高考物理大二轮复习与增分策略 专题四 功能关系的应用 第2讲 功能关系在电学中的应用课件.ppt

第2讲功能关系在电学中的应用 专题四功能关系的应用 知识回扣 1 静电力做功与无关 若电场为匀强电场 则w flcos eqlcos 若是非匀强电场 则一般利用w 来求 2 磁场力又可分为洛伦兹力和安培力 洛伦兹力在任何情况下对运动的电荷都 安培力可以做正功 负功 还可以不做功 3 电流做功的实质是电场对做功 即w uit 4 导体棒在磁场中切割磁感线时 棒中感应电流受到的安培力对导体棒做功 使机械能转化为能 5 静电力做的功等于的变化 即wab ep 移动电荷 qu 不做功 答案 负 uq 电 电势能 路径 规律方法 答案 1 功能关系在电学中应用的题目 一般过程复杂且涉及多种性质不同的力 因此 通过审题 抓住和运动过程分析是关键 然后根据不同的运动过程中各力做功的特点来选择相应规律求解 2 动能定理和能量守恒定律在处理电学中能量问题时仍然是首选的方法 受力分析 高考题型1几个重要的功能关系在电学中的应用 高考题型3电功能观点在电磁感应问题中的应用 高考题型4应用动力学和功能观点处理电学综合问题 高考题型2动能定理在电场中的应用 内容索引 高考题型1几个重要的功能关系在电学中的应用 解析 例1 多选 如图1所示地面上方存在水平向右的匀强电场 现将一带电小球从距离地面o点高h处的a点以水平速度v0抛出 经过一段时间小球恰好垂直于地面击中地面上的b点 b到o的距离也为h 当地重力加速度为g 则下列说法正确的是 a 从a到b的过程中小球的动能先减小后增大b 下落过程中小球机械能一直增加c 小球的加速度始终保持2g不变d 从a点到b点小球的的电势能增加了mgh 图1 解析由题意分析知 小球在水平方向匀减速 竖直方向匀加速 由于时间相等 两方向位移相同 故qe mg 合力大小为mg 斜向左下方45 故小球的动能先减小后增大 电场力一直做负功 小球机械能一直减小 小球的加速度始终保持g不变 从a点到b点电场力做负功 大小为qeh mgh 故电势能增加了mgh a 小球上滑过程中先匀加速后匀减速b 小球下滑过程中电场力先做负功后做正功c 小球再次滑回c点时的速率为vc d 小球下滑过程中动能 电势能 重力势能三者之和增大 解析 预测1如图2所示 直角三角形abc由三段细直杆连接而成 ab杆竖直 ac杆粗糙且绝缘 其倾角为30 长为2l d为ac上一点 且bd垂直ac 在bc杆中点o处放置一正点电荷q 一套在细杆上的带负电小球 以初速度v0由c点沿ca上滑 滑到d点速率恰好为零 之后沿ac杆滑回c点 小球质量为m 电荷量为q 重力加速度为g 则 图2 解析小球上滑过程中受到重力 库仑力 杆的支持力以及摩擦力作用 由于库仑力和摩擦力是变力 则运动过程中加速度始终发生变化 故a错误 根据几何关系可知 od oc 则c d两点电势相等 所以从c到d的过程中 电场力做功为零 在c点时 小球受到的库仑力是引力 电场力做正功 后电场力做负功 故b错误 解析 小球下滑过程中由于摩擦力做负功 则小球动能 电势能 重力势能三者之和减小 故d错误 预测2 多选 如图3所示 某一空间内充满竖直向下的匀强电场e 在竖直平面内建立坐标系xoy 在y0的空间内 将一质量为m的带电液滴 可视为质点 自由释放 则此液滴沿y轴的负方向以加速度a 2g g为重力加速度 做匀加速直线运动 当液滴运动到坐标原点时 瞬间被安置在原点的一个装置改变了带电性质 液滴所带电荷量和质量均不变 随后液滴进入y 0的空间运动 液滴在以后的运动过程中 a 重力势能一定先减小后增大b 机械能一定先增大后减小c 动能先不变后减小d 动能一直保持不变 图3 解析 返回 解析带电液滴在电场与重力场作用下 由牛顿第二定律可得 qe mg ma m 2g 故qe mg当带电液滴进入磁场时 由于电场力与重力方向相反 处于平衡 而洛伦兹力提供向心力 带电液滴做匀速圆周运动 所以重力势能先减小后增大 故a正确 由于电场力先做负功后做正功 所以电势能先增大后减小 那么机械能先减小后增大 故b错误 由于做匀速圆周运动 则速度的大小不变 则动能不变 故c错误 d正确 返回 高考题型2动能定理在电场中的应用 解题方略 1 电场力做功与重力做功的特点类似 都与路径无关 2 对于电场力做功或涉及电势差的计算 选用动能定理往往最简便快捷 但运用动能定理时要特别注意运动过程的选取 例2如图4所示 两个带正电的点电荷m和n 带电量均为q 固定在光滑绝缘的水平面上 相距2l a o b是mn连线上的三点 且o为中点 oa ob 一质量为m 电量为q的点电荷以初速度v0从a点出发沿mn连线向n运动 在运动过程中电荷受到大小恒定的阻力作用 但速度为零时 阻力也为零 当它运动到o点时 动能为初动能的n倍 到b点速度刚好为零 然后返回往复运动 直至最后静止 已知静电力恒量为k 取o处电势为零 求 1 a点的场强大小 图4 解析答案 解析由点电荷电场强度公式和电场叠加原理可得 解析答案 2 阻力的大小 解析由对称性知 a b 电荷从a到b的过程中 电场力做功为零 克服阻力做功为 wf ffl 由动能定理 解析答案 3 a点的电势 解析答案 4 电荷在电场中运动的总路程 解析电荷最后停在o点 在全过程中电场力做功为wf 2n 1 电荷在电场中运动的总路程为s 则阻力做功为 ffs 解得 s n 0 5 l 答案 n 0 5 l 预测3如图5所示 在绝缘水平面上放有一带正电的滑块 质量为m 带电荷量为q 水平面上方虚线左侧空间有水平向右的匀强电场 场强为e qe mg 虚线右侧的水平面光滑 一轻弹簧右端固定在墙上 处于原长时 左端恰好位于虚线位置 把滑块放到虚线左侧l处 并给滑块一个向左的初速度v0 已知滑块与绝缘水平面间的动摩擦因数为 求 1 弹簧的最大弹性势能 图5 解析答案 解析设滑块向左运动x时减速到零 由能量守恒定律有 之后滑块向右加速运动 设第一次到达虚线时的动能为ek 由能量守恒定律得 qe x l ek mg x l 解析答案 滑块从虚线处压缩弹簧至最短的过程 机械能守恒 动能全部转化为弹性势能 所以弹簧的最大弹性势能为 2 滑块在整个运动过程中产生的热量 返回 解析滑块往返运动 最终停在虚线位置 整个过程电场力做正功 为w qel 电势能减少量为qel 由能量守恒定律 整个过程产生的热量等于滑块机械能的减少量与电势能的减少量之和 即q qel mv02 解析答案 高考题型3电功能观点在电磁感应问题中的应用 解题方略 1 电磁感应过程中产生的感应电流在磁场中必定受到安培力的作用 因此 要维持感应电流的存在 必须有 外力 克服安培力做功 将其他形式的能转化为电能 外力 克服安培力做了多少功 就有多少其他形式的能转化为电能 2 当感应电流通过用电器时 电能又转化为其他形式的能 安培力做功的过程 或通过电阻发热的过程 是电能转化为其他形式能的过程 安培力做了多少功 就有多少电能转化为其他形式的能 3 若回路中电流恒定 可以利用电路结构及w uit或q i2rt直接进行计算电能 4 若电流变化 则 1 利用安培力做的功求解 电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功 2 利用能量守恒求解 若只有电能与机械能的转化 则机械能的减少量等于产生的电能 例3如图6所示 足够长光滑导轨倾斜放置 导轨平面与水平面夹角 37 导轨间距l 0 4m 其下端连接一个定值电阻r 2 其它电阻不计 两导轨间存在垂直于导轨平面向下的匀强磁场 磁感应强度b 0 5t 一质量为m 0 02kg的导体棒ab垂直于导轨放置 现将导体棒由静止释放 取重力加速度g 10m s2 sin37 0 6 cos37 0 8 图6 解析答案 1 求导体棒下滑的最大速度 当安培力与重力沿导轨向下的分力相等时 速度最大 棒ab做匀速运动 即 答案6m s 2 滑块在整个运动过程中产生的热量 解析答案 答案0 72w 3 若导体棒从静止加速到v 4m s的过程中 通过r的电量q 0 26c 求r产生的热量q 返回 解析答案 答案0 152j 预测4 多选 在如图7所示的倾角为 的光滑斜面上 存在着两个磁感应强度大小均为b的匀强磁场 区域 的磁场方向垂直斜面向上 区域 的磁场方向垂直斜面向下 磁场的宽度均为l 一个质量为m 电阻为r 边长也为l的正方形导线框 由静止开始沿斜面下滑 当ab边刚越过gh进入磁场 区时 恰好以速度v1做匀速直线运动 当ab边下滑到jp与mn的中间位置时 线框又恰好以速度v2做匀速直线运动 从ab进入gh到mn与jp的中间位置的过程中 线框的动能变化量为 ek 重力对线框做功大小为w1 安培力对线框做功大小为w2 下列说法中正确的是 图7 a 在下滑过程中 由于重力做正功 所以有v2 v1b 从ab进入gh到mn与jp的中间位置的过程中 机械能守恒c 从ab进入gh到mn与jp的中间位置的过程中 有 w1 ek 的机械能转化为电能d 从ab进入gh到mn到jp的中间位置的过程中 线框动能的变化量为 ek w1 w2 解析 ab进入磁场后 安培力做负功 机械能减少 选项b错误 从ab进入gh到mn与jp的中间位置的过程中 由动能定理得 w1 w2 ek 选项d正确 线框克服安培力做功为w2 等于产生的电能 且w2 w1 ek 选项c正确 解析答案 预测5如图8所示 单位长度电阻相等的直角三角形金属框abc放置在匀强磁场中 磁感应强度大小为b 方向平行于bc边水平向右 ab 4l bc 3l 金属框总电阻为r 求 图8 1 若金属框绕bc边以角速度 按图示方向匀速转动时 ab两点间的电势差uab是多少 a b两点哪点电势高 解析根据法拉第电磁感应定律得e b 4l 所以e b 4l 2l 8bl2 由于ab和ac切割磁感线有效长度相同 回路的总感应电动势为零 金属框中无电流 但a b两端有电势差 根据右手定则可判断a端电势高所以uab e 8bl2 答案8bl2 a端电势高 解析答案 返回 2 若金属框绕ab边以角速度 匀速转动一周 ab边上产生的焦耳热是多少 解析若以ab边为轴匀速转动 ac边切割磁感线 金属框将产生正弦交流电 设某时刻金属框平面与磁场夹角为 从下向上看如图所示 则电动势的瞬时值表达式为 最大值em 6bl2 返回 高考题型4应用动力学和功能观点处理电学综合问题 解析答案 例4如图9所示 水平地面qa与竖直面内的 半径r 4m的光滑圆轨道acdf相连 fc为竖直直径 do水平 ao与co夹角 60 qa上方有一水平台面mn mn正上方分布着垂直纸面向里的匀强磁场 磁感应强度b 4t p是竖直线ap与do的交点 pa的右侧 po的下面 oc的左侧分布着竖直向下 场强为e的匀强电场 一个质量m 2kg 电量q 1c的小滑块 可视为质点 放在mn上 在水平推力f 4n的作用下正以速度v1向右做匀速运动 已知滑块与平台mn的动摩擦因数 0 5 重力加速度g 10m s2 图9 1 求小滑块在平台mn上的速度v1 解析ff f ff fn fn mg bqv1 由 解得 v1 3m s 答案3m s 解析答案 2 小滑块从n点飞出后 恰从a点无碰撞地 沿轨道切线 进入圆轨道ac 为了使小滑块不向内脱离af间的圆弧轨道 求电场强度e的取值范围 解出 e1 2n c 解析答案 解出 e2 62n c综上 为了使滑块不向内脱离af间的圆弧轨道 电场强度e的取值范围为e 2n c或e 62n c 答案e 2n c或e 62n c 预测6如图10甲所示 长l 1 5m 倾角为 37 的光滑绝缘的斜面底端连接一粗糙绝缘的水平面 整个斜面处在一水平向左的匀强电场中 水平面部分没有电场 现将一质量m 1 2kg 带电荷量q 1 10 4c的带正电的小物体从斜面顶端由静止释放 当电场场强e取不同数值时 物体沿斜面下滑最后在水平地面上滑过的距离s不同 研究发现s与e之间的关系如图乙所示 忽略物体在斜面与水平面连接处的能量损失 取重力加速度g 10m s2 sin37 0 6 cos37 0 8 求 图10 1 物体与地面间的动摩擦因数 解析当e 0时 s 4 5m由动能定理得mglsin mgs 0解得 0 2 答案0 2 解析答案 2 当e 3 104n c时 物体运动的总时间 解析答案 解析当e 3 104n c时 由牛顿第二定律得mgsin qecos ma1又l 水平面上由牛顿第二定律知 mg ma2由v a1t1又v a2t2 解析答案 预测7如图11所示 在水平方向的匀强电场中有一表面光滑 与水平面成45 角的绝缘直杆ac 其下端c距地面高度h 0 8m 有一质量为500g的带电小环套在直杆上 正以某一速度沿杆匀速下滑 小环离杆后正好通过c端的正下方p点处 g取10m s2 求 1 小环离开直