第二章　習(xí)題課電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)、能量和動(dòng)量問題—2020-2021（新教材）人教版（2019）高中物理選擇性必修第二冊(cè)課件(共32張PPT)

1、習(xí)題課:電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)、能量和動(dòng)量問 題 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問題 情境探究 在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的水平勻強(qiáng)磁場中,豎直放置一個(gè)“ ”形金屬 框ABCD,框面垂直于磁場,寬度BC為l,質(zhì)量為m的金屬桿PQ用光滑 金屬套連接在框架AB和CD上,如圖。金屬桿PQ電阻為R,其他電阻 不計(jì),忽略空氣阻力,在桿自靜止開始沿框架下滑到達(dá)到最大速度 的過程中,思考討論下列問題: 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) (1)開始下滑的加速度為多少? (2)金屬桿中感應(yīng)電流的方向怎樣?金屬桿受的安培力向哪?如何變 化? (3)金屬桿的加速度如何變化?金屬桿的速度如何變化? (4)滿足什么條件時(shí)金

2、屬桿達(dá)到最大速度?金屬桿下滑的最大速度 是多少? 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 知識(shí)歸納 由于通過導(dǎo)體的感應(yīng)電流在磁場中將受到安培力作用,故電磁感應(yīng) 問題往往和力學(xué)問題綜合在一起。 1.理解電磁感應(yīng)問題中的兩個(gè)研究對(duì)象及其之間的相互制約關(guān)系。 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 2.電磁感應(yīng)現(xiàn)象中涉及具有收尾速度的力學(xué)問題時(shí),關(guān)鍵是做好受 力情況和運(yùn)動(dòng)情況的動(dòng)態(tài)分析: 3.處理此類問題的基本方法: (1)用法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律求感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向。 (2)求回路中的感應(yīng)電流的大小和方向。 (3)分析研究導(dǎo)體受力情況(包括安培力)。 (4)列動(dòng)力學(xué)方程或平衡方程求解。 探究一探究二探究三隨堂檢

3、測(cè) 實(shí)例引導(dǎo) 例1 如圖所示,空間存在B=0.5 T、方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場,MN、 PQ是不計(jì)電阻水平放置的平行長直導(dǎo)軌,其間距l(xiāng)=0.2 m,電阻 R=0.3 接在導(dǎo)軌一端,ab是跨接在導(dǎo)軌上質(zhì)量m=0.1 kg、電阻 r=0.1 、長度與導(dǎo)軌間距相等的導(dǎo)體棒,已知導(dǎo)體棒和導(dǎo)軌間的 動(dòng)摩擦因數(shù)為0.2。從零時(shí)刻開始,對(duì)ab棒施加一個(gè)大小為F=0.45 N、方向水平向左的恒定拉力,使其從靜止開始沿導(dǎo)軌滑動(dòng),過程中 棒始終保持與導(dǎo)軌垂直且接觸良好,則:(g取10 m/s2) (1)求導(dǎo)體棒所能達(dá)到的最大速度。 (2)試定性畫出導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)的速度時(shí)間圖像。 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 解析:ab棒

4、在拉力F作用下運(yùn)動(dòng),隨著ab棒切割磁感線運(yùn)動(dòng)的速度增 大,棒中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大,棒中感應(yīng)電流增大,棒受到的安培力也 增大,最終達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)棒的速度達(dá)到最大值。外力在克服安培 力做功的過程中,消耗了其他形式的能,轉(zhuǎn)化成了電能,最終轉(zhuǎn)化成 了焦耳熱。 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 答案:(1)10 m/s(2)見解析圖 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 規(guī)律方法解決電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問題的思路 解決電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問題的一般思路是“先電后力”,具體思路 如下: 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 變式訓(xùn)練1(多選)如圖所示,MN和PQ是兩根互相平行豎直放置的光 滑金屬導(dǎo)軌,已知導(dǎo)軌足夠長,且電阻不計(jì)。ab是一

5、根與導(dǎo)軌垂直 而且始終與導(dǎo)軌接觸良好的金屬桿。開始時(shí),將開關(guān)S斷開,讓桿ab 由靜止開始自由下落,一段時(shí)間后,再將S閉合,若從S閉合開始計(jì)時(shí), 則金屬桿ab的速度v隨時(shí)間t變化的圖像可能是() 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 答案:ACD 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 電磁感應(yīng)中的能量問題 情境探究 在水平勻強(qiáng)磁場中,豎直放置一個(gè)“ ”形金屬框,框面垂直于磁場, 金屬桿用光滑金屬套連接在框架上,不計(jì)空氣阻力,如圖。桿自靜 止開始沿框架下滑,試分析桿自靜止下滑一段時(shí)間(未達(dá)到最大速 度)內(nèi),有哪些力做了功?有哪些能量發(fā)生了變化?簡述這些功能關(guān) 系。 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 要點(diǎn)提示:重力做功和安培

6、力做功。重力勢(shì)能減少,動(dòng)能增加,電能 增加。重力做的功等于重力勢(shì)能的減少量,克服安培力做的功等于 電能的增加量,合力做的功等于動(dòng)能的增加量。 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 知識(shí)歸納 1.電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化 安培力 做功 2.求解焦耳熱Q的三種方法 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 3.求解電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能量問題的一般思路 (1)用法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律確定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方 向。 (2)畫出等效電路,求出回路中電阻消耗的電功率表達(dá)式。 (3)分析導(dǎo)體機(jī)械能的變化,用能量守恒關(guān)系得到機(jī)械功率的改變與 回路中電功率的改變所滿足的方程。 產(chǎn)生和維持感應(yīng)電流的過程是其他形式的能向感應(yīng)電 流的電能

7、轉(zhuǎn)化的過程,安培力做的功是其他形式的能和電能之間轉(zhuǎn) 化的量度。 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 實(shí)例引導(dǎo) 例2 (多選)如圖所示,兩根電阻不計(jì)的光滑平行金屬導(dǎo)軌傾角為,導(dǎo) 軌下端接有電阻R,勻強(qiáng)磁場垂直斜面向上。質(zhì)量為m、電阻不計(jì) 的金屬棒ab在沿斜面與棒垂直的恒力F作用下沿導(dǎo)軌勻速上滑,上 升高度為h,在這個(gè)過程中() A.金屬棒所受各力的合力所做的功等于零 B.金屬棒所受各力的合力所做的功等于mgh和電阻R上產(chǎn)生的焦耳 熱之和 C.恒力F與重力的合力所做的功等于棒克服安培力所做的功與電 阻R上產(chǎn)生的焦耳熱之和 D.恒力F與重力的合力所做的功等于 電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè)

8、 解析:棒勻速上升的過程有三個(gè)力做功:恒力F做正功、重力G做負(fù) 功、安培力F安做負(fù)功。根據(jù)動(dòng)能定理得,W=WF+WG+W安=0,故A 對(duì),B錯(cuò);恒力F與重力G的合力所做的功等于棒克服安培力做的功。 而棒克服安培力做的功等于回路中電能(最終轉(zhuǎn)化為焦耳熱)的增 加量,克服安培力做功與焦耳熱不能重復(fù)考慮,故C錯(cuò),D對(duì)。 答案:AD 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 變式訓(xùn)練2如圖所示,勻強(qiáng)磁場方向豎直向下,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。正 方形金屬框abcd可繞光滑軸OO轉(zhuǎn)動(dòng),邊長為l,總電阻為R,ab邊質(zhì)量 為m,其他三邊質(zhì)量不計(jì),現(xiàn)將abcd拉至水平位置,并由靜止釋放,經(jīng) 一定時(shí)間到達(dá)豎直位置,ab邊的速度大小為v

9、,則在金屬框內(nèi)產(chǎn)生的 熱量大小等于() 答案:C 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 電磁感應(yīng)中的動(dòng)量問題 情境探究 如圖所示,足夠長的光滑水平導(dǎo)軌平行放置,電阻不計(jì),垂直軌道平 面有豎直向上的勻強(qiáng)磁場,導(dǎo)軌上相隔一定距離放置兩根金屬棒a 和b,現(xiàn)給a棒一個(gè)水平向右的初速度,b棒將如何運(yùn)動(dòng)? 要點(diǎn)提示:A棒運(yùn)動(dòng)切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流,在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電 動(dòng)勢(shì),b棒受到水平向右的安培力,向右加速運(yùn)動(dòng),a棒受到向左的安 培力向右減速運(yùn)動(dòng),回路中感應(yīng)電流逐漸減小,當(dāng)a、b速度相等時(shí), 回路中不再有感應(yīng)電流,兩棒以相同的速度勻速運(yùn)動(dòng)。 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 知識(shí)歸納 電磁感應(yīng)與動(dòng)量的結(jié)合主要有三個(gè)考點(diǎn):

10、 1.對(duì)于單桿模型,一般與動(dòng)量定理結(jié)合。例如在光滑水平軌道上運(yùn) 動(dòng)的單桿(不受其他力作用),由于在磁場中運(yùn)動(dòng)的單桿為變速運(yùn)動(dòng), 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 實(shí)例引導(dǎo) 例3 兩足夠長且不計(jì)電阻的光滑金屬軌道如圖甲所示放置,間距為 d=1 m,在左端弧形軌道部分高h(yuǎn)=1.25 m 處放置一金屬桿a,弧形軌 道與平直軌道的連接處光滑無摩擦,在平直軌道右端放置另一金屬 桿b,桿a、b的電阻分別為Ra=2 、Rb=5 ,在平直軌道區(qū)域有豎 直向上的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度B=2 T?，F(xiàn)桿b以初速度大小v0=5 m/s開始向左滑動(dòng),同時(shí)由靜止釋放桿a,桿a由靜止滑到水平軌道的 過程中,通過桿b的平均電流為0.

11、3 A;從a下滑到水平軌道時(shí)開始計(jì) 時(shí),a、b運(yùn)動(dòng)的速度時(shí)間圖像如圖乙所示(以a運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎较?, 其中ma=2 kg,mb=1 kg,g取10 m/s2,求: (1)桿a在弧形軌道上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間; (2)桿a在水平軌道上運(yùn)動(dòng)過程中通過其截面的電荷量; (3)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中桿b產(chǎn)生的焦耳熱。 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 解析:(1)設(shè)桿a由靜止滑至弧形軌道與平直軌道連接處時(shí)桿b的速 度大小為vb0,對(duì)桿b運(yùn)用動(dòng)量定理,有 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 桿a動(dòng)量的變化量等于它所受安培力的沖量,設(shè)桿a的速度從va到v 的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t,則由動(dòng)量定理可得 BdIt=ma(v

12、a-v) 而q=It 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 變式訓(xùn)練3如圖所示,空間存在有水平邊界、垂直于紙面向里的勻 強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,磁場邊界上方l處有一個(gè)質(zhì)量為m、電阻為 R、邊長為l的正方形線框,將線框由靜止釋放,從線框下邊框進(jìn)磁場 經(jīng)時(shí)間t后線框上邊框進(jìn)磁場,求: (1)線框下邊框進(jìn)入磁場時(shí)的速度; (2)線框上邊框進(jìn)入磁場時(shí)的速度。 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 1.如圖所示,在一勻強(qiáng)磁場中有一U形導(dǎo)線框abcd,線框處于水平面 內(nèi),磁場與線框平面垂直,R為一電阻,ef為垂直于ab的一根導(dǎo)體桿,它 可在ab、cd上無摩擦地滑動(dòng)。桿ef及線框中導(dǎo)線的電阻都可不計(jì)

13、。 開始時(shí),給ef一個(gè)向右的初速度,則() A.ef將減速向右運(yùn)動(dòng),但不是勻減速 B.ef將勻減速向右運(yùn)動(dòng),最后停止 C.ef將勻速向右運(yùn)動(dòng) D.ef將往返運(yùn)動(dòng) 解析:ef向右運(yùn)動(dòng),切割磁感線,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流,會(huì)受到 向左的安培力而做減速運(yùn)動(dòng),直到停止,但不是勻減速,由F=BIl= =ma知,ef做的是加速度減小的減速運(yùn)動(dòng)。故A正確。 答案:A 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 2.如圖所示,質(zhì)量為m、高為h的矩形導(dǎo)線框在豎直面內(nèi)自由下落, 其上下兩邊始終保持水平,途中恰好勻速穿過一有理想邊界、高亦 為h的勻強(qiáng)磁場區(qū)域,線框在此過程中產(chǎn)生的內(nèi)能為() A.mgh B.2mgh C.大于mg

14、h而小于2mghD.大于2mgh 解析:因線框勻速穿過磁場,故在穿過磁場的過程中合外力做功為 零,故克服安培力做功為2mgh,產(chǎn)生的內(nèi)能亦為2mgh。故選B。 答案:B 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 3.如圖所示,空間有一個(gè)方向水平的有界磁場區(qū)域,一個(gè)矩形線框自 磁場上方某一高度下落,進(jìn)入磁場時(shí),導(dǎo)線框平面與磁場方向垂直, 則在進(jìn)入時(shí)導(dǎo)線框不可能() A.變加速下落 B.變減速下落 C.勻速下落 D.勻加速下落 解析:導(dǎo)線框剛進(jìn)入磁場時(shí)做什么運(yùn)動(dòng)取決于所受安培力與重力的 大小關(guān)系。若F安mg,則減速;若F安=mg,則勻速。 由于F安隨速度發(fā)生變化,故線框不可能做勻變速運(yùn)動(dòng),應(yīng)選D。 答案:D 探究一探究二探究三隨堂檢測(cè) 4.如圖所示,長l1、寬l2的矩形線圈電阻為R,處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的 勻強(qiáng)磁場邊緣,線圈與磁感線垂直,求在將線圈以向右的速度v勻速 拉出磁場的過程中, (1)拉力的大小F。 (2)線圈中產(chǎn)生的電熱Q。 探究一探究二