高中物理选修电磁感应中的电路问题.ppt

电磁感应 中的电路问题,在电磁感应中,切割磁感线的导体或磁通量发生变化的 回路将产生感应电动势,该导体或回路相当于电源.因此 ,电磁感应问题往往与电路问题联系在一起.解决与电路 相联系的电磁感应问题的基本方法是:,(1)用法拉第电磁感应定律和愣次定律确定感应电动势 的大小和方向.,(2)画等效电路.,(3)运用全电路欧姆定律,串并联电路性质,电功率等公 式联立求解.,解题要点：,电磁感应问题往往跟电路问题联系在一起。产生感应电动势的导体相当于电源，将它们接上电阻等用电器，便可对其供电；接上电容器，便可使其充电。解决这类问题，不仅要运用电磁感应中的规律，如右手定则、楞次定律和法拉第电磁感应定律等，还要应用电场、电路中的相关知识，如电容公式、欧姆定律、电功率公式、串、并联电路性质等。关键是把电磁感应的问题等效转换成稳恒电路问题来处理。一般可按以下三个步骤进行。,第一步：确定内电路。切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路将产生感应电动势，其电阻相当于电源的内电阻。用右手定则或楞次定律判断电流方向。若在一个电路中有几个部分产生感应电动势且又相互联系，则可等效成电源的串、并联。 第二步：分析外电路。明确外电路各用电器、电表、电容器的串并联关系，画等效电路图。 第三步：立方程求解。综合运用法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律等规律，列出方程求解。,解题步骤,1.把总电阻为2R的均匀电阻丝焊接成一半径为a的圆环，水平固定在竖直向下，磁感应强度为B的匀强磁场中，如图所示，一长度为2a，电阻等于R，粗细均匀的金属棒MN放在圆环上，它与圆环始终保持良好的接触。当金属棒以恒定速度v向右移动经过环心O时，求： （1）流过棒的电流的大小、 方向及棒两端的电压UMN。 （2）在圆环和金属棒上消 耗的总热功率。,解答,此时，圆环的两部分构成并 联连接，且 ，,金属棒经过环心时，棒中产生的感应电动势为：,（1）棒MN右移时，切割磁感线，产生感应电动 势，棒MN相当于电源，内电阻为R。其等效电路如 图所示。棒两端的电压为路端电压。,故并联部分的电阻为： 。,由闭合电路欧姆定律得流过金属棒的电流为：,由右手定则可判断出金属棒上的电流方向由NM 棒两端的电压：,（2）圆环和金属棒上消耗的总功率等于电路中感 应电流的电功率，即：,2.如图所示，在绝缘光滑水平面上，有一个边长为L的单匝正方形线框abcd，在外力的作用下以恒定的速率v 向右运动进入磁感应强度为B的有界匀强磁场区域。线框被全部拉入磁场的过程中线框平面保持与磁场方向垂直，线框的ab边始终平行于磁场的边界。已知线框的四个边的电阻值相等，均为R。求： （1）在ab边刚进入磁场区域时，线框内的电流大小； （2）在ab边刚进入磁场区域时，ab边两端的电压； （3）在线框被拉入磁场的整个过程 中，线框中电流产生的热量。,（1）ab边切割磁感线产生的感应电动势为,所以通过线框的电流为,（2）ab两端的电压为路端电压,所以,（3）线框被拉入磁场的整个过程所用时间,线框中电流产生的热量,解答,3.如图所示，M、N是水平放置的很长的平行金属板，两板间有垂直于纸面沿水平方向的匀强磁场其磁感应强度大小为B=0.25T，两板间距d=0.4m，在M、N板间右侧部分有两根无阻导线P、Q与阻值为0.3的电阻相连。已知MP和QN间距离相等且等于PQ间距离的一半,一根总电阻为r=0.2均匀金属棒ab在右侧部分紧贴M、N和P、Q无摩擦滑动,忽略一切接触电阻。现有重力不计的带正电荷q=1.6109C的轻质小球以v0=7m/s的水平初速度射入两板间恰能做匀速直线运动，则： （1）M、N间的电势差应为多少？ （2）若ab棒匀速运动，则其运动 速度大小等于多少？方向如何？ （3）维持棒匀速运动的外力为多大？,（1）粒子在两板间恰能做匀速直线运动，所受的电场力与洛仑兹力相等，即：,（2）洛仑兹力方向向上,则电场力方向向下,UMN0, ab棒应向右做匀速运动,解得： v=8m/s,（3）因为只有cd端上有电流，受到安培力F=BILcd,得：,解答,4.两根光滑的长直金属导轨MN、MN平行置于同一水平面内，导轨间距为l ,电阻不计,M、M处接有如图所示的电路，电路中各电阻的阻值均为R ，电容器的电容为C。长度也为l 、阻值同为R的金属棒a b垂直于导轨放置，导轨处于磁感应强度为B、方向竖直向下的匀强磁场中。a b在外力作用下向右匀速运动且与导轨保持良好接触，在ab运动距离为s的过程中，整个回路中产生的焦耳热为Q 。求 a b运动速度v 的大小； 电容器所带的电荷量q 。,（1）设a b上产生的感应电动势为E ，回路中的电流为I ，a b运动距离s所用时间为t ，则有:,E = B l v ,由上述方程得,（2）设电容器两极板间的电势差为U，则有:,U = I R ,电容器所带电荷量: q =C U ,解得:,解答,5. 如图所示，矩形导线框abcd固定在水平面上，ab=L、bc=2L，整个线框处于竖直方向的磁感应强度为B的匀强磁场中。导线框上ab、cd段电阻不计，bc、ad段单位长度上的电阻为。今在导线框上放置一个与ab边平行且与导线框接触良好的金属棒MN，其电阻为r（r L）。金属棒在外力作用下沿x轴正方向做速度为v的匀速运动，在金属棒从导线框最左端（x=0）运动到最右端的过程中 请导出金属棒中的感应电流I随x变化的函数关系式; 通过分析说明金属棒在运动过程中，MN两点间电压有最大值，并求出最大值Um； 金属棒运动过程中，在什么 位置MN的输出功率最大？并 求出最大输出功率Pm。,金属棒产生的电动势: E=BLv 设金属棒沿x轴移动了x的距离,此时外电路的总电阻为:,电路中的总电流为:,MN两点间的电压:,当外电路电阻R取最大Rmax时，U有最大值Um。,解答,等效电路如图示, 当 R=r 时，输出功率最大，,解之得,此时，,解之得:,将x=L代入上式得：,从外电路电阻R与x的表示式可以看出，当x=2L-x， 即 x=L 时，外电路电阻有最大值。,6.如图，足够长的光滑平行金属导轨MN、PQ固定在一水平面上,两导轨间距L =0.2m，电阻R 0.4，电容C2 F，导轨上停放一质量m =0.1kg、电阻r =0.1的金属杆CD，导轨电阻可忽略不计，整个装置处于方向竖直向上B =0.5T 的匀强磁场中。现用一垂直金属杆CD的外力F沿水平方向拉杆，使之由静止开始向右运动。求： 若开关S闭合,力F 恒为0.5N, CD运动的最大速度； 若开关S闭合，使CD以问中的最大速度匀速运动，现使其突然停止并保持静止不动，当CD停止下来后，通过导体棒CD的总电量； 若开关S断开，在力F作用下，CD由静止开始作加速度a =5m/s2的匀加速直线运动，请写出电压表的读数U随时间t变化的表达式。, CD以最大速度运动时是匀速直线运动,有:,又:, CD以25m/s的速度匀速运动时，电容器上的电压为UC，则有：,电容器下极板带正电带电：Q = CUC = 410-3C,解答,得：,CD停下来后,电容通过MP、 CD放电,通过CD的电量：, 电压表的示数为：,因为金属杆CD作初速为零的匀加运动，,所以：,代入数字得：,即电压表的示数U随时间t 均匀增加,7.如图所示，P、Q为水平面内平行放置的光滑金属长直导轨，间距为L1，处在竖直向下、磁感应强度大小为B1的匀强磁场中。一导体杆ef垂直于P、Q放在导轨上，在外力作用下向左做匀速直线运动。质量为m、每边电阻均为r、边长为L2的正方形金属框abcd置于竖直平面内，两顶点a、b通过细导线与导轨相连，磁感应强度大小为B2的匀强磁场垂直金属框向里，金属框恰好 处于静止状态。不计其余电 阻和细导线对a、b点的作用力。 (1)通过ab边的电流Iab是多大? (2)导体杆ef的运动速度v是多大?,（1）设通过正方形金属框的总电流为I，ab边的电流为Iab，dc边的电流为Idc，有：,金属框受重力和安培力,处于静止状态,有,由解得：,解答,（2）由（1）可得：,设导体杆切割磁感线产生的电动势为E，有：,EB1L1v ,设ad、dc、cb三边电阻串联后与ab边电阻并联的总电阻为R，则：,根据闭合电路欧姆定律，有：,IE/R ,由解得：,8.平行光滑导轨置于匀强磁场中，磁感应强度为B0.4T，方向垂直于导轨平面。金属棒ab以速度v向左匀速运动。导轨宽度L1m，电阻R1R38，R24，导轨电阻不计（金属棒ab电阻不能忽略),平行板电容器两板水平放置,板间距离 d10mm , 内有一质量为m11014kg ，电量q11015C的粒子，在电键S断开时粒子处于静止状态, S闭合后粒子以a6m/s2的加速度匀加速下落, g取10m/s2。求： （1）金属棒运动的速度为多少？ （2）S闭合后，作用于棒的外界 拉力的功率为多少？,（1）当S断开时：由于粒子处于静止：,mg=qE ,解答,S闭合时：粒子作匀加速运动，由牛顿第二定律有：,mg-qE1 =ma ,由解得：, =BLV ,（2）金属棒匀速运动，外力与安培力平衡,安培力： F安BI1L,得金属棒的速度：,9.如下图甲所示，边长l为和L的矩形线框、互相垂直，彼此绝缘，可绕中心轴O1O2转动，将两线框的始端并在一起接到滑环C上，末端并在一起接到滑环D上，C、D彼此绝缘，外电路通过电刷跟C、D连接，线框处于磁铁和圆柱形铁芯之间的磁场中，磁场边缘中心的张角为450，如下图乙所示(图中的圆表示圆柱形铁芯，它使磁铁和铁芯之间的磁场沿半径方向，如图箭头方向所示)不论线框转到磁场中的什么位置，磁场的方向总是沿着线框平面磁场中长为的线框边所在处的磁感应强度大小恒为B，设线框aa和bb的电阻都是r，两个线框以角速度逆时针匀速转动，电阻R=2r。,(1) 求线框aa 转到如乙图所示位置时，感应电动势的大小； (2) 求转动过程中电阻R上电压的最大值； (3) 从线框aa进入磁场开始计时，作出0T(