高考物理总复习 专题十 第3讲 电磁感应定律的综合应用配套课件.ppt

第3讲 电磁感应定律的综合应用 考点1电磁感应中的电路问题 1 电磁感应中 产生感应电动势那部分导体相当于电源 导体的电阻是电源的内阻 在导体两端接上用电器形成闭合回路时在回路中形成电流 出现了电磁感应与电路综合的问题 解决电磁感应的电路问题的关键是把电磁感应的问题等效转换成稳恒直流电路 2 基本方法 1 确定电源 确定产生感应电动势的是哪一部分导体 把 它视为等效电源 2 分析电路结构 画等效电路图 3 利用闭合电路欧姆定律 欧姆定律 串并联规律等求解 正确分析感应电动势及感应电流的方向 确定哪一部分导体产生感应电动势是关键 外电路中的电流方向仍是从高电势点到低电势点 只要等效电源有内阻 路端电压就不等于电动势 并联在等效电源两端的电压表示数是路端电压 不是等效电源的电动势 也不是内电压 自主检测 1 半径为a的圆形区域内有均匀磁场 磁感强度为b 0 2t 磁场方向垂直纸面向里 半径为b的金属圆环与磁场同心地放置 磁场与环面垂直 其中a 0 4m b 0 6m 金属环上分别接有灯l1 l2 两灯的电阻均为r 2 一金属棒mn与金属环接触良好 棒和环的电阻忽略不计 1 若棒以v0 5m s的速率在环上向右匀速滑动 求棒滑过圆环直径oo 的瞬时 如图10 3 1所示 mn中的电动势和流过灯l1的电流 2 撤去中间的金属棒mn 将右面的半圆环ol2o 以oo 为轴向上翻转90 若此时磁场随时间均匀变化 其变化 图10 3 1 解 1 棒滑过圆环直径oo 的瞬间 mn中的电动势e1 b 2a v0 0 2 2 0 4 5v 0 8v等效电路如图d32所示 流过灯l1的电流 图d32 图d33 2 撤去中间的金属棒mn 将右面的半圆环ol2o 以oo 为轴向上翻转90 半圆环ol1o 中产生感应电动势 相当于电源 灯l2为外电路 等效电路如图d33所示 感应电动势 考点2电磁感应中的图象问题 1 图象类型 时间 位移x 1 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等随 变化的图线 即b t图线 t图线 e t图线和i t图线 2 对于切割磁感线产生感应电动势和感应电流的情况 有时还常涉及感应电动势e和感应电流i等随 变化的图线 即e x图线和i x图线等 2 两类图象问题 1 由给定的电磁感应过程选出或画出正确的图象 2 由给定的有关图象分析电磁感应过程 求解相应的物理 量 3 解题的基本方法 1 关键是分析磁通量的变化是否均匀 从而判断感应电动势 电流 或安培力的大小是否恒定 然后运用 或左手定则判断它们的方向 分析出相关物理量之间的函数关系 确定其大小和方向及在坐标中的范围 2 图象的初始条件 方向与正 负的对应 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 楞次定律 4 解题时要注意的事项 1 电磁感应中的图象定性或定量地表示出所研究问题的 函数关系 2 在图象中e i b等物理量的方向通过物理量的正负来 反映 3 画图象要注意纵 横坐标的单位长度定义或表达 应用图象法解题要求同学们能做到三会 1 会识图 认识图象 理解图象的物理意义 2 会作图 依据物理现象 物理过程 物理规律作出图象 且能对图象进行变形或转换 3 会用图 能用图象分析实验 用图象描述复杂的物理过程 用图象法来解决物理问题 自主检测 2 匀强磁场的磁感应强度b 0 2t 磁场宽度l 3m 一正方形金属框边长l 1m 每边电阻r 0 2 金属框以速度v 10m s匀速穿过磁场区 其平面始终保持与磁感线方向垂直 如图10 3 2所示 求 1 画出金属框穿过磁场区的过程中 金属框内感应电流的i t图线 要求写出作图依据 2 画出ab两端电压的u t图线 要求写出 作图依据 图10 3 2 图d34 2 金属框进入磁场区时ab两端的电压u1 i1r 2 5 0 2v 0 5v金属框完全在磁场中运动时 ab两端的电压等于感应电动势u2 blv 2v金属框穿出磁场区时ab两端的电压u3 e3 i3r 1 5v由此得u t图线如图d35所示 图d35 考点3电磁感应中的动力学问题 1 电磁感应问题往往跟力学问题联系在一起 分析时要特别注意加速度a 0 速度v达最大值的特点 这类问题的分析思 路如下 2 基本方法 1 用法拉第电磁感应定律和楞次定律求感应电动势的大 小和方向 2 由闭合电路欧姆定律求回路中的电流 3 分析导体受力情况 包含安培力在内的全面受力分析 4 根据平衡条件或牛顿第二定律列方程求解 3 两种状态处理 1 导体处于平衡态 静止或匀速直线运动状态 处理方 法 根据平衡条件合外力等于零列式分析 2 导体处于非平衡态 加速度不为零 处理方法 根据牛 顿第二定律进行动态分析 或结合功能关系分析 自主检测 3 如图10 3 3所示 两根足够长的直金属导轨mn pq平行放置在倾角为 的绝缘斜面上 两导轨间距为l m p两点间接有阻值为r的电阻 一根质量为m的均匀直金属杆ab放在两导轨上 并与导轨垂直 整套装置处于磁感应强度为b的匀强磁场中 磁场方向垂直斜面向下 导轨和金属杆的电阻可忽略 让ab杆沿导轨由静止开始下滑 导轨和金属杆接触良好 不计它们之间的摩擦 1 由b向a方向看到的装置如图乙所示 请在此图中画出ab杆下滑过程中某时刻的受力示意图 2 在加速下滑过程中 当ab杆的速度大小为v时 求此时ab杆中的电流及其加速度的大小 3 求在下滑过程中 ab杆可以达到的速度最大值 甲 乙 图10 3 3 解 1 如图d36所示 重力mg 竖直向下支持力n 垂直斜面向上安培力f 沿斜面向上 2 当ab杆速度为v时 感应电动势e blv 图d36 此时电路电流 根据牛顿运动定律 有 考点4电磁感应中的能量问题 1 电磁感应过程实质是不同形式的能量转化的过程 过程可 以简化为下列形式 安培力做功的过程 是 能转化为其他形式的能的过程 安培力做多少功就有多少电能转化为其他形式的能 电 2 解答步骤 1 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 该导体或回路就相当于 2 搞清楚有哪些力做功 就可以知道有哪些形式的能量发 生了相互转化 3 根据能量守恒列方程求解 电源 自主检测 4 双选 2011年广州一模 如图10 3 4所示 金属棒ab cd与足够长的水平光滑金属导轨垂直且接触良好 匀强磁场垂 直导轨所在的平面 ab棒在恒力f作用下向右运动 则 a 安培力对ab棒做正功b 安培力对cd棒做正功 c abdca回路的磁通量先增加后减少 图10 3 4 d f做的功等于回路产生的总热量和系统动能增量之和答案 bd 热点1电磁感应中的综合问题 例1 如图10 3 5甲所示 一个电阻值为r 匝数为n的圆形金属线圈与阻值为2r的电阻r1连接成闭合回路 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乙所示 图线与横 纵轴的截距分别为t0和b0 导线的电阻不计 求0至t1时间内 1 通过电阻r1上的电流大小和方向 2 通过电阻r1上的电量q及电阻r1上产生的热量q 图10 3 5 思路导引 磁感应强度减小 穿过线圈的磁通量发生减小 在线圈中产生感应电动势 线圈与电阻连接形成闭合回路 在回路中产生感应电流 电流通过电阻 电能转化为内能 由楞次定律确定感应电流方向 由法拉第电磁感应定律求感应电动势大小 由闭合电路欧姆定律求电流大小 即可求得焦耳热 由法拉第电磁感应定律有 由闭合电路欧姆定律有 联立以上各式解得 通过电阻r1上的电流大小为 由楞次定律可判断通过电阻r1上的电流方向为从b到a 2 通过电阻r1上的电量 同类延伸 无论是磁场变化 线圈面积变化或者闭合电路的部分导体切割磁感线 只要产生感应电动势 在闭合回路中产生感应电流 就会产生电能 最终消耗在回路中产生内能 从能量转化的角度遵循能量守恒定律即可解决问题 通过电阻r1上的热量 触类旁通 1 2011年天津卷 如图10 3 6所示 两根足够长的光滑平行金属导轨mn pq间距为l 0 5m 其电阻不计 两导轨及其构成的平面均与水平面成30 角 完全相同的两金属棒ab cd分别垂直导轨放置 每棒两端都与导轨始终有良好接触 已知两棒质量均为m 0 02kg 电阻均为r 0 1 整个装置处在垂直于导轨平面向上的匀强磁场中 磁感应强度b 0 2t 棒ab在平行于导轨向上的力f作用下 沿导轨向上匀速运动 而棒cd恰好能够保持静止 取g 10m s2 问 1 通过棒cd的电流i是多少 方向如何 2 棒ab受到的力f多大 3 棒cd每产生q 0 1j的热量 力f做的功w是多少 图10 3 6 解 1 棒cd受到的安培力fcd bil棒cd在共点力作用下平衡 则fcd mgsin30 由 式代入数据解得i 1a 方向由右手定则可知由d到c 2 棒ab与棒cd受到的安培力大小相等 fab fcd 对棒ab由共点力平衡有f mgsin30 bil代入数据解得f 0 2n 由闭合电路欧姆定律知i 3 设在时间t内棒cd产生q 0 1j热量 由焦耳定律可知 q i2rt 设ab棒匀速运动的速度大小为v 则产生的感应电动势 e blv由运动学公式知 在时间t内 棒ab沿导轨的位移x vt力f做的功w fx综合上述各式 代入数据解得w 0 4j 热点2对安培力的判断 例2 如图10 3 7所示 竖直平面内有足够长的金属导轨 轨距0 2m 金属导体ab可在导轨上无摩擦地上下滑动 ab的电阻为0 4 导轨电阻不计 导轨ab的质量为0 2g 垂直纸面向里的匀强磁场的磁感应强度为0 2t 且磁场区域足够大 当ab导体自由下落0 4s时 突然接通开关s 则 1 试说出s接通后 ab导体的运动情况 2 ab导体匀速下落的速度是多少 取 g 10m s2 图10 3 7 易错提醒 在闭合电键时感应电动势不同 回路中的感应电流不同 受到的安培力不同 安培力的大小可能小于 等于或者大于重力 正确解析 1 闭合s之前导体自由下落的末速度为v0 gt 4m ss闭合瞬间 导体产生感应电动势 回路中产生感应电流 ab立即受到一个竖直向上的安培力 此刻导体棒所受到合力的方向竖直向上 与初速度方向相反 加速度的表达式为 所以 ab做竖直向下的加速度逐渐减小的变减速运动 当速度减小至f安 mg时 ab做竖直向下的匀速运动 2 设匀速下落的速度为v 此时 触类旁通 2 如图10 3 8所示 平行且足够长的两条光滑金属导轨 相距0 5m 与水平面夹角为30 不计电阻 广阔的匀强磁场垂直穿过导轨平面 磁感应强度b 0 4t 垂直导轨放置两金属棒ab和cd 长度均为l 0 5m 电阻均为r 0 1 质量分别为0 1kg和0 2kg 两金属棒与金属导轨接触良好且可沿导轨自由滑动 现ab棒在外力作用下 以恒定速度v 1 5m s沿着导轨向上滑动 cd棒则由静止释放 取g 10m s2 试求 1 金属棒ab产生的感应电动势 2 闭合回路中的最小电流和最大电流 3 金属棒cd的最终速度 图10 3 8 解 1 金属棒ab产生的感应电动势