学案新人教版选修3_2.doc
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1、1提升课 2 电磁感应中的动力学及能量问题电磁感应中的动力学问题1.具有感应电流的导体在磁场中将受到安培力作用,所以电磁感应问题往往与力学问题联系在一起,处理此类问题的基本方法是:(1)用法拉第电磁感应定律和楞次定律求感应电动势的大小和方向。(2)求回路中的感应电流的大小和方向。(3)分析导体的受力情况(包括安培力)。(4)列动力学方程或平衡方程求解。2.两种状态处理(1)导体处于平衡状态静止或匀速直线运动状态。处理方法:根据平衡条件合力等于零列式分析。(2)导体处于非平衡状态加速度不为零。处理方法:根据牛顿第二定律进行动态分析或结合功能关系分析。例 1 如图 1 所示,空间存在 B0.5 T
2、、方向竖直向下的匀强磁场, MN、 PQ 是水平放置的平行长直导轨,其间距 L0.2 m,电阻 R0.3 接在导轨一端, ab 是跨接在导轨上质量 m0.1 kg、电阻 r0.1 的导体棒,已知导体棒和导轨间的动摩擦因数为 0.2。从t0 时刻开始,对 ab 棒施加一个大小为 F0.45 N、方向水平向左的恒定拉力,使其从静止开始沿导轨滑动,滑动过程中棒始终保持与导轨垂直且接触良好,求:( g10 m/s 2)图 1(1)导体棒所能达到的最大速度;(2)试定性画出导体棒运动的速度时间图象。思路点拨: ab 棒在拉力 F 作用下运动,随着 ab 棒切割磁感线运动的速度增大,棒中的感应电动势 E
3、BLv 增大,棒中感应电流 I 增大,棒受到的安培力方向水平向右,ER BLvR r2大小为 F BIL 也增大,最终达到匀速运动时棒的速度达到最大值。外力在克服安B2L2vR r培力做功的过程中,消耗了其他形式的能,转化成了电能,最终转化成了焦耳热。解析 (1)导体棒切割磁感线运动,产生的感应电动势为E BLvI ER r导体棒受到的安培力 F 安 BIL导体棒运动过程中受到拉力 F、安培力 F 安 和摩擦力 Ff的作用,根据牛顿第二定律得F mg F 安 ma由得 F mg maB2L2vR r由上式可以看出,随着速度的增大,安培力增大,加速度 a 减小,当加速度 a 减小到 0 时,速度
4、达到最大。此时有 F mg 0B2L2vmR r可得 vm 10 m/s( F mg) ( R r)B2L2(2)导体棒运动的速度时间图象如图所示。答案 (1)10 m/s (2)见解析图电磁感应动力学问题中的动态分析思路导体受外力运动 产生感应电动势 感应电流 导体受安培力 合外 E Blv F BIl 力变化 加速度变化 速度变化 感应电动势变化 a0, v 最大值。 F合 ma 周而复始地循环,循环结束时,加速度等于零,导体达到稳定状态, a0,速度 v 达到最大值。例 2 如图 2 甲所示,两根足够长的直金属导轨 MN、 PQ 平行放置在倾角为 的绝缘斜面3上,两导轨间距为 L, M、
5、 P 两点间接有阻值为 R 的电阻,一根质量为 m 的均匀直金属杆 ab放在两导轨上,并与导轨垂直,整套装置处于磁感应强度为 B 的匀强磁场中,磁场方向垂直于斜面向下,导轨和金属杆的电阻可忽略,让 ab 杆沿导轨由静止开始下滑,导轨和金属杆接触良好,不计它们之间的摩擦。图 2(1)由 b 向 a 方向看到的装置如图乙所示,请在此图中画出 ab 杆下滑过程中某时刻的受力示意图;(2)在加速下滑过程中,当 ab 杆的速度大小为 v 时,求此时 ab 杆中的电流及其加速度的大小;(3)求在下滑过程中, ab 杆可以达到的速度最大值。解析 (1)由右手定则知,产生的感应电流方向 a b。如图所示, a
6、b杆受重力 mg,竖直向下;支持力 FN,垂直于斜面向上;安培力 F 安 ,沿斜面向上。(2)当 ab 杆的速度大小为 v 时,感应电动势 E BLv,此时电路中的电流 I ER BLvRab 杆受到安培力 F 安 BILB2L2vR根据牛顿第二定律,有mgsin F 安 mgsin maB2L2vRa gsin 。B2L2vmR(3)当 a0 时, ab 杆有最大速度,其最大值为 vm 。mgRsin B2L2答案 (1)见解析图(2) gsin (3)BLvR B2L2vmR mgRsin B2L24电磁感应中力学问题的解题技巧(1)受力分析时,要把立体图转换为平面图,同时标明电流方向及磁
7、场 B 的方向,以便准确地画出安培力的方向。(2)要特别注意安培力的大小和方向都有可能变化,不像重力或其他力一样是恒力。(3)根据牛顿第二定律分析 a 的变化情况,以求出稳定状态的速度。(4)列出稳定状态下的受力平衡方程往往是解题的突破口。针对训练 1 如图 3 所示,两条相距 d 的平行金属导轨位于同一水平面内,其右端接一阻值为 R 的电阻。质量为 m 的金属杆静置在导轨上,其左侧的矩形匀强磁场区域 MNPQ 的磁感应强度大小为 B、方向竖直向下。当该磁场区域以速度 v0匀速地向右扫过金属杆后,金属杆的速度变为 v。导轨和金属杆的电阻不计,导轨光滑且足够长,杆在运动过程中始终与导轨垂直且两端
8、与导轨保持良好接触。求:图 3(1)MN 刚扫过金属杆时,杆中感应电流的大小 I;(2)MN 刚扫过金属杆时,杆的加速度大小 a;(3)PQ 刚要离开金属杆时,感应电流的功率 P。解析 (1)感应电动势 E Bdv0感应电流 I ,解得 IER Bdv0R(2)安培力 F BId牛顿第二定律 F ma解得 aB2d2v0mR(3)金属杆切割磁感线的速度 v v0 v,则感应电动势 E Bd(v0 v)电功率 P ,解得 PE2R B2d2( v0 v) 2R答案 (1) (2) (3)Bdv0R B2d2v0mR B2d2( v0 v) 2R5电磁感应中的能量问题1.电磁感应中能量的转化电磁感
9、应过程实质是不同形式的能量相互转化的过程,其能量转化方式为:2.求解电磁感应现象中能量问题的一般思路(1)确定回路,分清电源和外电路。(2)分析清楚有哪些力做功,明确有哪些形式的能量发生了转化,如:有滑动摩擦力做功,必有内能产生;有重力做功,重力势能必然发生变化;克服安培力做功,必然有其他形式的能转化为电能,并且克服安培力做多少功,就产生多少电能;如果安培力做正功,就是电能转化为其他形式的能。(3)列有关能量的关系式。例 3 如图 4 所示,足够长的平行光滑 U 形导轨倾斜放置,所在平面的倾角 37,导轨间的距离 L1.0 m,下端连接 R1.6 的电阻,导轨电阻不计,所在空间存在垂直于导轨平
10、面向上的匀强磁场,磁感应强度 B1.0 T。质量 m0.5 kg、电阻 r0.4 的金属棒 ab 垂直置于导轨上,现用沿导轨平面且垂直于金属棒、大小为 F5.0 N 的恒力使金属棒 ab 从静止开始沿导轨向上滑行,当金属棒滑行 s2.8 m 后速度保持不变。求:(sin 370.6,cos 370.8, g10 m/s 2)图 4(1)金属棒匀速运动时的速度大小 v;(2)金属棒从静止到刚开始匀速运动的过程中,电阻 R 上产生的热量 QR。解析 (1)金属棒沿斜面向上匀速运动时产生的感应电流方向 a b,产生的感应电动势E BLv,产生的感应电流为 IBLvR r安培力 F 安 BIL,金属棒
11、 ab 受力如图所示。6由平衡条件有 F mgsin BIL代入数据解得 v4 m/s。(2)设整个电路中产生的热量为 Q,由能量守恒定律有Q Fs mgssin mv212而 QR Q,代入数据解得 QR1.28 J。RR r答案 (1)4 m/s (2)1.28 J电磁感应中焦耳热的计算技巧(1)电流恒定时,根据焦耳定律求解,即 Q I2Rt。(2)感应电流变化,可用以下方法分析:利用动能定理,求出克服安培力做的功,产生的焦耳热等于克服安培力做的功,即 Q W安 。利用能量守恒,即感应电流产生的焦耳热等于其他形式能量的减少,即 Q E 其他 。针对训练 2 水平放置的光滑平行导轨上放置一根
12、长为 L、质量为 m 的导体棒 ab, ab 处在磁感应强度大小为 B、方向如图 5 所示的匀强磁场中,导轨的一端接一阻值为 R 的电阻,导轨及导体棒电阻不计。现使 ab 在水平恒力 F 作用下由静止沿垂直于磁场的方向运动,当通过的位移为 x 时, ab 达到最大速度 vm。此时撤去外力,最后 ab 静止在导轨上。在 ab 运动的整个过程中,下列说法正确的是( )图 5A.撤去外力后, ab 做匀减速运动B.合力对 ab 做的功为 FxC.R 上释放的热量为 Fx mv12 2m7D.R 上释放的热量为 Fx解析 撤去外力后,导体棒水平方向只受安培力作用,而 F 安 , F 安 随 v 的变化
13、而B2L2vR变化,故导体棒做加速度变化的变速运动,选项 A 错误;对整个过程由动能定理得 W 合 Ek0,选项 B 错误;由能量守恒定律知,恒力 F 做的功等于整个回路产生的电能,电能又转化为 R 上释放的热量,即 Q Fx,选项 C 错误,D 正确。答案 D1.(电磁感应中的动力学问题)如图 6 所示,在一匀强磁场中有一 U 形导线框 abcd,线框处于水平面内,磁场与线框平面垂直, R 为一电阻, ef 为垂直于 ab 的一根导体杆,它可在ab、 cd 上无摩擦地滑动。杆 ef 及线框中导线的电阻都可不计。开始时,给 ef 一个向右的初速度,则( )图 6A.ef 将减速向右运动,但不是
14、匀减速B.ef 将匀减速向右运动,最后停止C.ef 将匀速向右运动D.ef 将往返运动解析 ef 向右运动,切割磁感线,产生感应电动势和感应电流,会受到向左的安培力而做减速运动,直到停止,但不是匀减速,由 F BIL ma 知, ef 做的是加速度减小的B2L2vR减速运动,故选项 A 正确。答案 A2.(电磁感应中的动力学问题)(多选)如图 7 所示, MN 和 PQ 是两根互相平行竖直放置的光滑金属导轨,已知导轨足够长,且电阻不计。 ab 是一根与导轨垂直而且始终与导轨接触良好的金属杆。开始时,将开关 S 断开,让杆 ab 由静止开始自由下落,一段时间后,再将 S闭合,若从 S 闭合开始计
15、时,则金属杆 ab 的速度 v 随时间 t 变化的图象可能是( )8图 7解析 设 ab 杆的有效长度为 l,S 闭合时,若 mg,杆先减速再匀速,D 项有可能;B2l2vR若 mg,杆匀速运动,A 项有可能;若 mg,杆先加速再匀速,C 项有可能;由B2l2vR B2l2vR于 v 变化, mg ma 中的 a 不恒定,故 B 项不可能。B2l2vR答案 ACD3.(电磁感应中的能量问题)如图 8 所示,竖直放置的两根平行金属导轨之间接有定值电阻R,质量不能忽略的金属棒与两导轨始终保持垂直并良好接触且无摩擦,棒与导轨的电阻均不计,整个装置放在匀强磁场中,磁场方向与导轨平面垂直,棒在竖直向上的
16、恒力 F 作用下加速上升的一段时间内,力 F 做的功与安培力做的功的代数和等于( )图 8A.棒的机械能增加量 B.棒的动能增加量C.棒的重力势能增加量 D.电阻 R 上产生的热量解析 棒加速上升时受到重力、拉力 F 及安培力。根据功能关系可知,力 F 与安培力做的功的代数和等于棒的机械能的增加量,选项 A 正确。答案 A4.(电磁感应中的动力学综合问题)如图 9 所示,质量 m10.1 kg,电阻 R10.3 ,长度9l0.4 m 的导体棒 ab 横放在 U 型金属框架上。框架固定在绝缘水平面上,相距 0.4 m 的MM、 NN相互平行,电阻不计且足够长。电阻 R20.1 的 MN 垂直于
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