電磁感應(yīng)中的聯(lián)系實際問題分析發(fā)電機和電動機的原理分析 發(fā)電機電動機SNSN課前學習任務(wù)一 請同學們借助導(dǎo)體棒、平行導(dǎo)軌、勻強磁場，設(shè)計一個簡單的發(fā)電裝置！借助電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)發(fā)電的裝置： 間距為 L 的兩根光滑導(dǎo)軌，平行且水平放置，一端連接著電阻，導(dǎo)軌所在空間存在豎直向下的勻強磁場，磁感應(yīng)強度為 B。導(dǎo)體棒 MN 放在導(dǎo)軌上，其長度恰好等于導(dǎo)軌間距，與導(dǎo)軌接觸良好，假設(shè)導(dǎo)軌足夠長，導(dǎo)體棒在水平力作用下以速度v向右做勻速運動。問題1 電源是通過非靜電力做功把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢能的裝置，圖中誰是電源？電源內(nèi)部是誰充當?shù)姆庆o電力？關(guān)于發(fā)電機原理的探討任務(wù)一： “電源”是誰？問題1 電源導(dǎo)體棒；非靜電力自由電子受到的洛倫茲力vF=evB關(guān)于發(fā)電機原理的探討任務(wù)一： “電源”是誰？問題2 在電源內(nèi)部，電源移動電荷，增加電荷的電勢能。在物理學中，我們用非靜電力所做的功與所移動的電荷量之比來表示電源的這種特性，叫作電動勢（electromotiveforce）請從非靜電力做功角度求出電源電動勢。關(guān)于發(fā)電機原理的探討任務(wù)一： “電源”是誰？vF=evB問題2Wn e B LEBLqne非vvvF=evB關(guān)于發(fā)電機原理的探討任務(wù)一： “電源”是誰？關(guān)于發(fā)電機原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？問題3 若電路中電流為I，經(jīng)過時間 t 電源產(chǎn)生多少電能？vF=evB關(guān)于發(fā)電機原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？問題3 若電路中電流為I，經(jīng)過時間t，電源產(chǎn)生的電能：EEItBLIt電vvF=evB關(guān)于發(fā)電機原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？問題4 時間 t 電源產(chǎn)生的電能與電源內(nèi)部非靜電力(洛倫茲力）做功什么關(guān)系？BL ItBLqn e B LvvvvF=evB關(guān)于發(fā)電機原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？ 在磁場一章我們學過“洛倫茲力”不做功，那么這里卻推測充當非靜電力的洛倫茲力做功，前后矛盾矛盾么？vF=evB問題5提示1：從自由電子受力視角分析！提示2：從能量守恒視角分析！vF=evB關(guān)于發(fā)電機原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？問題5提示1：從自由電子受力視角分析：evB只是洛倫茲力的一個分力，由于電子沿電路定向移動(速度為u)，因此洛倫茲力的另一個分力euB也是要考慮的。vF=evBuF=euB關(guān)于發(fā)電機原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？問題5問題5提示1：W1=evBut W2=- euBvtW1 +W2=0因此，洛倫茲力不做功，但是每一個分力都做功，每一個分力做功的意義又是什么？vuF=euBF電F=evB關(guān)于發(fā)電機原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？提示1：從自由電子受力視角分析！提示2：從能量守恒視角分析！關(guān)于發(fā)電機原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？問題5提示2： 一定是外力F做功給系統(tǒng)帶來了能量，那外力F 對導(dǎo)體棒做正功，導(dǎo)體棒的機械能為什么沒有增加？問題5關(guān)于發(fā)電機原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？提示2： 導(dǎo)體棒還要克服安培力做功，所以外力做功帶來的能量又通過導(dǎo)體棒克服安培力做功轉(zhuǎn)化了，所以導(dǎo)體棒的機械能并沒有增加。關(guān)于發(fā)電機原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？問題5F安F安F=euB問題6關(guān)于發(fā)電機原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？安培力F安是導(dǎo)體棒內(nèi)所有自由電子受洛倫茲力（F=euB）的宏觀體現(xiàn)。FILBneuSLBnSL euBnSL F安F安F=euB問題6關(guān)于發(fā)電機原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？關(guān)于發(fā)電機原理的探討任務(wù)二： “電能”從哪里來？問題7：結(jié)合提示1和2，請反思梳理：“電能”從哪里來？怎么來的？課前學習任務(wù)二 請同學們借助電源、導(dǎo)體棒、平行導(dǎo)軌、勻強磁場，設(shè)計一個電動機的簡易裝置！ 將“電阻”變成“電源”，就實現(xiàn)了將“電能”轉(zhuǎn)化為“機械能”，同學們你想到了么？ 上述裝置實現(xiàn)了將“電能”轉(zhuǎn)化為“機械能”的裝置，如果想讓機械能繼續(xù)傳輸出去，我們還可以做進一步調(diào)整。關(guān)于電動機的探討任務(wù)一： “機械能”從哪里來？ 。 問題1：簡化情景導(dǎo)體棒通過滑輪勻速提升重物，速度為v，此時電路中的電流為I ，求時間 t 內(nèi)電動機輸出的 “機械能”（其他條件不變）？關(guān)于電動機的探討任務(wù)一： “機械能”從哪里來？ 。 E機=BILvt問題1：簡化情景導(dǎo)體棒通過滑輪勻速提升重物，速度為v，此時電路中的電流為I ，求時間 t 內(nèi)電動機輸出的 “機械能”（其他條件不變）？問題2：為什么安培力做功等于機械能增量？關(guān)于電動機的探討任務(wù)一： “機械能”從哪里來？ 。 因為導(dǎo)體棒牽系重物勻速運動，所以： mg= BLI E機=BILvtF安mg關(guān)于電動機的探討任務(wù)二： “電能”是怎么轉(zhuǎn)化為機械能的？ 。 提示：從微觀視角分析問題3：如果說“電能”轉(zhuǎn)化為“機械能”是借助安培力做功實現(xiàn)的，安培力做功等于電能減少量么？ 。 關(guān)于電動機的探討任務(wù)二： “電能”是怎么轉(zhuǎn)化為機械能的？vuF=evBF=euB問題3：如果說“電能”轉(zhuǎn)化為“機械能”是借助安培力做功實現(xiàn)的，安培力做功等于電能減少量么？ 。 微觀視角：自由電子受到的洛倫茲力F=evB是阻礙電荷定向移動的，這個力做功使電能減少。關(guān)于電動機的探討任務(wù)二： “電能”是怎么轉(zhuǎn)化為機械能的？問題3：如果說“電能”轉(zhuǎn)化為“機械能”是借助安培力做功實現(xiàn)的，安培力做功等于電能減少量么？vuF=evBF=euBF電f問題4：基于電磁感應(yīng)的知識，導(dǎo)體棒勻速運動的過程中也會產(chǎn)生一個電動勢E反 =BLv，我們將它叫做反電動勢，經(jīng)過上述分析，你能理解“反”的含義么？ 。 關(guān)于電動機的探討任務(wù)二： “電能”是怎么轉(zhuǎn)化為機械能的？vuF=evBF=euB 。 E機=BILvt=BLvIt= E反It電源電動勢給電路帶來電能，而“反”電動勢卻使電能減少。關(guān)于電動機的探討任務(wù)二： “電能”是怎么轉(zhuǎn)化為機械能的？vuF=evBF=euB總結(jié)提升： 經(jīng)歷了對電動機和發(fā)電機工作原理的探究，同學們對“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”這句話有沒有更進一步的認識？由“磁”生“電”機械能電能發(fā)電機電能機械能電動機例：磁場磁感應(yīng)強度為B，光滑金屬軌道相距為L，電阻不計；直流電源內(nèi)阻不計、電動勢為E。金屬桿 ab 電阻為 R ，物塊質(zhì)量為m，最初細繩處于伸直狀態(tài)（細繩足夠長）。接通電路后，桿ab拉著物塊由靜止開始做加速運動。由于桿ab切割磁感線，因而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E。a請分析桿ab在加速的過程中所受安培力F 如何變化，并求桿的最終速度vm；b當電路中的電流為 I 時，請證明電源的電 能轉(zhuǎn)化為機械能的功率為EI。22B LFRvEEIRFmgFILB例：磁場磁感應(yīng)強度為B，光滑金屬軌道相距為L，電阻不計；直流電源內(nèi)阻不計、電動勢為E。金屬桿 ab 電阻為 R ，物塊質(zhì)量為m，最初細繩處于伸直狀態(tài)（細繩足夠長）。接通電路后，桿ab拉著物塊由靜止開始做加速運動。由于桿ab切割磁感線，因而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E 。a請分析桿ab在加速的過程中所受安培力F 如何變化，并求桿的最終速度vm；m22EmgRBLB LvEBLv例：磁場磁感應(yīng)強度為B，光滑金屬軌道相距為L，電阻不計；直流電源內(nèi)阻不計、電動勢為E。金屬桿 ab 電阻為 R 物塊質(zhì)量為m，最初細繩處于伸直狀態(tài)（細繩足夠長）。接通電路后，桿ab拉著物塊由靜止開始做加速運動。由于桿ab切割磁感線，因而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E 。b當電路中的電流為 I 時，請證明電源的電 能轉(zhuǎn)化為機械能的功率為EI。2EII RE I