2.2.3 专题：电磁感应中的动力学和能量问题 课件-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

2.2.3专题：电磁感应中的动力学和能量问题 第二章 电 磁 感 应 1.会分析导体棒、线框在磁场中的受力情况(重点)。 2.能根据电流的变化分析导体棒、线框的受力变化情况和运动情况(重难点)。 3.能利用牛顿运动定律和平衡条件分析有关问题(重难点)。 4.理解电磁感应现象中的能量转化，会用动能定理、能量守恒定律分析有关问题(重难点)。 素养目标 如图所示，在竖直向下的磁感应强度大小为B的匀强磁场中，宽度为l的水平U形导体框左端连接一阻值为R的电阻，质量为m、接入电路的电阻为r的导体棒ab置于导体框上。不计导体框的电阻、导体棒与框间的摩擦。ab以水平向右的初速度v0开始运动，最终停在导体框上。分析导体棒的运动性质并定性画出导体棒运动的v-t图像。 解：导体棒向右运动过程中，根据右手定则可知，导体棒中的电流方向是从b到a，导体棒在电路中产生的感应电动势E=Blv 根据闭合电路欧姆定律可得I= 导体棒向右运动过程中，受到向左的安培力， 根据牛顿第二定律可得a=== 由此可知，导体棒向右做加速度减小的减速运动，当速度减为零时，加速度也减为零，其v-t图像如图所示。 一、电磁感应中的动力学问题 1.电磁感应问题中电学对象与力学对象的相互制约关系 一、电磁感应中的动力学问题 2、分析电磁感应现象中动力学问题的基本步骤 解决电磁感应中的动力学问题的一般思路是“先电后力”,具体思路如下: 一、电磁感应中的动力学问题 针对训练　(多选)(来自教材改编)如图所示，MN和PQ是两根互相平行竖直放置的光滑金属导轨，已知导轨足够长，且电阻不计。ab是一根始终与导轨垂直且接触良好的金属杆。开始时，将开关S断开，让杆ab由静止开始自由下落，一段时间后，再将S闭合，若从S闭合开始计时，则金属杆ab的速度v随时间t变化的图像可能是（ ） ACD 一、电磁感应中的动力学问题 如图，水平U形光滑导轨，宽度L=1 m，电阻忽略不计，导体棒ab的质量m=0.2 kg、电阻R=0.5 Ω，始终垂直于导轨，匀强磁场的磁感应强度大小B=0.2 T，方向垂直导轨平面向上。现用F=1 N的恒定外力由静止开始向右拉ab棒，当ab棒向右运动的距离为d=0.5 m时速度达到2 m/s，求此时： (1)ab棒产生的感应电动势的大小； 当ab棒向右运动的距离为d=0.5 m时速度达到2 m/s，此时ab棒产生的感应电动势的大小E=BLv=0.2×1×2 V=0.4 V 例题精选 (2)ab棒的电流的大小和方向； 根据闭合电路欧姆定律可得通过ab棒的 电流大小为I== A=0.8 A 根据右手定则可知，通过ab棒的电流方向由a→b。 (3)ab棒的加速度a1。 此时ab棒受到的安培力大小为F安=BIL=0.16 N， 根据牛顿第二定律可得F-F安=ma1 解得加速度大小为a1=4.2 m/s2，方向水平向右。 例题精选 拓展　分析导体棒的运动性质并求出其运动过程中的最大速度。 F安=BIL，I=，E=BLv，根据牛顿第二定律得F-=ma，导体棒做加速度逐渐减小的加速运动，最终以最大速度匀速运动，当a=0时，导体棒有最大速度，即F=，解得vm=12.5 m/s。 例题精选 (1)例1中，导体棒运动过程中，克服安培力做了多少功？ 答案　由动能定理得：-W克安=0-m，解得W克安=m (2)求导体棒运动过程中，电阻R消耗的总电能。 答案　根据能量守恒定律可知，电路获得的总电能等于导体棒消耗的总机械能，即E=m 根据串联电路电压与电阻成正比，可得电阻R消耗的电能为ER=E 所以ER=。 二、电磁感应中的能量问题 1.电磁感应现象中的能量转化 二、电磁感应中的能量问题 2.焦耳热的计算 (1)电流恒定时，根据焦耳定律求解，即Q=I2Rt。 (2)感应电流变化时，可用以下方法分析： ①求出克服安培力做的功W克安，即W克安=ΔE电=Q(纯电阻电路)。 ②利用能量守恒定律，焦耳热等于其他形式能量的减少量。 3.导体棒克服安培力做的功等于整个电路产生的焦耳热Q(纯电阻电路)。电阻R产生的焦耳热为QR=Q，导体棒产生的焦耳热为Qr=Q。 二、电磁感应中的能量问题 (2025·百色市高二期末)如图，MN、PQ是两根电阻不计足够长的光滑平行金属导轨，间距L=0.5 m，导轨所在平面与水平面的夹角θ=30°，M、P间接有R=3 Ω的电阻。范围足够大的匀强磁场，磁感应强度大小为1.6 T，磁场方向垂直导轨所在平面向上。放在两导轨上的金属棒长度L=0.5 m、质量m=0.2 kg、电阻r=1 Ω，金属棒与导轨始终垂直并保持良好接触。金属棒在大小为1.8 N、方向平行于导轨向上的恒定拉力F的作用下，从静止开始向上运动，当金属棒沿着导轨向上滑动的距离为5 m时，金属棒开始做匀速运动，此过程中(g取10 m/s2) 例3 例题精选 (1)当金属棒的速度大小v1=1 m/s时，求金属棒两端的电压U； (2)求匀速运动时，拉力F对金属棒功率大小P0； 当金属棒速度大小为v1=1 m/s时， 根据法拉第电磁感应定律有E=BLv1 再根据闭合电路欧姆定律I= 则金属棒两端电压U=IR 联立解得U=0.6 V 设金属棒匀速时速度为v， 则有F=F安+mgsin θ，F安= 联立解得v=5 m/s 此时拉力功率大小P0=Fv 解得P0=9 W 例题精选 (3)求电阻R上产生的焦耳热。 金属棒从静止到匀速过程由动能定理得Fx-mgxsin θ-W安=mv2 根据功能关系和电路串联规律得电阻R产生的焦耳热QR=W安 联立解得QR=1.125 J 例题精选 (来自教材改编)(2025·天津市河北区高二期末)边长L=0.1 m的正方形导线框abcd质量m=0.01 kg，自高度h=0.2 m处由静止下落，如图所示。其下边ab进入匀强磁场区域后，线框开始做匀速运动，直到其上边dc刚好穿出匀强磁场为止，此匀强磁场区域宽度也是L，磁感应强度B=1 T。g取10 m/s2，不计空气阻力，求线框在穿越匀强磁场的过程中 (1)感应电流的方向； 根据楞次定律可知，线框进入磁场时感应电流方向为逆时针abcd，离开磁场时感应电流方向为顺时针adcb。 例题精选 (2)感应电流I的大小； 下边ab进入磁场，线框开始做匀速运动，有BIL=mg 解得I=1 A (3)线框的电阻R； 由自由落体运动得v2=2gh 下边ab进入磁场时有E=BLv 根据欧姆定律有R=，解得R=0.2 Ω (4)产生的焦耳热Q。 由能量守恒定律得Q=2mgL 解得Q=0.02 J 例题精选 $