2019_2020版高中物理第四章电磁感应微型专题2电磁感应中的电路、电荷量及图象问题教案新人教版.docx

微型专题2电磁感应中的电路、电荷量及图象问题学科素养与目标要求物理观念：进一步熟练掌握法拉第电磁感应定律、楞次定律、闭合电路欧姆定律.科学思维：1.掌握电磁感应现象中电路问题和电荷量求解问题的基本思路和方法，建立解决电磁感应现象中电路问题的思维模型.2.将抽象思维与形象思维相结合，综合应用楞次定律和法拉第电磁感应定律解决电磁感应中的图象问题.一、电磁感应中的电路问题1.明确哪部分电路或导体产生感应电动势，该部分电路或导体就相当于电源，其他部分是外电路.2.画等效电路图，分清内、外电路.3.用法拉第电磁感应定律En或EBlv确定感应电动势的大小，用楞次定律或右手定则确定感应电流的方向.注意在等效电源内部，电流方向从负极流向正极.4.运用闭合电路欧姆定律、串并联电路特点、电功率、电热等公式联立求解.例1固定在匀强磁场中的正方形导线框abcd边长为L，其中ab是一段电阻为R的均匀电阻丝，其余三边均为电阻可以忽略的铜线.磁感应强度为B，方向垂直纸面向里.现有一段与ab段的材料、粗细、长度均相同的电阻丝PQ架在导线框上(如图1所示).若PQ以恒定的速度v从ad滑向bc，当其滑过的距离时，通过aP段的电流是多大？方向如何？图1答案方向由 P到a解析PQ在磁场中做切割磁感线运动产生感应电动势，由于是闭合回路，故电路中有感应电流，可将电阻丝PQ视为有内阻的电源，电阻丝aP与bP并联，且RaPR、RbPR，于是可画出如图所示的等效电路图.电源电动势为EBLv，外电阻为R外R.总电阻为R总R外rRR，即R总R.电路中的电流为：I.通过aP段的电流为：IaPI，方向由P到a.学科素养本题考查了电磁感应中的电路问题.正确画出等效电路图是解题的关键，所以要熟记以下两点：(1)“切割”磁感线的导体(或磁通量发生变化的线圈)相当于“电源”.(2)在“电源”内部电流从负极流向正极，解决本题的思路是：先确定“电源”，画出等效电路图，再利用闭合电路欧姆定律来计算总电流，然后根据电路的串、并联关系求出aP段中的电流，通过这样的分析培养了学生的综合分析能力，很好地体现了“科学思维”的学科素养.二、电磁感应中的电荷量问题闭合回路中磁通量发生变化时，电荷发生定向移动而形成感应电流，在t内迁移的电荷量(感应电荷量)qIttnt.(1)从上式可知，线圈匝数一定时，感应电荷量仅由回路电阻和磁通量的变化量决定，与时间无关.(2)求解电路中通过的电荷量时，I、E均为平均值.例2(2018中山市第一中学高二第一次段考)一个阻值为R、匝数为n的圆形金属线圈与阻值为2R的电阻R1、电容为C的电容器连接成如图2(a)所示回路.金属线圈的半径为r1，在线圈中半径为r2的圆形区域内存在垂直于线圈平面向里的匀强磁场，磁感应强度B随时间t变化的关系图线如图(b)所示.图线与横、纵轴的截距分别为t0和B0.导线的电阻不计.求：图2(1)通过电阻R1的电流大小和方向；(2)0t1时间内通过电阻R1的电荷量q；(3)t1时刻电容器所带电荷量Q.答案(1)，方向从b到a(2)(3)解析(1)由Bt图象可知，磁感应强度的变化率为：，根据法拉第电磁感应定律，感应电动势：Ennr22根据闭合电路的欧姆定律，感应电流为：I1联立解得：I1根据楞次定律可知通过R1的电流方向为从b到a.(2)通过R1的电荷量qI1t1得：q(3)电容器两板间电压为：UI1R1则电容器所带的电荷量为：QCU.三、电磁感应中的图象问题1.问题类型(1)由给定的电磁感应过程选出或画出正确的图象.(2)由给定的图象分析电磁感应过程，求解相应的物理量.2.图象类型(1)各物理量随时间t变化的图象，即Bt图象、t图象、Et图象和It图象.(2)导体切割磁感线运动时，还涉及感应电动势E和感应电流I随导体位移变化的图象，即Ex图象和Ix图象.3.解决此类问题需要熟练掌握的规律：安培定则、左手定则、楞次定律、右手定则、法拉第电磁感应定律、欧姆定律等.例3(2018北京101中学下学期高二期中)如图3甲所示，矩形线圈abcd位于匀强磁场中，磁场方向垂直线圈所在平面，磁感应强度B随时间t变化的规律如图乙所示.以图中箭头所示方向为线圈中感应电流i的正方向，以垂直于线圈所在平面向里为磁感应强度B的正方向，则下列图中能正确表示线圈中感应电流i随时间t变化规律的是()图3答案C解析由法拉第电磁感应定律和欧姆定律得：I，所以线圈中的感应电流决定于磁感应强度B随t的变化率，Bt图象的斜率为，故在23 s内感应电流的大小是01 s内的2倍.再由Bt图象可知，01 s时间内，B增大，增大，感应电流的磁场与原磁场方向相反(感应电流的磁场方向向外)，由楞次定律知，感应电流是逆时针的，因而是负值.所以可判断01 s为负的恒值；12 s为零；23 s为正的恒值，C正确.例4如图4所示，一底边长为L、底边上的高也为L的等腰三角形导体线框以恒定的速度v沿垂直于磁场区域边界的方向穿过长为2L、宽为L的匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里.t0时刻，三角形导体线框的底边刚进入磁场，取沿逆时针方向的感应电流为正方向，则在三角形导体线框穿过磁场区域的过程中，感应电流i随时间t变化的图线可能是()图4答案A解析根据EBL有v，I可知，三角形导体线框进、出磁场时，有效切割长度L有都变小，则I也变小.再根据楞次定律及安培定则，可知进、出磁场时感应电流的方向相反，进磁场时感应电流方向为正方向，出磁场时感应电流方向为负方向，故选A.提示线框进、出匀强磁场，可根据EBLv判断E的大小变化，再根据楞次定律判断方向.特别注意L为切割磁感线的有效长度.1.(电磁感应中的电路问题)粗细均匀的电阻丝围成的正方形线框置于有界匀强磁场中，磁场方向垂直于线框平面，其边界与正方形线框的边平行.现使线框以同样大小的速度沿四个不同方向平移出磁场，如图所示，则在移出过程中线框的一边a、b两点间电势差的绝对值最大的是()答案B解析磁场中切割磁感线的边相当于电源，外电路可看成由三个相同电阻串联形成，A、C、D选项中a、b两点间电势差的绝对值为外电路中一个电阻两端的电压：UE，B选项中a、b两点间电势差的绝对值为路端电压：UE，所以a、b两点间电势差的绝对值最大的是B选项.2.(电磁感应中的电荷量问题)如图5所示，空间存在垂直于纸面的匀强磁场，在半径为a的圆形区域内部及外部，磁场方向相反，磁感应强度的大小均为B.一半径为b(ba)、电阻为R的圆形导线环放置在纸面内，其圆心与圆形区域的中心重合.当内、外磁场同时由B均匀地减小到零的过程中，通过导线环截面的电荷量为()图5A. B.C. D.答案A解析设开始时穿过导线环向里的磁通量为正值，1Ba2，则向外的磁通量为负值，2B(b2a2)，总的磁通量为它们的代数和(取绝对值)B|b22a2|，末态总的磁通量为0，由法拉第电磁感应定律得平均感应电动势为，通过导线环截面的电荷量为qt，A项正确.3.(电磁感应中的图象问题)在竖直方向的匀强磁场中，水平放置一个面积不变的单匝金属线圈，规定线圈中感应电流的正方向如图6甲所示，取线圈中磁场B的方向向上为正方向，当磁感应强度B随时间t的变化如图乙所示，以下四图中正确表示线圈中感应电流变化的是()图6答案A解析在前半个周期内，磁场方向向上且逐渐减小，根据楞次定律可知感应电流的方向为负方向；后半个周期内磁场方向向下且增大，根据楞次定律可知感应电流的方向为负方向，且后半个周期内磁感应强度的变化率为前半个周期内的两倍，故电流也为前半个周期的两倍，选项A正确.4.(电磁感应中的图象问题)如图7所示，两条平行虚线之间存在匀强磁场，虚线间的距离为L，磁场方向垂直纸面向里，abcd是位于纸面内的梯形线圈，ad与bc间的距离也为L，t0时刻bc边与磁场区域边界重合.现令线圈以恒定的速度v沿垂直于磁场区域边界的方向穿过磁场区域，取沿abcda方向为感应电流正方向，则在线圈穿越磁场区域的过程中，感应电流I随时间t变化的图线可能是 ()图7答案B解析bc边进入磁场时，根据右手定则判断出其感应电流的方向是沿adcba方向，其方向与电流的正方向相反，故是负的，所以A、C错误；当线圈逐渐向右移动时，切割磁感线的有效长度变大，故感应电流在增大；当bc边穿出磁场区域时，线圈中的感应电流方向变为abcda，是正方向，故其图象在时间轴的上方，所以B正确，D错误.5.(电磁感应中的电路问题)(2018海安高级中学第一学期期中)如图8所示，在垂直纸面向里的磁感应强度为B的有界矩形匀强磁场区域内，有一个由均匀导线制成的单匝矩形线框abcd，线框平面垂直于磁感线.线框以恒定的速度v垂直磁场边界向左运动，运动中线框dc边始终与磁场右边界平行，线框边长adl，cd2l，线框导线的总电阻为R，则线框离开磁场的过程中，求：图8(1)流过线框横截面的电荷量q；(2)cd两点间的电势差Ucd.答案(1)(2)解析(1)线框离开磁场过程中，cd边切割磁感线EB2lv，回路电流I，流过线框横截面的电荷量qIt；(2)线框向左离开磁场，cd边相当于电源，c点为电源正极，外电阻R外R，UcdE.一、选择题考点一电磁感应中的电路问题1.如图1所示，磁感应强度为B，ef长为l，ef的电阻为r，外电阻为R，其余电阻不计.当ef在外力作用下向右以速度v匀速运动时，则ef两端的电压为()图1A.Blv B.C. D.答案B2.如图2所示，由均匀导线制成的半径为R的圆环，以速度v匀速进入一磁感应强度大小为B的有直线边界(图中竖直虚线)的匀强磁场.当圆环运动到图示位置(aOb90)时，a、b两点的电势差为()图2A.BRv B.BRvC.BRv D.BRv答案D解析设整个圆环的电阻为r，位于题图所示位置时，电路的外电阻是圆环总电阻的，即磁场外的部分.而在磁场内切割磁感线的有效长度是R，其相当于电源，EBRv，根据闭合电路欧姆定律可得UEBRv，选项D正确.3.如图所示为用相同导线制成的边长为L或2L的4个单匝闭合线框，以相同的速度先后沿垂直于磁场边界的方向穿过正方形匀强磁场区域，磁场方向垂直纸面向外，区域宽度大于2L，则进入磁场过程中，感应电流最大的回路是()答案C解析线框进入磁场过程中，做切割磁感线运动，设切割磁感线的有效长度为d，产生的感应电动势EBdv，根据电阻定律可知，线框的电阻R，由闭合电路欧姆定律可知，回路中的感应电流I，联立以上各式有I，所以线框的越大，对照4种图形可知，C正确.4.如图3所示，竖直平面内有一金属圆环，半径为a，总电阻为R(指剪开拉直时的电阻)，磁感应强度为B的匀强磁场垂直穿过环平面.环的最高点A用铰链连接长度为2a、电阻为的导体棒AB，AB由水平位置紧贴环面摆下，当摆到竖直位置时，B点的线速度为v，则这时AB两端的电压大小为()图3A. B.C. D.Bav答案A解析导体棒AB摆到竖直位置时，AB切割磁感线的瞬时感应电动势EB2avBav.外电路电阻大小为，由闭合电路欧姆定律有|UAB|Bav，故选A.5.(多选)(2018阳泉市第十一中学高二下月考)在如图4甲所示的电路中，螺线管匝数n1 500匝，横截面积S20 cm2.螺线管导线电阻r1.0 ，R14.0 ，R25.0 ，C30 F.在一段时间内，穿过螺线管的磁场的磁感应强度B按如图乙所示的规律变化，螺线管内的磁场B的方向向下为正方向.则下列说法中正确的是()图4A.螺线管中产生的感应电动势为1 VB.闭合S，电路中的电流稳定后，电阻R1的电功率为5102 WC.电路中的电流稳定后电容器下极板带正电D.S断开后，流经R2的电荷量为1.8105 C答案CD解析根据法拉第电磁感应定律EnnS1 50020104 V1.2 V，A错误；根据闭合电路欧姆定律I A0.12 A，根据PI2R1，得R1消耗的功率P0.1224.0 W5.76102 W，选项B错误；根据楞次定律，螺线管感应电动势沿逆时针方向，即等效电源为上负下正，所以电路中电流稳定后电容器下极板带正电，C正确；S断开后，流经R2的电荷量即为S闭合时电容器所带电荷量Q，电容器两端的电压等于R2两端电压，故UIR20.6 V，流经R2的电荷量QCU1.8105 C，选项D正确.考点二电磁感应中的电荷量问题6.如图5所示，将一个闭合金属圆环从有界磁场中匀速拉出，第一次速度为v，通过金属圆环某一横截面的电荷量为q1，第二次速度为2v，通过金属圆环某一横截面的电荷量为q2，则()图5A.q1q212 B.q1q214C.q1q211 D.q1q221答案C7.物理实验中，常用一种叫做“冲击电流计”的仪器测定通过电路的电荷量.如图6所示，探测线圈与冲击电流计串联后可用来测定磁场的磁感应强度.已知线圈的匝数为n，面积为S，线圈与冲击电流计组成的回路电阻为R.若将线圈放在被测匀强磁场中，开始时线圈平面与磁场垂直，现把探测线圈翻转180，冲击电流计测出通过线圈的电荷量为q，由上述数据可得出被测磁场的磁感应强度为()图6A. B. C. D.答案C解析由题意知qtttnn，则B，故C正确.8.(多选)(2017南京市第三次模拟考试)如图7甲所示，静止在水平面上的等边三角形闭合金属线框，匝数n20匝，总电阻R2.5 ，边长L0.3 m，处在两个半径均为r0.1 m的圆形匀强磁场中，线框顶点与右侧圆心重合，线框底边与左侧圆直径重合.磁感应强度B1垂直水平面向外，B2垂直水平面向里，B1、B2随时间t的变化如图乙所示，线框一直处于静止状态，计算过程中取3，下列说法正确的是()图7A.线框具有向左运动的趋势B.t0时刻穿过线框的磁通量为0.5 WbC.t0.4 s时刻线框中感应电动势为1.5 VD.00.6 s内通过线框横截面的电荷量为0.36 C答案CD解析磁感应强度B1增加，由楞次定律和右手定则可知，线框中的电流为顺时针方向，由左手定则可知，线框所受安培力方向向右，所以线框有向右运动的趋势，A错误；由BS可知，t0时刻，由磁场B1产生的磁通量1B1r20.03 Wb，方向向外，由磁场B2产生的磁通量2B2r20.005 Wb，方向向里，所以穿过整个线框的磁通量120.025 Wb，B错误；根据法拉第电磁感应定律，t0.4 s时刻线框中感应电动势Enr22030.01 V1.5 V，C正确；00.6 s内，通过线框横截面的电荷量qn20 C0.36 C，D正确.考点三电磁感应中的图象问题9.(2018邵阳市第二中学高二下月考)如图8甲所示，一根电阻R4 的导线绕成半径d2 m的圆，在圆内部分区域存在变化的匀强磁场，中间S形虚线是两个直径均为d的半圆，磁感应强度随时间变化如图乙所示(磁场垂直于纸面向外为正，电流逆时针方向为正)，关于圆环中的感应电流时间图象，下列选项中正确的是()图8答案C解析01 s内，感应电动势为：E1S V4 V，感应电流大小为：I1 A A，由楞次定律知，感应电流为顺时针方向，为负值，故C正确，A、B、D错误.10.(2018惠州市东江高级中学高二第二学期月考)如图9所示，一个有矩形边界的匀强磁场区域，磁场方向垂直纸面向里.一个三角形闭合导线框，由位置1(左)沿纸面匀速运动到位置2(右).取线框刚到达磁场的时刻为计时起点(t0)，规定逆时针方向为电流的正方向，则下图中能正确反映线框中电流与时间关系的是(线框底边长度小于磁场区域宽度)()图9答案A解析线框进入磁场的过程，磁通量向里增加，根据楞次定律得知感应电流的磁场向外，由安培定则可知感应电流方向为逆时针，电流i应为正值，故B、C错误；线框进入磁场的过程，线框的有效切割长度先均匀增大后均匀减小，由EBLv，可知感应电动势先均匀增大后均匀减小；线框完全进入磁场的过程，磁通量不变，没有感应电流产生.线框穿出磁场的过程，磁通量向里减小，根据楞次定律得知感应电流的磁场向里，由安培定则可知感应电流方向为顺时针，电流i应为负值；线框的有效切割长度先均匀增大后均匀减小，由EBLv，可知感应电动势先均匀增大后均匀减小，故A正确，D错误.11.如图10甲所示，矩形导线框abcd放在匀强磁场中静止不动，磁场方向与线框平面垂直，磁感应强度B随时间t变化的图象如图乙所示.设t0时刻，磁感应强度的方向垂直纸面向里，则在04 s时间内，选项图中能正确反映线框ab边所受的安培力F随时间t变化的图象是(规定ab边所受的安培力向左为正)()图10答案D二、非选择题12.如图11所示，光滑金属导轨PN与QM相距1 m，电阻不计，两端分别接有电阻R1和R2，且R16 ，R23 ，ab导体棒的电阻为2 .垂直穿过导轨平面的匀强磁场的磁感应强度为1 T.现使ab以恒定速度v3 m/s匀速向右移动，求：图11(1)导体棒上产生的感应电动势E；(2)R1与R2分别消耗的电功率.