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  • 2021-05-25 发布

2020版高中物理 第1章 微型专题3 电磁感应中的电路问题和图像问题学案 沪科版选修3-2

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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.