物理人教版選修3-2課堂探究第四章第五節(jié)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩種情況

課堂探究探究一對感生電動勢的理解·問題導(dǎo)引·著名物理學家費曼曾設(shè)計過這樣一個實驗裝置：一塊絕緣圓板可繞其中心的光滑軸自由轉(zhuǎn)動，在圓板的中部有一個線圈，圓板的四周固定著一圈帶電的金屬小球，如圖所示。當線圈接通電源后，發(fā)現(xiàn)圓板轉(zhuǎn)動起來。請思考圓板轉(zhuǎn)動起來的原因是什么？提示：在線圈接通電源的瞬間，線圈中的電流是增大的，產(chǎn)生的磁場是逐漸增強的，逐漸增強的磁場會產(chǎn)生電場。在小球所在圓周處相當于有一個環(huán)形電場，小球因帶電而受到電場力作用從而會讓圓板轉(zhuǎn)動?！っ麕熅v·1．產(chǎn)生：如圖所示，當磁場變化時，產(chǎn)生感生電場。感生電場的電場線是與磁場垂直的曲線。如果空間存在閉合導(dǎo)體，導(dǎo)體中的自由電荷就會在電場力作用下定向移動而產(chǎn)生感應(yīng)電流。或者說導(dǎo)體中產(chǎn)生了感生電動勢。2．方向：閉合環(huán)形回路(可假定存在)的電流方向就表示感應(yīng)電場的電場方向。感應(yīng)電場是否存在僅取決于有無變化的磁場，與是否存在導(dǎo)體及是否存在閉合回路無關(guān)。盡管如此，我們要判定感應(yīng)電場的方向還要依據(jù)實際存在的或假定存在的回路結(jié)合楞次定律來進行?！纠}1】(多選)某空間出現(xiàn)了如圖所示的磁場，當磁感應(yīng)強度變化時，在垂直于磁場的方向上會產(chǎn)生感生電場，有關(guān)磁感應(yīng)強度的變化與感生電場的方向關(guān)系描述正確的是()A．當磁感應(yīng)強度均勻增大時，感生電場的電場線從上向下看應(yīng)為順時針方向B．當磁感應(yīng)強度均勻增大時，感生電場的電場線從上向下看應(yīng)為逆時針方向C．當磁感應(yīng)強度均勻減小時，感生電場的電場線從上向下看應(yīng)為順時針方向D．當磁感應(yīng)強度均勻減小時，感生電場的電場線從上向下看應(yīng)為逆時針方向點撥：感生電場的方向與感生電動勢、感應(yīng)電流的方向相同，因此可以用楞次定律分析。解析：感生電場中電場線的方向用楞次定律來判定：原磁場向上且磁感應(yīng)強度在增大，在周圍有閉合導(dǎo)線的情況下，感應(yīng)電流的磁場方向應(yīng)與原磁場方向相反，即感應(yīng)電流的磁場方向向下，再由右手螺旋定則得到感應(yīng)電流的方向是：從上向下看應(yīng)為順時針方向，則感生電場的方向從上向下看也為順時針方向；同理可知，原磁場方向向上且磁感應(yīng)強度減小時，感生電場的方向從上向下看應(yīng)為逆時針方向。所以A、D正確。答案：AD題后反思明確感生電場與感應(yīng)電動勢、感應(yīng)電流的方向關(guān)系，并能利用楞次定律進行分析是解決這類問題的關(guān)鍵。探究二對動生電動勢的理解·問題導(dǎo)引·如圖，導(dǎo)體棒在磁場中做切割磁感線的運動，請思考：(1)導(dǎo)體棒中是否產(chǎn)生感應(yīng)電動勢？哪端電勢高？(2)導(dǎo)體棒中自由電荷是在什么力的作用下移動的？提示：(1)導(dǎo)體棒中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由右手定則可判斷兩端電勢高低；(2)自由電荷是在洛倫茲力的作用下移動的?！っ麕熅v·1．動生電動勢的產(chǎn)生：如圖甲所示，一條直導(dǎo)線CD在勻強磁場B中以速度v向右運動，并且導(dǎo)線CD與B、v的方向互相垂直。由于導(dǎo)體中的自由電子隨導(dǎo)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F的作用下自由電子沿導(dǎo)體向下運動，使導(dǎo)體下端出現(xiàn)過剩的負電荷，導(dǎo)體上端出現(xiàn)過剩的正電荷，結(jié)果是C端的電勢高于D端的電勢，出現(xiàn)由C端指向D端的靜電場，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(dǎo)體兩端正、負電荷的積累，電場強度不斷增強，當作用到自由電子上的靜電力與洛倫茲力互相平衡時，C、D兩端便產(chǎn)生了一個穩(wěn)定的電勢差。如果用另外的導(dǎo)線把C、D兩端連起來，由于C端電勢比D端高，自由電子在靜電力作用下將在導(dǎo)線框中沿順時針方向流動，形成逆時針的感應(yīng)電流。如圖乙所示。電荷的流動使C、D兩端積累的電荷減少，洛倫茲力又不斷地使電子從C端運動到D端，達到動態(tài)平衡，形成一個穩(wěn)定的電動勢。2．感生電動勢與動生電動勢的區(qū)別【例題2】如圖所示，固定于水平桌面上的金屬框架cdef，處在豎直向下的勻強磁場中，金屬棒ab擱在框架上，可無摩擦滑動。此時adeb構(gòu)成一個邊長為l的正方形，棒的電阻為r，其余部分電阻不計。開始時磁感應(yīng)強度為B0。(1)若從t＝0時刻起，磁感應(yīng)強度均勻增加，每秒增加k，同時保持棒ab靜止，求棒中的感應(yīng)電流大小和方向。(2)在上述(1)情況中，始終保持棒ab靜止，當t＝t1秒末時需加的垂直于棒的水平拉力為多大？解析：(1)由題意知：＝k，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得：E＝＝S＝kl2，再根據(jù)歐姆定律得：I＝＝根據(jù)楞次定律判斷，“增反減同”，回路中的電流方向為逆時針方向，或棒上電流從b到a。(2)要保持棒ab靜止，使作用到棒ab上的力平衡，即水平拉力等于棒ab受到的安培力：F＝FA＝BIl＝(B0＋kt)l＝(B0＋kt1)。答案：(1)，棒中電流方向由b到a(2)探究三電磁感應(yīng)中的能量問題·問題導(dǎo)引·如圖是環(huán)保型手電筒的外形。環(huán)保型手電筒不需要任何化學電池作為電源，不會造成由廢電池引起的環(huán)境污染，使用時只需將它搖動一分鐘，手電筒可持續(xù)照明好幾分鐘。手電筒內(nèi)部有一永久磁鐵，外層有一線圈，請你探究分析這種手電筒的工作原理。提示：環(huán)保型手電筒應(yīng)用了電磁感應(yīng)原理，內(nèi)部有磁鐵外部有線圈，搖動時，使磁鐵相對線圈運動，產(chǎn)生感應(yīng)電流，把機械能轉(zhuǎn)化為電能，并有一電容器暫時儲存電能從而維持手電筒照明幾分鐘?！っ麕熅v·1．電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化方式(1)與感生電動勢有關(guān)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，磁場能轉(zhuǎn)化為電能，若電路是純電阻電路，轉(zhuǎn)化過來的電能將全部轉(zhuǎn)化為電阻的內(nèi)能。(2)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。若電路是純電阻電路，轉(zhuǎn)化過來的電能也將全部轉(zhuǎn)化為電阻的內(nèi)能。2．電磁感應(yīng)中的能量問題分析思路(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)體或回路就相當于電源，其余部分相當于外電路。(2)分清有哪些力做功，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。【例題3】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的均勻?qū)w棒。整個滑軌面處在豎直向上的勻強磁場中，磁感應(yīng)強度為B。忽略所有摩擦。(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)體棒從開始運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。點撥：求解此題應(yīng)把握以下兩點：(1)運動過程中v、E、I、F安、F合、a各量不斷變化。(2)整個運動過程中，能量守恒。解析：(1)方法一導(dǎo)體棒受到恒力F后的運動情況，可用簡圖表示如下：當a＝0時，即F＝ILB＝時，速度達到最大值，解得：v＝方法二從能量角度看，當棒穩(wěn)定時P外＝P電，即Fv＝＝，解得：v＝。(2)導(dǎo)體棒受到恒力F后的能量轉(zhuǎn)化情況，可用簡圖表示如下：根據(jù)能量轉(zhuǎn)