高考物理一轮复习第十二章电磁感应第3讲电磁感应中的电路与图像问题课件.ppt

第3讲 电磁感应中的电路与图像问题,知识梳理 一、电磁感应中的电路问题 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。,2.解决与电路相联系的电磁感应问题的基本方法 (1)用法拉第电磁感应定律和楞次定律(或右手定则)确定感应电动势的 大小 和 方向 ; (2)画等效电路; (3)运用闭合电路欧姆定律、串并联电路的规律、电功率等相关知识求 解。,3.与上述问题相关的几个知识点 (1)电源电动势E=Blv或E=n 。 (2)闭合电路欧姆定律I= ; 部分电路欧姆定律I= ; 电源的内电压Ur= Ir ; 电源的路端电压U=IR= E-Ir 。 (3)通过导体的电荷量q=It= n 。,二、电磁感应中的图像问题 电磁感应中常涉及 磁感应强度B 、磁通量、感应电动势E和感 应电流I 随时间t 变化的图像,即 B-t图像 、-t图 像、E-t 图像和I-t 图像。对于切割磁感线产生感应电动势和感应电流 的情况,还常涉及感应电动势E和感应电流I随线圈位移x变化的图像,即 E-x图像和I-x 图像。,1.如图所示,一个边长为L、电阻均匀分布的正方形线框abcd,在外力作 用下,以速度v匀速穿过宽度均为L的两个匀强磁场。这两个磁场的磁感 应强度大小均为B,方向相反。线框运动方向与底边平行且与磁场边缘 垂直。取逆时针方向为电流正方向。,若从图示位置开始,线框中产生的感应电流i、导体ba段电压uba与运动位移x之间的函数图像如图所示,则正确的是 ( ),D,答案 D 线框bc边进入左侧磁场时,E=BLv,i0= ,沿逆时针方向,uba= BLv;当bc边进入右侧磁场时,ad边同时进入左侧磁场,此时E=2BLv,i0= 2i0= ,沿顺时针方向,uba=- BLv=- BLv,故D正确。,2.如图所示,PN和QM两平行金属导轨相距1 m,电阻不计,两端分别接有 电阻R1和R2,且R1=6 ,ab导体杆的电阻为2 ,在导轨上可无摩擦地滑动, 垂直穿过导轨平面的匀强磁场的磁感应强度为1 T。现ab以恒定速度v =3 m/s匀速向右移动,这时ab杆上消耗的电功率与R1、R2消耗的电功率 之和相等,求: (1)R2的阻值; (2)R1与R2消耗的电功率分别为多少; (3)拉ab杆的水平向右的外力F为多大。,答案 (1)3 (2)0.375 W 0.75 W (3)0.75 N,解析 (1)内外功率相等,则内外电阻相等: =2 解得R2=3 (2)E=BLv=113 V=3 V 总电流I= = A=0.75 A 路端电压U=IR外=0.752 V=1.5 V P1= = W=0.375 W P2= = W=0.75 W (3)F=F安=BIL=10.751 N=0.75 N,深化拓展,考点一 电磁感应电路问题,考点二 电磁感应图像问题分析,考点三 综合应用电路和图像分析电磁感应问题,深化拓展 考点一 电磁感应电路问题 1.电磁感应中电路知识的关系图,2.解电磁感应中电路问题时关注以下几点 (1)明确电源的电动势。 E=n =nS =nB ,E=BLv,E= BL2。 (2)明确电源的正、负极:根据电源内部电流的方向是从负极流向正极, 即可确定电源的正、负极。 (3)明确电源的内阻:即相当于电源的那部分电路的电阻。 (4)明确电路关系:即构成回路的各部分电路的串、并联关系。 (5)结合闭合电路欧姆定律和电功、电功率等能量关系列方程求解。,1-1 如图,由某种粗细均匀的总电阻为3R的金属条制成的矩形线框 abcd,固定在水平面内且处于方向竖直向下的匀强磁场B中。一接入电 路电阻为R的导体棒PQ,在水平拉力作用下沿ab、dc以速度v匀速滑动, 滑动过程PQ始终与ab垂直,且与线框接触良好,不计摩擦。在PQ从靠近 ad处向bc滑动的过程中 ( ),A.PQ中电流先增大后减小 B.PQ两端电压先减小后增大 C.PQ上拉力的功率先减小后增大 D.线框消耗的电功率先减小后增大,C,答案 C 由题意知,题目情形可等效为如图所示的电路问题,其中R左+ R右=3R,E=BLv,r=R,当PQ向右运动时,R左增大,R右减小,两者并联的总电阻 R外先增大后减小,当PQ运动到线框正中央位置时,R外最大,故流过PQ的 电流先减小后增大,A项错误;PQ两端电压U=E-Ir,故U的变化为先增大 后减小,B项错误;拉力的功率P=P总=EI,故拉力的功率先减小后增大,C项 正确;线框作为外电路,总电阻最大值为R总= = R,则导体棒PQ 的电阻始终大于线框的总电阻,当导体棒向右运动的过程中电路中的总 电阻先增大后减小,线框消耗的电功率先增大后减小,故D正确。,1-2 为了提高自行车夜间行驶的安全性,小明同学设计了一种“闪 烁”装置。如图所示,自行车后轮由半径r1=5.010-2 m的金属内圈、半 径r2=0.40 m的金属外圈和绝缘辐条构成。后轮的内、外圈之间等间隔 地接有4根金属条,每根金属条的中间均串联有一电阻值为R的小灯 泡。在支架上装有磁铁,形成了磁感应强度B=0.10 T、方向垂直纸面向 外的“扇形”匀强磁场,其内半径为r1、外半径为r2、张角 = 。后轮 以角速度 =2 rad/s相对于转轴转动。若不计其他电阻,忽略磁场的边 缘效应。 (1)当金属条ab进入“扇形”磁场时,求感应电动势E,并指出ab上的电流 方向; (2)当金属条ab进入“扇形”磁场时,画出“闪烁”装置的电路图;,(3)从金属条ab进入“扇形”磁场时开始,经计算画出轮子转一圈过程 中,内圈与外圈之间电势差Uab 随时间t变化的Uab-t图像; (4)若选择的是“1.5 V、0.3 A”的小灯泡,该“闪烁”装置能否正常工 作?有同学提出,通过改变磁感应强度B、后轮外圈半径r2、角速度和 张角等物理量的大小,优化前同学的设计方案,请给出你的评价。,答案 见解析,解析 (1)金属条ab在磁场中切割磁感线时,所构成的回路的磁通量变 化。设经过时间t,磁通量变化量为,由法拉第电磁感应定律 E= =BS=B 由、式并代入数值得: E= = B( - )=4.910-2 V 根据右手定则(或楞次定律),可得感应电流方向为 ba。 (2)通过分析,可得电路图为,(3)设电路中的总电阻为R总,根据电路图可知, R总=R+ R= R ab两端电势差 Uab=E-IR=E- R= E=1.210-2 V,设ab离开磁场区域的时刻为t1,下一根金属条进入磁场区域的时刻为t2 t1= = s t2= = s 设轮子转一圈的时间为T T= =1 s 在T=1 s内,金属条有四次进出,后三次与第一次相同 由、式可画出如下Uab-t图像。,(4)“闪烁”装置不能正常工作。(金属条的感应电动势只有4.910-2 V, 远小于小灯泡的额定电压,因此无法工作。) B增大,E增大,但有限度; r2增大,E增大,但有限度; 增大,E增大,但有限度; 增大,E不变。,考点二 电磁感应图像问题分析 1.图像问题大体可分为两类 (1)由给出的电磁感应过程选出或画出正确的图像。 (2)由给定的有关图像分析电磁感应过程,求解相应物理量。 不管是哪种类型,电磁感应中图像问题常需利用右手定则、楞次定律和 法拉第电磁感应定律等规律分析解决。,2.一般解题步骤 (1)明确图像的种类,即是B-t图像还是-t图像,或者E-t图像、I-t图像 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、闭合电路欧姆定律、牛顿运动定律等写 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)画图像或判断图像。,2-1 在空间存在着竖直向上的各处均匀的磁场,将一个不变形的单匝 金属圆线圈放入磁场中,规定线圈中感应电流方向如图甲所示的方向为 正。当磁场的磁感应强度 B竖直向上其大小随时间t的变化规律如图乙 所示时,图丙中能正确表示线圈中感应电流随时间变化的图线是( ) 丙,B,答案 B 从乙图知,01 s,磁感应强度B均匀增加,根据楞次定律,线圈 中产生顺时针方向的感应电流(从上往下看),再根据法拉第电磁感应定 律知,感应电流大小不变,1 s2 s磁感应强度B不变,不产生感应电流;2 s 4 s磁感应强度B均匀减小,故线圈中产生逆时针方向电流,且大小应为0 1 s时间段内感应电流的一半,故B项正确。,2-2 如图所示,宽度为L的有界匀强磁场的方向垂直纸面向里,磁感应 强度的大小为B。闭合等腰直角三角形导线框abc的直角边ab长为2L。 线框总电阻为R。规定沿abca方向为感应电流的正方向。导线框以速 度v匀速向右穿过磁场的过程中,感应电流随时间变化规律的图像是 ( ),D,答案 D 由右手定则可判断出,在0L位移范围内,感应电流的方向为 逆时针,故A、B错;由于导线框为等腰直角三角形,故在L2L位移范围 内切割磁感线的有效长度一定,一直为L,所以导线框中的感应电流一直 为 ,故C错、D对。,考点三 综合应用电路和图像分析电磁感应问题 图像既是提供信息的途径,也是分析问题的手段。在电磁感应问题 中,不仅要把产生电磁感应现象的回路视为电路,画出等效电路图,结合 电路知识分析解决问题,而且要准确分析题中图像,提取有效信息运用 到解题过程中去,如下为图像和电路的对应关系: E=n,E=BLv,3-1 如图(a)所示,在垂直于匀强磁场B的平面内,半径为r的金属圆盘绕 过圆心O的轴转动,圆心O和边缘K通过电刷与一个电路连接。电路中 的P是加上一定正向电压才能导通的电子元件。流过电流表的电流I与 圆盘角速度的关系如图(b)所示,其中ab段和bc段均为直线,且ab段过坐 标原点。0代表圆盘逆时针转动。已知:R=3.0 ,B=1.0 T,r=0.2 m。 忽略圆盘、电流表和导线的电阻。 (1)根据图(b)写出ab、bc段对应的I与的关系式; (2)求出图(b)中b、c两点对应的P两端的电压Ub、Uc; (3)分别求出ab、bc段流过P的电流IP与其两端电压UP的关系式。,图(a),图(b),答案 见解析,解析 (1)由图像可知,在ab段 I= (-45 rad/s15 rad/s) 在bc段 I= -0.05(1