高中物理选修32电磁感应教案 2.docx
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高中物理选修32电磁感应教案2
高中物理选修(3—2)教案
只要穿过闭合电路的磁通量变化,闭合电路中就有感应电流产生。
关于磁通量的计算
【例1】如图所示,在磁感应强度为B的匀强磁场中有一面积为S的矩形线圈abcd,垂直于磁场方向放置,现使线圈以ab边为轴转180°,求此过程磁通量的变化?
错解:
初态
,末态
,故
。
错解分析:
错解中忽略了磁通量的正、负。
正确解法:
初态中
,末态
,故
(二)、磁通量的变化率
1、磁通量、磁通量的变化量、磁通量的变化率三者的联系和区别
设时刻t1时穿过闭合电路的磁通量为Φ1,设时刻t2时穿过闭合电路的磁通量为Φ2,则在时间△t=t2-t1内磁通量的变化量为 △Φ=Φ2-Φ1,磁通量的变化率△Φ/△t
(三)、法拉第电磁感应定律:
电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比.即E=k△Φ/△t(k为比例系数)
在国际制单位中:
E的单位是伏特(V),Φ的单位是韦伯(Wb),t的单位是秒(s)
1、公式:
E=△Φ/△t(适合于任何情况)
n个线圈时,看成串联,则E=n△Φ/△t
注:
①单位要用国际制单位
(四)、导体切割磁感线时的感应电动势:
公式:
E==BLV(适用于匀强磁场,B⊥v)
(判断:
由于感应电流的磁场要阻碍磁通量的增加,因此感应电流的磁场方向跟原来的磁场方向相反)
1、感应电场与感生电动势
磁场的变化而激发的电场叫感生电场。
感生电场对自由电荷的作用力充当了非静电力。
由感生电场产生的感应电动势,叫做感生电动势。
2、洛伦兹力与动生电动势
一段导体切割磁感线运动时相当于一个电源,这时非静电力与洛伦兹力有关。
由于导体运动而产生的电动势叫动生电动势。
【例3】如图所示,两根相距为L的竖直平行金属导轨位于磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中,导轨电阻不计,另外两根与上述光滑导轨保持良好接触的金属杆ab、cd质量均为m,电阻均为R,若要使cd静止不动,则ab杆应向_________运动,速度大小为_______,作用于ab杆上的外力大小为____________
当一个线圈中电流变化,在另一个线圈中产生感应电动势的现象,称为互感。
互感现象产生的感应电动势,称为互感电动势。
2、自感现象
导体本身电流发生变化而产生的电磁感应现象叫自感现象。
自感现象中产生的电动势叫自感电动势。
E=L
L叫自感系数呢,自感系数是用来表示线圈的自感特性的物理量。
实验表明,线圈越大,越粗,匝数越多,自感系数越大。
另外,带有铁芯的线圈的自感系数比没有铁芯时大得多。
自感系数的单位:
亨利,符号H,更小的单位有毫亨(mH)、微亨(μH)
1H=103mH1H=106μH
自感现象的分析与判断
【例1】如图所示,电路甲、乙中,电阻R和自感线圈L的电阻值都很小,接通S,使电路达到稳定,灯泡D发光。
则()
A.在电路甲中,断开S,D将逐渐变暗
B.在电路甲中,断开S,D将先变得更亮,然后渐渐变暗
C.在电路乙中,断开S,D将渐渐变暗
D.在电路乙中,断开S,D将变得更亮,然后渐渐变暗
【例2】如图所示,自感线圈的自感系数很大,电阻为零。
电键K原来是合上的,在K断开后,分析:
(1)若R1>R2,灯泡的亮度怎样变化?
(2)若R1<R2,灯泡的亮度怎样变化?
巩固练习
1.下列关于自感现象的说法中,正确的是()
A.自感现象是由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象
B.线圈中自感电动势的方向总与引起自感的原电流的方向相反
C.线圈中自感电动势的大小与穿过线圈的磁通量变化的快慢有关
D.加铁芯后线圈的自感系数比没有铁芯时要大
2.关于线圈的自感系数,下面说法正确的是()
A.线圈的自感系数越大,自感电动势一定越大
B.线圈中电流等于零时,自感系数也等于零
C.线圈中电流变化越快,自感系数越大
D.线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁芯决定
3.磁通量的单位是_____,磁感强度的单位是_____,自感系数的单位是_____。
4.如图所示,L为一个自感系数大的自感线圈,开关闭合后,小灯能正常发光,那么闭合开关和断开开关的瞬间,能观察到的现象分别是()
A.小灯逐渐变亮,小灯立即熄灭
B.小灯立即亮,小灯立即熄灭
C.小灯逐渐变亮,小灯比原来更亮一下再慢慢熄灭
D.小灯立即亮,小灯比原来更亮一下再慢慢熄灭
5.如图所示是一演示实验的电路图。
图中L是一带铁芯的线圈,A是一灯泡。
起初,开关处于闭合状态,电路是接通的。
现将开关断开,则在开关断开的瞬间,通过灯泡A的电流方向是从_____端经灯泡到_____端.这个实验是用来演示_____现象的。
6.如图所示的电路中,灯泡A1、A2的规格完全相同,自感线圈L的电阻可以忽略,下列说法中正确的是()
A.当接通电路时,A2先亮,A1后亮,最后A2比A1亮
B.当接通电路时,A1和A2始终一样亮
C.当断开电路时,A1和A2都过一会儿熄灭
D.当断开电路时,A2立即熄灭,A1过一会儿熄灭
7.如图所示电路中,A1、A2是两只相同的电流表,电感线圈L的直流电阻与电阻R阻值相等.下面判断正确的是()
A.开关S接通的瞬间,电流表A1的读数大于A2的读数
B.开关S接通的瞬间,电流表A1的读数小于A2的读数
C.开关S接通电路稳定后再断开的瞬间,电流表A1的读数大于A2的读数
D.开关S接通电路稳定后再断开的瞬间,电流表A1数等于A2的读数
8.如图所示,L是电感足够大的线圈,其直流电阻可忽略不计,D1和D2是两个相同的灯泡,若将电键S闭合,等灯泡亮度稳定后,再断开电键S,则()
A.电键S闭合时,灯泡D1、D2同时亮,然后D1会变暗直到不亮,D2更亮
B.电键S闭合时,灯泡D1很亮,D2逐渐变亮,最后一样亮
C.电键S断开时,灯泡D2随之熄灭,而D1会亮一下后才熄灭
D.电键S断开时,灯泡D1随之熄灭,而D2会更亮后一下才熄灭
1.如图所示,一块长方形光滑铝板水平放在桌面上,铝板右端拼接一根与铝板等厚的条形磁铁,一质量分布均匀的闭合铝环以初速度v从板的左端沿中线向右端滚动,则()
A.铝环的滚动速度将越来越小
B.铝环将保持匀速滚动
C.铝环的运动将逐渐偏向条形磁铁的N极或S极
D.铝环的运动速率会改变,但运动方向将不会发生改变
2.如图所示,闭合金属环从曲面上h高处滚下,又沿曲面的另一侧上升,设环的初速为零,摩擦不计,曲面处在图示磁场中,则()
A.若是匀强磁场,环滚上的高度小于h
B.若是匀强磁场,环滚上的高度等于h
C.若是非匀强磁场,环滚上的高度等于h
D.若是非匀强磁场,环滚上的高度小于h
3.如图所示,在光滑水平面上固定一条形磁铁,有一小球以一定的初速度向磁铁方向运动,如果发现小球做减速运动,则小球的材料可能是()
A.铁B.木
C.铜D.铝
4.如图所示,圆形金属环竖直固定穿套在光滑水平导轨上,条形磁铁沿导轨以初速度v0向圆环运动,其轴线在圆环圆心,与环面垂直,则磁铁在穿过环过程中,做______运动.(选填“加速”、“匀速”或“减速”)
5.如图所示,在O点正下方有一个具有理想边界的磁场,铜环在A点由静止释放向右摆至最高点B.不考虑空气阻力,则下列说法正确的是()
A.A、B两点在同一水平线
B.A点高于B点
C.A点低于B点
D.铜环将做等幅摆动
例1、图1中PQRS为一正方形导线框,它以恒定速度向右进入以MN为边的匀强磁场,磁场方向垂直线框平面,MN线与线框的边成45°角。
E、F分别为PS和PQ的中点。
关于线框中的感应电流,正确的说法是()
A、当E点经过边界MN时,线框中感应电流最大。
B、当P点经过边界MN时,线框中感应电流最大。
C、当F点经过边界MN时,线框中感应电流最大
D、当Q点经过边界MN时,线框中感应电流最大
例2、如图2所示,两水平平行金属导轨间接有电阻R,置于匀强磁场中,导轨上垂直搁置两根金属棒ab、cd。
当用外力F拉动ab棒向右运动的过程中,cd棒将会()
A、向右运动
B、向左运动
C、保持静止
D、向上跳起
例3、如图3所示,小灯泡的规格为“2V、4W”,接在光滑水平导轨上,轨距0.1m,电阻不计,金属棒ab垂直搁置在导轨上,电阻1Ω,整个装置处于磁感强度B=1T的匀强磁场中,求:
(1)为使小灯正常发光,ab的滑行速度多大?
(2)拉动金属棒ab的外力功率多大?
作业
一、选择题:
1、如图1所示,当变阻器滑片向右移动时,用细线吊着的金属环将()
A、向左运动
B、向右运动
C、不动
图2
图1
D、无法判断
2、如图2所示,Q是用毛皮摩擦过的橡校圆棒,由于它的转动,使得金属环P中产生了如图所示的电流,那么Q棒的转动情况是()
A、顺时针加速运动B、逆时针加速转动
C、顺时针匀速转动D、逆时针减速转动
3、一个线圈中电流强度均匀增大,则这个线圈的()
A、自感系数也将均匀增大B、磁通量也将均匀增大
C、自感系数、自感电动势都均匀增大
D、自感系数、自感电动势、磁通量都不变
4、如图3所示,匀强磁场中有一线框abcdef匀速拉出磁场,其ab、cd、ef的电阻均为r,其它电阻不计,ab拉出磁场后,流过ab的电流强度为I,则()
A、流过ab棒的电流强度大小始终不变
B、ef棒中感应电流所受安培力大小始终不变
图3
C、作用在金属框上外力的功率始终不变
D、穿过金属框磁通量的变化由大变小
5、如图4所示,将一个正方形多匝线圈从磁场中匀速拉出的过程中,关于拉力的功率说法中错误的是()
A、与线圈匝数成正比
图4
B、与线圈边长成正比
C、与导线的截面积成正比
D、与导线的电阻率成正比
6、如图5所示,光滑导轨水平放置,匀强磁场竖直向上,金属棒ab、cd质量相等,开始给ab一个冲量,使它具有向右初速v,经过较长一段时间后,金属棒cd的速度()
A、向右,等于v
B、向左,等于v
C、向右,等于v/2
D、静止不动
7、如图6所示,半径不同的两金属圈环ab、AB都不封口,用导线分别连接Aa、Bb组成闭合回路,当图中磁场逐渐增加时,回路中感应电流的方向是()
图6
A、abBAa
B、ABbaA
C、内环b→a,外环B→A
D、无感应生电流
8、如图7所示,闭合铜框两侧均有电阻R,铜环与框相切并可沿框架无摩擦活动,匀强磁场垂直框架向里,当圆环在水平恒力作用下右移时,则()
A、铜环内无感应电流
B、铜环内有顺时针方向电流
C、铜环内有逆时针方向电流
图7
D、以上说法均不正确
图8
9、如图8所示,在匀强磁场中放有平行铜导轨,它和小线圈C相连接,要使大线圈A获得顺时针方向感应电流,则放在导轨上金属棒MN的运动情况可能是()
A、向右匀速B、向左加速
C、向左减速D、向右加速
E、向右减速
10、如图9所示,闭合金属环从高h的曲面左侧自由滚下,又滚上曲面的右侧,环平面与运动方向均垂直于非匀强磁场,摩擦不计,则()
A、环滚上的高度小于h
B、环滚上的高度等于h
图9
C、运动过程中环内无感应电流
D、运动过程中安培力对环一定做负功
11、如图10所示,圆形线圈的一半位于匀强磁场中,当线圈由图示位置开始运动时,弧acb受到向右的磁场力,则线圈的运动可能是()
A、向左平动
B、向右平动(线圈未全部进入磁场)
C、以直径ab为轴转动(不超过90°)
图11
图10
D、以直径cd为轴转动(不超过90°)
12、如图11所示,ab、cd金属棒均处于匀强磁场中,当导体棒ab向右运动时,则cd棒()
A、必向右运动
B、可能向左运动
C、可能不动
D、其运动方向与ab棒运动方向和运动性质有关
三、计算题:
21、如图18所示,水平平行放置的两根长直光滑导电轨道MN与PQ上放有一根直导线ab,ab和导轨垂直,轨宽20cm,ab电阻为0.02Ω,导轨处于竖直向下的磁场中,B=0.2T,电阻R=0.03Ω,其它线路电阻不计,ab质量为0.1kg。
(1)打开电键S,ab从静止开始在水平恒力F=0.1N作用下沿轨道滑动,求出ab中电动势随时间变化的表达式,并说明哪端电势高?
(2)当ab速度为10m/s时闭合S,为了维持ab仍以10m/s速度匀速滑动,水平拉力应变为多大?
此时ab间电压为多少?
(3)在ab以10m/s速度匀速滑动的某时刻撤去外力,S仍闭合,那么此时开始直至最终,R上产生多少热量?
图18
22、如图19所示,MN为相距L1的光滑平行金属导轨,ab为电阻等于R1的金属棒,且可紧贴平行导轨运动,相距为L2的水平放置的金属板A、C与导轨相连,两导轨左端接一阻值为R2的电阻,导轨电阻忽略不计,整个装置处于方向垂直纸面向里的匀强磁场中,当ab以速率v向右匀速运动时,一带电微粒也能以速率v在A、C两平行板间做半径为R的匀速圆周运动。
求
(1)微粒带何种荷?
沿什么方向运动?
(2)金属棒ab运动的速度v多大?
图19
23、如图20所示,AB、CD是两根足够长的固定金属导轨,两导轨间的距离为L,导轨平面与水平面的夹角是θ。
在整个导轨平面内都有垂直导轨平面的斜向上方的匀强磁场,磁感强度为B。
在导轨的AC端连接一个阻值为R的电阻,一根垂直于导轨放置的金属棒ab,质量为m,从静止开始沿导轨下滑,求ab的最大速度。
要求画出ab棒的受力图。
已知ab与导轨间的动摩擦因数μ,导轨和金属棒的电阻都不计。
图20
24、如图21所示,不计电阻的水平平行金属导轨间距L=1.0m,电阻R=0.9Ω,电池(内阻不计)ε=1.5V,匀强磁场方向垂直导轨平面,一根质量m=100g,电阻R′=0.1Ω的金属棒ab正交地跨接于两导轨上并可沿导轨无摩擦地滑动。
在F=1.25N的外力向右拉动ab棒的过程中,当开关S倒向A接触点时,金属棒达到某最大速度vmax,若接着将开关S倒向C触点,则此刻金属棒的加速度为7.5m/s2。
(1)求磁感强度B和S接A后棒的最大速度vmax的值。
(2)通过计算,讨论金属棒以最大速度运动过程中能量转化与守恒的问题。
图21
能力提升
1.如图,水平桌面上固定有一半径为R的金属细圆环,环面水平,圆环每单位长度的电阻为r,空间有一匀强磁场,磁感应强度大小为B,方向竖直向下;一长度为2R、电阻可忽略的导体棒置于圆环左侧并与环相切,切点为棒的中点。
棒在拉力的作用下以恒定加速度a从静止开始向右运动,运动过程中棒与圆环接触良好。
下列说法正确的是
A.拉力的大小在运动过程中保持不变
B.棒通过整个圆环所用的时间为
C.棒经过环心时流过棒的电流为
D.棒经过环心时所受安培力的大小为
2.如图所示,质量为m的铜棒搭在U形导线框右端,棒长和框宽均为L,磁感应强度为B的匀强磁场方向竖直向下。
电键闭合后,在磁场力作用下铜棒被平抛出去,下落h后落在水平面上,水平位移为s。
求闭合电键后通过铜棒的电荷量Q。
5、斜角为θ=30°的光滑导体滑轨A和B,上端接入一电动势E=3V、内阻不计的电源,滑轨间距为L=10厘米,将一个质量为m=30g,电阻R=0.5Ω的金属棒水平放置在滑轨上,若滑轨周围存在着垂直于滑轨平面的匀强磁场,当闭合开关S后,金属棒刚好静止在滑轨上,如图6,求滑轨周围空间的磁场方向和磁感应强度的大小是多少?
3.(20分)一个质量m=0.1kg的正方形金属框总电阻R=0.5Ω,金属框放在表面绝缘的斜面AA′BB′的顶端(金属框上边与AA′重合),自静止开始沿斜面下滑,下滑过程中穿过一段边界与斜面底边BB′平行、宽度为d的匀强磁场后滑至斜面底端(金属框下边与BB′重合),设金属框在下滑过程中的速度为
,与此对应的位移为s,那么v2—s图象如图所示,已知匀强磁场方向垂直斜面向上,斜面倾斜角θ=53°,取g=10m/s2,sin53°=0.8;
cos53°=0.6。
(1)根据v2一s图象所提供的信息求出金属框与斜面间的动摩擦因数μ
(2)计算出金属框从斜面顶端滑至底端所需的时间
(3)求匀强磁场的磁感强度B的大小
(4)现用平行斜面沿斜面向上的恒力F作用在金属框上,使金属框从斜面底端BB′(金属框下边与BB′重合)由静止开始沿斜面向上运动,匀速通过磁场区域后到达斜面顶端(金属框上边与AA′重合)。
试计算恒力F做功的最小值。
答案:
向上
2mg
正确选项为AD
(1)因R1>R2,即I1<I2,所以小灯泡在K断开后先突然变到某一较暗状态,再逐渐变暗到最后熄灭。
(2)因R1<R2,即I1>I2,小灯泡在K断开后电流从原来的I2突变到I1(方向相反),然后再渐渐变小,最后为零,所以灯泡在K断开后先变得比原来更亮,再逐渐变暗到熄灭。
参考答案:
1.ACD2.D3.WbTH4.A5.b、a、自感(或断电自感)6.C7.BD8.AC
BBDCD减速BBA
【参考答案】
一、1、B2、B3、B4、C5、D6、C7、A
8、D9、CD10、AD11、ACD12、BCD
三、计算题
21、
(1)E=0.04t(v)a端电势高
(2)F=0.32Nu=0.24v
(3)Q=5J
22、
(1)负电荷,沿顺时针方向运动
(2)
23、
24、
(1)2m/s
(2)PF+P电源=
3.(20分)解:
(1)由
做匀加速运动;(1分)
(1分)
所以
(1分)
线框加速下滑时,由牛顿第二定律得
(1分)
得 μ=0.5(1分)
(2)由图像可知
做匀速运动;(1分)
初速
末速
做匀加速运动。
(1分)
线框做匀加速,匀速,再匀加速对应时间分别为
(1分)
(1分)
(1分)
(1分)
(3)线框通过磁场时,线框作匀速运动,线框受力平衡
(2分)
线框的宽度
得
(1分)
(4)设恒力作用时金属框上边进入磁场速度为
(2分)
(2分)
解得
(1分)
由于
所以力F做功的最小值为
(1分)