高中物理 第1章 第5节 电磁感应中的能量转化与守恒学案 教科版选修.doc

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1、学案7 电磁感应中的能量转化与守恒[目标定位] 1.进一步理解能量守恒定律是自然界普遍遵循的一条规律,楞次定律的实质就是能量守恒在电磁感应现象中的具体表现.2.通过具体实例理解电磁感应现象中的能量转化.3.掌握电磁感应中动力学问题的分析方法.一、电磁感应中的动力学问题1.电磁感应中产生的感应电流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)求回路中的电流强度的大小和方向.(3)分析研究导体受

2、力情况(包括安培力).(4)列动力学方程或平衡方程求解.2.电磁感应现象中涉及的具有收尾速度的力学问题,关键要抓好受力情况和运动情况的动态分析.周而复始地循环,加速度等于零时,导体达到稳定运动状态.3.两种状态处理导体匀速运动,应根据平衡条件列式分析;导体做匀速直线运动之前,往往做变加速运动,处于非平衡状态,应根据牛顿第二定律或结合功能关系分析.二、电磁感应中的能量转化与守恒[问题设计]为什么说楞次定律是能量守恒定律在电磁感应中的具体表现?答案 楞次定律表明,感应电流的效果总是阻碍引起感应电流的原因.正是

3、由于“阻碍”作用的存在,电磁感应现象中产生电能的同时必然伴随着其他形式能量的减少,可见,楞次定律是能量转化和守恒定律的必然结果.[要点提炼]1.电磁感应中的能量转化特点外力克服安培力做功,把机械能或其他形式的能转化成电能;感应电流通过电路做功又把电能转化成其他形式的能(如内能).这一功能转化途径可表示为:2.求解电磁感应现象中能量守恒问题的一般思路(1)分析回路,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:①有摩擦力做功,必有内能产生;②有重力做功,重力势能必然发生变

4、化;③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.(3)列有关能量的关系式.3.焦耳热的计算技巧(1)感应电路中电流恒定,焦耳热Q=I2Rt.(2)感应电路中电流变化,可用以下方法分析:①利用功能关系,产生的焦耳热等于克服安培力做的功,即Q=W安.而克服安培力做的功W安可由动能定理求得.②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=ΔE其他.一、电磁感应中的动力学问题例1 如图1甲所示,两根足够长的直金属导轨MN、PQ平行放置在倾角为θ的绝缘

5、斜面上,两导轨间距为L,M、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ab杆的电阻可忽略,让ab杆沿导轨由静止开始下滑,导轨和ab杆接触良好,不计它们之间的摩擦,已知重力加速度为g.图1(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

6、达到的速度最大值.解析 (1)如图所示,ab杆受力分析:重力mg,竖直向下;支持力N,垂直于斜面向上;安培力F安,沿斜面向上.(2)当ab杆速度大小为v时,感应电动势E=BLv,此时电路中电流I==ab杆受到的安培力F安=BIL=根据牛顿第二定律,有ma=mgsinθ-F安=mgsinθ-a=gsinθ-.(3)当a=0时,ab杆有最大速度为vm=.答案 (1)见解析图(2) gsinθ- (3)例2 如图2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

7、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,让金属杆ab由静止开始自由下落,过段时间后,再将S闭合,若从S闭合开始计时,则金属杆ab的速度v随时间t变化的图像可能是(  )图2解析 S闭合时,若>mg,金属杆ab先减速再匀速,D项有可能;若=mg,金属杆ab匀速运动,A项有可能;若

8、与水平面成θ=37°角,磁感应强度B=0.8T的匀强磁场方向垂直于导体框平面,一根质量为m=0.2kg、有效电阻R=2Ω的导体棒MN垂直跨放在U形框架上,该导体棒与框架间的动摩擦因数μ=0.5,导体棒由静止开始沿框架下滑到刚开始匀速运动时,通过导体棒横截面的电荷量为Q=2C.(sin37°=0.6,cos37°=0.8)求:图3(1)导体棒匀速运动的速度大小;(2)导体棒从静止开始下滑到刚开始匀速运动,这一过程中导体棒的有效电

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