电磁感应中的动力学与能量问题课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,高三物理复习课件（导与练）第,9,章,第四课时电磁感应中的动力学与能量问题,1,2,1,掌握电磁感应现象综合应用问题的处理方法,2,理解能量守恒定律在电磁感应中的体现，能用能量的观点分析、解决电磁感应问题,3,4,5,6,2,电磁感应中的能量转化,(1),能量转化：导体切割磁感线或磁通量发生变化，在回路中产生感应电流，这个过程中是机械能或其他形式的能转化为,电能,感应电流通过电路做功，又将电能转化为其他形式的能,(,如内能,),因此，电磁感应过程中总是伴随着能量转化发生,(2),电流做功产生的热量：用焦耳定律计算，公式为,Q,I,2,Rt,.,(3),分析电磁感应现象中能量问题的一般步骤,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,分析清楚有哪些力做功，就可以知道有哪些形式的能量发生了相互转化,根据能量守恒列方程分析求解,7,克服安培力做功的过程是其他形式的能转化为电能的过程，这种关系不受其他任何条件的影响,8,(,对应学生用书第,132,133,页,),9,2,如图,(,甲,),，,MN,和,PQ,是两根互相平行竖直放置的光滑金属导轨，已知导轨足够长，且电阻不计,ab,是一根不但与导轨垂直而且始终与导轨接触良好的金属杆开始，将开关,S,断开，让杆,ab,由静止开始自由下落，过段时间后，再将,S,闭合，若从,S,闭合开始计时，则金属杆,ab,的速度,v,随时间,t,变化的图象不可能是图,(,乙,),中的,(,B,),10,3,(2010,年广东湛江一模,),如图所示，在磁感应强度,B,0.50 T,的匀强磁场中，导体,PQ,在力,F,作用下在,U,形导轨上以速度,v,10 m/s,向右匀速滑动，两导轨间距离,L,1.0 m,，电阻,R,1.0,，导体和导轨电阻忽略不计，则以下说法正确的是,(,A,),A,导体,PQ,切割磁感线产生的感应电动势的大小为,5.0 V,B,导体,PQ,受到的安培力方向水平向右,C,作用力,F,大小是,0.50 ND,作用力,F,的功率是,5 W,11,12,电磁感应中的动力学问题分析,1,两种状态处理,(1),导体处于平衡态,静止或匀速直线运动状态,处理方法：根据平衡条件合外力等于零列式分析,(2),导体处于非平衡态,加速度不为零,处理方法：根据牛顿第二定律进行动态分析或结合功能关系分析,2,电磁感应问题中两大研究对象及其相互制约关系,13,14,4,两种常见类型,15,16,17,当导体切割磁感线运动存在着临界条件时：,(1),导体初速度等于临界速度时，导体匀速切割磁感线运动,(2),初速度大于临界速度时，导体先减速，后匀速运动,(3),初速度小于临界速度时，导体先加速，后匀速运动,18,【,例,1】(14,分,),如图所示，两根相距,L,、平行放置的光滑导电轨道，与水平面的夹角均为,，轨道间有电阻,R,，处于磁感应强度为,B,、方向竖直向上的匀强磁场中，一根质量为,m,、电阻为,r,的金属杆,ab,，由静止开始沿导电轨道下滑设下滑过程中杆,ab,始终与轨道保持垂直，且接触良好，导电轨道有足够的长度，且电阻不计,(1),杆,ab,将做什么运动？,(2),若开始时就给,ab,沿轨道向下的拉力,F,使其由静止开始向下做加速度为,a,的匀加速运动,(a,gsin),求拉力,F,与时间,t,的关系式,思路点拨：,(1),正确对,ab,杆受力分析，将立体图转化为横截面图,(2),据受力应用牛顿第二定律,19,20,(1),解答本类型问题首先在垂直于导体的平面内对导体进行受力分析，然后分析导体的运动，由于安培力随速度变化而变化，这个运动开始通常是变加速运动，然后做稳定的匀速直线运动，最后用牛顿运动定律、能量关系解题,(2),求感应电动势时一定注意导体是垂直切割磁感线还是斜切割磁感线；注意右手定则与左手定则的准确应用,21,变式训练,11,：例,1,中，若磁感应强度,B,垂直轨道所在的平面，则：,(1)ab,杆运动的情况怎样？,(2),金属杆由静止下滑，不受其他外力作用，则杆,ab,最终速度为多大？,22,23,电磁感应中的能量转化问题,24,25,26,27,28,答案：,(1)8.8 m/s,2,(2)0.44 J,29,弄清能量转化的关系，安培力做负功：机械能电能内能,(,焦耳热,),针对训练,21,：,(2010,年厦门六中阶段测试,),如图所示，处于匀强磁场中的两根足够长、电阻不计的平行金属导轨相距,1 m,，导轨平面与水平面成,37,角，下端连接阻值为,R,的电阻匀强磁场方向与导轨平面垂直质量为,0.2 kg,、电阻不计的金属棒放在两导轨上，棒与导轨垂直并保持良好接触，它们之间的动摩擦因数为,0.25.,(1),求金属棒沿导轨由静止开始下滑时的加速度大小；,(2),当金属棒下滑速度达到稳定时，电阻,R,消耗的功率为,8 W,，求该速度的大小；,(3),在,(2),问中，若,R,2,，金属棒中的电流方向由,a,到,b,，求磁感应强度的大小与方向,(g,10 m/s,2,，,sin 37,0.6,，,cos 37,0.8),30,答案：见解析,31,考点一：电磁感应中的动力学问题,32,【,例,1】(,能力题,),如图,(,甲,),所示，两根足够长的直金属导轨,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磁感应强度为,B,的匀强磁场中，磁场方向垂直于斜面向下导轨和金属杆的电阻可忽略，让,ab,杆沿导轨由静止开始下滑，导轨和金属杆接触良好，不计它们之间的摩擦,(1),由,b,向,a,方向看到的装置如图,(,乙,),所示，请在此图中画出,ab,杆下滑过程中某时刻的受力示意图；,(2),在加速下滑过程中，当,ab,杆的速度大小为,v,时，求此时,ab,杆中的电流及其加速度的大小,(3),求在下滑过程中，,ab,杆可以达到的速度最大值,33,34,考点二：电磁感应中的能量转化问题,【,例,2】(,能力题,),如图所示，两根足够长固定平行金属导轨位于倾角,30,的斜面上，导轨上、下端各接有阻值,R,20,的电阻，导轨电阻忽略不计，导轨宽度,L,2 m,，在整个导轨平面内都有垂直于导轨平面向上的匀强磁场，磁感应强度,B,1 T,质量,m,0.1 kg,、连入电路的电阻,r,10,的金属棒,ab,在较高处由静止释放，当金属棒,ab,下滑高度,h,3 m,时，速度恰好达到最大值,v,2 m,/s.,金属棒,ab,在下滑过程中始终与导轨垂直且与导轨良好接触,g,取,10 m/,s,2,，求：,(1),金属棒,ab,由静止至下滑高度为,3 m,的运动过程中机械能的减少量,(2),金属棒,ab,由静止至下滑高度为,3 m,的运动过程中导轨上端电阻,R,中产生的热量,35,答案：,(1)2.8 J,(2)0.55 J,36,37,1,(2010,年安徽卷，,20),如图所示，水平地面上方矩形区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场，两个边长相等的单匝闭合正方形线圈,和,，分别用相同材料，不同粗细的导线绕制,(,为细导线,),两线圈在距磁场上界面,h,高处由静止开始自由下落，再进入磁场，最后落到地面运动过程中，线圈平面始终保持在竖直平面内且下边缘平行于磁场上边界设线圈,、,落地时的速度大小分别为,v,1,、,v,2,，在磁场中运动时产生的热量分别为,Q,1,、,Q,2,，不计空气阻力，则,(,D,),A,v,1,v,2,，,Q,1,Q,2,B,v,1,v,2,，,Q,1,Q,2,C,v,1,Q,2,D,v,1,v,2,，,Q,1,Q,2,38,39,(1),本题考查电磁感应中的能量转化问题,(2),突破本题的关键是克服安培力做功与产生热量的关系,40,2,(2010,年福建卷，,21),如图所示，两条平行的光滑金属导轨固定在倾角为,的绝缘斜面上，导轨上端连接一个定值电阻导体棒,a,和,b,放在导轨上，与导轨垂直并良好接触斜面上水平虚线,PQ,以下区域内，存在着垂直穿过斜面向上的匀强磁场现对,a,棒施以平行导轨斜向上的拉力，使它沿导轨匀速向上运动，此时放在导轨下端的,b,棒恰好静止当,a,棒运动到磁场的上边界,PQ,处时，撤去拉力，,a,棒将继续沿导轨向上运动一小段距离后再向下滑动，此时,b,棒已滑离导轨当,a,棒再次滑回到磁场上边界,PQ,处时，又恰能沿导轨匀速向下运动已知,a,棒、,b,棒和定值电阻的阻值均为,R,，,b,棒的质量为,m,，重力加速度为,g,，导轨电阻不计求,(1)a,棒在磁场中沿导轨向上运动的过程中，,a,棒中的电流强度,I,a,，与定值电阻,R,中的电流强度,I,R,之比；,(2)a,棒质量,m,a,；,(3)a,棒在磁场中沿导轨向上运动时所受的拉力,F.,41,42,43,44,【,测控导航,】,考点,题号,1.,电磁感应中的动力学,1,、,2,、,4,、,5,2.,电磁感应中的能量,3,、,6,3.,动力学与能量的综合题,7,、,8,、,9,45,1,(2010,年合肥模拟,),如图所示，在一匀强磁场中有一,U,形导体框,bacd,，线框处于水平面内，磁场与线框平面垂直，,R,为一电阻，,ef,为垂直于,ab,的一根导体杆，它可以在,ab,、,cd,上无摩擦地滑动，杆,ef,及线框中导体的电阻都可不计开始时，给,ef,一个向右的初速度，则,(,A,),A,ef,将减速向右运动，但不是匀减速，最后停止,B,ef,将匀速向右运动，最后停止,C,ef,将匀速向右运动,D,ef,将做往复运动,46,2,如图,(,甲,),所示，水平光滑的金属框架上左端连接一个电阻,R,，有一金属杆在外力,F,的作用下沿框架向右由静止开始做匀加速直线运动，匀强磁场方向竖直向下，轨道与金属杆的电阻不计并接触良好，则能反映外力,F,随时间,t,变化规律的图象是图,(,乙,),中的,(,B,),47,解析：金属杆受力如图所,48,3,如图所示，竖直放置的两根平行金属导轨之间接有定值电阻,R,，质量不能忽略的金属棒与两导轨始终保持垂直并良好接触且无摩擦，棒与导轨的电阻均不计，整个装置放在匀强磁场中，磁场方向与导轨平面垂直，棒在竖直向上的恒力,F,作用下加速上升的一段时间内，力,F,做的功与安培力做的功的代数和等于,(,A,),A,棒的机械能增加量,B,棒的动能增加量,C,棒的重力势能增加量,D,电阻,R,上放出的热量,解析：金属棒受三个力，分别为重力、力,F,、安培力，力,F,和安培力属于重力以外的力，这两个力做的功的代数和等于机械能的变化，,A,项正确,49,4,一个刚性矩形铜制线圈从高处自由下落，进入一水平的匀强磁场区域，然后穿出磁场区域继续下落，如图所示，则,(,C,),A,若线圈进入磁场过程是匀速运动，则离开磁场过程也是匀速运动,B,若线圈进入磁场过程是加速运动，则离开磁场过程也是加速运动,C,若线圈进入磁场过程是减速运动，则离开磁场过程也是减速运动,D,若线圈进入磁场过程是减速运动，则离开磁场过程是加速运动,解析：从线框全部进入磁场至线框开始离开磁场，线框做加速度为,g,的匀加速运动，分析知只有,C,正确,50,5,如图所示，有两根和水平方向成,角的光滑平行金属轨道，上端接有可变电阻,R,，下端足够长，空间有垂直于轨道平面的匀强磁场，磁感应强度为,B.,一根质量为,m,的金属杆从轨道上由静止滑下，经过足够长的时间后，金属杆的速度会趋近于一个最大速度,vm,，导轨及金属杆电阻不计，下列说法错误的是,(,A,),A,如果,B,增大，,vm,将变大,B,如果,变大，,vm,将变大,C,如果,R,变大，,vm,将变大,D,如果,m,变大，,vm,将变大,51,52,6,如图所示，阻值为,R,的金属棒从图示位置,ab,分别以,v,1,、,v,2,的速度沿光滑导轨,(,电阻不计,),匀速滑到,ab,位置，若,v,1,v,2,12,，则在这两次过程中,(,A,),A,回路电流,I,1,I,2,12,B,产生的热量,Q,1,Q,2,14,C,通过任一截面的电荷量,q,1,q,2,12,D,外力的功率,P,1,P,2,12,53,54,55,56,8,(2010,年江苏卷,),如图所示，两足够长的光滑金属导轨竖直放置，相距为,L,，一理想电流表与两导轨相连，匀强磁场与导轨平面垂直一质量为,m,、有效电阻为,R,的导体棒在距磁场上边界,h,处静止释放导体棒进入磁场后，流经电流表的电流逐渐减小，最终稳定为,I.,整个运动过程中，导体棒与导轨接触良好，且始终保持水平，不计导轨的电阻求：,(1),磁感应强度的大小,B,；,(2),电流稳定后，导体棒运动速度的大小,v,；,(3),流经电流表电流的最大值,Im.,57,58,9,(2011,年海南省海口市调研测试,),如图所示，宽度,L,1 m,的足够长的,U,形金属框架水平放置，框架处在竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度,B,1 T,，框架导轨上放一根质量,m,0.2 kg,、电阻,R,1.0,的金属棒,ab,，棒,ab,与导轨间的动摩擦因数,0.5,，现用功率恒为,6 W,的牵引力,F,使棒从静止开始沿导轨运动,(ab,棒始终与导轨接触良好且垂直,),，当棒的电阻,R,产生热量,Q,5.8 J,时获得稳定速度，此过程中，通过棒的电荷量,q,2.8 C(,框架电阻不计，,g,取,10 m/s,2,),问：,(1)ab,棒达到的稳定速度为多大？,(2)ab,棒从静止到达稳定速度的时间为多少？,59,答案：,(1)2 m/s,(2)1.5 s,60,