《高中物理二轮专题》PPT课件 99页

专题七电磁感应现象及其应用\n高考真题体验A．感应电动势的大小与线圈的匝数无关B．穿过线圈的磁通量越大，感应电动势越大C．穿过线圈的磁通量变化越快，感应电动势越大D．感应电流产生的磁场方向与原磁场方向始终相同\n【答案】C\n【例2】(2011·江苏高考)如图所示，固定的水平长直导线中通有电流I，矩形线框与导线在同一竖直平面内，且一边与导线平行．线框由静止释放，在下落过程中()A．穿过线框的磁通量保持不变B．线框中感应电流方向保持不变C．线框所受安培力的合力为零D．线框的机械能不断增大\n【解析】本题主要考查楞次定律以及安培力问题．意在考查学生的推理能力．当线框由静止向下运动时，穿过线框的磁通量逐渐减小，根据楞次定律可得产生的感应电流的方向为顺时针且方向不发生变化，A错误，B正确；因线框上下两边所在处的磁场强弱不同，线框所受的安培力的合力一定不为零，C错误；整个线框所受的安培力的合力竖直向上，对线框做负功，线框的机械能减小，D错误．【答案】B\n【例3】(2011·福建高考)如图，足够长的U型光滑金属导轨平面与水平面成θ角(0<θ<90°)，其中MN与PQ平行且间距为L，导轨平面与磁感应强度为B的匀强磁场垂直，导轨电阻不计．金属棒ab由静止开始沿导轨下滑，并与两导轨始终保持垂直且良好接触，ab棒接入电路的电阻为R，当流过ab棒某一横截面的电量为q时，棒的速度大小为v，则金属棒ab在这一过程中()B\n\n【例4】(2011·全国高考)如图，两根足够长的金属导轨ab、cd竖直放置，导轨间距离为L，电阻不计．在导轨上端并接两个额定功率均为P、电阻均为R的小灯泡．整个系统置于匀强磁场中，磁感应强度方向与导轨所在平面垂直．现将一质量为m、电阻可以忽略的金属棒MN从图示位置由静止开始释放．金属棒下落过程中保持水平，且与导轨接触良好．已知某时刻后两灯泡保持正常发光．重力加速度为g.求：(1)磁感应强度的大小；(2)灯泡正常发光时导体棒的运动速率．\n\n\n考点考情分析高频考点要求1.法拉第电磁感应定律Ⅱ2.楞次定律Ⅱ3.自感、涡流Ⅰ\n考情分析1.高考对本专题知识的考查选择题和计算题两种题型均有，考查的难度低、中、高档题均有．2．主要考查法拉第电磁感应定律、楞次定律、右手定则及其应用；并以图象形式考查感应电流方向的判断及感应电动势大小的计算．本专题知识还与直流电路、电场、运动定律、能量守恒等知识结合起来综合命题，对考生的综合分析能力要求较高.\n核心知识回顾运动电荷、电流产生磁场安培定则磁场对运动电荷、电流作用力左手定则电磁感应部分导体切割磁感线运动右手定则闭合电路磁通量变化楞次定律\n二、对楞次定律的理解1．谁阻碍谁——感应电流的磁场阻碍产生感应电流的磁场的磁通量的变化．2．阻碍什么——阻碍的是穿过回路的磁通量的变化，而不是磁通量本身．3．如何阻碍——当原磁通量增加时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反；当原磁通量减少时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同，即“增反减同”.\n\n\n\n\n方法技巧提升2．确定感应磁场：即根据楞次定律中的“阻碍”原则，结合原磁场磁通量变化情况，确定出感应电流产生的感应磁场的方向．3．判定电流方向：即根据感应磁场的方向，运用安培定则判断出感应电流方向．\n\n\n\n四、几种常见感应问题的分析方法1．电路问题(1)将切割磁感线导体或磁通量发生变化的回路作为电源，确定感应电动势和内阻．(2)画出等效电路．(3)运用闭合电路欧姆定律，串、并联电路特点，电功率公式，焦耳定律公式等求解．\n\n(3)在力和运动的关系中，要注意分析导体受力，判断导体加速度方向、大小及变化；加速度等于零时，速度最大，导体最终达到稳定状态是该类问题的重要特点．\n\n(2)明确功能关系，确定有哪些形式的能量发生了转化．如有摩擦力做功，必有内能产生；有重力做功，重力势能必然发生变化；安培力做负功，必然有其他形式的能转化为电能．(3)根据不同物理情景选择动能定理，能量守恒定律，功能关系，列方程求解问题．\n4．图象问题(1)常见图象有I－t、B－t、Φ－t、E－t.有时还有E－x、I－x图象．(2)分析图象问题，先分析初始条件，再确定方向对应，再确定物理量大小变化趋势的对应．\n\n高频考点突破考点一电磁感应中的图象问题【例1】在竖直向上的匀强磁场中，水平放置一个不变形的单匝金属圆线圈，规定线圈中感应电流的正方向如图所示，当磁场的磁感应强度B随时间t如图变化时，在下图中正确表示线圈感应电动势E变化的是()\n【答案】A\n变式训练1等腰三角形内有垂直于纸面向外的匀强磁场，它的底边在x轴上且长为2L，高为L.t＝0时刻，边长为L的正方形导线框从图示位置沿x轴正方向匀速穿过磁场，取顺时针方向为电流的正方向，则能够正确表示导线框中电流——位移(i—x)关系的是()\n解析：本题考查了电磁感应与图象方面的知识．边长为L的正方形导线框刚进入到磁场时，根据楞次定律可知，产生的感应电流为顺时针方向，且先增大后减小，当线框出磁场时同理可判断感应电流为逆时针方向，且先增大后减小，A选项正确．答案：A\n考点二电磁感应中的电路问题【例2】如图所示，由7根长度都是L的金属杆连接成的一个“日”字型的矩形金属框abcdef，放在纸面所在的平面内，有一个宽度也为L的匀强磁场，磁场边界跟cd杆平行，磁感应强度的大小是B，方向垂直于纸面向里，金属杆af、be、cd的电阻都为r，其他各杆的电阻不计，各杆端点间接触良好．现以速度v匀速地把金属框从磁场的左边界水平向右拉，从cd杆刚进入磁场瞬间开始计时，求：\n(1)cd杆在磁场中运动的过程中，通过af杆的电流；(2)从开始计时到金属框全部通过磁场的过程中，金属框中电流所产生的总热量Q.\n\n\n\n变式训练2两根光滑的长直金属导轨MN、M′N′平行置于同一水平面内，导轨间距为l，电阻不计，M、M′处接有如图所示的电路，电路中各电阻的阻值均为R，电容器的电容为C.长度也为l、阻值同为R的金属棒ab垂直于导轨放置，导轨处于磁感应强度为B、方向竖直向下的匀强磁场中．ab在外力作用下向右匀速运动且与导轨保持良好接触，在ab运动距离为x的过程中，整个回路中产生的焦耳热为Q.求\n(1)ab运动速度v的大小；(2)电容器所带的电荷量q.\n\n\n考点三电磁感应中的动力学问题【例3】如图所示，光滑斜面的倾角α＝30°，在斜面上放置一矩形线框abcd，ab边的边长L1＝1m，bc边的边长L2＝0.6m，线框的质量m＝1kg，电阻R＝0.1Ω，线框通过细线与重物相连，重物质量M＝2kg，斜面上ef线(ef∥gh∥ab)的右上方有垂直斜面向上的匀强磁场，磁感应强度B＝0.5T．如果线框从静止开始运动，进入磁场最初一段时间是匀速的，ef线和gh线的距离s＝11.4m(取g＝10m/s2)．求：(1)线框进入磁场时匀速运动的速度v.(2)ab边由静止开始运动到gh线所用的时间t.\n\n\n因此ab边由静止开始运动到gh线所用的时间t＝t1＋t2＋t3＝1.2s＋0.1s＋1.2s＝2.5s【答案】(1)6m/s(2)2.5s\n变式训练3如图所示，一正方形平面导线框abcd位于竖直平面内，经一条不可伸长的绝缘轻绳与砝码相连，并使其张紧处于静止状态，线框上方的一区域内有方向垂直于线框平面向里的匀强磁场．磁场区域的上、下边界与线框的ab、cd边平行，从某一位置释放线框和砝码系统，使线框ab边刚进入磁场时就开始做匀速运动．已知线框边长l＝0.20m，磁场区域的宽度为h＝1.10m，线框质量m1＝0.10kg，电阻R＝0.10Ω，砝码质量m2＝0.14kg，磁感应强度B＝1.0T．轻绳绕过两等高的轻滑轮，不计绳与滑轮间的摩擦和空气阻力，重力加速度取g＝10m/s2.试求：(1)线框做匀速运动的速度大小；(2)当线框ab边刚穿出磁场上边界时轻绳上的弹力大小．\n\n\n\n因此线圈受到向下的安培力F安2＝BI2l⑨对系统由牛顿第二定律得F安2＋(m1－m2)g＝(m1＋m2)a⑩以砝码为研究对象，由牛顿第二定律得F2－m2g＝m2a⑪由⑥⑦⑧⑨⑩⑪式解并代入数据得F2＝1.63N答案：(1)1m/s(2)1.63N\n考点四电磁感应中的能量转化问题【例4】如图所示，质量m1＝0.1kg，电阻R1＝0.3Ω，长度l＝0.4m的导体棒ab横放在U形金属框架上．框架质量m2＝0.2kg，放在绝缘水平面上，与水平面间的动摩擦因数μ＝0.2.相距0.4m的MM′、NN′相互平行，电阻不计且足够长．电阻R2＝0.1Ω的MN垂直于MM′.整个装置处于竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度B＝0.5T．\n垂直于ab施加F＝2N的水平恒力，ab从静止开始无摩擦地运动，始终与MM′、NN′保持良好接触．当ab运动到某处时，框架开始运动．设框架与水平面间最大静摩擦力等于滑动摩擦力，g取10m/s2.\n(1)求框架开始运动时ab速度v的大小；(2)从ab开始运动到框架开始运动的过程中，MN上产生的热量Q＝0.1J，求该过程ab位移x的大小．\n【解析】(1)ab对框架的压力F1＝m1g框架受水平面的支持力FN＝m2g＋F1依题意，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，则框架受到的最大静摩擦力F2＝μFNab产生的感应电动势E＝Blv\n\n【答案】(1)6m/s(2)1.1m\n变式训练4如图甲所示，光滑且足够长的平行金属导轨MN、PQ固定在同一水平面上，两导轨间距L＝0.30m．导轨电阻忽略不计，其间连接有固定电阻R＝0.40Ω.导轨上停放一质量m＝0.10kg.电阻r＝0.20Ω的金属杆ab，整个装置处于磁感应强度B＝0.50T的匀强磁场中，磁场方向竖直向下．用一外力F沿水平方向拉金属杆ab，使之由静止开始运动，电压传感器可将R两端的电压U即时采集并输入电脑，获得电压U随时间t变化的关系如图乙所示．\n\n(1)利用上述条件证明金属杆做匀加速直线运动，并计算加速度的大小；(2)求第2s末外力F的瞬时功率；(3)如果水平外力从静止开始拉动杆2s所做的功W＝0.35J，求金属杆上产生的焦耳热．\n\n\n\n\n\n基础巩固训练1．如图所示，矩形导线框abcd与无限长通电直导线MN在同一平面内，直导线中的电流方向由M到N，导线框的ab边与直导线平行．若直导线中的电流增大，导线框中将产生感应电流，导线框会受到安培力的作用，则以下关于导线框受到的安培力的判断正确的是()\n\nA．导线框有两条边所受安培力的方向相同B．导线框有两条边所受安培力的大小相同C．导线框所受的安培力的合力向左D．导线框所受的安培力的合力向右\n解析：本题考查电磁感应及安培力．导线框abcd处于通电直导线MN电流的磁场中，由右手定则可得导线框abcd处于垂直于纸面向里的磁场中，当电流增强时，导线框中的磁通量增强，由楞次定律可得感应电流产生的磁场应垂直于纸面向外，所以导线框abcd的感应电流为逆时针方向，bc边与ad边，ab边与cd边电流方向相反，由左手定则可得：\nab边安培力水平向右，大小为Fab，cd边安培力水平向左，大小为Fcd，由于ab边离导线MN较近，磁感应强度大，可得Fab>Fcd；bc边与ad边上的安培力方向分别竖直向下和竖直向上，由于这两边磁感线疏密情况相同，这两边的安培力平衡，可得导线框整体所受的合力方向水平向右，B、D正确，A、C错误．答案：BD\n2.在下列四个情景中，虚线上方空间都存在方向垂直纸面向里的匀强磁场．A、B中的导线框为正方形，C、D中的导线框为直角扇形．各导线框均绕轴O在纸面内匀速转动，转动方向如箭头所示，转动周期均为T.从线框处于图示位置时开始计时，以在OP边上从P点指向O点的方向为感应电流i的正方向．则四个情景中，产生的感应电流i随时间t的变化规律符合i—t图象的是()\n\n解析：本题考查电磁感应中的图象问题．线框转动90°后开始进入磁场，由楞次定律结合右手定则可得，若线框顺时针转动进入磁场时产生的感应电流由O点指向P点为负值，线框逆时针转动进入磁场时产生的感应电流由P点指向O点为正值，所以B、D错误；线框若为正方形，进入磁场后的一段时间内切割磁感线的有效长度越来越大，产生的电动势不为定值，感应电流不恒定，A错误；\n线框若为扇形，进入磁场后转动90°的时间内切割的有效长度恒为半径，为定值，产生的电动势恒定，电流恒定，C正确．答案：C\n3.一个刚性矩形铜制线圈从高处自由下落，进入一水平的匀强磁场区域，然后穿出磁场区域继续下落，如图所示，则()A．若线圈进入磁场过程是匀速运动，则离开磁场过程一定是匀速运动B．若线圈进入磁场过程是加速运动，则离开磁场过程一定是加速运动\nC．若线圈进入磁场过程是减速运动，则离开磁场过程一定是减速运动D．若线圈进入磁场过程是减速运动，则离开磁场过程一定是加速运动\n解析：本题考查电磁感应现象和牛顿运动定律．由图可知，线圈的宽度远小于磁场边界的宽度，所以当线圈匀速进入时，速度恒定，但线圈完全进入磁场后，穿过线圈的磁通量不发生变化，没有感应电流，线圈只受重力，做加速度为g的匀加速运动，所以离开磁场时速度大于进入磁场时的速度，安培力一定大于重力，线圈一定做减速运动，所以选项A错误；\n同理，如果进入的过程是加速运动，速度增大，完全进入后又做加速度为g的匀加速运动，速度也增大，所以离开时应该有三种可能，加速离开、匀速离开或减速离开，故选项B错误；如果线圈进入的过程是减速运动，速度减小，但完全进入后又做加速度为g的匀加速运动，由图中的磁场宽度可知，离开时的速度一定会大于进入时的速度，所以离开时一定做减速运动，所以选项C正确、D错误．答案：C\n4.如图所示，A是一边长为L的正方形导线框．虚线框内有垂直纸面向里的匀强磁场，磁场宽度为3L.线框的bc边与磁场左右边界平行且与磁场左边界的距离为L.现维持线框以恒定的速度v沿x轴正方向运动．规定磁场对线框作用力沿x轴正方向为正，且在图示位置时为计时起点，则在线框穿过磁场的过程中，磁场对线框的作用力随时间变化的图象正确的是()\n\n答案：B\n5.如图所示，空间存在两个磁场，磁感应强度大小均为B，方向相反且垂直纸面，MN、PQ为其边界，OO′为其对称轴．一导线折成边长为L的正方形闭合线框abcd，线框在外力作用下由纸面内图示位置从静止开始向右做匀加速运动，若以逆时针方向为电流的正方向，则从线框开始运动到ab边刚进入到PQ右侧磁场的过程中，能反映线框中感应电流随时间变化规律的图象是()\n\n答案：B\n\n\n\n\n7．如图甲所示，在一个正方形金属线圈区域内，存在着磁感应强度B随时间变化的匀强磁场，磁场的方向与线圈平面垂直．金属线圈所围的面积S＝200cm2，匝数n＝1000,线圈电阻r＝1.0Ω.线圈与电阻R构成闭合回路，电阻R＝4.0Ω.匀强磁场的磁感应强度随时间变化的情况如图乙所示．求：\n(1)在t＝2.0s时刻，通过电阻R的感应电流大小；(2)在t＝5.0s时刻，电阻R消耗的电功率；(3)0～6.0s内整个闭合电路中产生的热量．\n\n\n\n8．如图甲所示，两条足够长的光滑平行金属导轨竖直放置，导轨间距为L＝1m，两导轨的上端间接有电阻，阻值R＝2Ω，虚线OO′下方是垂直于导轨平面向里的匀强磁场，磁场磁感应强度为2T，现将质量m＝0.1kg、电阻不计的金属杆ab，从OO′上方某处由静止释放，金属杆在下落的过程中与导轨保持良好接触，且始终保持水平，不计导轨的电阻．已知金属杆下落0.3m的过程中加速度a与下落距离h的关系图象如图乙所示．求：\n(1)金属杆刚进入磁场时速度多大？下落了0.3m时速度为多大？(2)金属杆下落0.3m的过程中，在电阻R上产生的热量；(3)金属杆下落0.3m的过程中，通过电阻R的电荷量q.\n\n\n\n