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- 2021-05-26 发布
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构建知识网络:
考情分析:
楞次定律、法拉第电磁感应定律是电磁学部分的重点,也是高考的重要考点。高考常以选择题的形式
考查电磁感应中的图像问题和能量转化问题,以计算题形式考查导体棒、导线框在磁场中的运动、电路知
识的相关应用、牛顿运动定律和能量守恒定律在导体运动过程中的应用等。备考时我们需要重点关注,特
别是导体棒的运动过程分析和能量转化分析。
重点知识梳理:
一、感应电流
1.产生条件
闭合电路的部分导体在磁场内做切割
磁感线运动
穿过闭合电路的磁通量发生变化
2.方向判断
右手定则:常用于切割类
楞次定律:常用于闭合电路磁通量变化类
3.“阻碍”的表现
阻碍磁通量的变化 增反减同
阻碍物体间的相对运动 来拒去留
阻碍原电流的变化 自感现象
二、电动势大小的计算
适用过程 表达公式 备注
n 匝线圈内的磁通量发
生变化
E=nΔΦ
Δt
(1)当 S 不变时,E=nSΔB
Δt
;
(2)当 B 不变时,E=nBΔS
Δt
导体做切割磁感线的运
动
E=Blv
(1)E=Blv 的适用条件:
v⊥l,v⊥B;
(2)当 v 与 B 平行时:E=0
导体棒在磁场中以其中
一端为圆心转动垂直切割磁
感线
三、电磁感应问题中安培力、电荷量、热量的计算
1.导体切割磁感线运动,导体棒中有感应电流,受安培力作用,根据 E=Blv,I=E
R
,F=BIl,可得 F
=B2l2v/R.
2.闭合电路中磁通量发生变化产生感应电动势,电荷量的计算方法是根据 E=ΔΦ
Δt
,I=E
R
,q=IΔt
则 q=ΔΦ/R,若线圈匝数为 n,则 q=nΔΦ/R.
3.电磁感应电路中产生的焦耳热,当电路中电流恒定时,可以用焦耳定律计算,当电路中电流发生变
化时,则应用功能关系或能量守恒定律计算.
四、自感现象与涡流
自感电动势与导体中的电流变化率成正比,比例系数称为导体的自感系数 L。线圈的自感系数 L 与
线圈的形状、长短、匝数等因数有关系。线圈的横截面积越大,匝数越多,它的自感系数就越大。带有铁
芯的线圈其自感系数比没有铁芯的大得多。
【名师提醒】
典型例题剖析:
考点一:楞次定律和法拉第电磁感应定律
【典型例题 1】 (2016·浙江高考)如图所示,a、b 两个闭合正方形线圈用同样的导线制成,匝数均为
10 匝,边长 la=3lb,图示区域内有垂直纸面向里的匀强磁场,且磁感应强度随时间均匀增大,不考虑线圈
之间的相互影响,则( )
A.两线圈内产生顺时针方向的感应电流
B.a、b 线圈中感应电动势之比为 9∶1
C.a、b 线圈中感应电流之比为 3∶4
D.a、b 线圈中电功率之比为 3∶1
【答案】B
【变式训练 1】(2015·江苏高考)做磁共振(MRI)检查时,对人体施加的磁场发生变化时会在肌肉组织
中产生感应电流.某同学为了估算该感应电流对肌肉组织的影响,将包裹在骨骼上的一圈肌肉组织等效成
单匝线圈,线圈的半径 r=5.0 cm,线圈导线的截面积 A=0.80 cm2,电阻率ρ=1.5 Ω·m.如图所示,匀
强磁场方向与线圈平面垂直,若磁感应强度 B 在 0.3 s 内从 1.5 T 均匀地减为零,求:(计算结果保留一位
有效数字)
(1)该圈肌肉组织的电阻 R;
(2)该圈肌肉组织中的感应电动势 E;
(3)0.3 s 内该圈肌肉组织中产生的热量 Q.
【答案】:(1)6×103 Ω (2)4×10-2 V (3)8×10-8 J
【解析】:(1)由电阻定律 R=ρ2πr
A
,代入数据解得 R=6×103 Ω
(2)感应电动势 E=ΔB
Δt
πr2,代入数据解得 E=4×10-2 V
(3)由焦耳定律得 Q=E2
R
Δt,代入数据解得 Q=8×10-8 J
【名师提醒】
1.灵活应用楞次定律中“阻碍”的推广含义:
(1)阻碍原磁通量的变化——“增反减同”;
(2)阻碍相对运动——“来拒去留”;
(3)阻碍原电流的变化(自感现象)——“增反减同”;
(4)使线圈平面有扩大或缩小的趋势——“增缩减扩”。
2.解答电磁感应中电路问题的三个步骤
(1)确定电源:利用 E=n ΔΦ
Δt
或 E=Blvsin θ求感应电动势的大小,利用右手定则或楞次定律判断
感应电流的方向.如果在一个电路中切割磁感线的部分有多个并相互联系,可等效成电源的串、并联.
(2)分析电路结构:分析内、外电路,以及外电路的串并联关系,画出等效电路图.
(3)利用电路规律求解:应用闭合电路欧姆定律及串并联电路的基本性质等列方程求解.
考点二:电磁感应中的图像问题
【典型例题 2】如图甲所示,足够长的光滑平行导轨 MN、PQ 倾斜放置,两导轨间距离为 L=1.0 m,导
轨平面与水平面间的夹角为θ=30°,磁感应强度为 B= 5 T 的匀强磁场垂直于导轨平面向上,导轨的 M、
P 两端连接阻值为 R=3.0 Ω的电阻,金属棒 ab 垂直于导轨放置并用细线通过光滑定滑轮与重物 M 相连,
金属棒 ab 的质量 m=0.20 kg,电阻 r=0. 50 Ω.如果将金属棒和重物由静止释放,金属棒沿斜面上滑的
速度与时间的关系图象如图乙所示,不计导轨电阻,在 0.6 s 内 ab 上滑 1.4 m,g=10 m/s2.求:
(1)重物 M 的质量;
(2)在 0.6 s 内通过电阻 R 的电荷量.
【答案】:(1)0.6 kg (2)2 5
5
C
(2)在 0.6 s 内 ab 棒上滑的距离 s=1.40 m,ab 棒与导轨构成的回路内磁通量变化ΔΦ=BLs,
由电磁感应定律,产生的平均感应电动势 E=ΔΦ
Δt
,平均感应电流:I=E/(r+R)
通过电阻 R 的电荷量 q=IΔt= BLs
R+r
代入数据解得:q=2 5
5
C
【变式训练 2】如图所示,在虚线 MN 的右侧存在着垂直纸面向里的匀强磁场,边长为 a 的正三角形金
属线框平行纸面放置,t=0 时刻,顶点恰好在磁场的左边界上,一边平行磁场边界 MN.现令该金属线框匀
速进入磁场区域,则线框中产生的感应电动势 E、电流 I、所施加的外力 F、安培力做功的功率 P 随时间 t
的变化关系的图象中正确的是( )
【答案】B
【变式训练 3】.(多选) 如图甲,固定在光滑水平面上的正三角形金属线框,匝数 n=20,总电阻 R=
2.5 Ω,边长 L=0.3 m,处在两个半径均为 r=L/3 的圆形匀强磁场区域中。线框顶点与右侧磁场区域圆心
重合,线框底边中点与左侧磁场区域圆心重合。磁感应强度 B1 垂直水平面向上,大小不变;B2 垂直水平面
向下,大小随时间变化,B1、B2 的值和变化规律如图乙所示。则下列说法中正确的是(π取 3)( )
A.通过线框中的感应电流方向为逆时针方向
B.t=0 时刻穿过线框的磁通量为 0.1 Wb
C.在 0~0.6 s 内通过线框中的电荷量为 0.006 C
D.0~0.6 s 时间内线框中产生的热量为 0.06 J
【答案】AD
【名师提醒】
(1)解决电磁感应图象问题的“三点关注”:
①关注初始时刻,如初始时刻感应电流是否为零,是正方向还是负方向.
②关注变化过程,看电磁感应发生的过程分为几个阶段,这几个阶段是否和图象变化相对应.
③关注大小、方向的变化趋势,看图线斜率的大小、图线的曲、直是否和物理过程对应.
(2)解决电磁感应图象问题的一般步骤:
①明确图象的种类,即是 B-t 图还是Φ-t 图,或者 E-t 图、I-t 图等.
②分析电磁感应的具体过程.
③用右手定则或楞次定律确定方向对应关系.
④结合法拉第电磁感应定律、欧姆定律、牛顿运动定律等规律写出函数关系式.
⑤根据函数关系式,进行数学分析,如分析斜率的变化、截距等.
⑥画图象或判断图象.
(3)图象选择技巧:求解物理图象的选择题时可用“排除法”,即排除与题目要求相违背的图象,留下
正确图象.
考点三:电磁感应中的动力学和能量问题
【典型例题 3】(2017·苏中三市二模)如图所示,质量为 m、电阻为 R 的单匝矩形线框置于光滑水平面
上,线框边长 ab=L、ad=2L。虚线 MN 过 ad、bc 边中点。一根能承受最大拉力 F0 的细线沿水平方向拴住
ab 边中点 O。从某时刻起,在 MN 右侧加一方向竖直向下的匀强磁场,磁感应强度大小按 B=kt 的规律均匀
变化。一段时间后,细线被拉断,线框向左运动,ab 边穿出磁场时的速度为 v。求:
(1)细线断裂前线框中的电功率 P;
(2)细线断裂后瞬间线框的加速度大小 a 及线框离开磁场的过程中安培力所做的功 W;
(3)线框穿出磁场过程中通过导线截面的电量 q。
【答案】:(1)k2L4
R
(2)F0
m
1
2
mv2 (3)F0
kL
【变式训练 4】(2017·连云港一模)如图所示,电阻不计且足够长的 U 型金属框架放置在倾角θ=37°
的绝缘斜面上,该装置处于垂直斜面向下的匀强磁场中,磁感应强度大小 B=0.5 T。质量 m=0.1 kg、电
阻 R=0.4 Ω的导体棒 ab 垂直放在框架上,从静止开始沿框架无摩擦下滑,与框架接触良好。框架的质量
M=0.2 kg、宽度 l=0.4 m,框架与斜面间的动摩擦因数μ=0.6,与斜面间最大静摩擦力等于滑动摩擦力,
g 取 10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8。
(1)若框架固定,求导体棒的最大速度 vm;
(2)若框架固定,棒从静止开始下滑 5.75 m 时速度 v=5 m/s,求此过程回路中产生的热量 Q 及流过 ab
棒的电量 q;
(3)若框架不固定,求当框架刚开始运动时棒的速度 v1。
【答案】:(1)6 m/s (2)2.2 J 2.875 C (3)2.4 m/s
(3)回路中感应电流 I1=Blv1
R
框架上边所受安培力 F1=BI1l
对框架 Mgsin 37°+BI1l=μ(m+M)gcos 37°
代入数据解得 v1=2.4 m/s。
【名师提醒】
1.电磁感应与动力学综合题的解题策略
2.电磁感应中能量的三种求解方法
(1)利用克服安培力做功求解:电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功.
其他形式的能量 ————————→
克服安培力做功
电能 ————→
电流做功
焦耳热或其他形式的能量
(2)利用能量守恒定律求解:若只有电能与机械能参与转化,则机械能的减少量等于产生的电能.
(3)利用电路的相关公式——电功公式或电热公式求解:若通过电阻的电流是恒定的,则可直接利用电
功公式或焦耳定律求解焦耳热.
特别提醒:回路中某个元件的焦耳热和回路总焦耳热之间的关系,不能混淆.
考点四:自感、涡流
【典型例题 4】(2017·无锡模拟)如图所示,三个灯泡 L1、L2、L3 的电阻关系为 R1<R2<R3,电感线圈 L
的电阻可忽略,D 为理想二极管,开关 K 从闭合状态突然断开时,下列判断正确的是( )
A.L1 逐渐变暗,L2、L3 均先变亮,然后逐渐变暗
B.L1 逐渐变暗,L2 立即熄灭,L3 先变亮,然后逐渐变暗
C.L1 立即熄灭,L2、L3 均逐渐变暗
D.L1、L2、L3 均先变亮,然后逐渐变暗
【答案】B
【解析】 开关 K 处于闭合状态时,由于 R1<R2<R3,则 I1>I2>I3,开关 K 从闭合状态突然断开时,
电感线圈、L1、L3 组成闭合回路,L1 逐渐变暗,通过 L3 的电流由 I3 变为 I1,再逐渐减小,故 L3 先变亮,然
后逐渐变暗,而由于二极管的反向截止作用,L2 立即熄灭,选项 B 正确。
【变式训练 5】(2017·北京西城区期末)如图所示,线圈 L 与小灯泡 A 并联后接到电源上。先闭合开关
S,稳定后,通过线圈的电流为 I1,通过小灯泡的电流为 I2。断开开关 S,发现小灯泡闪亮一下再熄灭。则
下列说法正确的是( )
A.I1