2019-2020年高中物理第一章電磁感應(yīng)第45節(jié)楞次定律電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒教學(xué)案教科版選修3.doc

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2019-2020年高中物理第一章電磁感應(yīng)第45節(jié)楞次定律電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒教學(xué)案教科版選修3 一、右手定則 1．內(nèi)容 將右手手掌伸平，使大拇指與其余并攏的四指垂直，并與手掌在同一平面內(nèi)，讓磁感線從手心進(jìn)入，大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，這時(shí)四指所指的方向就是感應(yīng)電流的方向，也就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。 2．適用情景 閉合電路的一部分導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流的方向判斷。 二、楞次定律 1．實(shí)驗(yàn)探究 (1)實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 探究決定感應(yīng)電流方向的因素以及所遵循的規(guī)律。 (2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程 實(shí)驗(yàn)前先查明電流的方向與電流表指針偏轉(zhuǎn)方向的關(guān)系，然后將螺線管與電流表組成閉合回路，分別將條形磁鐵的N極、S極插入、抽出線圈，如圖142所示，記錄感應(yīng)電流方向如下。 圖141 圖142 (3)實(shí)驗(yàn)記錄及分析 ①線圈內(nèi)磁通量增加時(shí)的情況。 圖號(hào) 磁場(chǎng)方向 感應(yīng)電流方向(俯視) 感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向 歸納總結(jié) 甲 向下 逆時(shí)針 向上 感應(yīng)電流的磁場(chǎng)阻礙磁通量的增加 乙 向上 順時(shí)針 向下 ②線圈內(nèi)磁通量減少時(shí)的情況。 圖號(hào) 磁場(chǎng)方向 感應(yīng)電流方向 (俯視) 感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向 歸納總結(jié) 丙 向下 順時(shí)針 向下 感應(yīng)電流的磁場(chǎng)阻礙磁通量的減少　 丁 向上 逆時(shí)針 向上 2．楞次定律 感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。 三、電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒 1．在導(dǎo)線做切割磁感線運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流時(shí)，電路中的電能來(lái)源于機(jī)械能。 2．克服安培力做了多少功，就產(chǎn)生多少電能。 3．電流做功時(shí)又將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。 4．電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，能量在轉(zhuǎn)化過(guò)程中是守恒的。 1．自主思考——判一判 (1)導(dǎo)體棒不垂直切割磁感線時(shí)，也可以用右手定則判斷感應(yīng)電流方向。(√) (2)凡可以用右手定則判斷感應(yīng)電流方向的，均能用楞次定律判斷。(√) (3)右手定則即右手螺旋定則。() (4)由楞次定律知，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)一定與引起感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向相反。() (5)電路不閉合，穿過(guò)回路的磁通量變化時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生“阻礙”作用。() (6)感應(yīng)電流的磁場(chǎng)一定阻礙引起感應(yīng)電流的磁場(chǎng)的磁通量的變化。(√) 2．合作探究——議一議 (1)楞次定律中兩磁場(chǎng)間有什么關(guān)系？ 提示：閉合電路中有兩個(gè)磁場(chǎng)，一是引起感應(yīng)電流的磁場(chǎng)，即原磁場(chǎng)；二是感應(yīng)電流的磁場(chǎng)。當(dāng)引起感應(yīng)電流的磁通量(原磁通量)要增加時(shí)，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)要阻礙它的增加，兩個(gè)磁場(chǎng)方向相反；當(dāng)原磁通量要減少時(shí)，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)阻礙它的減少，兩個(gè)磁場(chǎng)方向相同。 (2)如何選擇楞次定律還是右手定則？ 提示：對(duì)一個(gè)具體的問(wèn)題，能用楞次定律判斷出感應(yīng)電流方向，不要想著也一定能用右手定則判斷出來(lái)。若是導(dǎo)體不動(dòng)，回路中的磁通量變化，能用楞次定律判斷感應(yīng)電流方向，而不能用右手定則判斷；若是回路中的一部分導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，用右手定則判斷較為簡(jiǎn)單，用楞次定律也能進(jìn)行判斷，但較為麻煩。 (3)為什么說(shuō)楞次定律是能量守恒定律在電磁感應(yīng)中的表現(xiàn)？ 提示：感應(yīng)電流的磁場(chǎng)阻礙引起感應(yīng)電流的原磁場(chǎng)的磁通量發(fā)生變化，因此，為了維持原磁場(chǎng)磁通量的變化，就必須有動(dòng)力克服感應(yīng)電流的磁場(chǎng)的阻礙作用而做功，將其他形式的能轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流的電能，所以楞次定律中的阻礙過(guò)程，實(shí)質(zhì)上就是能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程，楞次定律是能量守恒定律在電磁感應(yīng)中的表現(xiàn)。 右手定則的應(yīng)用 [典例]　如圖143，直角三角形金屬框abc放置在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向平行于ab邊向上。當(dāng)金屬框繞ab邊以角速度ω逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，a、b、c三點(diǎn)的電勢(shì)分別為Ua 、Ub、Uc。已知bc邊的長(zhǎng)度為l。下列判斷正確的是(　　) 圖143 A．Ua＞Uc，金屬框中無(wú)電流 B．Ub＞Uc，金屬框中電流方向沿a—b—c—a C．Ubc＝－Bl2ω，金屬框中無(wú)電流 D．Uac＝Bl2ω，金屬框中電流方向沿a—c—b—a [思路點(diǎn)撥] 解答本題時(shí)應(yīng)明確以下三點(diǎn)： (1)右手定則中四指指向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的正極一端。 (2)ac邊的有效切割長(zhǎng)度等于bc邊長(zhǎng)。 (3)電動(dòng)勢(shì)同向串聯(lián)相加，反向串聯(lián)相減。 [解析]　閉合金屬框在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中以角速度ω逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，穿過(guò)金屬框的磁通量始終為零，金屬框中無(wú)電流。由右手定則可知Ub＝Uad。一質(zhì)量為m、邊長(zhǎng)為d的正方形線框由距區(qū)域Ⅰ上邊界某一高度處?kù)o止釋放，在穿過(guò)兩磁場(chǎng)區(qū)域的過(guò)程中，通過(guò)線框的電流及其變化情況相同。重力加速度為g，空氣阻力忽略不計(jì)。則下列說(shuō)法正確的是(　　) 圖8 A．線框進(jìn)入?yún)^(qū)域Ⅰ時(shí)與離開(kāi)區(qū)域Ⅰ時(shí)的電流方向相同 B．線框進(jìn)入?yún)^(qū)域Ⅱ時(shí)與離開(kāi)區(qū)域Ⅱ時(shí)所受安培力的方向相同 C．線框有可能勻速通過(guò)磁場(chǎng)區(qū)域Ⅰ D．線框通過(guò)區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ產(chǎn)生的總熱量為Q＝2mg(d＋h) 解析：選BD　由楞次定律可知，線框進(jìn)入?yún)^(qū)域Ⅰ時(shí)感應(yīng)電流為逆時(shí)針?lè)较颍x開(kāi)區(qū)域Ⅰ時(shí)的電流方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；由楞次定律可知，線框進(jìn)入?yún)^(qū)域Ⅱ時(shí)與離開(kāi)區(qū)域Ⅱ時(shí)所受安培力的方向相同，均向上，選項(xiàng)B正確；因穿過(guò)兩磁場(chǎng)區(qū)域的過(guò)程中，通過(guò)線框的電流及其變化情況相同，則可知線圈進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)域Ⅰ一定是減速運(yùn)動(dòng)，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；線圈離開(kāi)磁場(chǎng)區(qū)域Ⅰ的速度應(yīng)等于離開(kāi)磁場(chǎng)區(qū)域Ⅱ的速度，則在此過(guò)程中，線圈的機(jī)械能的減小量等于線圈通過(guò)磁場(chǎng)區(qū)域Ⅱ產(chǎn)生的電能，即Q2＝mg(d＋h)，則線框通過(guò)區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ產(chǎn)生的總熱量為Q＝2Q2＝2mg(d＋h)，選項(xiàng)D正確；故選B、D。 10. (多選)如圖9所示，電阻不計(jì)、相距L的兩條足夠長(zhǎng)的平行金屬導(dǎo)軌傾斜放置，與水平面的夾角為θ，整個(gè)空間存在垂直于導(dǎo)軌平面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，導(dǎo)軌上固定有質(zhì)量為m，電阻為R的兩根相同的導(dǎo)體棒，導(dǎo)體棒MN上方軌道粗糙下方光滑，將兩根導(dǎo)體棒同時(shí)釋放后，觀察到導(dǎo)體棒MN下滑而EF始終保持靜止，當(dāng)MN下滑的距離為s時(shí)，速度恰好達(dá)到最大值vm，則下列敘述正確的是(　　) 圖9 A．導(dǎo)體棒MN的最大速度vm＝ B．此時(shí)導(dǎo)體棒EF與軌道之間的靜摩擦力為mgsin θ C．當(dāng)導(dǎo)體棒MN從靜止開(kāi)始下滑s的過(guò)程中，通過(guò)其橫截面的電荷量為 D．當(dāng)導(dǎo)體棒MN從靜止開(kāi)始下滑s的過(guò)程中，導(dǎo)體棒MN中產(chǎn)生的熱量為mgssin θ－mvm2 解析：選AC　當(dāng)MN下滑到最大速度時(shí)滿足：mgsin θ＝，解得vm＝，選項(xiàng)A正確；此時(shí)導(dǎo)體棒滿足mgsin θ＋F安＝f靜，故此時(shí)導(dǎo)體棒EF與軌道之間的靜摩擦力大于mgsin θ，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；當(dāng)導(dǎo)體棒MN從靜止開(kāi)始下滑s的過(guò)程中，通過(guò)其橫截面的電荷量為q＝＝，選項(xiàng)C正確；當(dāng)導(dǎo)體棒MN從靜止開(kāi)始下滑s的過(guò)程中，兩個(gè)導(dǎo)體棒中產(chǎn)生的總熱量為mgssin θ－mvm2，則MN中產(chǎn)生的熱量是(mgssin θ－mvm2)，選項(xiàng)D錯(cuò)誤；故選A、C。 11．如圖10所示，兩平行金屬導(dǎo)軌位于同一水平面上，相距l(xiāng)，左端與一電阻R相連，整個(gè)系統(tǒng)置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向豎直向下。一質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒置于導(dǎo)軌上，在水平外力作用下沿導(dǎo)軌以速度v勻速向右滑動(dòng)，滑動(dòng)過(guò)程中始終保持與導(dǎo)軌垂直并接觸良好。已知導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，重力加速度大小為g。導(dǎo)軌和導(dǎo)體棒的電阻均可忽略。求： 圖10 (1)電阻R消耗的功率； (2)水平外力的大小。 解析：(1)導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為E＝Blv，根據(jù)歐姆定律，閉合回路中的感應(yīng)電流為I＝，電阻R消耗的功率為P＝I2R，聯(lián)立可得P＝。 (2)對(duì)導(dǎo)體棒受力分析，受到向左的安培力和向左的摩擦力，向右的外力，三力平衡，故有F安＋μmg＝F，F(xiàn)安＝BIl＝Bl，故F＝＋μmg。 答案：(1)　(2)＋μmg 12.如圖11所示，“凸”字形硬質(zhì)金屬線框質(zhì)量為m，相鄰各邊互相垂直，且處于同一豎直平面內(nèi)，ab邊長(zhǎng)為l，cd邊長(zhǎng)為2l，ab與cd平行，間距為2l。勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域的上下邊界均水平，磁場(chǎng)方向垂直于線框所在平面。開(kāi)始時(shí)，cd邊到磁場(chǎng)上邊界的距離為2l，線框由靜止釋放，從cd邊進(jìn)入磁場(chǎng)直到ef、pq邊進(jìn)入磁場(chǎng)前，線框做勻速運(yùn)動(dòng)，在ef、pq邊離開(kāi)磁場(chǎng)后，ab邊離開(kāi)磁場(chǎng)之前，線框又做勻速運(yùn)動(dòng)。線框完全穿過(guò)磁場(chǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量為Q。線框在下落過(guò)程中始終處于原豎直平面內(nèi)，且ab、cd邊保持水平，重力加速度為g。求 圖11 (1)線框ab邊將離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)做勻速運(yùn)動(dòng)的速度大小是cd邊剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的幾倍； (2)磁場(chǎng)上下邊界間的距離H。 解析：(1)設(shè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，cd邊剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，線框做勻速運(yùn)動(dòng)的速度為v1，cd邊上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E1，由法拉第電磁感應(yīng)定律，有 E1＝2Blv1① 設(shè)線框總電阻為R，此時(shí)線框中電流為I1，由閉合電路歐姆定律，有 I1＝② 設(shè)此時(shí)線框所受安培力為F1，有 F1＝2I1lB③ 由于線框做勻速運(yùn)動(dòng)，其受力平衡，有 mg＝F1④ 由①②③④式得 v1＝⑤ 設(shè)ab邊離開(kāi)磁場(chǎng)之前線框做勻速運(yùn)動(dòng)的速度為v2，同理可得 v2＝⑥ 由⑤⑥式得 v2＝4v1。⑦ (2)線框自釋放直到cd邊進(jìn)入磁場(chǎng)前，由機(jī)械能守恒定律，有 2mgl＝mv12⑧ 線框完全穿過(guò)磁場(chǎng)的過(guò)程中，由能量守恒定律，有 mg(2l＋H)＝mv22－mv12＋Q⑨ 由⑦⑧⑨式得 H＝＋28l。⑩ 答案：(1)4倍　(2)＋28l