2018版高中物理 第2章 楞次定律和自感現(xiàn)象章末整合提升學(xué)案 魯科版選修3-2.docx
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第2章 楞次定律和自感現(xiàn)象 楞次定律和自感現(xiàn)象 一、對楞次定律的理解和應(yīng)用 1.感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化.感應(yīng)電流的磁場方向不一定與原磁場方向相反,只在磁通量增加時兩者才相反,而在磁通量減少時兩者同向,即“增反減同”. 2.“阻礙”并不是“阻止”,而是“延緩”,回路中的磁通量變化的趨勢不變,只不過變化得慢了. 3.“阻礙”的表現(xiàn):增反減同、來拒去留、增縮減擴、增離減靠. 例1 圓形導(dǎo)體線圈a平放在水平桌面上,在a的正上方固定一豎直螺線管b,二者軸線重合,螺線管與電源和滑動變阻器連接成如圖1所示的電路.若將滑動變阻器的滑片P向下滑動,下列表述正確的是( ) 圖1 A.線圈a中將產(chǎn)生俯視順時針方向的感應(yīng)電流 B.穿過線圈a的磁通量變小 C.線圈a有擴張的趨勢 D.線圈a對水平桌面的壓力將增大 答案 D 解析 通過螺線管b的電流如圖所示,根據(jù)右手螺旋定則判斷出螺線管b所產(chǎn)生的磁場方向豎直向下,滑片P向下滑動,接入電路的電阻減小,電流增大,所產(chǎn)生的磁場的磁感應(yīng)強度增強,根據(jù)楞次定律可知,a線圈中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向豎直向上,再由右手螺旋定則可得線圈a中的電流方向為俯視逆時針方向,A錯誤; 由于螺線管b中的電流增大,所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度增強,線圈a中的磁通量應(yīng)變大,B錯誤;根據(jù)楞次定律可知,線圈a將阻礙磁通量的增大,因此,線圈a有縮小的趨勢,線圈a對水平桌面的壓力增大,C錯誤,D正確. 二、電磁感應(yīng)中的圖象問題 1.電磁感應(yīng)中的圖象問題有兩種:一是給出電磁感應(yīng)過程,選出或畫出正確圖象;二是由給定的有關(guān)圖象分析電磁感應(yīng)過程,求解相應(yīng)物理量. 2.基本思路: (1)利用法拉第電磁感應(yīng)定律或切割公式計算感應(yīng)電動勢大??; (2)利用楞次定律或右手定則判定感應(yīng)電流的方向; (3)寫出相關(guān)的函數(shù)關(guān)系式分析或畫出圖象. 例2 (2016云南第一次檢測)如圖2甲所示,線圈ABCD固定于勻強磁場中,磁場方向垂直紙面向外,當磁場變化時,線圈AB邊所受安培力向右且變化規(guī)律如圖乙所示,則磁場的變化情況可能是選項中的( ) 圖2 答案 D 解析 由安培力向右知電流方向為順時針,由楞次定律知磁場增強,C錯;由乙圖知安培力不變,根據(jù)F=BIL知,B增大,I必減小,即電動勢減小,故B的變化率減小,因此A、B錯,D正確. 三、電磁感應(yīng)中的電路問題 1.首先要明確電源,分清內(nèi)、外電路. 磁場中磁通量變化的線圈或切割磁感線的導(dǎo)體相當于電源,該部分導(dǎo)體的電阻相當于內(nèi)電阻;而其余部分的電路則是外電路. 2.路端電壓、感應(yīng)電動勢和某段導(dǎo)體兩端的電壓三者的區(qū)別: (1)某段導(dǎo)體不作為電源時,它兩端的電壓等于電流與其電阻的乘積; (2)某段導(dǎo)體作為電源時,它兩端的電壓就是路端電壓,U外=IR外或U外=E-Ir; (3)某段導(dǎo)體作為電源,電路斷路時導(dǎo)體兩端的電壓等于感應(yīng)電動勢. 例3 如圖3甲所示,在水平面上固定有長為L=2 m、寬為d=1 m的金屬U形導(dǎo)軌,在U形導(dǎo)軌右側(cè)l=0.5 m范圍內(nèi)存在垂直于紙面向里的勻強磁場,且磁感應(yīng)強度隨時間的變化規(guī)律如圖乙所示.在t=0時刻,質(zhì)量為m=0.1 kg的導(dǎo)體棒以v0=1 m/s的初速度從導(dǎo)軌的左端開始向右運動,導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌之間的動摩擦因數(shù)為μ=0.1,導(dǎo)軌與導(dǎo)體棒單位長度的電阻均為λ=0.1 Ω/m,不計導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌之間的接觸電阻及地球磁場的影響(取g=10 m/s2). 圖3 (1)通過計算分析4 s內(nèi)導(dǎo)體棒的運動情況; (2)計算4 s內(nèi)回路中電流的大小,并判斷電流方向; (3)計算4 s內(nèi)回路產(chǎn)生的焦耳熱. 答案 (1)導(dǎo)體棒在第1 s內(nèi)做勻減速運動,在1 s后一直保持靜止(2)0~2 s內(nèi)I=0,2~4 s內(nèi)I=0.2 A,電流方向是順時針方向(3)0.04 J 解析 (1)導(dǎo)體棒先在無磁場區(qū)域做勻減速運動,有-μmg=ma,vt=v0+at,x=v0t+at2, 導(dǎo)體棒速度減為零時,vt=0, 代入數(shù)據(jù)解得:t=1 s,x=0.5 m,導(dǎo)體棒沒有進入磁場區(qū)域. 導(dǎo)體棒在1 s末已經(jīng)停止運動,以后一直保持靜止. (2)前2 s磁通量不變,回路電動勢和電流分別為E=0,I=0,后2 s回路產(chǎn)生的電動勢為E==ld=0.1 V, 回路的總長度為5 m,因此回路的總電阻為R=5λ=0.5 Ω, 電流為I==0.2 A, 根據(jù)楞次定律,在回路中的電流方向是順時針方向. (3)前2 s電流為零,后2 s有恒定電流,電熱Q=I2Rt′=0.04 J. 四、電磁感應(yīng)中的動力學(xué)問題 解決此類問題的一般思路是:先由法拉第電磁感應(yīng)定律求感應(yīng)電動勢,然后根據(jù)閉合電路歐姆定律求感應(yīng)電流,再求出安培力,再后依照力學(xué)問題的處理方法進行,如進行受力情況分析、運動情況分析.流程為:導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢→感應(yīng)電流→電流受到安培力→合外力變化→加速度變化→速度變化→感應(yīng)電動勢變化.周而復(fù)始循環(huán),最終加速度等于零,導(dǎo)體達到穩(wěn)定運動狀態(tài). 例4 U形金屬導(dǎo)軌abcd原來靜止放在光滑絕緣的水平桌面上,范圍足夠大、方向豎直向上的勻強磁場穿過導(dǎo)軌平面,一根與bc等長的金屬棒PQ平行bc放在導(dǎo)軌上,棒左邊靠著絕緣的固定豎直立柱e、f.已知磁感應(yīng)強度B=0.8T,導(dǎo)軌質(zhì)量M=2kg.其中bc段長0.5m,bc段電阻R=0.4Ω,其余部分電阻不計;金屬棒PQ質(zhì)量m=0.6kg、電阻r=0.2Ω、與導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)μ=0.2.若向?qū)к壥┘臃较蛳蜃?、大小為F=2N的水平拉力,如圖4所示.求導(dǎo)軌的最大加速度、最大電流和最大速度(設(shè)導(dǎo)軌足夠長,g取10m/s2). 圖4 答案 0.4m/s2 2 A 3 m/s 解析 導(dǎo)軌受到PQ棒水平向右的摩擦力f=μmg,根據(jù)牛頓第二定律并整理得F-μmg-F安=Ma,剛拉動導(dǎo)軌時,I感=0,安培力為零,導(dǎo)軌有最大加速度 am==m/s2=0.4 m/s2. 隨著導(dǎo)軌速度的增大,感應(yīng)電流增大,加速度減小,當a=0時,速度最大.設(shè)速度最大值為vm,電流最大值為Im,此時導(dǎo)軌受到向右的安培力F安=BImL F-μmg-BImL=0 Im= 代入數(shù)據(jù)得Im=A=2A I= Im= 解得vm==m/s=3 m/s. 五、電磁感應(yīng)中的能量問題 1.過程分析 (1)電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生感應(yīng)電流的過程,實質(zhì)上是能量的轉(zhuǎn)化過程. (2)電磁感應(yīng)過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電流在磁場中必定受到安培力的作用,因此,要維持感應(yīng)電流的存在,必須有“外力”克服安培力做功.此過程中,其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能.“外力”克服安培力做了多少功,就有多少其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能. 2.求解思路 (1)若回路中電流恒定,可以利用電路結(jié)構(gòu)及W=UIt或Q=I2Rt直接進行計算. (2)若電流變化,則:①利用克服安培力做的功求解:電磁感應(yīng)中產(chǎn)生的電能等于克服安培力所做的功;②利用能量守恒求解:若只有電能與機械能的轉(zhuǎn)化,則機械能的減少量等于產(chǎn)生的電能. 例5 如圖5所示,兩根足夠長的平行金屬導(dǎo)軌固定在傾角θ=30的斜面上,導(dǎo)軌電阻不計,間距L=0.4 m.導(dǎo)軌所在空間被分成區(qū)域Ⅰ和Ⅱ,兩區(qū)域的邊界與斜面的交線為MN,Ⅰ中的勻強磁場方向垂直斜面向下,Ⅱ中的勻強磁場方向垂直斜面向上,兩磁場的磁感應(yīng)強度大小均為B=0.5 T.在區(qū)域Ⅰ中,將質(zhì)量m1=0.1 kg,電阻R1=0.1 Ω 的金屬條ab放在導(dǎo)軌上,ab剛好不下滑.然后,在區(qū)域Ⅱ中將質(zhì)量m2=0.4 kg,電阻R2=0.1 Ω的光滑導(dǎo)體棒cd置于導(dǎo)軌上,由靜止開始下滑.cd在滑動過程中始終處于區(qū)域Ⅱ的磁場中,ab、cd始終與導(dǎo)軌垂直且兩端與導(dǎo)軌保持良好接觸,取g=10 m/s2,問: 圖5 (1)cd下滑的過程中,ab中的電流方向; (2)ab剛要向上滑動時,cd的速度v多大; (3)從cd開始下滑到ab剛要向上滑動的過程中,cd滑動的距離x=3.8 m,此過程中ab上產(chǎn)生的熱量Q是多少. 答案 (1)由a流向b (2)5 m/s (3)1.3 J 解析 (1)根據(jù)右手定則判知cd中電流方向由d流向c,故ab中電流方向由a流向b. (2)開始放置ab剛好不下滑時,ab所受摩擦力為最大摩擦力,設(shè)其為Fmax,有Fmax=m1gsin θ① 設(shè)ab剛好要上滑時,cd棒的感應(yīng)電動勢為E,由法拉第電磁感應(yīng)定律有 E=BLv② 設(shè)電路中的感應(yīng)電流為I,由閉合電路歐姆定律有 I=③ 設(shè)ab所受安培力為F安,有 F安=BIL④ 此時ab受到的最大摩擦力方向沿斜面向下,由平衡條件有 F安=m1gsin θ+Fmax⑤ 聯(lián)立①②③④⑤式,代入數(shù)據(jù)解得: v=5 m/s⑥ (3)設(shè)cd棒的運動過程中電路中產(chǎn)生的總熱量為Q總,由能量守恒定律有 m2gxsin θ=Q總+m2v2⑦ 由串聯(lián)電路規(guī)律有 Q=Q總⑧ 聯(lián)立解得:Q=1.3 J⑨- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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