2.2-5電磁感應中的動力學問題和能量問題 高二物理 課件（2019人教版選擇性必修第二冊）

第二章

電磁感應選修二第二章第二節(jié)2019人教版高中物理

2.2-4

電磁感應定律的動力學和能量問題【學習目標】1．能熟練分析導體的受力和運動情況；2．知道能量是怎么轉(zhuǎn)化的，并能求解實際問題。【重點】受力和運動過程的分析

能量轉(zhuǎn)化情況【難點】導線框進出磁場過程的動力學問題【課標呈現(xiàn)】通過實驗，理解法拉第電磁感應定律。如圖,一個水平放置的導體框架,寬度為d,接有電阻R.勻強磁場豎直向下,磁感應強度為B,方向如圖.今有一長為L導體棒ab跨放在框架上（L＞d）,以速度v勻速向右沿框滑動。導體ab和框架電阻均不計。試求：(1)感應電動勢的大??；(2)R上感應電流的大小及方向；(3)安培力的大?。?4)t時間內(nèi)R上的熱量。課前小測：1、安培力的大小

安培力公式：F=______

感應電流：

I＝______

感應電動勢：E＝______2、安培力的方向(1)先用

判定感應電流方向,再用

判定安培力方向。

(2)根據(jù)楞次定律,安培力的方向一定和導體切割磁感線運動方向

。

RL右手定則左手定則相反BLvBIL

溫故而知新【例1】（目標指向1）如圖所示，兩根足夠長的直金屬導軌MN、PQ平行放置在傾角為θ的絕緣斜面上，兩導軌間距為L,M、P兩點間接有阻值為R的電阻。一根質(zhì)量為m電阻為r的均勻直金屬桿ab放在兩導軌上，并與導軌垂直。整套裝置處于磁感應強度為B的勻強磁場中，磁場方向垂直斜面向下，導軌的電阻可忽略。讓ab桿沿導軌由靜止開始下滑，導軌和金屬桿接觸良好，不計它們之間的摩擦。求：（1）確定電源、電路結(jié)構(gòu)、畫出等效電路圖。（2）加速下滑過程中，當ab桿的速度大小為v時，求此時ab桿中的電流和安培力；（3）由b向a方向看此裝置，請畫出ab桿下滑過程中某時刻的受力示意圖；（4）導體棒在下滑過程中做什么樣的運動？

（5）當ab桿的速度大小為v時的加速度大??；（6）求在下滑過程中，ab桿可以達到的速度的最大值。ab棒做加速度減小的加速運動，達到最大速度后做勻速直線運動。vF安a(2)(3)(4)(1)如有圖(5)

解析：拓展：若ab與導軌間存在動摩擦因數(shù)為μ，求：（1）在加速下滑過程中，當ab桿的速度大小為v時加速度的大?。?）在下滑過程中，ab桿可以達到的速度最大值。

（1）（2）解析：總體思路：先電后力一、電磁感應現(xiàn)象中的動力學問題分析思路：(1)導體處于平衡態(tài)——靜止或勻速直線運動狀態(tài)．處理方法：根據(jù)平衡條件列式分析．(2)導體處于非平衡態(tài)——加速度不為零．處理方法：根據(jù)牛頓第二定律進行動態(tài)分析或結(jié)合功能關(guān)系分析．二、動力學兩種狀態(tài)及處理方法【例2】如圖所示，電阻Rab為0.1Ω的導體棒ab沿光滑導線框向右做勻速運動，線框中接有電阻R為0.4Ω。線框放在磁感應強度B為0.1T的勻強磁場中，磁場方向垂直于線框平面。導體棒ab的長度l為0.4m,運動的速度v為5m/s。線框的電阻不計。

（1）電路abcd中哪部分相當于電源？電動勢多大？內(nèi)阻多大？哪個位置相當于電源

的正極？哪一部分相當于閉合電路中的外電路？

（2）ab棒向右運動時所受的安培力有多大？

（3）ab棒所受安培力的功率有多大？電阻R

的發(fā)熱功率有多大？電阻Rab發(fā)熱功率有多大？

從能的轉(zhuǎn)化和守恒角度說一說這三個功率關(guān)系

的含義。

小結(jié)：電磁感應現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化方式與動生電動勢有關(guān)的電磁感應現(xiàn)象中，通過克服安培力做功，把機械能轉(zhuǎn)化為電能。

克服安培力做多少功，就產(chǎn)生多少電能。若電路是純電阻電路，轉(zhuǎn)化過來的電能也將全部轉(zhuǎn)化為電阻的內(nèi)能（熱量）。1.電磁感應現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化三、電磁感應中的能量問題W安=E電減（P安=P電減）W安克=Q（P安克=P熱）【例3】（目標指向2）豎直平行導軌間距L＝20cm，導軌頂端接有一電阻R=0.6Ω,導體棒ab與導軌接觸良好且無摩擦，ab的電阻r＝0.4Ω，質(zhì)量m＝10g，導軌的電阻不計，整個裝置處在與軌道平面垂直的勻強磁場中，磁感應強度B＝1T．當ab棒由靜止釋放，g取10m/s2，不計空氣阻力，設(shè)導軌足夠長．求：（1）ab棒的最大速度的大?。唬?）若導體棒加速過程下落的高度為2m，求電阻R上產(chǎn)生的熱量Q。R

（2）方法一：從功能關(guān)系的角度求解

方法二：從能量守恒的角度求解

Q=QR+Qr

三、電磁感應中的能量問題1.電磁感應現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化2.求解焦耳熱Q的三種方法

W安=E電減（P安=P電減）W安克=Q（P安克=P熱）四、能量轉(zhuǎn)化問題的分析程序:先電后力再能量

【例4】（目標指向2）如圖所示，質(zhì)量為m,邊長為L的正方形線框,在有界勻強磁場上方h高處由靜止自由下落，線框的總電阻為R，磁感應強度為B的勻強磁場寬度為2L，線框下落過程中，ab邊始終與磁場邊界平行且處于水平方向，已知ab邊剛穿出磁場時線框恰好做勻速運動，求:

(1)cd邊剛進入磁場時線框的速度；(2)線框穿過磁場的過程中產(chǎn)生的焦耳熱。

1.（目標指向2）如圖，水平放置的平行光滑導軌相距為L，一端接有電阻R。質(zhì)量為m的導體棒MN垂直放在導軌上。整個裝置處于與導軌平面垂直的勻強磁場中，磁場的磁感強度為B，方向如圖所示。導體棒電阻為r,不計導軌的電阻。現(xiàn)用與導軌平行的恒力F向右拉MN。設(shè)導軌足夠長。求：（1）MN達到的最大速度大小？（2）當MN達到最大速度后撤去F，此后在電阻R上可以放出多少焦耳的熱？（3）回路中的最大電流和電功率？【當堂檢測】

【當堂檢測】

Q=QR+Qr

2、如圖所示，豎直平行導軌間距l(xiāng)=20cm，導軌頂端接有一電鍵K．導體棒ab與導軌接觸良好且無摩擦，ab的電阻R=0.4Ω，質(zhì)量m=10g，導軌的電阻不計，整個裝置處在與軌道平面垂直的勻強磁場中，磁感強度B=1T．當ab棒由靜止釋放0.8s后，突然接通電鍵，不計空氣阻力，設(shè)導軌足夠長．求：（1）ab棒的最大速度（2）ab棒的最終速度的大?。╣取10m/s2）．【當堂檢測】

【當堂檢測】3、如圖所示，兩根足夠長的金屬導軌MN、PQ平行放置在傾角為θ的絕緣斜面上，兩導軌間距為L，M、P兩點間接有阻值為R的電阻，一根質(zhì)量為m的均勻直金屬棒ab放在兩導軌上，并與導軌垂直。整套裝置處于磁感應強度為B的勻強磁場中，磁場方向垂直斜面向下，導軌和金屬棒的電阻可忽略。讓ab棒沿導軌由靜止開始下滑，導軌和金屬棒接觸良好，不計它們之間的摩擦，重力加速度為g。（1）求在運動過程中，ab棒可以達到的速度最大值；（2）從靜止到速度達到最大的過程，ab棒沿斜面下

滑距離為x，求回路產(chǎn)生的熱量?！井斕脵z測】（1）ab棒做加速度減小的加速運動，達到最大速度后做勻速直線運動。沿斜面向下v沿斜面向下vF安a（2）方法一：從功能關(guān)系的角度求解方法二：從能量守恒的角度求解總結(jié)總體思路：先電后力一、電磁感應現(xiàn)象中的動力學問題分析思路：二、動力學兩種狀態(tài)及處理方法三、電磁感應中的能量問題1.電磁感應現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化2.求解焦耳熱Q的三種方法

如圖2-10所示，MN和PQ是兩根互相平行、豎直放置的光滑金屬導軌，已知導軌足夠長，且電阻不計。ab是一根與導軌垂直而且始終與導軌接觸良好的金屬桿，金屬桿具有一定質(zhì)量和電阻。開始時，將開關(guān)S斷開，讓桿ab由靜止開自由下落，過段時間后，再將S閉合。若從S閉合開始計時，請畫出金屬桿的速度隨時間變化的可能圖像，并結(jié)合圖像對金屬桿的受力和運動變化情況作出解釋?！井斕脵z測】當，即時，速度達到最大若