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【全优课堂】2014秋高中物理 第一章 电磁感应章末整合课件 粤教版选修3-2



电磁感应

专题 1 楞次定律的理解和应用 1.楞次定律解决的问题是感应电流的方向问题,它涉及两 个磁场,感应电流的磁场(新产生的磁场)和引起感应电流的磁场 (原来就有的磁场),前者和后者的关系不是“同向”和“反向” 的简单关系,而是前者“阻碍”后者“变化”的关系.

2.对“阻碍意义的理解” (1)阻碍原磁场的变化.“阻碍”不是阻

止,而是“延缓”, 感应电流的磁场不会阻止原磁场的变化,只能使原磁场的变化被 延缓或者说被迟滞了,原磁场的变化趋势不会改变,不会发生逆 转. (2)阻碍的是原磁场的变化,而不是原磁场本身,如果原磁场 不变化,即使它再强,也不会产生感应电流. (3)阻碍不是相反,当原磁通量减小时,感应电流的磁场与原 磁场同向,以阻碍其减小;当磁体远离导体运动时,导体运动将 和磁体运动同向,以阻碍其相对运动. (4)由于“阻碍”,为了维持原磁场的变化,必须有外力克服 这一“阻碍”而做功,从而导致其他形式的能量转化为电能,因 而楞次定律是能量转化和守恒定律在电磁感应中的体现.

3.运用楞次定律处理问题的思路 (1)判定感应电流方向问题的思路 运用楞次定律判定感应电流方向的基本思路可以总结为 “一原、二感、三电流”. ①明确原磁场:弄清原磁场的方向以及磁通量的变化情况. ②确定感应磁场:即根据楞次定律中的“阻碍”原则,结合 原磁场磁通量变化情况,确定出感应电流产生的感应磁场的方 向. ③判定电流方向:即根据感应磁场的方向,运用安培定则判 断出感应电流方向.

(2)判断闭合电路(或电路中可动部分导体)相对运动类问题的 分析策略 在电磁感应问题中,有一类综合性较强的分析判断类问题, 主要是磁场中的闭合电路在一定条件下产生了感应电流,而此电 流又处于磁场中,受到安培力作用,从而使闭合电路或电路中可 动部分的导体发生了运动.

【例 1】如图 1 所示是著名物理学家费曼设计的一个实验, 在一块绝缘板中部安装一个线圈,并接有电源,板的四周有许多 带负电的小球.将整个装置悬挂起来.当接通开关瞬间,整个圆 盘将(自上而下看)( ) A.顺时针转动一下 B.逆时针转动一下 C.顺时针不断转动 D.逆时针不断转动

图1

解析:开关接通瞬间,穿过带电小球所在空间向下的磁通量 突然增加,由楞次定律知,在带电小球所处空间将产生逆时针方 向(从上往下看)的电动势(确切讲, 应为逆时针方向电场), 从而使 带负电小球受到顺时针方向作用力.由于该变化是瞬间的,故选 A. 答案:A

专题 2 电磁感应中的力学问题 通过导体的感应电流在磁场中将受到安培力作用,从而引起 导体速度、加速度的变化. (1)基本方法 ①用法拉第电磁感应定律和楞次定律求出感应电流的方向 和感应电动势的大小. ②求出回路中电流的大小. ③分析研究导体受力情况(包括安培力, 用左手定则确定其方 向) ④列出动力学方程或者平衡方程求解.

(2)基本思路:电磁感应力学问题中,要抓好受力情况、运动 情况的动态分析:导体受力运动产生感应电动势→感应电流→通 电导体受到安培力→合外力变化→加速度变化→速度变化,周而 复始的循环,循环结束时,加速度为零,导体达稳定状态,速度 达到最值.

【例 2】如图 2 所示,线圈 abcd 每边长 l=0.20 m,线圈质 量 m1=0.10 kg、电阻 R=0.10 Ω,重物质量为 m2=0.14 kg.线圈 上方的匀强磁场磁感应强度 B=0.5 T,方向垂直线圈平面向里, 磁场区域的宽度为 h=0.20 m.重物从某一位置下降,使 ab 边进 入磁场开始做匀速运动,求线圈做匀速运动的速度.(g=10 m/s2)

图2

解析:该题的研究对象为线圈,线圈在匀速上升时受到的安 培力 F 安、 绳子的拉力 F 和重力 mg 相互平衡, 即 F=F 安+m1g ①, 重物受力也平衡:F=m2g ②,线圈匀速上升,在线圈中产生的 Blv 感应电流为 I= ③, 因此线圈受到向下的安培力 F 安=BIl ④, R ?m2-m1?gR 联立①②③④式得 v= ,代入数据解得 v=4 m/s. B2l2 答案:4 m/s

专题 3 电磁感应中的电路问题 在电磁感应中,切割磁感线的导体或磁通量变化的回路将产 生感应电动势,该导体或回路相当于电源. 解决电路问题的基本方法: ①用法拉第电磁感应定律或楞次定律确定感应电动势的大 小和方向. ②画出等效电路图. ③运用闭合电路欧姆定律、串并联电路性质,电功率等公式 进行求解.

【例 3】 用相同导线绕制的边长为 L 或 2L 的四个闭合导体 线框,以相同的速度匀速进入右侧匀强磁场,如图 3 所示.在每 个线框进入磁场的过程中,M、N 两点间的电压分别为 Ua、Ub、 Uc 和 Ud.下列判断正确的是( )

图3 A.Ua<Ub<Uc<Ud B.Ua<Ub<Ud<Uc C.Ua=Ub<Uc=Ud D.Ub<Ua<Ud<Uc

解析:线框进入磁场过程中产生的电动势分别为 Ea=Eb= 3 BLv , Ec = Ed = 2BLv ,由于单位长度电阻相等,则有: Ua = Ea 4 3 5 5 3 3 2 4 = BLv,Ub= Eb= BLv,Uc= Ec= BLv,Ud= Ed= BLv,所 4 6 6 4 2 3 3 以 Ua<Ub<Ud<Uc,B 正确. 答案:B

专题 4 电磁感应中的图象问题 电磁感应中常常涉及磁感应强度、磁通量、感应电动势、感 应电流、安培力或外力随时间变化的图象. 这些图象问题大体上可以分为两类: ①由给定的电磁感应过程选出或画出正确图象. ②由给定的有关图象分析电磁感应过程,求解相应的物理 量. 不管是何种类型,电磁感应中的图象问题往往需要综合右手 定则、左手定则、楞次定律和法拉第电磁感应定律等规律分析解 决.

【例 4】 (双选)一闭合线圈固定在垂直于纸面的匀强磁场 中,设向里为磁感应强度 B 的正方向,线圈中的箭头为电流 i 的 正方向如图 4 甲所示.已知线圈中感应电流 i 随时间而变化的图 象如图乙所示,则磁感应强度 B 随时间而变化的图象可能是 ( )

图4

解析:由电磁感应定律知,感应电流 E ΔΦ S ΔB i= = = · . R RΔt R Δt ΔB 所以 i ∝ ,即感应电流的大小正比于磁感应强度的变化 Δt 率.由 i-t 图象看出 0.5~1.5 s,i 值不变,应该有 B-t 图线斜 率不变, 故 B 错; 由楞次定律判断在 0~0.5 s 内 A 选项中应产生 ΔB 正方向的感应电流,故 A 错.因 i 只由 决定与 B 的大小无关, Δt 所以 C 正确,则 D 也正确. 答案:CD

专题 5 电磁感应中的能量问题 电磁感应过程中产生的感应电流在磁场中必定受到安培力 作用, 要维持感应电流的存在, 必须有“外力”克服安培力做功, 此过程中,其他形式的能量转化为电能,“外力”克服安培力做 了多少功,就有多少其他形式的能转化为电能. 当感应电流通过用电器时,电能又转化为其他形式的能量, 安培力做功的过程,是电能转化为其他形式的能的过程,安培力 做了多少功,就有多少电能转化为其他形式的能量.

【例 5】 如图 5 甲所示,光滑的平行水平金属导轨 MN、PQ 相距 l,在 M 点和 P 点间连接一个阻值为 R 的电阻,在两导轨间 cdfe 矩形区域内有垂直导轨平面竖直向上、宽为 d 的匀强磁场, 磁感应强度为 B.一质量为 m、电阻为 r、长度也刚好为 l 的导体 棒 ab 垂直搁在导轨上,与磁场左边界相距 d0.现用一个水平向右 的力 F 拉棒 ab,使它由静止开始运动,棒 ab 离开磁场前已做匀 速直线运动,棒 ab 与导轨始终保持良好接触,导轨电阻不计,F 随 ab 与初始位置的距离 x 变化的情况如图乙,F0 已知.求:

图5 (1)棒 ab 离开磁场右边界时的速度; (2)棒 ab 通过磁场区域的过程中整个回路所消耗的电能; (3)d0 满足什么条件时,棒 ab 进入磁场后一直做匀速运动.

解析:(1)设离开右边界时棒 ab 速度为 v,则有 E=Blv,I= 2F0?R+r? E ,对棒有 2F0-BIl=0,解得 v= . B2l2 R+r (2)在棒 ab 运动的整个过程中,根据动能定理: 1 2 F0d0+2F0d-W 安= mv -0, 2 由功能关系:E 电=W 安, 2 2mF2 ? R + r ? 0 解得 E 电=F0(d0+2d)- . B4l4 1 2 (3)设棒刚进入磁场时的速度为 v0,则有 F0d0= mv0-0. 2 2F0m?R+r?2 当 v0=v, 即 d0= 时, 进入磁场后一直匀速运动. B4l4

答案: 2F0?R+r? (1) B2l2

2 2mF2 ? R + r ? 0 (2)F0(d0+2d)- B4l4 2F0m?R+r?2 (3)d0= B4l4



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