高考物理第二轮复习专题 电磁感应和电路一 5页

‎2011年高考物理第二轮复习专题　电磁感应和电路（一）‎ ‎ 高考解读　本专题解决的是综合应用动力学和能量观点、分析和解决电磁感应过程中的运动和能量转化问题．‎ ‎ 高考对本部分内容的考查要求较高，常在选择题中考查电磁感应中的图象问题、变压器和交流电的描述问题，在计算题中作为压轴题，以导体棒运动为背景，综合应用电路的相关知识、牛顿运动定律和能的转化与守恒定律解决导体棒类问题．‎ ‎ 本专题考查的重点有以下几个方面：①楞次定律的理解和应用；②感应电流的图象问题；③电磁感应过程中的动态分析问题；④综合应用电路知识和能量观点解决电磁感应问题；⑤直流电路的分析；⑥变压器原理及三个关系；⑦交流电的产生及描述问题．‎ 二轮策略　对本专题的复习应注意“抓住两个定律，运用两种观点，分析三种电路”．两个定律是指楞次定律和法拉第电磁感应定律；两种观点是指动力学观点和能量观点；三种电路指直流电路、交流电路和感应电路．‎ 回归基础 ‎1．感应电流 (1)产生条件 ‎ ‎(2)方向判断 (3)“阻碍”的表现 ‎2．感应电动势的产生 ‎ (1)感生电场：英国物理学家麦克斯韦的电磁场理论认为，变化的磁场能在周空间激发电场，这种电场叫感生电场．感生电场是产生 的原因．感生电动势：由感生电场产生的电动势称为感生电动势.如果感生电场所在的空间存在导体,在导体中就能产生感生电动势,感生电动势在电路中的作用就是 ．‎ ‎ (3)动生电动势：由于导体运动而产生的感应电动势称为动生电动势.产生动生电动势的那部分导体相当于 .‎ ‎3．感应电动势的计算 ‎(1)法拉第电磁感应定律：E＝n.若B变，而S不变，则E＝ ；若S变而B不变，则E＝ .常用于计算 电动势．‎ ‎ (2)导体垂直切割磁感线：E＝Blv，主要用于求电动势的 值．‎ ‎ (3)如图1所示,导体棒围绕棒的一端在垂直磁场的平面内做匀速圆周运动而切割磁感线产生的电动势E＝ .‎ ‎(4)感应电荷量的计算: 回路中发生磁通量变化时，在Δt内迁移的电荷量(感应电荷量)为q＝IΔt＝Δt＝Δt＝.可见，q仅由回路电阻和 的变化量决定，与发生磁通量变化的时间无关．‎ 方法归纳 ‎1．判断电磁感应中闭合电路相对运动问题的分析方法 (1)常规法：根据原磁场(B原方向及ΔΦ情况)确 ‎ 定感应磁场(B感方向)判断感应电流(I感方向) 导体受力及运动趋势．‎ ‎ (2)效果法:由楞次定律可知,感应电流的“效果”总是阻碍引起感应电流的“原因”．即阻碍物体间的 ‎ 来作出判断．‎ ‎2．电磁感应中能量问题的解题思路 ‎ (1)明确研究对象、研究过程．‎ ‎ (2)进行正确的受力分析、运动分析、感应电路分析(E感和I感的大小、方向、变化)及相互制约关系．‎ ‎ (3)明确各力的做功情况及伴随的 情况．‎ ‎ (4)利用动能定理、能量守恒定律或功能关系列方程求解．‎ ‎3.解决感应电路综合问题的一般思路是“先电后力”，即：‎ ‎ 先作“源”的分析——分离出电路中由电磁感应所产生的电源，求出电源参数E和r；‎ ‎ 再进行“路”的分析——分析电路结构，弄清串并联关系，求出相关部分的电流大小，以便安培力的求解；‎ ‎ 然后是“力”的分析——分析研究对象(常是金属杆、导体线圈等)的受力情况，尤其注意其所受的安培力；‎ ‎ 接着进行“运动”状态的分析——根据力和运动的关系，判断出正确的运动模型；‎ ‎ 最后是“能量”的分析——寻找电磁感应过程和研究对象的运动过程中其能量转化和守恒的关系．‎ 典型例题 题型1　楞次定律和法拉第电磁感应定律的应用 例1 (2010·山东·21)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的正方形闭合回路abcd,回路在纸面内以恒定速度v0向右运动，当运动到关于OO′对称的位置时 ‎ A．穿过回路的磁通量为零 B．回路中感应电动势大小为2Blv0‎ ‎ C．回路中感应电流的方向为顺时针方向 D．回路中ab边与cd边所受安培力方向相同 变式训练1 北半球地磁场磁感应强度的竖直分量方向竖直向下．如图所示， 在长沙某中学实验室的水平桌面上,放置边长为L的正方形闭合导体线圈abcd，线圈的ab边沿南北方向，ad边沿东西方向．下列说法中正确的是 (　 　)‎ ‎ A.若使线圈向东平动，则a点的电势比b点的电势高 ‎ B.若使线圈向北平动，则a点的电势比b点的电势低 ‎ C.若以bc为轴将线圈向上翻转,则线圈中感应电流方向为a→b→c→d→a ‎ D.若以bc为轴将线圈向上翻转,则线圈中感应电流方向为a→d→c→b→a 题型2　图象问题 例2 电吉它是利用电磁感应原理工作的一种乐器。如图甲所示为电吉它拾音器的原理图，在金属弦的下方置有一个连接到放大器的螺线管。一条形磁铁固定在管内，当拨动金属弦后，螺线管内就会产生感应电流，经一系列转化后可将电信号转为声信号。若由于金属弦的振动，螺线管内的磁通量随时间的变化如图乙所示，则对应感应电流的变化为 变式训练2 如图所示，两个有界匀强磁场的磁感应强度大小均为B，方向分别垂直纸面向里和向外，磁场宽度均为L，距磁场区域的左侧L处，有一边长为L的正 方形导体线框，总电阻为R，且线框平面与磁场方向垂 直，现用外力F使线框以速度v匀速穿过磁场区域，以初始位置为计时起点，规定：电流沿逆时针方向时的电动势E为正，磁感线垂直纸面向里时磁通量Φ的方向为正，外力F向右为正．则以下关于线框中的磁通量Φ、感应电动势E、外力F和电功率P随时间变化的图象正确的是 ‎ 题型3　电磁感应过程的动力学分析 例3 如图所示，相距为l＝‎1 m的光滑平行金属导轨水平放置,一部分处在垂直于导轨平面的匀强磁场中，OO′是磁场的边界,磁感应强度为B＝0.5 T,导轨左端接有定值电阻R＝0.5 Ω,导轨电阻忽略不计,在磁场边界OO′处垂直于导轨放置一根质量为m＝‎1 kg,电阻也为R＝0.5 Ω的金属杆ab， (1)若ab杆在恒力F＝2 N的作用下，从OO′边界由静止开始向右运动，通过x＝‎1 m的距离到达cd位置时获得v1＝‎1 m/s的速度,若不考虑整个装置向外的电磁辐射.求此过程中整个电路产生的热量Q和到达cd时导体棒的加速度a;‎ ‎(2)若使ab杆从边界OO′处，由静止开始做加速度为a＝‎2 m/s2的匀加速直线运动，请你写出所施加的外力F与时间t的关系式．当ab杆通过x＝‎1 m的距离到达cd位置时，求外力的瞬时功率．‎ 变式训练3 如图所示，处于匀强磁场 中的两根足够长且电阻不计的平行金属导轨相距L，导轨平面与水平面重合，左端用导线连接电容为C的电容器(能承受的电压足够大).已知匀强磁场的磁感应强度大小为B、方向竖直向上.一质量为m、电阻不计的直金属棒垂 直放在两导轨上，一根绝缘的、足够长的轻绳一端与棒的中点连接，另一端跨过定滑轮挂一质量为m 的重物．现从静止释放重物并通过轻绳水平拖动金属棒运动(金属棒始终与导轨垂直并保持良好接触，不计滑轮质量和所有摩擦)．求：(1)若某时刻金属棒速度为v，则电容器两端的电压多大？‎ ‎(2)求证：金属棒的运动是匀加速直线运动；‎ ‎(3)当重物从静止开始下落一定高度时，电容器带电量为Q，则这个高度h多大？‎ 题型4　综合应用动力学和能量观点分析电磁感应问题 例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＝‎0.30 m．导轨电阻忽略不计，其间连接有固定电阻R＝0.40 Ω.导轨上停放一质量m＝‎0.10 kg、电阻r＝0.20 Ω的金属杆ab，整个装置处于磁感应强度B＝0.50 T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． (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2 s末外力F的瞬时功率；‎ ‎(3)如果水平外力从静止开始拉动杆2 s所做的功W＝0.35 J,求金属杆上产生的焦耳热．‎ 变式训练4 相距L＝‎1.5 m的足够长金属导轨竖直放置，质量为m1＝‎1 kg的金属棒ab和质量为m2＝‎0.27 kg的金属棒cd均通过棒两端的套环水平地套在金属导轨上,如图(a)所示，虚线上方磁场方向垂直纸面向里，虚线下方磁场方向竖直向下,两处磁场磁感应强度大小相同.ab棒光滑，cd棒与导轨间动摩擦因数为μ＝0.75，两棒 总电阻为1.8 Ω，导轨电阻不计．ab棒在方向竖直向上、大小按图(b)所示规律变化的外力F作用下，从静止开始沿导轨匀加速运动，同时cd棒也由静止释放．(1)指出在运动过程中ab棒中的电流方向和cd棒受到的安培力方向；‎ ‎(2)求出磁感应强度B的大小和ab棒加速度大小；‎ ‎(3)已知在2 s内外力F做功40 J，求这一过程中，两金属棒产生的总焦耳热；‎ ‎(4)判断cd棒将做怎样的运动，求出cd棒达到最大速度所需的时间t0，并在图(c)中定性画出cd棒所受摩擦力Ffcd随时间变化的图象．‎ 针对训练 ‎1．如图所示，水平地面上方矩形区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场,两个边长相等的单匝闭合正方形线圈Ⅰ和 Ⅱ，分别用相同材料、不同粗细的导线绕制(Ⅰ为细导线).两线圈在距磁场上界面h高处由静止开始自由下落，再进入磁场，最后落到地面，运动过程中，线圈平面始终保持在竖直平面内且下边缘平行于磁场上边界．设线圈Ⅰ、Ⅱ落地时的速度大小分别为v1、v2，在磁场中运动时产生的热量分别为Q1、Q2.不计空气阻力，则 ( 　　)‎ ‎ A．v1Q2 D．v1＝v2，Q1