金版學案13-14物理(人教版)選修3-2：4.5電磁感應現(xiàn)象的兩類情況課件

第5節(jié)電磁感應現(xiàn)象的兩類情況電磁感應磁流體發(fā)電機磁流體發(fā)電機是一種將高溫的帶電流體(等離子體或液態(tài)金屬)以極高的速度噴射到磁場中去，利用磁場對帶電流體的作用而發(fā)電的一種裝置．從能量形式看它將化學能變成熱能，再將熱能直接轉化為電能．它與普通火力發(fā)電機的主要區(qū)別是：在磁流體發(fā)電機中，高溫高速的帶電流體代替了普通火力發(fā)電機中的電樞繞組和轉動部分．磁流體發(fā)電機的構造如下圖所示，由燃燒室、發(fā)電通道及磁體三個主要部件組成，其中發(fā)電通道是磁流體發(fā)電機的核心部件．磁流體發(fā)電機的主要特點是：發(fā)電效率高，環(huán)境污染少．實際應用時將它作為熱循環(huán)系統(tǒng)的第一級，與普通火力發(fā)電機組成聯(lián)合電站．1．磁場變化時會在空間激發(fā)一種電場，如果此時空間存在閉合導體，導體中的自由電荷就會在這種電場的作用下做定向運動，產生感應電流，或者說導體中產生了________．在這種情況下，所謂的非靜電力就是這種________對自由電荷的作用．2．一段導體在做切割磁感線運動時，相當于一個________，這時的非靜電力與________有關．1．感應電動勢感應電場2．電源洛倫茲力

一、感生電動勢

1．感應電場

19世紀60年代，英國物理學家麥克斯韋在他的電磁場理論中指出：變化的磁場能在周圍空間激發(fā)電場，我們把這種電場叫感應電場．

(1)產生如右圖所示，當磁場變化時，產生的感應電場的電場線是與磁場方向垂直的曲線．如果空間存在閉合導體，導體中的自由電荷就會在電場力作用下定向移動，而產生感應電流，或者說導體中產生了感應電動勢.2．感生電動勢的產生由感應電場使導體產生的電動勢叫感生電動勢．感生電動勢在電路中的作用就是充當電源，其電路就是內電路，當它與外電路連接后就會對外電路供電．變化的磁場在閉合導體所在空間產生電場，導體內自由電荷在電場力作用下產生感應電流，或者說導體中產生了感應電動勢．由此可見，感生電場就相當于電源內部的所謂的非靜電力，對電荷產生力的作用．

解析：由題意可知圓形線圈A上產生的感生電動勢E＝nS＝100×0.02×0.2V＝0.4V，電路中的電流I＝＝＝0.04A.電容器充電時的電壓UC＝IR2＝0.04A×6Ω＝0.24V，2s后電容器放電的電荷量Q＝CUC＝30×10－6F×0.24V＝7.2×10－6C.

答案：0.24V

7.2×10－6C解析：根據(jù)電磁感應，閉合回路中的磁通量變化時，使閉合回路中產生感應電流，該電流可用楞次定律判斷．根據(jù)麥克斯韋電磁理論，閉合回路中產生感應電流，是因為閉合回路中受到了電場力的作用，而變化的磁場產生電場，與是否存在閉合回路沒有關系，故空間磁場變化產生的電場方向，仍然可用楞次定律判斷，四指環(huán)繞方向即為感應電場的方向，由此可知A、C正確．答案：AC

二、動生電動勢

1．動生電動勢原因分析導體在磁場中做切割磁感線運動時，產生動生電動勢，它是由于導體中自由電子受洛倫茲力作用而引起的．如下圖甲所示，一條直導線CD在勻強磁場B中以速度v向右運動，并且導線CD與B、v的方向垂直．由于導體中的自由電子隨導體一起以速度v運動，因此每個電子受到的洛倫茲力為F＝evB.F的方向豎直向下．在力F的作用下，自由電子沿導體向下運動，使導體下端出現(xiàn)過剩的負電荷，導體上端出現(xiàn)過剩的正電荷．結果使導體上端D的電勢高于下端C的電勢，出現(xiàn)由D指向C的靜電場．此電場對電子的作用力F′是向上的，與洛倫茲力的方向相反．隨著導體兩端正、負電荷的積累，場強不斷增強，當作用在自由電子上的靜電力F′與洛倫茲力F互相平衡時，DC兩端便產生了一個穩(wěn)定的電勢差．如果用另外的導線把CD兩端連接起來，由于D端電勢比C端高，自由電子在靜電力的作用下將在導線框中沿順時針方向流動，形成逆時針方向的感應電流如圖乙所示．電荷的流動使CD兩端積累的電荷減少，洛倫茲力又不斷地使電子從D端運動到C端，從而在CD兩端維持一個穩(wěn)定的電動勢．可見，運動的導體CD就是一個電源，D端為正極，C端為負極，自由電子受洛倫茲力的作用，從D端被搬運到C端；也可以看作是正電荷受洛倫茲力的作用從C端搬運到D端．這里，洛倫茲力就相當于電源中的非靜電力．根據(jù)電動勢的定義，電動勢等于單位正電荷從負極通過電源內部移動到正極非靜電力所做的功．作用在單位正電荷上的洛倫茲力F＝＝vB于是，動生電動勢就是E＝Fl＝Blv上式與法拉第電磁感應定律得到的結果一致．2．動生電動勢與感生電動勢的區(qū)別(1)相當于電源的部分不同由于導體運動而產生電動勢時，運動部分的導體相當于電源，而由于磁場變化產生感應電動勢時，磁場穿過的線圈部分相當于電源．(2)ΔΦ的含義不同導體運動產生的電動勢，ΔΦ是由于導體線框本身的面積發(fā)生變化而產生的，所以ΔΦ＝B·ΔS.而感生電動勢，ΔΦ是由于ΔB引起的，所以ΔΦ＝ΔB·S.(1)由b向a方向看到的裝置如圖乙所示，請在此圖中畫出ab桿下滑過程中某時刻的受力示意圖；(2)在加速下滑過程中，當ab桿的速度大小為v時，求此時ab桿中的電流及其加速度的大小；(3)求在下滑過程中，ab桿可以達到的最大速度．變式遷移2．如右下圖所示，水平地面上方有正交的勻強電場E和勻強磁場B，電場方向豎直向下，磁場方向垂直紙面向外，等腰三角形的金屬框由底邊呈水平位置開始沿豎直平面的電磁場中由靜止開始下落，下落過程中三角形平面始終在豎直平面內，不計阻力，a、b落到地面的次序是(

)A．a先于b

B．b先于a

C．a、b同時落地

D．無法判斷解析：本題考查由楞次定律判定感應電動勢的方向．本題關鍵是用楞次定律判定感應電動勢的方向，并理解感應電動勢的正、負極是聚集著正、負電荷．當△abc線框下落時，閉合回路中磁通量沒有發(fā)生變化，回路不產生感應電流，但由于各邊都在切割磁感線，所以會產生感應電動勢，根據(jù)楞次定律，可以判定出a點的電勢高，是電源的正極，b點的電勢低，是電源的負極，a點聚集著多余的正電荷，b點聚集著負電荷，a點的正電荷受到的電場力向下，使a點加速度＞g，b點的負電荷受到的電場力向上，使b點加速度<g，故a點先落地．故正確答案為A.答案：A

如下圖所示，水平放置的平行軌道M、N間接一阻值為R＝0.128Ω的電阻，軌道寬為L＝0.8m．軌道上搭一金屬棒ab，其質量m＝0.4kg，ab與軌道間動摩擦因數(shù)為0.5，除R外其余電阻不計．垂直于軌道面的勻強磁場磁感應強度為B＝2T，ab在一電動機牽引下由靜止開始運動，經(jīng)過2s，ab運動了1.2m并達到最大速度．此過程中電動機平均輸出功率為8W，最大輸出功率為14.4W．求該過程中電阻R上消耗的電能．(取g＝10m/s2)解析：當電動機拉力等于導體棒所受安培力與滑

動摩擦力之和時，速度最大為vmax，由題知此時電動

機輸出功率最大．

F＝Pmaxvmax＝umg＋B2l2vmaxR

將已知數(shù)據(jù)代入得：

10v2max＋vmax－7.2＝0

解得vmax＝0.8

m/s.全過程由能的轉化和守恒定律：

Pt＝Q＋umgs＋12mv2max.

代入已知數(shù)據(jù)得：Q＝13.472

J.

答案：13.472

J

解析：由E＝Blv和I＝ER得：I＝BlvR.所以安培力

F＝BIl＝B2l2vR，電阻上消耗的電熱功率P＝I2R＝B2l2v2R；

外力對ab做功的功率就等于回路產生的電熱功率．

答案：A

5．（雙選）水平面內兩光滑的平行金屬導軌，左端與電阻R相連接，勻強磁場B豎直向下分布在導軌所在的空間內，質量一定的金屬棒垂直于導軌并與導軌接觸良好．今對金屬棒施加一個水平向右的外力F，使金屬棒從a位置開始向右做初速度為零的勻加速運動，依次通過位置b和c.若導軌與金屬棒的電阻不計，ab與bc的距離相等，關于金屬棒在運動過程中的有關說法正確的是(