第2章 专题拓展3 法拉第电磁感应定律的应用（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（教科版2019）

电磁感应及其应用 专题拓展3　法拉第电磁感应定律的应用 第二章 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 物理观念 科学探究 科学态度与责任 1.知道法拉第电磁感应定律在电路中的作用。 2．了解牛顿运动定律在分析电磁感应现象中的思维方法。 3．知道电路中有关电量、路端电压、热能等概念。 1.能够利用牛顿运动定律解决有关电磁感应的问题。 2．能够利用能量守恒定律解决有关实际问题。 1.进一步理解牛顿运动定律的动力学思想，培养科学的理性思维能力。 2．建立守恒思想，体会普适原理在实际现象中的应用。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 如图所示，MN、PQ为两根平行倾斜光滑导轨，MP之间连接一个定值电阻R，ab为导体棒，从靠近导轨上端处由静止下滑，假设导轨足够长。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [问题设计] 请问如何分析导体棒的运动情况。 提示：导体棒由静止开始下滑，切割磁感线，产生感应电动势，回路中产生感应电流，导体棒受到沿斜面向上的安培力，根据牛顿第二定律可以分析导体棒的运动情况。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 1．导体的两种运动状态 (1)导体的平衡状态——静止状态或匀速直线运动状态。处理方法：根据平衡条件(合外力等于0)列式分析。 (2)导体的非平衡状态——加速度不为0。处理方法：根据牛顿第二定律进行动态分析或结合功能关系分析。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 2．制约关系 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 【例1】 (2023·湖南卷)如图所示，两根足够长的光滑金属直导轨平行放置，导轨间距为L，两导轨及其所构成的平面均与水平面成θ角，整个装置处于垂直于导轨平面斜向上的匀强磁场中，磁感应强度大小为B。现将质量均为m的金属棒a、b垂直导轨放置，每根金属棒接入导轨之间的电阻均为R。运动过程中金属棒与导轨始终垂直且接触良好，金属棒始终未滑出导轨，导轨电阻忽略不计，重力加速度为g。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 (1)先保持棒b静止，将棒a由静止释放，求棒a匀速运动时的速度大小v0； (2)在(1)问中，当棒a匀速运动时，再将棒b由静止释放，求释放瞬间棒b的加速度大小a0； (3)在(2)问中，从棒b释放瞬间开始计时，经过时间t0，两棒恰好达到相同的速度v，求速度v的大小，以及时间t0内棒a相对于棒b运动的距离Δx。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [练1] (多选)如图所示，一U形光滑导轨间距L＝1 m，与水平面之间的夹角θ＝53°。虚线CD、EF与导轨垂直，区域 Ⅰ (CD虚线沿斜面向上区域)中有磁感应强度均匀增加的磁场，方向垂直导轨平面向下，区域 Ⅱ (EF虚线沿斜面向下区域)中有磁感应强度B2＝2 T的匀强磁场，方向垂直导轨平面向上。虚线CD、EF间无磁场。一质量m＝0.4 kg、电阻R＝4 Ω的导体棒垂直导轨放置，从无磁场区域由静止释放，经t＝1.5 s进入区域 Ⅱ 且恰好匀速下滑，运动中棒与导轨始终保持垂直且接触良好。导轨足够长，电阻不计，重力加速度g＝10 m/s2，sin 53°＝0.8，cos 53°＝0.6。则导体棒(　　) 关键能力 互动探究 AD 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 A．进入区域 Ⅱ 时的速度为12 m/s B．进入区域 Ⅱ 时的速度为3.2 m/s C．进入区域 Ⅱ 前的电流为7.6 A D．前1.5 s产生的焦耳热为116.16 J 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 比较甲乙两个电路。 甲图中穿过线圈的磁通量发生变化，产生感应电动势，在电路中和乙图中电源的作用相同，给电路提供电能。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [问题设计] 在甲图中，线圈中的电流方向如何，如何判断线圈两端的电势高低？ 提示：利用楞次定律判断线圈中的感应电动势的方向，在线圈中电流由低电势流向高电势。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 电磁感应中电路问题的分析方法 (1)在闭合电路中，磁通量发生变化的部分或者切割导体相当于电源。电源将其他形式的能转化为电能。利用楞次定律或右手定则判定感应电流或感应电动势的方向，在电源内部电流由低电势流向高电势，在外电路电流由高电势流向低电势。 (2)画出等效电路，明确电源的正负极，明确是否考虑电源的内阻。在闭合回路中，相当于电源的线圈或切割导体棒两端的电压是路端电压，在考虑内阻的情况下，大小并不等于电动势。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 (3)电路问题分析思路： 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [练2] (多选)如图所示，电阻为R的金属棒ab，从图示位置分别以速度v1、v2沿电阻不计的光滑轨道匀速滑到虚线处。若v1∶v2＝1∶2，则两次移动棒的过程中(　　) A．回路中感应电流之比I1∶I2＝1∶2 B．回路中产生热量之比Q1∶Q2＝1∶2 C．外力做功的功率之比P1∶P2＝1∶2 D．回路中通过截面的总电荷量之比q1∶q2＝1∶2 关键能力 互动探究 AB 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 【例3】 如图，两光滑导轨水平放置在竖直向下的匀强磁场中，磁感应强度大小为B，导轨间距最窄处为一狭缝，取狭缝所在处O点为坐标原点，狭缝右侧两导轨与x轴夹角均为θ，一电容为C的电容器与导轨左端相连，导轨上的金属棒与x轴垂直，在外力F作用下从O点开始以速度v向右匀速运动，忽略所有电阻，下列说法正确的是(　　) 关键能力 互动探究 A 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 A．通过金属棒的电流为2BCv2tan θ B．金属棒到达x0时，电容器极板上的电荷量为BCvx0tan θ C．金属棒运动过程中，电容器的上极板带负电 D．金属棒运动过程中，外力F做功的功率恒定 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [练3] (多选)如图所示，固定在水平面上的足够长的光滑平行直导轨处于垂直平面向下的匀强磁场中，一端连接着一个电容器和电源，导轨上放着一根长度与导轨间距相同，有固定阻值的均匀导体棒。与电容器连接的单刀双掷开关先与左边闭合，待充电结束后，某时刻与右边闭合，作为计时起点，随后导体棒在运动的过程中始终与导轨接触良好，不计其他位置的电阻，则电容器所带电量q、导体棒的运动速度v、流过导体棒的电流I、通过导体的电量Q随时间t变化的图像可能的是(　　) 关键能力 互动探究 BCD 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 素养训练 学业评价 A 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 2. 两个完全相同的电阻不计的半圆形轨道竖直正对放置，轨道左右最高点与圆心等高，金属棒AB垂直两轨道水平放置，金属棒长与两轨道间距相等，空间存在竖直向下的匀强磁场(未画出)。金属棒在外力作用下沿轨道从左侧最高点向右侧最高点做匀速圆周运动，下列图像中能表示棒两端的电势差UAB随时间 的变化关系的是(　　) 素养训练 学业评价 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 3．如图甲所示，正方形硬质金属框abcd放置在磁场中，金属框平面与磁场方向垂直。磁感应强度B随时间t变化规律如图乙所示。在0～0.2 s的时间内与0.2～0.6 s的时间内(　　) 素养训练 学业评价 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 A．通过金属框的电荷量之比为2∶1 B．金属框中电流的电功率之比为4∶1 C．金属框中产生的焦耳热之比为4∶1 D．金属框ab边受到安培力方向相反，大小之比为3∶1 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 4．(多选)如图所示，在光滑绝缘水平面上有一正方形线框abcd，线框由均匀电阻丝制成，边长为L，总电阻阻值为r。两条平行虚线之间存在匀强磁场，磁感应强度大小为B，磁场方向竖直向下。线框abcd以垂直于cd方向的速度进入磁场，当对角线ac刚进入磁场时，线框的速度大小为v，方向与磁场边界成45°角，则对角线ac刚进入磁场时(　　) 素养训练 学业评价 BC 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 5. (多选)如图所示，竖直放置的两根足够长平行金属导轨相距L，导轨间接有一定值电阻R，质量为m、电阻为r的金属棒与两导轨始终保持垂直并良好接触，且无摩擦，整个装置放在匀强磁场中，磁场方向与导轨平面垂直，重力加速度为g，现将金属棒由静止释放，金属棒下落高度为h时开始做匀速运动，在此过程中(　　) 素养训练 学业评价 ABD 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 谢谢观看 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 探究点一利用牛顿第二定律分析导体棒的运动 答案：(1) (2)2g sin θ (3)gt0sin θ＋　 (1)a导体棒在运动过程中重力沿斜面的分力和a棒的安培力相等时做匀速运动，由法拉第电磁感应定律可得E＝BLv0 由闭合电路欧姆定律及安培力公式可得I＝，F＝BIL a棒受力平衡可得mg sin θ＝BIL 联立解得v0＝。 (2)由右手定则可知导体棒b中电流向里，b棒受沿斜面向下的安培力，此时电路中电流不变，则b棒由牛顿第二定律可得mg sin θ＋BIL＝ma 解得a＝2g sin θ。 (3)释放b棒后a棒受到沿斜面向上的安培力，在到达共速时对a棒动量定理 mg sin θt0－BLt0＝mv－mv0 b棒受到向下的安培力，对b棒动量定理 mg sin θt0＋BLt0＝mv 联立解得v＝gt0sin θ＋ 此过程流过b棒的电荷量为q，则有q＝t0 由法拉第电磁感应定律可得＝＝ 联立b棒动量定理可得Δx＝。 导体棒在无磁场区域下滑1.5 s时间内，由牛顿第二定律mg sin θ＝ma，解得a＝g sin 53°＝8 m/s2，则刚进入区域 Ⅱ 时的速度为v＝at＝8×1.5 m/s＝12 m/s，A正确，B错误；区域 Ⅰ 中磁感应强度均匀增加，设其产生的感应电动势为E0，由楞次定律知D点电势高于C点电势；导体棒刚进入磁场 Ⅱ 时，切割磁感线产生感应电动势(由A向B，与E0反向)，由于安培力要平衡重力下滑分力，所以安培力沿导轨向上，通过导体棒的电流方向为由A向B，根据平衡条件有B2IL＝mg sin θ，I ＝，解得E0＝17.6 V，则进入区域 Ⅱ 前的电流为I1＝＝A＝4.4 A，C错误；前1.5 s产生的焦耳热为Q＝IRt＝4.42×4×1.5 J＝116.16 J，D正确。 探究点二电磁感应中的电路问题 (4)电路焦耳热的计算：如果电路电流恒定，根据焦耳定律Q＝I2Rt计算；如果电路电流不恒定，利用能量守恒定律计算。 (5)电路中流过某元件(或某横截面)的电量计算：如果电流恒定，根据q＝It计算，如果电流不恒定，利用q＝t＝t＝t＝计算。 【例2】 如图所示，固定在水平面上的半径为r的金属圆环内存在方向竖直向上、磁感应强度大小为B的匀强磁场。长为l的金属棒，一端与圆环接触良好，另一端固定在竖直导电转轴OO′上，随轴以角速度ω匀速转动。在圆环的A点和电刷间接有阻值为R的电阻和电容为C、板间距为d的平行板电容器，有一带电微粒在电容器极板间处于静止状态。已知重力加速度为g，不计其他电阻和摩擦，下列说法正确的是(　　) A．棒产生的电动势为Bl2ω B．微粒的电荷量与质量之比为 C．电阻消耗的电功率为 D．电容器所带的电荷量为CBr2ω 如图所示，金属棒绕OO′轴切割磁感线转动，棒产生的电动势E＝Br·＝Br2ω，A错误；电容器两极板间电压等于电源电动势E，带电微粒在两极板间处于静止状态，则q＝mg，即＝＝＝，B正确；电阻消耗的功率P＝＝，C错误；电容器所带的电荷量Q＝CE＝，D错误。故选B。 回路中感应电流为I＝＝，易知I1∶I2＝1∶2，A正确；设x为金属棒运动的位移，则回路中产生热量为Q＝I2Rt，又t＝，联立可得Q＝，易知Q1∶Q2＝1∶2，B正确；由于金属棒匀速运动，外力的功率等于回路中的电功率，P外＝P电＝I2R＝，易知P1∶P2＝1∶4，C错误；回路中通过截面的总电荷量为q＝It＝，易知I1∶I2＝1∶1，D错误。 根据楞次定律可知电容器的上极板应带正电，C错误；由题知导体棒匀速切割磁感线，根据几何关系切割长度为L＝2x tan θ，x＝vt，则产生的感应电动势为E＝2Bv2t tan θ，由题图可知电容器直接与电源相连，则电容器的电荷量为Q＝CE＝2BCv2t tan θ，则流过导体棒的电流，I＝＝2BCv2tan θ，A正确；当金属棒到达x0处时，导体棒产生的感应电动势为E′＝2Bvx0tan θ，则电容器的电荷量为 Q＝CE′＝2BCvx0tan θ，B错误；由于导体棒做匀速运动，则F＝F安＝BIL，由选项A可知流过导体棒的电流I恒定，但L与t成正比，则F为变力，再根据力做功的功率公式P＝Fv，可看出F为变力，v不变则功率P随力F变化而变化，D错误。 开关先与左边闭合，使电容器充电，后与右边闭合，导体棒通以放电电流，电容器两端电势差减小，导体上产生向右的安培力，使得导体棒向右加速运动切割磁感线产生反电动势且逐渐增大，放电电流逐渐减小，当反电动势增大到与电容器两端电势差等大时，电流消失，安培力为0，导体棒做匀速直线运动，电容器两端电势差不再改变，所带电量不再减小，通过导体棒的电荷量不再增加，故A错误，BCD正确。故选BCD。 1．如图所示，两根相距为l的平行直导轨ab、cd，b、d间连有一定值电阻，阻值为R，MN为放在ab和cd上的一导体杆，与ab垂直，其电阻值为，导轨电阻可忽略不计。整个装置处于匀强磁场中，磁感应强度的大小为B，磁场方向垂直于导轨所在平面(指向图中纸面内)，现对MN施力使它沿导轨方向以速度v(如图)做匀速运动。令U表示MN两端的电压，则(　　) A．U＝Blv，流过定值电阻R的感应电流由b到d B．U＝Blv，流过定值电阻R的感应电流由b到d C．U＝Blv，流过定值电阻R的感应电流由b到d D．U＝Blv，流过定值电阻R的感应电流由d到b 根据右手定则可知，MN中的感应电流方向为N→M，则流过定值电阻R的感应电流由b到d，导体杆MN切割磁感线产生的感应电动势为E＝Blv，根据闭合电路欧姆定律，电路中电流为I＝＝，根据欧姆定律，MN两端的电压(R两端电压)为U＝IR＝E，联立解得，U＝Blv，A正确。 设半圆形轨道圆心为 O，半圆形轨道左侧顶点为C，设∠COA＝θ，根据右手定则，金属棒中的电流为A→B，则金属棒两端的电势差为UAB＝－BLv sin θ＝BLv sin ωt，D正确。 通过金属框的电荷量q＝It＝t＝t＝，因在0～0.2 s的时间t1内与0.2～0.6 s的时间t2内，磁感应强度随时间的变化量相同，故通过金属框的电荷量之比为1∶1，A错误；金属框中电流的电功率P＝＝＝，则＝＝＝，B正确；金属 框中产生的焦耳热Q＝Pt，得＝，解得＝，C错误；在0～0.2 s的时间内与0.2～0.6 s的时间内，通过线框的电流方向相反，所以金属框ab边受到安培力方向相反，安培力大小F＝BIL＝BL＝BL，由于对应时间B相同＝＝，D错误。 A．线框产生的感应电动势为2BLv B．线框中的感应电流为 C．cd边所受安培力大小为 D．a、c两端的电压为BLv 对角线ac刚进入磁场时线框切割磁感线的有效长度为L，产生的感应电动势为E＝BLv，故A错误；根据闭合电路欧姆定律可知线框中的感应电流为I＝＝，故B正确；cd边所受的安培力大小为F安＝BIL＝，故C正确； a、c两端的电压为U＝I＝，故D错误。故选BC。 A．金属棒的最大加速度为g B．金属棒匀速运动前做加速度不断减小的变加速运动 C．金属棒的最大速度为 D．通过电阻R的电荷量为 当金属棒开始运动时，无感应电流，无安培力，则此时加速度最大，由于金属棒只受重力，则此时加速度为g，A正确；金属棒由静止释放后速度增大，由于E＝BLv，则感应电动势增大，则感应电流增大，由安培定则和左手定则可知，安培力方向向上，且F安＝BIL，则安培力增大，由牛顿第二定律可知mg－BIL＝ma，加速度逐渐减小，直到mg＝BIL，受力平衡做匀速运动，则金属棒匀速运动前做加速度不断减小的 变加速运动，B正确；当速度最大时，可知mg＝BIL，由于I＝＝，可得，vmax＝，C错误；通过电阻R的电荷量为q＝Δt＝Δt＝＝，D正确。 $$