2024-2025學(xué)年高中物理第一章電磁感應(yīng)5電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒教案教科版選修3-2

PAGE5-電磁感應(yīng)中的動力學(xué)和能量問題一.電磁感應(yīng)．分析問題的步驟(1)明確探討物體和電磁感應(yīng)的成因（金屬桿還是某閉合回路）(2)用電磁感應(yīng)定律和楞次定律、右手定則確定感應(yīng)電動勢的大小和方向．(3)分析電路，應(yīng)用閉合電路歐姆定律求出電路中感應(yīng)電流的大?。?4)結(jié)合電路中的安培力，分析物體的運(yùn)動狀態(tài)，和受力狀況(5)列方程求解(6)重要推論：安培力F＝BIL＝eq\f(B2L2v,R)；電荷量Q＝neq\f(ΔΦ,R)二、電磁感應(yīng)中的能量問題1．電磁感應(yīng)過程的實(shí)質(zhì)是不同形式的能量轉(zhuǎn)化的過程．電磁感應(yīng)過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電流在磁場中必定受到反向安培力的阻礙作用，因此要維持感應(yīng)電流存在，必需有“外力”克服安培力做功．此過程中，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，“外力”克服安培力做多少功，就有多少其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能；當(dāng)感應(yīng)電流通過用電器時，電能又轉(zhuǎn)化為其他形式的能．可以簡化為下列形式：eq\x(其他形式的能如：機(jī)械能)eq\o(→,\s\up7(安培力做負(fù)功))eq\x(電能)eq\o(→,\s\up7(電流做功))eq\x(其他形式的能如：內(nèi)能)2．電能求解的思路主要有三種(1)利用克服安培力做功求解：電磁感應(yīng)中產(chǎn)生的電能等于克服安培力所做的功；(2)利用能量守恒求解：能量的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化過程中，總量保持不變；(3)利用電路特征求解：通過電路中所產(chǎn)生的電能來計算．（如串聯(lián)電路電阻生熱Q于阻值R正比）(4)分析思路：搞清晰有哪些力做功，明確有哪些形式的能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化．如：有摩擦力做功，必有內(nèi)能產(chǎn)生；有重力做功，重力勢能必定發(fā)生改變；克服安培力做功，必定有其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，并且克服安培力做多少功，就產(chǎn)生多少電能．然后列有關(guān)的功能關(guān)系或能量守恒關(guān)系式，求解相關(guān)問題．實(shí)例講解：【例1】如圖所示，abcd為靜止于水平面上寬度為L而長度足夠長的U形金屬滑軌，ac邊接有電阻R，其他部分電阻不計．ef為一可在滑軌平面上滑動、質(zhì)量為m的勻稱導(dǎo)體棒．整個滑軌面處在豎直向上的勻強(qiáng)磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.忽視全部摩擦．(1)若用恒力F沿水平方向向右拉棒，使其平動，求導(dǎo)體棒的最大速度；(2)若導(dǎo)體棒從起先運(yùn)動到獲得最大速度發(fā)生的位移為x，求這一過程中電阻R上產(chǎn)生的熱量Q.【跟蹤發(fā)散】3－1：兩根光滑的金屬導(dǎo)軌，平行放置在傾角為θ的斜面上，導(dǎo)軌的左端接有電阻R，導(dǎo)軌的電阻可忽視不計．斜面處在勻強(qiáng)磁場中，磁場方向垂直于斜面對上．質(zhì)量為m、電阻可不計的金屬棒ab，在沿著斜面與棒垂直的恒力F作用下沿導(dǎo)軌勻速上滑，并上升h高度．如圖所示，在這個過程中()A．作用在金屬棒上的各個力的合力所做的功等于零B．作用在金屬棒上的各個力的合力所做的功等于mgh與電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱之和C．恒力F與安培力的合力所做的功等于零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【例2】如圖所示，固定的水平光滑金屬導(dǎo)軌，間距為L，左端接有阻值為R的電阻，處在方向豎直、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒與固定彈簧相連，放在導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌與導(dǎo)體棒的電阻均可忽視．初始時刻，彈簧恰處于自然長度，導(dǎo)體棒具有水平向右的初速度v0.在沿導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動的過程中，導(dǎo)體棒始終與導(dǎo)軌垂直并保持良好接觸．(1)求初始時刻導(dǎo)體棒受到的安培力．(2)若導(dǎo)體棒從初始時刻到速度第一次為零時，彈簧的彈性勢能為Ep，則這一過程中安培力所做的功W1和電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q1分別為多少？(3)從導(dǎo)體棒起先運(yùn)動直到最終靜止的過程中，電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q為多少？【例3】如圖所示，兩根足夠長的平行導(dǎo)軌處在與水平方向成θ＝37°角的斜面上，導(dǎo)軌電阻不計，間距L＝0.3m，導(dǎo)軌兩端各接一個阻值R0＝2Ω的電阻；在斜面上加有磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝1T、方向垂直于導(dǎo)軌平面的勻強(qiáng)磁場．一質(zhì)量為m＝1kg、電阻r＝2Ω的金屬棒橫跨在平行導(dǎo)軌間，棒與導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)μ＝0.5.金屬棒以平行于導(dǎo)軌向上、v0＝10m/s的初速度上滑，直至上升到最高點(diǎn)的過程中，通過上端電阻的電荷量Δq＝0.1C，求上端電阻R0產(chǎn)生的焦耳熱Q.(g取10m/s2)課后練習(xí).如圖所示，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(zhì)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(qiáng)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度為B＝2T，ab在一電動機(jī)牽引下由靜止起先運(yùn)動，經(jīng)過2s，ab運(yùn)動了1.2m并達(dá)到最大速度．此過程中電動機(jī)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)思想方法總結(jié)1．分析電磁感應(yīng)中功能關(guān)系類問題時要牢牢抓住能量守恒這一基本規(guī)律和線索，找出探討過程中有哪些力做功，就可以確定有哪些形式的能量參加轉(zhuǎn)化，如摩擦力對系統(tǒng)做負(fù)功，必定有內(nèi)能出現(xiàn)；重力做功時，一般會有機(jī)械能參加轉(zhuǎn)化；安培力做負(fù)功時其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，做正功時電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能等．2．求解焦耳熱的途徑(1)感應(yīng)電路中產(chǎn)生的焦耳熱等于克服安培力做的功，即Q＝W安．(2)感應(yīng)電路中電阻產(chǎn)生的焦耳熱等于電流通過電阻做的功，即Q＝I2Rt.(3)感應(yīng)電流中