运动。,(,g,取,10m/s,2,sin53=0.8,cos53=0.6,）求：,（,1,）线框,ad,边从磁场上边缘穿出时绳中拉力的功率,;,（,2,）线框刚刚全部进入磁场时速度的大小；,（,3,）整个运动过程中线框产生的焦耳热。,26,解：,d,1,d,2,b,a,d,c,m,2,（,1,）由于线框匀速出磁场，则对,m,2,有：,得,T,=10N,对,m,1,有：,又因为,联立可得：,所以绳中拉力的功率,P,=,Tv,=20W,27,上海普陀区08年1月期末调研试卷,14,、（,12,分）如图所示，一有界匀强磁场，磁感应强度大小均为,B,，方向分别垂直纸面向里和向外，磁场宽度均为,L,，在磁场区域的左侧相距为,L,处，有一边长为,L,的正方形导体线框，总电阻为,R,，且线框平面与磁场方向垂直。现使线框以速度,V,匀速穿过磁场区域。若以初始位置为计时起点，规定,B,垂直纸面向里时为正，,（,1,）试画出线框通过磁场区域过程中，线框中的磁通量,与前进的时间,t,之间的函数关系；,（,2,）求线框在通过磁场过程中,线框中电流的最大值,;,（,3,）求线框在通过磁场过程中,拉力功率的最大值；,（,4,）在此过程中，线框中产生的热量,Q,。,28,解：,(1),L,LLLLL,L,L,B,L,LL,B,0,1,2,4,2,见图,(2),线框穿过两磁场分界区域过程中电流最大,(3),(4),线框进入左磁场和穿过,右磁场过程中的感应电流,I,1,29,