【物理】2018届二轮复习电磁感应的综合应用学案（全国通用） 9页

‎ 电磁感应的综合应用 高考频度：★★★★☆‎ 难易程度：★★★★☆‎ 发电机和电动机具有装置上的类似性，源于它们机理上的类似性。直流发电机和直流电动机的工作原理可以简化为如图1、图2所示的情景。在竖直向下的磁感应强度为B的匀强磁场中，两根光滑平行金属轨道MN、PQ固定在水平面内，相距为L，电阻不计。电阻为R的金属导体棒ab垂直于MN、PQ放在轨道上，与轨道接触良好，以速度v（v平行于MN）向右做匀速运动。图1轨道端点MP间接有阻值为r的电阻，导体棒ab受到水平向右的外力作用。图2轨道端点MP间接有直流电源，导体棒ab通过滑轮匀速提升重物，电路中的电流为I。‎ ‎（1）求在Δt时间内，图1“发电机”产生的电能和图2“电动机”输出的机械能。‎ ‎（2）从微观角度看，导体棒ab中的自由电荷所受洛伦兹力在上述能量转化中起着重要作用。为了方便，可认为导体棒中的自由电荷为正电荷。x+-k/w a．请在图3（图1的导体棒ab）、图4（图2的导体棒ab）中，分别画出自由电荷所受洛伦兹力的示意图。‎ b．我们知道，洛伦兹力对运动电荷不做功。那么，导体棒ab中的自由电荷所受洛伦兹力是如何在能量转化过程中起到作用的呢？请以图2“电动机”为例，通过计算分析说明。‎ ‎【参考答案】（1） （2）a．如图3、4 b．见解析 ‎【试题解析】（1）图1中，电路中的电流 棒ab受到的安培力F1=BI1L 在Δt时间内，“发电机”产生的电能等于棒ab克服安培力做的功 图2中，棒ab受到的安培力F2=BIL 在Δt时间内，“电动机”输出的机械能等于安培力对棒ab做的功 ‎（2）a．图3中，棒ab向右运动，由左手定则可知其中的正电荷受到b→a方向的洛伦兹力，在该洛伦兹力作用下，正电荷沿导体棒运动形成感应电流，有沿b→a方向的分速度，受到向左的洛伦兹力作用；图4中，在电源形成的电场作用下，棒ab中的正电荷沿a→b方向运动，受到向右的洛伦兹力作用，该洛伦兹力使导体棒向右运动，正电荷具有向右的分速度，又受到沿b→a方向的洛伦兹力作用。如图3、4。‎ b．设自由电荷的电荷量为q，沿导体棒定向移动的速率为u 如图4所示，沿棒方向的洛伦兹力，做负功 垂直棒方向的洛伦兹力，做正功 所以，即导体棒中一个自由电荷所受的洛伦兹力做功为零 做负功，阻碍自由电荷的定向移动，宏观上表现为“反电动势”，消耗电源的电能；做正功，宏观上表现为安培力做正功，使机械能增加。大量自由电荷所受洛伦兹力做功的宏观表现是将电能转化为等量的机械能，在此过程中洛伦兹力通过两个分力做功起到“传递能量的作用。‎ ‎【知识补给】‎ 电磁感应中的动力学问题 ‎1．解题方法：‎ ‎（1）选择研究对象，即哪一根导体棒或几根导体棒组成的系统；‎ ‎（2）用法拉第电磁感应定律和楞次定律求感应电动势的大小和方向；‎ ‎（3）求回路中的电流大小；‎ ‎（4）分析其受到的安培力和其他力的作用情况；‎ ‎（5）运用牛顿第二定律或平衡条件等列方程求解。‎ 解电磁感应中的动力学问题，关键是进行正确的受力分析和运动分析：‎ 导体受力运动切割磁感线产生感应电动势→感应电流→安培力→合外力变化→加速度变化→速度变化 一般在恒定磁场及无主动施加的外力情况下，加速度会趋于零，导体最终做匀速运动。‎ ‎3．电磁感应问题中两大研究对象及其相互制约关系：‎ 小明设计的电磁健身器的简化装置如图所示，两根平行金属导轨相距l=0.50 m，倾角θ=53°，导轨上端串接一个R=0.05 Ω的电阻。在导轨间长d=0.56 m的区域内，存在方向垂直导轨平面向下的匀强磁场，磁感应强度B=2.0 T。质量m=4.0 kg的金属棒CD水平置于导轨上，用绝缘绳索通过定滑轮与拉杆GH相连。CD棒的初始位置与磁场区域的下边界相距s=0.24 m。一位健身者用恒力F=80 N拉动GH杆，CD棒由静止开始运动，上升过程中CD棒始终保持与导轨垂直。当CD棒到达磁场上边界时健身者松手，触发恢复装置使CD棒回到初始位置（重力加速度g=10 m/s2，sin 53°=0.8，不计其他电阻、摩擦力以及拉杆和绳索的质量）。求：‎ ‎（1）CD棒进入磁场时速度v的大小；‎ ‎（2）CD棒进入磁场时所受的安培力FA的大小；‎ ‎（3）在拉升CD棒的过程中，健身者所做的功W和电阻产生的焦耳热Q。x,/k;’w 如图，两条相距l的光滑平行金属导轨位于同一水平面（纸面）内，其左端接一阻值为R的电阻；一与导轨垂直的金属棒置于两导轨上；在电阻、导轨和金属棒中间有一面积为S的区域，区域中存在垂直于纸面向里的均匀磁场，磁感应强度大小B1随时间t的变化关系为，式中k为常量；在金属棒右侧还有一匀强磁场区域，区域左边界MN（虚线）与导轨垂直，磁场的磁感应强度大小为B0，方向也垂直于纸面向里。某时刻，金属棒在一外加水平恒力的作用下从静止开始向右运动，在t0时刻恰好以速度v0越过MN，此后向右做匀速运动。金属棒与导轨始终相互垂直并接触良好，它们的电阻均忽略不计。求：‎ ‎（1）在t=0到t=t0时间间隔内，流过电阻的电荷量的绝对值；‎ ‎（2）在时刻t（t>t0）穿过回路的总磁通量和金属棒所受外加水平恒力的大小。‎ 电磁缓速器是应用于车辆上以提高运行安全性的辅助制动装置，其工作原理是利用电磁阻尼作用减缓车辆的速度。电磁阻尼作用可以借助如下模型讨论：如图所示，将形状相同的两根平行且足够长的铝条固定在光滑斜面上，斜面与水平方向夹角为θ。一质量为m的条形磁铁滑入两铝条间，恰好匀速穿过，穿过时磁铁两端面与两铝条的间距始终保持恒定，其引起电磁感应的效果与磁铁不动、铝条相对磁铁运动相同。磁铁端面是边长为d的正方形，由于磁铁距离铝条很近，磁铁端面正对两铝条区域的磁场均可视为匀强磁场，磁感应强度为B，铝条的高度大于d，电阻率为ρ。为研究问题方便，铝条中只考虑与磁铁正对部分的电阻和磁场，其他部分电阻和磁场可忽略不计，假设磁铁进入铝条间以后，减少的机械能完全转化为铝条的内能，重力加速度为g。‎ ‎（1）求铝条中与磁铁正对部分的电流I；‎ ‎（2）若两铝条的宽度均为b，推导磁铁匀速穿过铝条间时速度v的表达式；‎ ‎（3）在其他条件不变的情况下，仅将两铝条更换为宽度b'>b的铝条，磁铁仍以速度v进入铝条间，试简要分析说明磁铁在铝条间运动时的加速度和速度如何变化。‎ 如图所示，金属导轨MNC和PQD，MN与PQ平行且间距为L，所在平面与水平面夹角为α，N、Q连线与MN垂直，M、P间接有阻值为R的电阻；光滑直导轨NC和QD在同一水平面内，与NQ的夹角都为锐角θ。均匀金属棒ab和ef质量均为m，长均为L，ab棒初始位置在水平导轨上与NQ重合；ef棒垂直放在倾斜导轨上，与导轨间的动摩擦因数为μ（μ较小），由导轨上的小立柱1和2阻挡而静止。空间有方向竖直的匀强磁场（图中未画出）。两金属棒与导轨保持良好接触。不计所有导轨和ab棒的电阻，ef棒的阻值为R，最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等，忽略感应电流产生的磁场，重力加速度为g。‎ ‎（1）若磁感应强度大小为B，给ab棒一个垂直于NQ、水平向右的速度v1，在水平导轨上沿运动方向滑行一段距离后停止，ef棒始终静止，求此过程ef棒上产生的热量。x;’k=-w ‎（2）在（1）问过程中，ab棒滑行距离为d，求通过ab棒某横截面的电荷量。‎ ‎（3）若ab棒以垂直于NQ的速度v2在水平导轨上向右匀速运动，并在NQ位置时取走小立柱1和2，且运动过程中ef棒始终静止。求此状态下最强磁场的磁感应强度及此磁场下ab棒运动的最大距离。‎ 如图所示，两根相距L1的平行粗糙金属导轨固定在水平面上，导轨上分布着n个宽度为d、间距为2d的匀强磁场区域，磁场方向竖直向上。在导轨左端连接一个阻值为R的电阻，导轨的左端距离第一个磁场区域L2的位置放有一根质量为m、长为L1、阻值为r的金属棒，导轨电阻及金属棒与导轨间的接触电阻均不计。某时刻起，金属棒在一水平向右的已知恒力F作用下由静止开始向右运动，已知金属棒与导轨间的动摩擦因数为μ，重力加速度为g。‎ ‎（1）若金属棒能匀速通过每个匀强磁场区域，求其离开第2个匀强磁场区域时的速度v2的大小。‎ ‎（2）在满足（1）的条件时，求第n个匀强磁场区域的磁感应强度Bn的大小。‎ ‎（3）现保持恒力F不变，使每个磁场区域的磁感应强度均相同，发现金属棒通过每个磁场区域时电路中的电流变化规律相同，求金属棒从开始运动到通过第n个磁场区域的整个过程中左端电阻R上产生的焦耳热Q。‎ ‎【参考答案】‎ ‎（3）健身者做功 由，CD棒在磁场区做匀速运动 在磁场中运动时间 焦耳热 ‎（1） （2）‎ ‎（1）在金属棒未越过MN之前，t时刻穿过回路的磁通量为 设在从t时刻到的时间间隔内，流过电阻R的电荷量为 回路磁通量的变化量 由法拉第电磁感应定律有，由欧姆定律有，由电流的定义有 联立可得 在t=0到t=时间间隔内，流过电阻R的电荷量q的绝对值 ‎（2）当时，金属棒已越过MN，设此时回路中的电流为I 由于金属棒在MN右侧做匀速运动，外力 此时金属棒与MN之间的距离，匀强磁场穿过回路的磁通量 在时刻t（）穿过回路的总磁通量 由法拉第电磁感应定律，回路感应电动势的大小为 由欧姆定律有 联立可得 ‎（2）磁铁穿过铝条时，在铝条中产生的感应电动势E=Bdv 铝条与磁铁正对部分的电阻为R，由电阻定律有R=ρ 由欧姆定律有I=‎ 联立可得v=‎ ‎（3）磁铁以速度v进入铝条间，恰好做匀速运动时，受到沿斜面向上的作用力F==‎ 当铝条的宽度b'>b时，磁铁以速度v进入铝条间时，磁铁受到的作用力变为F'=‎ 可见，F'>F=mgsin θ，磁铁受到的合力方向沿斜面向上，磁铁将减速下滑，随着速度减小，F'也随之减小，磁铁所受合力减小，加速度逐渐减小。磁铁做加速度减小的减速运动，直到F'=mgsin θ，即减速到时，磁铁重新达到平衡状态，将匀速下滑。‎ 根据并联电路特点和焦耳定律Q=I2Rt可知，电阻R和ef棒中产生的焦耳热相等，即QR=Qef 联立解得ef棒上产生的热量Qef=‎ ‎（2）设在ab棒滑行距离为d时所用时间为t，如图1‎ 该过程中回路变化的面积ΔS=[L+(L–2dcot θ)]d 根据法拉第电磁感应定律可知，在该过程中，回路中的平均感应电动势=‎ 根据闭合电路欧姆定律可知，流经ab棒的平均电流=‎ 根据电流的定义式可知，在该过程中，流经ab棒某横截面的电荷量q=‎ 联立解得q= ‎ ‎（3）由法拉第电磁感应定律可知，当ab棒滑行x距离时，回路中的感应电动势e=B(L–2xcot θ)v2‎ 根据闭合电路欧姆定律可知，流经ef棒的电流i=‎ 根据安培力公式可知，ef棒所受安培力F=iLB 联立解得F=‎ 当x=0且B取最大值，即B=Bm时，F有最大值F1‎ 根据共点力平衡条件可知，在沿导轨方向上有F2cos α+fm=mgsin α 在垂直于导轨方向上有FN=mgcos α+F2sin α 联立解得xm=‎ ‎（1） （2） （3）‎ ‎（1）金属棒在磁场外做匀加速运动，有 金属棒进入第2个匀强磁场时的速度也为v2，且 解得 ‎（2）金属棒进入第n个匀强磁场区域前，匀加速运动的总位移 金属棒进入第n个匀强磁场的速度 金属棒在第n个匀强磁场中匀速运动，则有 安培力 电阻R上产生的焦耳热