第九章第四节电磁感应中的动力学和能量问题
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第九章
电磁感应
若从释放弹簧时开始计时(不考虑弹簧弹开两棒的时间, 即瞬 间就弹开两棒), 在 ab 棒进入磁场边界的瞬间, 加一外力 F(大 小和方向都可以变化),使之始终做加速度 a=0.5 m/s2 的匀 减速直线运动,求:
(1)ab 棒刚进入磁场时的外力 F 的大小与方向; (2)若 ab 棒速度为零时磁感应强度不再发生变化,则此时所 受到的安培力.
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第九章
电磁感应
线框又做匀速运动.线框完全穿过 磁场过程中产生的热量为 Q.线框在 下落过程中始终处于原竖直平面内, 且 ab、cd 边保持水平,重力加速度为 g.求 (1)线框 ab 边将离开磁场时做匀速运动的速度大小是 cd 边刚 进入磁场时的几倍; (2)磁场上下边界间的距离 H.
2.安培力的方向 右手定则 判定感应电流方向,再用 ____________ 左手定则 (1) 先用 ___________ 判定安培力方向. (2)根据楞次定律,安培力的方向一定和导体切割磁感线运动 相反 方向__________ .
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第九章
电磁感应
1.(单选)金属棒 ab 静止在倾角为 α 的平行导轨 上,导轨上端有导线相连,垂直于导轨平面的匀强磁场的磁 感应强度为 B0,方向如图所示.从 t=0 时刻开始,B0 均匀 增加,到 t=t1 时,金属棒开始运动,那么在 0~t1 这段时间 内,金属棒受到的摩擦力将( D ) A.不断增大 B.不断减小 C.先增大后减小 D.先减小后增大
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第九章
电磁感应
[审题突破]
(1)棒被弹开后,ab 在进入磁场前做什么运动,
刚进入磁场时磁感应强度如何确定? (2)ab 棒速度刚减为零时,磁感应强度为多大?cd 棒处于什 么位置?速度是多大?
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第九章
电磁感应
[解析] (1)弹簧弹开时,设两棒的速度大小均为 v0,在这个过 1 2 程中,系统的机械能守恒,则 Ep=2× mv0, 2 解得 v0=4 m/s aM 16 ab 棒经 t1= = s=4 s 进入磁场,此时磁感应强度为 B1 v0 4 =(2+0.5× 4) T=4 T
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第九章
电磁感应
[审题突破]
(1)由于导轨电阻不计,因此导轨两端的电压为
0,C、D 两端的电压等于导轨外金属棒产生的电动势,注意 UCD 的正负. (2)回路中电流恒定,但 CD 的有效长度变化,金属杆所受安 培力为变力,根据 F-x 图象求功. (3)外力做功使金属杆 CD 的机械能增加和产生焦耳热.
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第九章
电磁感应
(1)求金属杆 CD 运动过程中产生的感应电动势 E 及运动到 x =0.8 m 处电势差 UCD; (2)推导金属杆 CD 从 MN 处运动到 P 点过程中拉力 F 与位 置坐标 x 的关系式,并在图乙中画出 F-x 关系图象; (3)求金属杆 CD 从 MN 处运动到 P 点的全过程产生的焦耳热.
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第九章
电磁感应
考点一
电磁感应中的动力学问题
1.导体棒(框)的两种状态 (1)平衡状态——静止或匀速直线运动. (2)非平衡状态——加速度不为零.
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第九章
电磁感应
2.两类研究对象及相互联系
栏目 导引
第九章
电磁感应
如图所示, 两完全相同的金属棒垂直放在水平光滑导 轨上,其质量均为 m=1 kg,导轨间距 d=0.5 m,现两棒并 齐,中间夹一长度不计的轻质压缩弹簧,弹簧弹性势能为 Ep=16 J,现释放弹簧(不拴接),弹簧弹开后,两棒同时获 得大小相等的速度反向运动, ab 棒进入一随时间变化的磁场 中,已知 B=2+0.5t(单位:T),导轨上另有两个挡块 P、Q, cd 棒与之碰撞时无能量损失,Pc=aM=16 m,两棒电阻均 为 R=5 Ω,导轨电阻不计,
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第九章
电磁感应
(3)外力 F 所做的功 WF 等于 F-x 图线下所围的面积.即 5+12.5 WF= × 2 J=17.5 J 2 而杆的重力势能增加量 ΔEp=mgOPsin θ 故全过程产生的焦耳热 Q=WF-ΔEp=7.5 J.
[答案](1)1.5 V 象见解析
-0.6 V
(2)F=12.5-3.75x(0≤x≤2)
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第九章
电磁感应
(1)b 开始运动时,回路的电功率 P; (2)a 刚拉动时的加速度 a0; (3)在 a 移动距离 x 的过程中, 通过回路的电荷量 q 和 b 中产 生的焦耳热 Qb.
栏目 导引
第九章
电磁感应
解析:(1)设 b 开始运动时,a 产生的电动势为 E,则 E=BLv E 回路电流 I= 2R 电功率 P=IE B2L2v2 解得 P= . 2R (2)b 刚运动时 Ff 滑=F 安=BIL a、b 受到的滑动摩擦力相同,则 a 刚拉动时有 F-Ff 滑=ma0 F B2L2v 解得 a0= - . m 2mR
图
(3)7.5 J
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第九章
电磁感应
在解决电磁感应中的能量问题时,首先进行受力分析,判断 各力做功和能量转化情况,再利用功能关系或能量守恒定律 列式求解.
栏目 导所示,MN、PQ 为水平面 内平行放置且足够长的固定金属导轨,导轨间距为 L,导轨 处于方向竖直向下、磁感应强度大小为 B 的匀强磁场中.两 根完全相同的金属棒 a、b 垂直 MN、PQ 放置在导轨上,长 均为 L、质量均为 m、电阻均为 R,棒与导轨接触良好.现 对 a 施加水平向右的恒力 F,a 由静止开始向右运动,移动 距离 x 时速度为 v,此时 b 开始运动.设最大静摩擦力与滑 动摩擦力大小相等,导轨电阻不计,求:
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第九章
电磁感应
考点二
电磁感应中的能量问题
1.电磁感应过程的实质是不同形式的能量转化的过程,而 能量的转化是通过安培力做功的形式实现的,安培力做功的 过程,是电能转化为其他形式能的过程,外力克服安培力做 功,则是其他形式的能转化为电能的过程.
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第九章
电磁感应
2.能量转化及焦耳热的求法 (1)能量转化
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第九章
电磁感应
2.安培力做功和电能变化的对应关系 “外力”克服安培力做多少功,就有多少其他形式的能转
化为电能;安培力做多少功,就有多少电能转化为其他形
式的能.
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第九章
电磁感应
2.(多选)如图所示,水平固定放置的足够长的 U 形金属导轨处于竖直向上的匀强磁场中,在导轨上放着金属 棒 ab,开始时 ab 棒以水平初速度 v0 向右运动,最后静止在 导轨上,就导轨光滑和导轨粗糙的两种情况相比较,这个过 程( AC ) A.安培力对 ab 棒所做的功不相等 B.电流所做的功相等 C.产生的总内能相等 D.通过 ab 棒的电荷量相等
第九章
电磁感应
第四节
电磁感应中的动力学和能量问题
第九章
电磁感应
一、电磁感应现象中的动力学问题 1.安培力的大小
BIl 安培力公式:F=________ Blv 感应电动势:E=________
E 感应电流:I=R
Blv R ⇒F=_________
2 2
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第九章
电磁感应
B2L2v2 F B2L2v BLx 答案: (1) (2)m- (3) 2R 2mR 2R B2L2v 1 2 1 F- x- mv 2R 4 2
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第九章
电磁感应
微专题29
真题剖析——用动力学和能量观点解决电磁感应 综合问题
(18 分)(2015· 高考天津卷)如图所示,“凸”字形硬 质金属线框质量为 m,相邻各边互相垂直,且处于同一竖直 平面内,ab 边长为 l,cd 边长为 2l,ab 与 cd 平行,间距为 2l.匀强磁场区域的上下边界均水平,磁场方向垂直于线框所 在平面.开始时,cd 边到磁场上边界的距离为 2l,线框由静 止释放,从 cd 边进入磁场直到 ef、pq 边进入磁场前,线框 做匀速运动, 在 ef、 pq 边离开磁场后,ab 边离开磁场之前,
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第九章
电磁感应
二、电磁感应中的能量转化 1.过程分析
(1)电磁感应现象中产生感应电流的过程,实质上是能量的转
化过程. 负 功,则 (2)感应电流在磁场中受安培力,若安培力做_______ 正 功,则电能 其他形式的能转化为电能;若安培力做________ 转化为其他形式的能. 其他形式 电 能转化为 ____________ (3)当感应电流通过用电器时,______ 的能.
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第九章
电磁感应
解析: 导体切割磁感线时产生感应电流,同时产生安培力阻 碍导体运动,利用法拉第电磁感应定律、安培力公式及牛顿 第二定律可确定线框在磁场中的运动特点.线框进入和离开 磁场时, 安培力的作用都是阻碍线框运动, 使线框速度减小, E 由 E=BLv、I= 及 F=BIL=ma 可知安培力减小,加速度 R 减小,当线框完全进入磁场后穿过线框的磁通量不再变化, 不产生感应电流,不再产生安培力,线框做匀速直线运动, 故选项 D 正确.
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MP
2
MN2 - 2 = 2
m
由右手定则判断 D 点电势高,故 CD 两端电势差
第九章
电磁感应
(2)杆在导轨间的长度 l 与位置 x 的关系是 OP-x 3 l= d= 3- x OP 2 l 对应的电阻 R1= R d Blv 电流 I= R1 杆受到的安培力为 F 安=BIl=7.5-3.75x 根据平衡条件得 F=F 安+mgsin θ F=12.5-3.75x(0≤x≤2). 画出的 F-x 图象如图所示.
(2)求解焦耳热 Q 的三种方法
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第九章
电磁感应
(2014· 高考安徽卷)如图甲所示, 匀强磁场的磁感应强 度 B 为 0.5 T,其方向垂直于倾角 θ 为 30° 的斜面向上.绝缘 斜面上固定有“∧”形状的光滑金属导轨 MPN(电阻忽略不 计 ), MP 和 NP 长度均为 2.5 m, MN 连线水平, 长为 3 m. 以 MN 中点 O 为原点, OP 为 x 轴建立一维坐标系 Ox.一根粗细 均匀的金属杆 CD,长度 d 为 3 m、质量 m 为 1 kg、电阻 R 为 0.3 Ω, 在拉力 F 的作用下, 从 MN 处以恒定速度 v=1 m/s 在导轨上沿 x 轴正向运动(金属杆与导轨接触良好).g 取 10 m/s2.
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第九章
电磁感应
[解析] (1)金属杆 CD 在匀速运动中产生的感应电动势 E= Blv,l=d,解得 E=1.5 V 当 x=0.8 m 时, 金属杆在导轨间的电势差为零. 设此时杆在 导轨外的长度为 l 外,则 OP-x l 外 = d- d,OP= OP 得 l 外=1.2 m UCD=-Bl 外 v=-0.6 V.
[答案] (1)1.1 N 方向水平向右 (2)6.4 N 方向水平向右
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第九章
电磁感应
解决该类问题的一般流程
栏目 导引
第九章
电磁感应
(单选)如图,在光滑水平桌面上有一边长为 L、 电阻为 R 的正方形导线框; 在导线框右侧有一宽度为 d(d>L ) 的条形匀强磁场区域,磁场的边界与导线框的一边平行,磁 场方向竖直向下.导线框以某一初速度向右运动.t=0 时导 线框的右边恰与磁场的左边界重合,随后导线框进入并通过 磁场区域. 下列 v-t 图象中, 能正确描述上述过程的是( D )
2 B2 d 1 v0 ab 棒受到的安培力 F 安= =1.6 N 2R
由牛顿第二定律得 F 安-F=ma 则所加外力 F=F 安-ma=1.1 N,方向水平向右.
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第九章
电磁感应
v0 (2)ab 棒进入磁场后,又经 t2= =8 s 速度变为零,而此段 a 时间内 cd 棒与 PQ 碰撞后反向运动, 恰好在 t2 时刻到达磁场 边界 MN,故此时的电动势 E=B2dv0 其中 B2=(2+0.5× 12) T=8 T E 解得 E=16 V,I= =1.6 A 2R 所以此时 ab 棒受到的安培力 F=B2Id=8× 1.6× 0.5 N=6.4 N, 方向水平向右.
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第九章
电磁感应
- ΔΦ (3)此过程中产生的感应电流 I= 2RΔt 而 q=I· Δt BLx 解得 q= 2R 设回路产生的焦耳热为 Q,由功能关系有 1 2 Q=(F-Ff 滑)x- mv 2 B2L2v 1 1 1 2 则 Qb= Q= F- 2R x- mv . 2 2 4
第九章
电磁感应
若从释放弹簧时开始计时(不考虑弹簧弹开两棒的时间, 即瞬 间就弹开两棒), 在 ab 棒进入磁场边界的瞬间, 加一外力 F(大 小和方向都可以变化),使之始终做加速度 a=0.5 m/s2 的匀 减速直线运动,求:
(1)ab 棒刚进入磁场时的外力 F 的大小与方向; (2)若 ab 棒速度为零时磁感应强度不再发生变化,则此时所 受到的安培力.
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线框又做匀速运动.线框完全穿过 磁场过程中产生的热量为 Q.线框在 下落过程中始终处于原竖直平面内, 且 ab、cd 边保持水平,重力加速度为 g.求 (1)线框 ab 边将离开磁场时做匀速运动的速度大小是 cd 边刚 进入磁场时的几倍; (2)磁场上下边界间的距离 H.
2.安培力的方向 右手定则 判定感应电流方向,再用 ____________ 左手定则 (1) 先用 ___________ 判定安培力方向. (2)根据楞次定律,安培力的方向一定和导体切割磁感线运动 相反 方向__________ .
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电磁感应
1.(单选)金属棒 ab 静止在倾角为 α 的平行导轨 上,导轨上端有导线相连,垂直于导轨平面的匀强磁场的磁 感应强度为 B0,方向如图所示.从 t=0 时刻开始,B0 均匀 增加,到 t=t1 时,金属棒开始运动,那么在 0~t1 这段时间 内,金属棒受到的摩擦力将( D ) A.不断增大 B.不断减小 C.先增大后减小 D.先减小后增大
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电磁感应
[审题突破]
(1)棒被弹开后,ab 在进入磁场前做什么运动,
刚进入磁场时磁感应强度如何确定? (2)ab 棒速度刚减为零时,磁感应强度为多大?cd 棒处于什 么位置?速度是多大?
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[解析] (1)弹簧弹开时,设两棒的速度大小均为 v0,在这个过 1 2 程中,系统的机械能守恒,则 Ep=2× mv0, 2 解得 v0=4 m/s aM 16 ab 棒经 t1= = s=4 s 进入磁场,此时磁感应强度为 B1 v0 4 =(2+0.5× 4) T=4 T
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电磁感应
[审题突破]
(1)由于导轨电阻不计,因此导轨两端的电压为
0,C、D 两端的电压等于导轨外金属棒产生的电动势,注意 UCD 的正负. (2)回路中电流恒定,但 CD 的有效长度变化,金属杆所受安 培力为变力,根据 F-x 图象求功. (3)外力做功使金属杆 CD 的机械能增加和产生焦耳热.
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(1)求金属杆 CD 运动过程中产生的感应电动势 E 及运动到 x =0.8 m 处电势差 UCD; (2)推导金属杆 CD 从 MN 处运动到 P 点过程中拉力 F 与位 置坐标 x 的关系式,并在图乙中画出 F-x 关系图象; (3)求金属杆 CD 从 MN 处运动到 P 点的全过程产生的焦耳热.
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电磁感应中的动力学问题
1.导体棒(框)的两种状态 (1)平衡状态——静止或匀速直线运动. (2)非平衡状态——加速度不为零.
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2.两类研究对象及相互联系
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电磁感应
如图所示, 两完全相同的金属棒垂直放在水平光滑导 轨上,其质量均为 m=1 kg,导轨间距 d=0.5 m,现两棒并 齐,中间夹一长度不计的轻质压缩弹簧,弹簧弹性势能为 Ep=16 J,现释放弹簧(不拴接),弹簧弹开后,两棒同时获 得大小相等的速度反向运动, ab 棒进入一随时间变化的磁场 中,已知 B=2+0.5t(单位:T),导轨上另有两个挡块 P、Q, cd 棒与之碰撞时无能量损失,Pc=aM=16 m,两棒电阻均 为 R=5 Ω,导轨电阻不计,
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电磁感应
(3)外力 F 所做的功 WF 等于 F-x 图线下所围的面积.即 5+12.5 WF= × 2 J=17.5 J 2 而杆的重力势能增加量 ΔEp=mgOPsin θ 故全过程产生的焦耳热 Q=WF-ΔEp=7.5 J.
[答案](1)1.5 V 象见解析
-0.6 V
(2)F=12.5-3.75x(0≤x≤2)
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(1)b 开始运动时,回路的电功率 P; (2)a 刚拉动时的加速度 a0; (3)在 a 移动距离 x 的过程中, 通过回路的电荷量 q 和 b 中产 生的焦耳热 Qb.
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解析:(1)设 b 开始运动时,a 产生的电动势为 E,则 E=BLv E 回路电流 I= 2R 电功率 P=IE B2L2v2 解得 P= . 2R (2)b 刚运动时 Ff 滑=F 安=BIL a、b 受到的滑动摩擦力相同,则 a 刚拉动时有 F-Ff 滑=ma0 F B2L2v 解得 a0= - . m 2mR
图
(3)7.5 J
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在解决电磁感应中的能量问题时,首先进行受力分析,判断 各力做功和能量转化情况,再利用功能关系或能量守恒定律 列式求解.
栏目 导所示,MN、PQ 为水平面 内平行放置且足够长的固定金属导轨,导轨间距为 L,导轨 处于方向竖直向下、磁感应强度大小为 B 的匀强磁场中.两 根完全相同的金属棒 a、b 垂直 MN、PQ 放置在导轨上,长 均为 L、质量均为 m、电阻均为 R,棒与导轨接触良好.现 对 a 施加水平向右的恒力 F,a 由静止开始向右运动,移动 距离 x 时速度为 v,此时 b 开始运动.设最大静摩擦力与滑 动摩擦力大小相等,导轨电阻不计,求:
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考点二
电磁感应中的能量问题
1.电磁感应过程的实质是不同形式的能量转化的过程,而 能量的转化是通过安培力做功的形式实现的,安培力做功的 过程,是电能转化为其他形式能的过程,外力克服安培力做 功,则是其他形式的能转化为电能的过程.
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2.能量转化及焦耳热的求法 (1)能量转化
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2.安培力做功和电能变化的对应关系 “外力”克服安培力做多少功,就有多少其他形式的能转
化为电能;安培力做多少功,就有多少电能转化为其他形
式的能.
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2.(多选)如图所示,水平固定放置的足够长的 U 形金属导轨处于竖直向上的匀强磁场中,在导轨上放着金属 棒 ab,开始时 ab 棒以水平初速度 v0 向右运动,最后静止在 导轨上,就导轨光滑和导轨粗糙的两种情况相比较,这个过 程( AC ) A.安培力对 ab 棒所做的功不相等 B.电流所做的功相等 C.产生的总内能相等 D.通过 ab 棒的电荷量相等
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第四节
电磁感应中的动力学和能量问题
第九章
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一、电磁感应现象中的动力学问题 1.安培力的大小
BIl 安培力公式:F=________ Blv 感应电动势:E=________
E 感应电流:I=R
Blv R ⇒F=_________
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B2L2v2 F B2L2v BLx 答案: (1) (2)m- (3) 2R 2mR 2R B2L2v 1 2 1 F- x- mv 2R 4 2
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真题剖析——用动力学和能量观点解决电磁感应 综合问题
(18 分)(2015· 高考天津卷)如图所示,“凸”字形硬 质金属线框质量为 m,相邻各边互相垂直,且处于同一竖直 平面内,ab 边长为 l,cd 边长为 2l,ab 与 cd 平行,间距为 2l.匀强磁场区域的上下边界均水平,磁场方向垂直于线框所 在平面.开始时,cd 边到磁场上边界的距离为 2l,线框由静 止释放,从 cd 边进入磁场直到 ef、pq 边进入磁场前,线框 做匀速运动, 在 ef、 pq 边离开磁场后,ab 边离开磁场之前,
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二、电磁感应中的能量转化 1.过程分析
(1)电磁感应现象中产生感应电流的过程,实质上是能量的转
化过程. 负 功,则 (2)感应电流在磁场中受安培力,若安培力做_______ 正 功,则电能 其他形式的能转化为电能;若安培力做________ 转化为其他形式的能. 其他形式 电 能转化为 ____________ (3)当感应电流通过用电器时,______ 的能.
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解析: 导体切割磁感线时产生感应电流,同时产生安培力阻 碍导体运动,利用法拉第电磁感应定律、安培力公式及牛顿 第二定律可确定线框在磁场中的运动特点.线框进入和离开 磁场时, 安培力的作用都是阻碍线框运动, 使线框速度减小, E 由 E=BLv、I= 及 F=BIL=ma 可知安培力减小,加速度 R 减小,当线框完全进入磁场后穿过线框的磁通量不再变化, 不产生感应电流,不再产生安培力,线框做匀速直线运动, 故选项 D 正确.
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MP
2
MN2 - 2 = 2
m
由右手定则判断 D 点电势高,故 CD 两端电势差
第九章
电磁感应
(2)杆在导轨间的长度 l 与位置 x 的关系是 OP-x 3 l= d= 3- x OP 2 l 对应的电阻 R1= R d Blv 电流 I= R1 杆受到的安培力为 F 安=BIl=7.5-3.75x 根据平衡条件得 F=F 安+mgsin θ F=12.5-3.75x(0≤x≤2). 画出的 F-x 图象如图所示.
(2)求解焦耳热 Q 的三种方法
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(2014· 高考安徽卷)如图甲所示, 匀强磁场的磁感应强 度 B 为 0.5 T,其方向垂直于倾角 θ 为 30° 的斜面向上.绝缘 斜面上固定有“∧”形状的光滑金属导轨 MPN(电阻忽略不 计 ), MP 和 NP 长度均为 2.5 m, MN 连线水平, 长为 3 m. 以 MN 中点 O 为原点, OP 为 x 轴建立一维坐标系 Ox.一根粗细 均匀的金属杆 CD,长度 d 为 3 m、质量 m 为 1 kg、电阻 R 为 0.3 Ω, 在拉力 F 的作用下, 从 MN 处以恒定速度 v=1 m/s 在导轨上沿 x 轴正向运动(金属杆与导轨接触良好).g 取 10 m/s2.
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[解析] (1)金属杆 CD 在匀速运动中产生的感应电动势 E= Blv,l=d,解得 E=1.5 V 当 x=0.8 m 时, 金属杆在导轨间的电势差为零. 设此时杆在 导轨外的长度为 l 外,则 OP-x l 外 = d- d,OP= OP 得 l 外=1.2 m UCD=-Bl 外 v=-0.6 V.
[答案] (1)1.1 N 方向水平向右 (2)6.4 N 方向水平向右
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(单选)如图,在光滑水平桌面上有一边长为 L、 电阻为 R 的正方形导线框; 在导线框右侧有一宽度为 d(d>L ) 的条形匀强磁场区域,磁场的边界与导线框的一边平行,磁 场方向竖直向下.导线框以某一初速度向右运动.t=0 时导 线框的右边恰与磁场的左边界重合,随后导线框进入并通过 磁场区域. 下列 v-t 图象中, 能正确描述上述过程的是( D )
2 B2 d 1 v0 ab 棒受到的安培力 F 安= =1.6 N 2R
由牛顿第二定律得 F 安-F=ma 则所加外力 F=F 安-ma=1.1 N,方向水平向右.
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电磁感应
v0 (2)ab 棒进入磁场后,又经 t2= =8 s 速度变为零,而此段 a 时间内 cd 棒与 PQ 碰撞后反向运动, 恰好在 t2 时刻到达磁场 边界 MN,故此时的电动势 E=B2dv0 其中 B2=(2+0.5× 12) T=8 T E 解得 E=16 V,I= =1.6 A 2R 所以此时 ab 棒受到的安培力 F=B2Id=8× 1.6× 0.5 N=6.4 N, 方向水平向右.
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- ΔΦ (3)此过程中产生的感应电流 I= 2RΔt 而 q=I· Δt BLx 解得 q= 2R 设回路产生的焦耳热为 Q,由功能关系有 1 2 Q=(F-Ff 滑)x- mv 2 B2L2v 1 1 1 2 则 Qb= Q= F- 2R x- mv . 2 2 4