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- 2021-05-25 发布
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1
微型专题 3 电磁感应中的电路
问题和图像问题
[目标定位] 1.掌握电磁感应现象中电路问题的分析方法和解题基本思路.2.综合应用楞次定
律和法拉第电磁感应定律解决电磁感应中的图像问题.
一、电磁感应中的电路问题
电磁感应问题常与电路知识综合考查,解决此类问题的基本方法是:
(1)明确哪部分电路或导体产生感应电动势,该部分电路或导体就相当于电源,其他部分是外
电路.
(2)画等效电路图,分清内、外电路.
(3)用法拉第电磁感应定律 E=n
ΔΦ
Δt 或 E=BLv 确定感应电动势的大小,用楞次定律或右手定
则确定感应电流的方向.在等效电源内部,电流方向从负极流向正极.
(4)运用闭合电路欧姆定律、串并联电路特点、电功率、电热等公式联立求解.
例 1 粗细均匀的电阻丝围成的正方形线框置于有界匀强磁场中,磁场方向垂直于线框平面,
其边界与正方形线框的边平行.现使线框以同样大小的速度沿四个不同方向平移出磁场,如
图所示,则在移出过程中线框的一边 a、b 两点间电势差的绝对值最大的是( )
2
答案 B
解析 磁场中切割磁感线的边相当于电源,外电路可看成由三个相同电阻串联形成,A、C、D
选项中 a、b 两点间电势差的绝对值为外电路中一个电阻两端的电压:U=
1
4E=
BLv
4 ,B 选项中
a、b 两点间电势差的绝对值为路端电压:U′=
3
4E=
3BLv
4 ,所以 a、b 两点间电势差的绝对值
最大的是 B 图.
例 2 固定在匀强磁场中的正方形导线框 abcd 边长为 L,其中 ab 是一段电阻为 R 的均匀电
阻丝,其余三边均为电阻可以忽略的铜线.磁感应强度为 B,方向垂直纸面向里.现有一段
与 ab 段的材料、粗细、长度均相同的电阻丝 PQ 架在导线框上(如图 1 所示).若 PQ 以恒定的
速度 v 从 ad 滑向 bc,当其滑过
L
3的距离时,通过 aP 段的电流是多大?方向如何?
图 1
答案
6BvL
11R 方向由 P 到 a
解析 PQ 在磁场中做切割磁感线运动产生感应电动势,由于是闭合回路,故电路中有感应电
流,可将电阻丝 PQ 视为有内阻的电源,电阻丝 aP 与 bP 并联,且 RaP=
1
3R、RbP=
2
3R,于是可
画出如图所示的等效电路图.
电源电动势为 E=BLv,外电阻为
R 外=
RaPRbP
RaP+RbP=
2
9R.
3
总电阻为 R 总=R 外+r=
2
9R+R,即 R 总=
11
9 R.
电路中的电流为:I=
E
R总=
9BLv
11R .
通过 aP 段的电流为:IaP=
RbP
RaP+RbPI=
6BvL
11R ,方向由 P 到 a.
1.“电源”的确定方法:“切割”磁感线的导体(或磁通量发生变化的线圈)相当于“电源”,
该部分导体(或线圈)的电阻相当于“内电阻”.
2.电流的流向:在“电源”内部电流从负极流向正极,在“电源”外部电流从正极流向负
极.
二、电磁感应中的图像问题
1.对于图像问题,搞清物理量之间的函数关系、变化范围、初始条件、斜率的物理意义等,
往往是解题的关键.
2.解决图像问题的一般步骤
(1)明确图像的种类,即是 B-t 图像还是 Φ-t 图像,或者是 E-t 图像、I-t 图像等.
(2)分析电磁感应的具体过程.
(3)确定感应电动势(或感应电流)的大小和方向,有下列两种情况:
①若回路面积不变,磁感应强度变化时,用楞次定律确定感应电流的方向,用 E=n
ΔΦ
Δt 确定
感应电动势大小的变化.
②若磁场不变,导体垂直切割磁感线,用右手定则判断感应电流的方向,用 E=BLv 确定感应
电动势大小的变化.
(4)涉及受力问题,可由安培力公式 F=BIL 和牛顿运动定律等规律写出有关函数关系式.
(5)画图像或判断图像.特别注意分析斜率的变化、截距等.
例 3 在竖直方向的匀强磁场中,水平放置一圆形导体环.规定导体环中电流的正方向如图
2 甲所示,磁场的磁感应强度向上为正.当磁感应强度 B 随时间 t 按图乙所示规律变化时,
下列能正确表示导体环中感应电流变化情况的是 ( )
图 2
4
答案 C
解析 根据法拉第电磁感应定律有:E=n
ΔΦ
Δt =nS
ΔB
Δt,因此在面积、匝数不变的情况下,感
应电动势与磁场的变化率成正比,即与 B-t 图像中的斜率成正比,由题图乙可知:0~2 s,
斜率不变,故感应电流不变,根据楞次定律可知感应电流方向为顺时针(从上向下看)即为正
值,2~4 s 斜率不变,电流方向为逆时针(从上向下看),整个过程中的斜率大小不变,所以
感应电流大小不变,故 A、B、D 错误,C 正确.
例 4 如图 3 所示,一底边长为 L,底边上的高也为 L 的等腰三角形导体线框以恒定的速度 v
沿垂直于磁场区域边界的方向穿过长为 2L、宽为 L 的匀强磁场,磁场方向垂直纸面向里.t=
0 时刻,三角形导体线框的底边刚进入磁场,取沿逆时针方向的感应电流为正方向,则在三
角形导体线框穿过磁场区域的过程中,感应电流 i 随时间 t 变化的图线可能是( )
图 3
答案 A
解析 根据 E=BLv,I=
E
R=
BLv
R 可知,三角形导体线框进、出磁场时,有效长度 L 都变小,
则 I 也变小.再根据楞次定律及安培定则,可知进、出磁场时感应电流的方向相反,进磁场
时感应电流方向为正方向,出磁场时感应电流方向为负方向,故选 A.
5
线框进、出匀强磁场,可根据 E=BLv 判断 E 的大小变化,再根据楞次定律判断方向.特别注
意 L 为切割的有效长度.
1.(电磁感应中的图像问题)(多选)如图 4 甲所示,一个闭合线圈固定在垂直纸面的匀强磁场
中,设向里为磁感应强度 B 的正方向,线圈中的箭头为电流 I 的正方向.线圈中感应电流 I
随时间变化的图线如图乙所示,则磁感应强度 B 随时间变化的图线可能是下图中的( )
图 4
答案 CD
2.(电磁感应中的图像问题)如图 5 所示,两条平行虚线之间存在匀强磁场,虚线间的距离为
L,磁场方向垂直纸面向里,abcd 是位于纸面内的梯形线圈,ad 与 bc 间的距离也为 L,t=0
时刻 bc 边与磁场区域边界重合.现令线圈以恒定的速度 v 沿垂直于磁场区域边界的方向穿过
磁场区域,取沿 abcda 方向为感应电流正方向,则在线圈穿越磁场区域的过程中,感应电流 I
随时间 t 变化的图线可能是 ( )
图 5
6
答案 B
解析 由于 bc 进入磁场时,根据右手定则判断出其感应电流的方向是沿 adcba 的方向,其方
向与电流的正方向相反,故是负的,所以 A、C 错误;当逐渐向右移动时,线圈切割磁感线的
有效长度在增加,故感应电流在增大;当 bc 边穿出磁场区域时,线圈中的感应电流方向变为
abcda,是正方向,故其图像在时间轴的上方,所以 B 正确,D 错误.
3.(电磁感应中的电路问题)如图 6 所示,在磁感应强度 B=2 T 的匀强磁场中,有一个半径 r
=0.5 m 的金属圆环.圆环所在的平面与磁感线垂直,OA 是一个金属棒,它沿着顺时针方向
以 20 rad/s 的角速度绕圆心 O 匀速转动.A 端始终与圆环良好接触,OA 棒的电阻 R=0.1
Ω,图中定值电阻 R1=100 Ω、R2=4.9 Ω,电容器的电容 C=100 pF.圆环和连接导线的电
阻忽略不计,则:
图 6
(1)电容器所带的电荷量是多少?哪个极板带正电?
(2)电路中消耗的电功率是多少?
答案 (1)4.9×10-10 C 上极板带正电 (2)5 W
解析 (1)等效电路如图所示
金属棒 OA 产生的感应电动势为:
E=Blv=Brω
r
2=5 V,I=
E
R+R2=1 A.
则 Q=CUC=CIR2=4.9×10-10 C.
根据右手定则,感应电流的方向由 O→A,但金属棒切割磁感线相当于电源,在电源内部电流
从电势低处流向电势高处,故 A 点电势高于 O 点电势,所以电容器上极板与 A 点相接为正极,
带正电,同理电容器下极板与 O 点相接为负极,带负电.
(2)电路中消耗的电功率 P 消=I2(R+R2)=5 W,或 P 消=IE=5 W.
4.(电磁感应中的电路问题)如图 7 所示,有一范围足够大的匀强磁场,磁感应强度 B=0.2
7
T,磁场方向垂直纸面向里.在磁场中有一半径 r=0.4 m 的金属圆环,磁场与圆环面垂直,
圆环上分别接有灯 L1、L2,两灯的电阻均为 R0=2 Ω.一金属棒 MN 与圆环接触良好,棒与圆
环的电阻均忽略不计.
图 7
(1)若棒以 v0=5 m/s 的速率在环上向右匀速滑动,求棒滑过圆环直径的瞬间 MN 中的电动势
和流过灯 L1 的电流;
(2)撤去金属棒 MN,若此时磁场的磁感应强度随时间均匀变化,磁感应强度的变化率为
ΔB
Δt=
4
π T/s,求回路中的电动势和灯 L1 的电功率.
答案 (1)0.8 V 0.4 A (2)0.64 V 5.12×10-2 W
解析 (1)等效电路如图所示.
MN 中的电动势 E1=B·2r·v0=0.8 V
MN 中的电流 I=
2E1
R0 =0.8 A
流过灯 L1 的电流 I1=
I
2=0.4 A
(2)等效电路如图所示
回路中的电动势 E2=
ΔB
Δt·πr2
=0.64 V
回路中的电流 I′=
E2
2R0=0.16 A
灯 L1 的电功率 P1=I′2R0=5.12×10-2 W.
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