2019高考物理大二輪復習 專題四 電路和電磁感應 12 電磁感應及綜合應用課件.ppt

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第12講電磁感應及綜合應用 知識脈絡梳理 規(guī)律方法導引 知識脈絡梳理 規(guī)律方法導引 1 知識規(guī)律 1 三定則 一定律 的應用 安培定則 判斷運動電荷 電流產生的磁場方向 左手定則 判斷磁場對運動電荷 電流的作用力的方向 右手定則 判斷部分導體切割磁感線產生感應電流的方向 楞次定律 判斷閉合電路磁通量發(fā)生變化產生感應電流的方向 2 求感應電動勢的兩種方法 E 用來計算感應電動勢的平均值 E Blv 主要用來計算感應電動勢的瞬時值 2 思想方法 1 物理思想 等效思想 守恒思想 2 物理方法 圖象法 轉換法 解析法 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 電磁感應中的圖象問題常以選擇題的形式考查物理量的定量關系 例1如圖所示 等腰直角三角形區(qū)域EFG內有垂直于紙面向里的磁感應強度為B的勻強磁場 直角邊EF長度為2l 現(xiàn)有一電阻為R的閉合直角梯形導線框ABCD以速度v水平向右勻速通過磁場 t 0時刻恰好位于圖示位置 即BC與EF在一條直線上 且C與E重合 規(guī)定導線框中感應電流沿逆時針方向時為正 則感應電流i與時間t的關系圖線正確的是 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 答案C 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 解析線框CD邊切割磁感線的有效長度均勻增大 初始時刻切割的有效長度為零 則感應電動勢 感應電流為零 排除選項D 線框ADC切割磁感線的有效長度均勻增大 而AB邊切割磁感線 產生與ADC切割磁感線方向相反的感應電動勢 的有效長度也增大 而且增大得快 如圖所示 所以回路總的感應電動勢不斷減小 但感應電流方向與第一階段相同 排除選項A B 正確選項為C 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 思維導引 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 規(guī)律方法電磁感應圖象問題的求解方法 1 圖象選擇問題 求解物理圖象的選擇題可用 排除法 即排除與題目要求相違背的圖象 留下正確圖象 也可用 對照法 即按照要求畫出正確的草圖 再與選項對照 解決此類問題關鍵是把握圖象特點 分析相關物理量的函數(shù)關系 分析物理過程的變化或物理狀態(tài)的變化 2 圖象分析問題 定性分析物理圖象 要明確圖象中的橫軸與縱軸所代表的物理量 弄清圖象的物理意義 借助有關的物理概念 公式 不變量和定律做出相應判斷 在進行有關物理圖象的定量計算時 要弄清圖象所揭示的物理規(guī)律及物理量間的函數(shù)關系 善于挖掘圖象中的隱含條件 明確圖象與坐標軸所包圍的面積 圖象斜率 以及圖象的橫軸 縱軸的截距所表示的物理意義 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 拓展訓練1 多選 2017 全國卷 兩條平行虛線間存在一勻強磁場 磁感應強度方向與紙面垂直 邊長為0 1m 總電阻為0 005 的正方形導線框abcd位于紙面內 cd邊與磁場邊界平行 如圖甲所示 已知導線框一直向右做勻速直線運動 cd邊于t 0時刻進入磁場 線框中感應電動勢隨時間變化的圖線如圖乙所示 感應電流的方向為順時針時 感應電動勢取正 下列說法正確的是 A 磁感應強度的大小為0 5TB 導線框運動速度的大小為0 5m sC 磁感應強度的方向垂直于紙面向外D 在t 0 4s至t 0 6s這段時間內 導線框所受的安培力大小為0 1N BC 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 解析 cd邊進入磁場向右運動切割磁感線 產生的感應電流方向為順時針 由右手定則可知 磁感應強度方向垂直紙面向外 故選項C正確 導線框在磁場中一直做勻速直線運動 線框的邊長l 0 1m 由E t 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 拓展訓練2 2018 全國卷 如圖所示 在同一水平面內有兩根平行長導軌 導軌間存在依次相鄰的矩形勻強磁場區(qū)域 區(qū)域寬度均為l 磁感應強度大小相等 方向交替向上向下 一邊長為l的正方形金屬線框在導軌上向左勻速運動 線框中感應電流i隨時間t變化的正確圖線可能是 D 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 解析 在0 0 5l過程 前 后兩邊均切割磁感線 產生順時針方向 大小不變的電流 在0 5l l過程 前 后兩邊均切割磁感線 磁通量恒定不變 無電流產生 在l 1 5l過程 前 后兩邊均切割磁感線 產生逆時針方向 大小不變的電流 選項D正確 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 電磁感應中的動力學問題考查與牛頓第二定律 運動學知識結合的動態(tài)分析問題以及電磁感應中的純力學問題 計算題和選擇題都有可能出現(xiàn) 例2如圖甲所示 一個質量m 0 1kg的正方形金屬框總電阻R 0 5 金屬框放在表面絕緣的斜面AA B B的頂端 金屬框上邊與AA 重合 自靜止開始沿斜面下滑 下滑過程中穿過一段邊界與斜面底邊BB 平行 寬度為d的勻強磁場后滑至斜面底端 金屬框下邊與BB 重合 設金屬框在下滑過程中的速度為v 與此對應的位移為x 那么v2 x圖象如圖乙所示 已知勻強磁場方向垂直斜面向上 金屬框與斜面間的動摩擦因數(shù) 0 5 斜面傾角 53 g取10m s2 sin53 0 8 cos53 0 6 求 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 1 金屬框進入磁場前的下滑加速度a和進入磁場的速度v1 2 金屬框經(jīng)過磁場時受到的安培力F安大小 3 勻強磁場的磁感應強度大小B 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 思維導引 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 規(guī)律方法電磁感應與動力學綜合題的解題策略 1 分析 源 找準主動運動者 用法拉第電磁感應定律和楞次定律求解電動勢的大小和方向 2 分析 路 畫出等效電路圖 求解回路中的電流的大小及方向 3 分析 力 分析安培力對導體棒運動速度 加速度的影響 從而推得對電流有什么影響 最后確定導體棒的最終運動情況 4 列 方程 列出牛頓第二定律或平衡方程求解 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 拓展訓練3 2017 全國卷 如圖所示 在方向垂直于紙面向里的勻強磁場中有一U形金屬導軌 導軌平面與磁場垂直 金屬桿PQ置于導軌上并與導軌形成閉合回路PQRS 一圓環(huán)形金屬線框T位于回路圍成的區(qū)域內 線框與導軌共面 現(xiàn)讓金屬桿PQ突然向右運動 在運動開始的瞬間 關于感應電流的方向 下列說法正確的是 A PQRS中沿順時針方向 T中沿逆時針方向B PQRS中沿順時針方向 T中沿順時針方向C PQRS中沿逆時針方向 T中沿逆時針方向D PQRS中沿逆時針方向 T中沿順時針方向 D 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 解析 金屬桿從靜止開始突然向右運動 產生感應電動勢 感應電流從無到有 根據(jù)右手定則可知 感應電流的方向由Q指向P PQRS中的電流沿逆時針方向 該感應電流在金屬線框T中產生的磁通量向外 故穿過金屬線框T向里的磁通量減小 根據(jù)楞次定律 T中感應電流沿順時針方向 D正確 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 拓展訓練4如圖所示 凸 字形硬質金屬線框質量為m 相鄰各邊互相垂直 且處于同一豎直平面內 ab邊長為l cd邊長為2l ab與cd平行 間距為2l 勻強磁場區(qū)域的上下邊界均水平 磁場方向垂直于線框所在平面 開始時 cd邊到磁場上邊界的距離為2l 線框由靜止釋放 從cd邊進入磁場直到ef pq邊進入磁場前 線框做勻速運動 在ef pq邊離開磁場后 ab邊離開磁場之前 線框又做勻速運動 線框完全穿過磁場過程中產生的熱量為Q 線框在下落過程中始終處于原豎直平面內 且ab cd邊保持水平 重力加速度為g 求 1 線框ab邊將離開磁場時做勻速運動的速度大小是cd邊剛進入磁場時的幾倍 2 磁場上下邊界間的距離H 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 電磁感應中的能量問題經(jīng)常和閉合電路歐姆定律一起出題 考查電路中的能量轉換 計算題和選擇題都可能出現(xiàn) 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 例3如圖所示 平行金屬導軌與水平面間夾角均為37 導軌間距為1m 電阻不計 導軌足夠長 兩根金屬棒ab和a b 的質量都是0 2kg 電阻都是1 與導軌垂直放置且接觸良好 金屬棒和導軌之間的動摩擦因數(shù)為0 25 兩個導軌平面處均存在著垂直軌道平面向上的勻強磁場 圖中未畫出 磁感應強度B的大小相同 讓a b 固定不動 將金屬棒ab由靜止釋放 當ab下滑速度達到穩(wěn)定時 整個回路消耗的電功率為8W 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 1 求ab下滑的最大加速度 2 ab下落了30m高度時 其下滑速度已經(jīng)達到穩(wěn)定 則此過程中回路電流的發(fā)熱量Q為多大 3 如果將ab與a b 同時由靜止釋放 當ab下落了30m高度時 其下滑速度也已經(jīng)達到穩(wěn)定 則此過程中回路電流的發(fā)熱量Q 為多大 g取10m s2 sin37 0 6 cos37 0 8 答案 1 4m s2 2 30J 3 75J 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 解析 1 當ab棒剛下滑時 ab棒的加速度有最大值a gsin gcos 4m s2 2 ab棒達到最大速度時做勻速運動 有mgsin BIl mgcos 整個回路消耗的電功率P電 BIlvm mgsin mgcos vm 8W 則ab棒的最大速度為vm 10m s 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 3 由對稱性可知 當ab下落30m穩(wěn)定時其速度為v a b 也下落30m 其速度也為v ab和a b 都切割磁感線產生電動勢 總電動勢等于兩者之和 根據(jù)共點力平衡條件 對ab棒受力分析 得mgsin BI l mgcos 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 思維導引 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 規(guī)律方法對于電磁感應問題中焦耳熱的計算 主要從以下三個角度入手 1 感應電路為純電阻電路時 產生的焦耳熱等于克服安培力做的功 即Q W安 2 感應電路中電阻產生的焦耳熱等于電流通過電阻做的功 即Q I2Rt 3 感應電路中產生的焦耳熱可通過能量守恒定律列方程求解 要特別注意回路中某個元件的焦耳熱和回路總焦耳熱之間的關系 不能混淆 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 拓展訓練5如圖所示 絕緣水平面內固定有一間距d 1m 電阻不計的足夠長光滑矩形導軌AKDC 導軌兩端接有阻值分別為R1 3 和R2 6 的定值電阻 矩形區(qū)域AKFE NMCD范圍內均有方向豎直向下 磁感應強度大小B 1T的勻強磁場 和 一質量m 0 2kg 電阻r 1 的導體棒ab垂直放在導軌上的AK與EF之間某處 在方向水平向右 大小F0 2N的恒力作用下由靜止開始運動 到達EF時導體棒ab的速度大小v1 3m s 導體棒ab進入磁場 后 導體棒ab中通過的電流始終保持不變 導體棒ab在運動過程中始終保持與導軌垂直且接觸良好 空氣阻力不計 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 1 求導體棒ab剛要到達EF時的加速度大小a 2 求兩磁場邊界EF和MN之間的距離l 3 若在導體棒ab剛要到達MN時將恒力F0撤去 求導體棒ab能繼續(xù)滑行的距離s以及滑行該距離s的過程中整個回路產生的焦耳熱Q 答案 1 5m s2 2 1 35m 3 3 6m3 6J 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 解析 1 導體棒ab剛要到達EF時 在磁場中切割磁感線產生感應電動勢E1 Bdv1經(jīng)分析可知 此時導體棒ab所受安培力的方向水平向左 根據(jù)牛頓第二定律 有F0 BI1d ma1 解得a1 5m s2 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 2 導體棒ab進入磁場 后 受到的安培力與F0平衡 做勻速直線運動 導體棒ab中通過的電流為I2 保持不變 則有F0 BI2d 設導體棒ab從EF運動到MN的過程中的加速度大小為a2根據(jù)牛頓第二定律 則有F0 ma2 導體棒ab在EF MN之間做勻加速直線運動 命題熱點一 命題熱點二 命題熱點三 1 2 3 4 1 多選 2018 全國卷 如圖所示 兩個線圈繞在同一根鐵芯上 其中一線圈通過開關與電源連接 另一線圈與遠處沿南北方向水平放置在紙面內的直導線連接成回路 將一小磁針懸掛在直導線正上方 開關未閉合時小磁針處于靜止狀態(tài) 下列說法正確的是 A 開關閉合后的瞬間 小磁針的N極朝垂直紙面向里的方向轉動B 開關閉合并保持一段時間后 小磁針的N極指向垂直紙面向里的方向C 開關閉合并保持一段時間后 小磁針的N極指向垂直紙面向外的方向D 開關閉合并保持一段時間再斷開后的瞬間 小磁針的N極朝垂直紙面向外的方向轉動 AD 1 2 3 4 解析 如圖甲所示 閉合開關瞬間右邊線圈有電流通過 左邊線圈磁通量增大 由楞次定律可知 增反減同 左邊線圈感應磁場方向向左 根據(jù)右手螺旋定則可得鐵芯中電流方向為從南到北 由此可得鐵芯上方磁場為垂直紙面向里 則磁針N極朝垂直紙面向里的方向轉動 故A項正確 1 2 3 4 開關閉合并保持一段時間后電路穩(wěn)定 線圈中無磁通量變化 則直導線中無電流 小磁針恢復南北指向 故B C項錯誤 如圖乙所示 開關閉合并保持一段時間再斷開后的瞬間 左邊線圈磁通量減小 由增反減同得其感應磁場方向向右 由右手螺旋定則可得鐵芯中電流由北到南 鐵芯上方磁場為垂直紙面向外 則小磁針的N極朝垂直紙面向外的方向轉動 故D項正確 1 2 3 4 2 將一段導線繞成圖甲所示的閉合電路 并固定在水平面 紙面 內 回路的ab邊置于垂直于紙面向里的勻強磁場 中 回路的圓環(huán)區(qū)域內有垂直紙面的磁場 以向里為磁場 的正方向 其磁感應強度B隨時間t變化的圖象如圖乙所示 用F表示ab邊受到的安培力 以水平向左為F的正方向 能正確反映F隨時間t變化的圖象是 A 1 2 3 4 楞次定律和法拉第電磁感應定律可知電路中會產生逆時針方向的恒定電流I 根據(jù)左手定則 ab邊受到向右的安培力大小不變 本題只有選項A正確 1 2 3 4 3 如圖所示 區(qū)域是寬度l均為0 5m的勻強磁場 磁感應強度大小均為B 1T 方向相反 一邊長l 0 5m 質量m 0 1kg 電阻R 0 5 的正方形金屬線框abcd的ab邊緊靠磁場邊緣 在外力F的作用下向右勻速運動穿過磁場區(qū)域 速度v0 10m s 在線框穿過磁場區(qū)域的過程中 外力F所做的功為 A 5JB 7 5JC 10JD 15J D 1 2 3 4 解析 從ab進入磁場到cd進入磁場的過程中 線圈產生的電能 J 由于力F做功等于產生的電能 所以外力F所做的功為15J 故選項D正確 1 2 3 4 4 2017 江蘇單科 如圖所示 兩條相距d的平行金屬導軌位于同一水平面內 其右端接一阻值為R的電阻 質量為m的金屬桿靜置在導軌上 其左側的矩形勻強磁場區(qū)域MNPQ的磁感應強度大小為B 方向豎直向下 當該磁場區(qū)域以速度v0勻速地向右掃過金屬桿后 金屬桿的速度變?yōu)関 導軌和金屬桿的電阻不計 導軌光滑且足夠長 桿在運動過程中始終與導軌垂直且兩端與導軌保持良好接觸 求 1 MN剛掃過金屬桿時 桿中感應電流的大小I 2 MN剛掃過金屬桿時 桿的加速度大小a 3 PQ剛要離開金屬桿時 感應電流的功率P 1 2 3 4 電磁感應中的電路 能量問題 典例示范 如圖甲所示 俯視圖 相距為2l的光滑平行金屬導軌水平放置 導軌一部分處在以OO 為右邊界的勻強磁場中 勻強磁場的磁感應強度大小為B 方向垂直導軌平面向下 導軌右側接有定值電阻R 導軌電阻忽略不計 在距邊界OO 為l處垂直導軌放置一質量為m 電阻不計的金屬桿ab 1 若金屬桿ab固定在導軌上的初始位置 磁場的磁感應強度在時間t內由B均勻減小到零 求此過程中電阻R上產生的焦耳熱Q1 2 若磁場的磁感應強度不變 金屬桿ab在恒力作用下在初始位置由靜止開始向右運動3l距離 其v x的關系如圖乙所示 求 金屬桿ab在剛要離開磁場時的加速度大小 此過程中電阻R上產生的焦耳熱Q2 分析推理 1 回路中只有感生電動勢 2 v1是剛離開磁場的速度 v2是運動3l時的速度 3 受恒力F和安培力F安 思維流程 以題說法電磁感應的能量問題往往涉及法拉第電磁感應定律 楞次定律 閉合電路歐姆定律 動力學問題 能量守恒等考點 綜合性很強 解答此類問題要注意從以下三方面進行突破 1 明確電學對象 將產生感應電動勢的那部分電路等效為電源 如果在一個電路中切割磁感線的是幾部分互相聯(lián)系的電路 則可等效成電源的串并聯(lián) 分析內外電路結構 應用閉合電路歐姆定律和部分電路歐姆定律理順電學量之間的關系 2 建立過程模型 分析物體的受力情況和運動情況 導體棒切割磁感線的運動一般不是做勻變速運動 而是經(jīng)歷一個動態(tài)變化過程再趨于一個穩(wěn)定狀態(tài) 故正確進行動態(tài)分析確定最終狀態(tài)是關鍵 3 找準功能關系 確定有哪些形式的能量發(fā)生了轉化 例如 有摩擦力做功必有內能產生 有重力做功 重力勢能必然發(fā)生變化 若安培力做負功 必然有其他形式的能轉化為電能 針對訓練 多選 如圖所示 光滑金屬導軌AC AD固定在水平面內 并處在方向豎直向下 大小為B的勻強磁場中 有一質量為m的導體棒以初速度v0從某位置開始在導軌上水平向右運動 最終恰好靜止在A點 在運動過程中 導體棒與導軌始終構成等邊三角形回路 且通過A點的總電荷量為Q 已知導體棒與導軌間的接觸電阻值恒為R 其余電阻不計 則 BC