高考物理一轮总复习 专题6 电磁感应中的电路图象动力学和能量问题课件 新人教版

,2017高三一轮总复习,物 理,选修3-2,第九章 电磁感应,专题六 电磁感应中的电路、图象、 动力学和能量问题,栏目导航,基础知识整合,热门考点研析,方法技巧归纳,考题随堂演练,基础知识整合,如图所示，电阻不计的两光滑平行金属导轨相距L1 m，PM、QN部分水平放置在绝缘桌面上，半径a1 m的金属半圆导轨处在竖直平面内，两部分分别在M、N处相切，PQ左端与R2 的电阻连接一质量为m1 kg、电阻r1 的金属棒放在导轨上的PQ处并与两导轨始终垂直整个装置处于磁感应强度大小B1 T、方向竖直向上的匀强磁场中，g取10 m/s2.,(1)导体棒以v3 m/s速度在水平轨道上向右匀速运动时，求导体棒受到的安培力； (2)若导体棒恰好能通过轨道最高点CD处，求通过CD处时电阻R上的电功率； (3)设LPMLQN3 m，若导体棒从PQ处以3 m/s匀 速率沿着轨道运动，求导体棒从PQ运动到CD的过程中，电路中产生的焦耳热 【思路引导】 1.导体棒恰好通过轨道最高点CD处时，受力如何？ 2导体棒从MN运动到CD的过程中，产生何种感应电流？如何计算焦耳热？,热门考点研析,电磁感应现象中，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，该导体或回路就相当于电源，连接负载，在回路中形成电流. 因此，电磁感应问题往往跟电路问题联系在一起解决电磁感应电路问题的关键是把电磁感应的问题转换成直流电路问题 1解题思路 (1)等效电源的确定，判断发生电磁感应现象的是哪一部分回路或导体，该部分回路或导体即为等效电源. (2)根据电路的组成，画出等效电路图 (3)利用闭合电路欧姆定律、串并联电路电压和电流的规律以及电功率的计算方法分析求解,电磁感应中的电路问题,考 点 1,2解题注意点 (1)确定等效电源的正、负极，正确分析感应电动势及感应电流的方向注意在电源内部，电流是从电源的负极流向正极的，在电源的外部，电流是从电源的正极流向负极的 (3)正确区分路端电压和电动势的关系，比如并联在等效电源两端的电压表，其示数应该是路端电压，而不是等效电源的电动势，更不是内电压,(2016届临汾二模)如图所示，两足够长的平行光滑的金属导轨MN、PQ相距为L，导轨平面与水平面的夹角30，导轨电阻不计，磁感应强度为B的匀强磁场垂直于导轨平面向上长为L的金属棒ab垂直于MN、PQ放置在导轨上，且始终与导轨接触良好，金属棒的质量为m、电阻为R.两金属导轨的上端连接一个灯泡，灯泡的电阻也为R.现闭合开关K，给金属棒施加一个方向垂直于杆且平行于导轨平面向上的、大小为F2mg的恒力，使金属棒由静止开始运动，当金属棒达到最大速度时，灯泡恰能达到它的额定功率重力加速度为g，求： (1)金属棒能达到的最大速度vm； (2)灯泡的额定功率PL；,例 1,(3)若金属棒上滑距离为s时速度恰达到最大，求金属棒由静止开始上滑2s的过程中，金属棒上产生的电热Q1.,【思路引导】 1.金属棒何时达到最大速度？如何求解？ 2金属棒上滑过程中产生电热Q，能用焦耳定律求解吗？哪些能量减少导致了电热增加？ 【解析】 (1)金属棒受到重力、导轨支持力、恒力F和安培力作用，做加速度减小的加速运动，根据楞次定律的推广含义来拒去留可知，安培力沿斜面向下运动,【总结提升】 解决电磁感应中电路问题的注意点 1确定电源 2分析电路结构 确定外电路和内电路，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 主要应用欧姆定律及串、并联电路的基本性质等列方程求解,(2016届泰州一模) 如图所示，螺线管横截面积为S，线圈匝数为N，电阻为R1，管内有图示方向的变化磁场螺线管与足够长的平行金属导轨MN、PQ相连并固定在同一平面内，与水平面的夹角为，两导轨的间距为L.导轨的电阻忽略不计导轨处于垂直斜面向上、磁感应强度为B0的匀强磁场中金属杆ab垂直导轨放置，与导轨接触良好，并可沿导轨无摩擦滑动已知金属杆ab的质量为m，电阻为R2，重力加速度为g.忽略螺线管的磁场对金属杆ab的影响、忽略空气阻力,针对训练1,(1)为使ab杆保持静止，求通过ab的电流的大小和方向； (2)当ab杆保持静止时，求螺线管内磁场的磁感应强度B的变化率；,1.两类图象 (1)磁感应强度B、磁通量、感应电动势E和感应电流I等随时间变化的图象，即B t图象、 t图象、E t图象和I t图象，主要针对于闭合线圈磁通量变化的问题 (2)感应电动势E和感应电流I等随位移变化的图象，即E x图象和I x图象等，主要针对于切割磁感线产生感应电动势和感应电流的情况,电磁感应中的图象问题,考 点 2,2两类问题 (1)根据题干信息，研究电磁感应的过程画出或是选出正确的图象 (2)根据已知的图象研究电磁感应的过程，求解未知量. 3解题思路 (1)分析磁通量的变化或是导体切割磁感线的情况，利用法拉第电磁感应定律判断感应电动势或是感应电流的大小，进一步计算安培力的大小 (2)根据楞次定律或右手定则判断感应电流的方向，根据左手定则判断安培力的方向，进一步分析出相关物理量之间的函数关系 (3)分析感应电动势或是感应电流的变化时间段，对应时间坐标画出正确的图象 (4)图象的初始位置，方向的正负，物理量的变化趋势，物理量的增、减或方向正、负的转折点都是判断图象的关键,4解题过程中的注意点 (1)明确图象描述的物理含义，即图象定性或定量地表示的所研究问题的函数关系 (2)明确图象斜率的物理含义比如磁通量随时间变化的图象的斜率表示磁通量的变化率，即感应电动势的大小 (3)通过图象把题干中的已知量和未知量联系起来，即把图象和电磁感应的过程一一对应起来既能把图象的规律反映到实际运动过程中，又能根据实际运动情况对应到图象中，最后实现对物理规律的判断，这样才可以根本解决图象问题,(2015年山东高考)如图甲，R0为定值电阻，两金属圆环固定在同一绝缘平面内左端连接在一周期为T0的正弦交流电源上，经二极管整流后，通过R0的电流i始终向左，其大小按图乙所示规律变化规定内圆环a端电势高于b端时，a、b间的电压uab为正，下列uab t图象可能正确的是( ),例 2,【思路引导】 1.分析图甲，电路是如何连接的？ 2如何根据楞次定律得出a、b间电压变化规律？,【答案】 C,【总结提升】 有关电磁感应的图象问题有两类 一类以选择题形式出现，题目给出电磁感应过程，选出相应物理量的图象，解题的关键是依据选项给出的坐标轴，写出对应的函数解析式，选出正确的选项 另一类以计算题形式出现，题目中给出图象，分析电磁感应现象，求解相应物理量,(2016届贵州模拟)如图所示，为三个有界匀强磁场，磁感应强度大小均为B，方向分别垂直纸面向外、向里和向外，磁场宽度均为L，在磁场区域的左侧边界处，有一边长为L的正方形导体线框，总电阻为R，且线框平面与磁场方向垂直，现用外力F使线框以速度v匀速穿过磁,针对训练2,场区域，以初始位置为计时起点，规定电流沿逆时针方向时的电动势E为正，磁感线垂直纸面向里时的磁通量为正值，外力F向右为正则以下能反映线框中的磁通量、感应电动势E、外力F和电功率P随时间变化规律图象的是( ),解析：线圈中磁通量的变化可以通过线圈的运动来判断，电动势的变化可以通过法拉第电磁感应定律来判断，安培力的变化可以通过欧姆定律和安培力公式来判断，电功率的变化可以通过功率公式来判断当线框运动L时开始进入磁场，磁通量开始增加，当线框全部进入时达到最大值，后续运动过程中向外的磁通量增加，总磁通量逐渐减小，当运动到1.5L时，磁通量最小，故A选项错误当线圈进入第一个磁场时，由EBLv可知，E保持不变，而开始进入第二个磁场时，两端同时切割磁感线，电动势应为2BLv，故B选项错误根据楞次定律的推广含义来拒去留可知，安培力总是与运动方向相反，拉力应一直向右，故C选项错误拉力的功率PFv，因速度不变，而当线框在第一个磁场时，电流为定值，拉力也为定值；两边分别在两个磁场中时，由B的分析可知，电流加倍，故安培力加倍，功率加倍；此后从第二个磁场中离开时，安培力应等于线框在第一个磁场中的安培力，故D选项正确 答案：D,电磁感应现象中感应电流流过导体，在磁场中受到安培力作用，因此电磁感应问题往往跟力学问题联系在一起 1解题思路 (1)根据法拉第电磁感应定律和楞次定律求解感应电动势的大小和方向 (2)利用闭合电路欧姆定律求解感应电流的大小和方向 (3)根据左手定则求解安培力，分析导体的受力情况 (4)结合平衡条件和牛顿运动定律求解动力学问题,电磁感应中的动力学问题,考 点 3,2两类问题 (1)导体静止或做匀速直线运动，加速度为零，根据力的合成与分解知识结合平衡条件求解，关键是立体图的识别和平面图的转化 (2)导体处于加速运动状态，加速度不为零，根据牛顿运动定律动态分析，注意加速度a0、速度达到最大值的特点 3电磁感应现象中的动力学问题仍然是分析力和运动的关系，分析导体的受力情况判断导体的运动情况，或是根据导体的运动情况得出导体的受力情况是解题的关键如图所示：,(2015年上海高考)如图(a)，两相距L0.5 m的平行金属导轨固定于水平面上，导轨左端与阻值R2 的电阻连接，导轨间虚线右侧存在垂直导轨平面的匀强磁场质量m0.2 kg的金属杆垂直置于导轨上，与导轨接触良好，导轨与金属杆的电阻可忽略杆在水平向右的恒定拉力作用下由静止开始运动，并始终与导轨垂直，其v t图象如图(b)所示在15 s时撤去拉力，同时使磁场随时间变化，从而保持杆中电流为0.求：,例 3,(1)金属杆所受拉力的大小F； (2)015 s内匀强磁场的磁感应强度大小B0； (3)1520 s内磁感应强度随时间变化规律 【思路引导】 1.金属杆没有进入磁场前受哪些力作用？进入磁场后受哪些力作用？ 21520 s内回路中磁通量是否发生变化？有没有感应电流？ 【解析】 (1)由v t关系图象可知在010 s时间段杆尚未进入磁场，因此，Fmgma1，由图可得，a10.4 m/s2；同理可知在1520 s时间段杆仅在摩擦力作用下运动，mgma2，由图可得，a20.8 m/s2，解得F0.24 N.,【总结提升】 对于电磁感应现象中的动力学问题要注意以下几点 1电磁感应现象中的动力学问题要抓好受力情况、运动情况的动态分析 导体受力运动产生感应电动势，进一步产生感应电流，通电导体受到安培力作用，合外力发生变化，导致加速度发生变化，速度发生变化，最终状态是加速度为零，速度恒定，导体达到匀速运动的稳定状态 2这类问题关键是抓住速度变化引起安培力变化这个关系，并从分析物体受力情况与运动情况入手解决问题,如图a所示，光滑且足够长的平行金属导轨MN、PQ固定在同一水平面上，两导轨间距L0.2 m，电阻R0.4 ，导轨上停放一质量m0.1 kg、电阻r0.1 的金属杆，导轨电阻可忽略不计，整个装置处于磁感应强度B0.5 T的匀强磁场中，磁场方向竖直向下现用一外力F沿水平方向拉杆，使之由静止开始运动，若理想电压表的示数U随时间t变化的关系如图b所示 (1)试分析说明金属杆的运动情况； (2)求第2 s末外力F的瞬时功率,针对训练3,答案：(1)杆做初速度为零的匀加速运动 (2)7 W,方法技巧归纳,电磁感应中的能量转化问题 电磁感应过程本身就是能量转化守恒的过程，因此对于电磁感应综合题目的分析离不开能量观点的应用，此类问题的基本特点是综合性强，难度较大，需要应用动能定理、功能关系和能量守恒定律综合求解 1从能量的角度来分析，电磁感应过程实质是不同形式的能量转化的过程可以简化为下列形式：,(1)安培力做负功，其他形式的能向电能转化，比如导体切割磁感线，运动的导体具有机械能，切割磁感线的过程中，机械能逐渐减小，电能增加，机械能向电能转化 (2)安培力做正功，电能向其他形式的能转化，比如通电导体在磁场中受到安培力作用，导体开始运动，机械能增加，电能减小，电能向机械能转化 (3)无论何种形式的能量的转化，不涉及到磁场能的问题，磁场在这里起到了传递能量的作用,2解题思路 (1)在电磁感应现象中，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，该导体或回路就相当于电源，其他电路相当于负载 (2)明确导体运动的情况，清楚导体的受力，哪些力做功，知道有哪些形式的能量发生了相互转化 (3)电能求解方法 根据动能关系来求，计算克服安培力做的功，克服安培力做的功等于电能的增加量 根据电功或是电热公式来求 根据能量守恒列方程求解，其他形式的能量减少量等于电能的增加量,3导体杆切割磁感线的模型 导体切割磁感线包括单杠模型和双杠模型 (1)单杆切割磁感线，如图所示：,(2)双杆切割磁感线，两个导体杆参与运动，感应电动势取决于两者的相对速度,例 4,(2015年天津高考)如图所示，“凸”字形硬质金属线框质量为m，相邻各边相互垂直，且处于同一竖直平面内，ab边长为l，cd边长为2l，ab与cd平行，间距为2l.匀强磁场区域的上下边界均水平，磁场方向垂直于线框所在平面开始时，cd边到磁场上边界的距离为2l，线框由静止释放，从cd边进入磁场直到ef、pq边进入磁场前，线框做匀速运动在ef、pq边离开磁场后，ab边离开磁场之前，线框又做匀速运动线框完全穿过磁场过程中产生的热量为Q.线框在下落过程中始终处于原竖直平面内，且ab、cd边保持水平，重力加速度为g.求：,(1)线框ab边将离开磁场时做匀速运动的速度大小是cd边刚进入磁场时的几倍？ (2)磁场上下边界间的距离H. 【思路引导】 1.线框ab边匀速运动时，受到哪些力作用？如何根据平衡条件求解速度？ 2线框下落过程中，能量如何转化？如何根据能量守恒定律求解磁场宽度？ 【解析】 (1)设磁场的磁感应强度大小为B，cd边刚进入磁场时，线框做匀速运动的速度为v1，cd边上的感应电动势为E1，由法拉第电磁感应定律，有E12Blv1.,(2016届德阳模拟)如图所示，四条水平虚线等间距的分布在同一竖直面上，间距为h在、两区间分布着完全相同，方向水平向内的磁场，磁场大小按B t图变化(图中B0已知)现有一个长方形金属线框ABCD，质量为m，电阻为R，ABCDL，ADBC2h.用一轻质的细线把线框ABCD竖直悬挂着，AB边恰好在区的中央t0(未知)时刻细线恰好松弛，之后剪断细线，当CD边到达M3N3时线框恰好匀速运动(空气阻力不计，g取10 m/s2),针对训练4,(1)求t0的值； (2)求线框AB边到达M2N2时的速率v； (3)从剪断细线到整个线框通过两个磁场区的过程中产生的电能为多大？,考题随堂演练,1. (2016届荆州模拟)如图所示，两根光滑的平行金属导轨位于水平面内，匀强磁场与导轨所在平面垂直，两根金属杆甲和乙可在导轨上无摩擦地滑动，滑动过程中与导轨接触良好且保持垂直起初两根杆都静止现突然使甲获得速度v而开始运动，回路中的电阻不可忽略，那么在以后的运动中，下列说法正确的是( ) A甲克服安培力做的功等于系统产生的焦耳热 B甲动能的减少量等于系统产生的焦耳热 D最终两根金属杆都会停止运动,C甲机械能的减少量等于乙获得的动能与系统产生的焦耳热之和,解析：甲获得速度v而开始运动，切割磁感线，回路中产生顺时针感应电流，根据左手定则可知，甲棒受向左的安培力而减速，乙棒受向右的安培力而加速，根据能量守恒定律，故甲棒减小的动能等于系统增加的内能和乙棒增加的动能之和，故A、B、D选项错误，C选项正确 答案：C,2.(2016届日照模拟)如图所示，边长为2l的正方形虚线框内有垂直于纸面向里的匀强磁场，一个边长为l的正方形导线框所在平面与磁场方向垂直，导线框的一条对角线和虚线框的一条对角线恰好在同一直线上从t0开始，使,导线框从图示位置开始以恒定速度沿对角线方向移动进入磁场，直到整个导线框离开磁场区域用I表示导线框中的感应电流(逆时针方向为正)，则下列表示It关系的图线中，正确的是( ),解析：导线框完全进入磁场后，由于导线框的边长小于虚线框的边长，故没有感应电流产生，A、B选项错误；进入和穿出磁场过程，线框有效切割长度变化，感应电动势和感应电流在变化，故C选项错误；线框进入磁场过程，有效切割长度l均匀增大，感应电动势E均匀增大，感应电流I均匀增大穿出磁场过程，有效切割长度L均匀减小，感应电动势E均匀减小，感应电流I均匀减小，两个过程电流方向相反故D选项正确 答案：D,3(多选)(2016届库车县期末)如图所示，在点O正下方有一个理想边界的匀强磁场