高中物理選修3-2第四章5電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況

第四章5電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況2013年11月7日1.什么是電源？2.什么是電動勢？復(fù)習(xí)電源是通過非靜電力做功把其他形式能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。如果電源移送電荷q時非靜電力所做的功為W，那么W與q的比值，叫做電源的電動勢。3.干電池中的非靜電力是什么？化學(xué)作用。說明：電路中電動勢的作用實際上是某種非靜電力對自由電荷的作用。思考：在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，哪一種作用扮演了非靜電力的角色

？一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場1、感生電場：磁場變化時在其周圍空間激發(fā)的電場稱為感生電場。

注：靜止的電荷激發(fā)的電場叫靜電場，靜電場電場線是由正電荷出發(fā)，終于負(fù)電荷，電場線是不閉合的，而感生電場是一種渦旋電場，電場線是閉合的。磁場變強(qiáng)思考：如何確定感生電場的方向？感生電場的方向與感應(yīng)電流的方向相同——用楞次定律判定2、感生電動勢：由感生電場使導(dǎo)體產(chǎn)生的電動勢叫感生電動勢〔導(dǎo)線不動，磁場隨時間變化時在導(dǎo)線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢〕感生電動勢的非靜電力是感生電場對電荷的作用。磁場變強(qiáng)分析與解答：電子帶負(fù)電，它在電場中受力的方向與電場的方向相反。此題中電子沿逆時針方向運(yùn)動，所以為使電子加速，產(chǎn)生的電場應(yīng)沿順時針方向。圖中，磁場方向由下向上。根據(jù)楞次定律，為使真空室中產(chǎn)生順時針方向的感生電場，磁場應(yīng)該由弱變強(qiáng)。也就是說，為使電子加速，電磁鐵中的電流應(yīng)該由小變大。思考與討論-UωF洛F2F1討論結(jié)果：1．導(dǎo)體中自由電荷〔正電荷〕具有水平方向的速度，由左手定那么可判斷受到沿棒向上的洛倫茲力作用，其合運(yùn)動是斜向上的。2．自由電荷不會一直運(yùn)動下去。因為C、D兩端聚集電荷越來越多，在CD棒間產(chǎn)生的電場越來越強(qiáng)，當(dāng)電場力等于洛倫茲力時，自由電荷不再定向運(yùn)動。3．C端電勢高。4．導(dǎo)體棒中電流是由D指向C的。二、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的洛倫茲力1.動生電動勢：由于導(dǎo)體運(yùn)動而產(chǎn)生的電動勢。動生電動勢的非靜電力與洛倫茲力有關(guān)。探討：-洛倫茲力不做功，不提供能量，只是起傳遞能量的作用。即外力克服洛倫茲力的一個分量F2所做的功，通過另一個分量F1轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流的能量※洛倫茲力做功嗎？※能量是怎樣轉(zhuǎn)化的呢？UωF洛F2F12.動生電動勢的大?。耗敲磩由妱觿轂椋篍=BLv法拉第電磁感應(yīng)定律得到。感生電動勢動生電動勢產(chǎn)生原因磁場的變化導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動移動電荷的非靜電力感生電場對自由電荷的電場力導(dǎo)體中自由電荷所受洛倫茲力沿導(dǎo)體方向的分力回路中相當(dāng)于電源的部分處于變化磁場中的線圈部分做切割磁感線運(yùn)動的導(dǎo)體感生電動勢與動生電動勢的比較 如下圖，內(nèi)壁光滑、水平放置的玻璃圓環(huán)內(nèi)，有一直徑略小于圓環(huán)直徑的帶正電的小球，以速率v0沿逆時針方向勻速轉(zhuǎn)動，假設(shè)在此空間突然加上方向豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間成正比例增加的變化磁場．設(shè)運(yùn)動過程中小球帶電荷量不變，那么()A．小球?qū)ΣＡA環(huán)的壓力一定不斷增大B．小球所受的磁場力一定不斷增大C．小球先沿逆時針方向減速運(yùn)動，之后沿順時針方向加速運(yùn)動D．磁場力對小球一直不做功

例1【思路點(diǎn)撥】解答此題時可按以下思路分析：【精講精析】變化的磁場將產(chǎn)生感生電場，這種感生電場由于其電場線是閉合的，也稱為渦旋電場，其場強(qiáng)方向可借助電磁感應(yīng)現(xiàn)象中感應(yīng)電流方向的判定方法，使用楞次定律判斷．當(dāng)磁場增強(qiáng)時，會產(chǎn)生順時針方向的渦旋電場，電場力先對小球做負(fù)功使其速度減為零,后對小球做正功使其沿順時針方向做加速運(yùn)動，所以C正確；磁場力始終與小球運(yùn)動方向垂直，因此始終對小球不做功，D正確；小球在水平面內(nèi)沿半徑方向受兩個力作用：環(huán)的壓力FN和磁場的洛倫茲力F，這兩個力的合力充當(dāng)小球做圓周運(yùn)動的向心力，其中F＝Bqv,磁場在增強(qiáng)，小球的速度先減小，后增大，所以洛倫茲力不一定總在增大；【答案】CD【規(guī)律總結(jié)】此題的關(guān)鍵是判斷出感生電場的方向，感生電場對小球做功，使帶電小球的動能發(fā)生變化．電磁感應(yīng)中的能量守恒1.分析回路，分清電源和外電路。在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，切割磁感線的導(dǎo)體或磁通量發(fā)生變化的回路將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該導(dǎo)體或回路就相當(dāng)于電源，其余局部相當(dāng)于外電路．2.分析清楚有哪些力做功，明確有哪些形式的能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化．3.根據(jù)功能關(guān)系列式求解☆與動生電動勢有關(guān)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，通過克服安培力做功，把機(jī)械能或其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能．克服安培力做多少功，就產(chǎn)生多少電能．假設(shè)電路是純電阻電路，轉(zhuǎn)化過來的電能將全部轉(zhuǎn)化為電阻的內(nèi)能．

在傾角為θ的兩平行光滑長直金屬導(dǎo)軌的下端接有一電阻R，導(dǎo)軌自身的電阻可忽略不計，有一勻強(qiáng)磁場與兩金屬導(dǎo)軌平面垂直，方向垂直于導(dǎo)軌面向上．質(zhì)量為m，電阻可不計的金屬棒ab，在沿著導(dǎo)軌面且與棒垂直的恒力F作用下沿導(dǎo)軌勻速上滑，上升高度為h，如下圖．那么在此過程中()A．恒力F在數(shù)值上等于mgsinθB．恒力F對金屬棒ab所做的功等于mghC．恒力F與重力的合力對金屬棒ab所做的功等于電阻R上釋放的焦耳熱D．恒力F與重力的合力對金屬棒ab所做的功等于零例2解析：選C.金屬棒ab沿導(dǎo)軌勻速上滑，合外力為零，恒力F在數(shù)值上等于重力沿導(dǎo)軌方向的分力與安培力之和，故A錯；動能不變，拉力做功等于克服重力和安培力做功，克服重力做的功等于重力勢能的增加，克服安培力做的功最終轉(zhuǎn)化為電阻R上釋放的焦耳熱，故B錯；恒力與重力的合力對金屬棒做的功等于克服安培力做的功，大小等于電阻R上釋放的焦耳熱，C對D錯．電磁感應(yīng)中的圖象問題電磁感應(yīng)中常涉及磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁通量Φ、感應(yīng)電動勢E、感應(yīng)電流I、安培力F安或外力F外隨時間t變化的圖象，即B－t圖、Φ－t圖、E－t圖、I－t圖、F－t圖．對于切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流的情況，還常涉及感應(yīng)電動勢E和感應(yīng)電流I隨位移x變化的圖象，即E－x圖、I－x圖等．這些圖象問題大體上可分為兩類：1.由給定的電磁感應(yīng)過程選出或畫出正確圖象．2.由給定的有關(guān)圖象分析電磁感應(yīng)過程，求解相應(yīng)的物理量．處理圖象問題首先要分清階段，然后對每個階段的導(dǎo)體切割情況或回路磁通量變化情況進(jìn)行詳細(xì)分析，并進(jìn)一步確定感應(yīng)電動勢、感應(yīng)電流等的大小和方向的變化特點(diǎn)，最后把握整個過程的變化規(guī)律． 如圖甲所示，光滑導(dǎo)軌水平放置在與水平方向夾角60°斜向下的勻強(qiáng)磁場中，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間的變化規(guī)律如圖乙所示(規(guī)定斜向下為正方向)，導(dǎo)體棒ab垂直導(dǎo)軌放置，除電阻R的阻值外，其余電阻不計，導(dǎo)體棒ab在水平外力作用下始終處于靜止?fàn)顟B(tài)．規(guī)定a→b的方向為電流的正方向，水平向右的方向為外力的正方向，那么在0～t時間內(nèi)，能正確反映流過導(dǎo)體棒ab的電流I和導(dǎo)體棒ab所受水平外力F隨時間t變化的圖象是()例3【精講精析】由楞次定律可判定回路中的電流始終為b→a方向，由法拉第電磁感應(yīng)定律可判定回路電流大小恒定，故A、B錯；由F安＝BIL可得F安隨B的變化而變化，在0～t0時間內(nèi)，F(xiàn)安方向向右，故外力F與F安等值反向，方向向左為負(fù)值；在t0～t時間內(nèi)，F(xiàn)安方向改變，故外力F方向也改變?yōu)檎?，綜上所述，D項正確．【答案】

D【規(guī)律總結(jié)】解決這類問題時，一般采取排除法．根據(jù)物理量的方向(正、負(fù))判斷較為簡單．導(dǎo)體棒在磁場中運(yùn)動的動態(tài)分析通過導(dǎo)體的感應(yīng)電流在磁場中將受到安培力作用，從而引起導(dǎo)體速度、加速度的變化．1.根本方法(1)用法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律求出感應(yīng)電流的方向和感應(yīng)電動勢的大?。?2)求出回路中電流的大?。?3)分析研究導(dǎo)體受力情況(包括安培力，用左手定那么確定其方向)(4)列出動力學(xué)方程或者平衡方程求解．2.根本思路：電磁感應(yīng)力學(xué)問題中，要抓好受力情況、運(yùn)動情況的動態(tài)：分析導(dǎo)體受力運(yùn)動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢→感應(yīng)電流→通電導(dǎo)體受到安培力→合外力變化→加速度變化→速度變化，周而復(fù)始的循環(huán)，循環(huán)結(jié)束時，加速度為0，導(dǎo)體到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，速度到達(dá)最值．如圖甲所示，兩根足夠長的直金屬導(dǎo)體MN、PQ平行放置在傾角為θ的絕緣斜面上，兩導(dǎo)軌間距為L.M、P兩點(diǎn)間接有阻值為R的電阻．一根質(zhì)量為m的均勻直金屬桿ab放在兩導(dǎo)軌上，并與導(dǎo)軌垂直．整套裝置處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，磁