学案8《电学中的功能关系》.ppt

学案电学中的功能关系 知识回顾1 电场力做功与路径无关 若电场为匀强电场 则若是非匀强电场 则一般利用求功 电场力做正功电势能 克服电场力做功电势能增加 电场力做功与电势能增量之间的关系为 2 磁场力可分为和 洛伦兹力在任何情况下对运动电荷都 安培力可以做正功 负功 还可以不做功 W Flcos Eqlcos W qU 减小 W Ep 洛伦兹力 安培力 不做功 3 电流做功的实质是电场力移动电荷做功 即 4 导体棒在磁场中切割磁感线时 棒中感应电流收到的安培力对棒做负功 或者说棒克服磁场力做功 使机械能转化为 若在纯电阻电路里将进一步转化为 W UIt qU 电能 焦耳热能 方法点拨做功的过程是的过程 应用能量守恒解题的两条思路 某种形式能的减小量一定等于其他形式能的增加量 或某物体能量的减小量一定等于其他物体能量的增加量 能量转化 类型一功能关系在电场中的应用例1如图1所示 L1 L2 L3为等势面 两相邻等势面间电势差相同 取L2的电势为零 有一负电荷在L1处动能为30J 运动到L3处动能为10J 则电荷的电势能为4J时 它的动能是 不计重力和空气阻力 A 6JB 4JC 16JD 14J 图1 解析由题意可知L2处电荷的动能为20J 由动能和电势能之和保持不变 则E总 20J 0 20J 所以20J 4J Ek 得Ek 16J 选C项 答案C 解题归纳从能量的观点分析物体运动与相互作用规律是物理学常用的一种重要的研究方法 应用能量转化与守恒定律解题时要注意 1 明确研究对象 单个物体还是系统 系统是否包括弹簧 2 明确研究过程 3 弄清楚能量转化和损失的去向 4 研究对象在研究过程中能量的减小量等于所转化成的其他形式的能量 预测1 2009 沈阳模拟 如图2所示 a b c为电场中同一条电场线上的三点 其中c为ab的中点 已知a b两点的电势分别为a 3V b 9V 则下列叙述正确的是 A 该电场在c点处的电势一定为6VB a点处的场强Ea一定小于b点处的场强EbC 正电荷从a点运动到b点的过程中电势能一定增大D 正电荷只受电场力作用从a点运动到b点的过程中动能一定增大解析一条电场线不可以判断场强的大小 且U Ed的定量计算只适用于匀强电场 所以A B错 从a到b电场力对正电荷做负功 所以正电荷的电势能增大而动能减小 C对 D错 图2 C 类型二功能关系在复合场中的应用例2 2009 温州市第三次调研 如图3 空间内存在水平向右的匀强电场 在虚线MN的右侧有垂直纸面向里 磁感应强度为B的匀强磁场 一质量为m 带电荷量为 q的小颗粒自A点由静止开始运动 刚好沿直线运动至光滑绝缘的水平面C点 与水平面碰撞的瞬间小颗粒的竖直分速度立即减为零 而水平分速度不变 小颗粒运动至D处刚好离开水平面 然后沿图示曲线DP轨迹运动 AC与水平面夹角 30 重力加速度为g 求 1 匀强电场的场强E 2 AD之间的水平距离d 3 已知小颗粒在轨迹DP上某处的最大速度为vm 该处轨迹的曲率半径是距水平面高度的k倍 则该处的高度为多大 图3 解析 1 小球受力如图所示qE mgcot E mg q 2 设小球在D点速度为vD 在水平方向由牛顿第二定律得 qE max 2axd vD2小球在D点离开水平面的条件是 qvDB mg得 d 3 当速度方向与电场力和重力合力方向垂直时 速度最大 则 qvmB R khh 答案 1 mg q 2 3 预测2 2009 扬州市调研 如图4所示 在x轴上方有水平向左的匀强电场E1 在x轴下方有竖直向上的匀强电场E2 且E1 E2 在x轴下方的虚线 虚线与y轴成45 右侧有垂直纸面向外的匀强磁场 磁感应强度为B 有一长为L的轻绳一端固定在第一象限内的O 点 且可绕O 点在竖直平面内转动 另一端栓有一质量为m的小球 小球带电量为 q OO 与x轴成45 OO 的长度为L 先将小球放在O 正上方 从绳恰好绷直处由静止释放 小球刚进入磁场时将绳子断开 求 图4 1 绳子第一次绷紧后小球的速度大小 2 小球刚进入磁场区域时的速度 3 小球从进入磁场到第一次打在x轴上经过的时间 解析 1 小球一开始受到的合力为mg 做匀加速直线运动 绷紧之前的速度为v1 绳子恰好处于水平状态 mg L mv12即v1 2绷紧后小球速度为v2 v1 2 接下来小球做圆周运动 刚进入磁场时的速度为v3 mg 1 cos L mv32 mv22v3 3 如图所示 带电小球垂直于磁场边界进入磁场 做匀速圆周运动 半径r 经过半圆后出磁场 后做匀速直线运动 运动的距离d 2r设经过的时间为t t 答案 1 2 3 类型三功能关系在电磁感应中的应用例3 2009 南通二调 如图5所示 ABCD为一足够长的光滑绝缘斜面 EFGH范围内存在方向垂直斜面的匀强磁场 磁场边界EF HG与斜面底边AB平行 一正方形金属框abcd放在斜面上 ab边平行于磁场边界 现使金属框从斜面上某处由静止释放 金属框从开始运动到cd边离开磁场的过程中 其运动的v t图象如图6所示 已知金属框电阻为R 质量为m 重力加速度为g 图乙中金属框运动的各个时刻及对应的速度均为已知量 求 图5 1 斜面倾角的正弦值和磁场区域的宽度 2 金属框cd边到达磁场边界EF前瞬间的加速度 3 金属框穿过磁场过程中产生的焦耳热 解析 1 由图6可知 在0 t1时间内金属框运动的加速度a1 设斜面的倾角 由牛顿第二定律有a1 gsin 解得sin 在t1 2t1时间内金属框匀速进入磁场 则l0 v1t1在2t1 3t1时间内 金属框运动位移x 则磁场的宽度d l0 x 图6 2 在t2时刻金属框cd边到达EF边界时的速度为v2 设此时加速度大小为a2 cd边切割磁场产生的电动势E Bl0v2受到的安培力F 由牛顿第二定律F mgsin ma2金属框进入磁场时mgsin 解得a2 方向沿斜面向上 3 金属框从t1时刻进入磁场到t2时刻离开磁场的过程中 由功能关系得mg d l0 sin mv22 mv12 Q解得Q 4mv12 mv22答案 1 2 方向沿斜面向上 3 4mv12 mv22 预测3 2009 上海联考 如图7所示 在同一平面内放置的三条光滑平行足够长金属导轨a b c构成一个斜面 此斜面与水平面的夹角 30 金属导轨相距均为d 1m 导轨ac间横跨一质量为m 0 8kg的金属棒MN 棒与每根导轨始终良好接触 棒的电阻r 1 导轨的电阻忽略不计 在导轨bc间接一电阻恒为R 2 的灯泡 导轨ac间接一电压传感器 相当于理想电压表 整个装置放在磁感应强度B 2T的匀强磁场中 磁场方向垂直导轨平面向上 现对棒MN施加一沿斜面向下的拉力F使棒从静止开始运动 g取10m s2 试求 图7 1 若施加的恒力F 2N 则金属棒达到稳定时速度为多少 2 若施加的外力功率恒定 棒达到稳定时速度为4m s 则此时外力的功率和电压传感器的读数分别为多少 3 若施加的外力功率恒为P 经历时间为t 棒沿斜面轨道下滑距离为x 速度达到v3 则此过程中灯泡产生的热量为多少 解析 1 设稳定时速度为v1 当金属棒速度达到稳定时 F合 0 F mgsin BId 0 此时I 由以上两式得v1 2 I2 A 3 2A mgsin BI2d 0 解得P 9 6W灯的电压UL 2V 6 4V所以电压表的读数U Bdv2 UL V 6 4V 14 4V 3 设小灯泡和金属棒产生的热量分别为Q1 Q2由能的转化和守恒可得Pt mgxsin30 Q1 Q2 mv32灯泡产生的热量Q1 答案 1 3 75m s 2 14 4V 3 1 2009 天津卷 4 如图8所示 竖直放置的两根平行金属导轨之间接有定值电阻R 质量不能忽略的金属棒与两导轨始终保持垂直并良好接触且无摩擦 棒与导轨的电阻均不计 整个装置放在匀强磁场中 磁场方向与导轨平面垂直 棒在竖直向上的恒力F作用下加速上升的一段时间内 力F做的功与安培力做的功的代数和等于 A 棒的机械能增加量B 棒的动能增加量C 棒的重力势能增加量D 电阻R上放出的热量 图8 解析由动能定理有WF W安 WG Ek 则WF W安 Ek WG WG 0 故 Ek WG表示机械能的增加量 选A项 答案A 2 2009 江苏卷 8 空间某一静电场的电势 在x轴上分布如图9所示 x轴上两点B C的电场强度在x方向上的分量分别是EBx ECx 下列说法中正确的有 A EBx的大小大于ECx的大小B EBx的方向沿x轴正方向C 电荷在O点受到的电场力在x方向上的分量最大D 负电荷沿x轴从B移到C的过程中 电场力先做正功 后做负功 图9 解析由图象可知 B处电势沿x轴方向变化比C处快 故EBx ECx A对 在O点左侧沿x轴的负方向电势降低 故EBx方向沿x轴负方向 B错 由于在O处沿x轴方向上电势 的变化率为零 故C错 沿x轴从B到C的过程中电势先升高再降低 对于负电荷来说 电势能先减小再增大 即电场力先做正功后做负功 D对 答案AD 3 2009 济宁统考 如图10所示 一U形光滑导轨串有一电阻R 放置在匀强磁场中 导轨平面与磁场方向垂直 一电阻可忽略不计但有一定质量的金属杆ab跨接在导轨上 可沿导轨方向平移 现从静止开始对ab杆施以向右的恒力F 则杆在运动过程中 下列说法中正确的是 A 外力F对杆ab所做的功数值上总是等于电阻R上消耗的电能B 磁场对杆ab的作用力的功率与电阻R上消耗的功率大小是相等的C 电阻R上消耗的功率存在最大值D 若导轨不光滑 外力F对杆ab所做的功数值上总是大于电阻R上消耗的电能 图10 BCD 4 如图11甲所示 一个带正电的物体m 由静止开始从斜面上A点下滑 滑到水平面BC上的D点停下来 已知物体与斜面及水平面间的动摩擦因数相同 不计物体经过B处时的机械能损失 现在ABC所在空间加上竖直向下的匀强电场 再次让物体m由A点静止开始下滑 结果物体在水平面上的D 点停下来 如图乙所示 则以下说法正确的是 A D 点一定在D点左侧B D 点可能在D点右侧C D 点一定与D点重合D 无法确定D 点在D点左侧还是右侧解析根据动能定理可得两种情况下物体在整个运动过程中水平方向上的位移均为x 即C选项正确 答案C 5 如图12所示 在已调节平衡的天平右侧托盘下悬挂一个导线框 其下端置于磁感应强度为B的匀强磁场中 磁场方向垂直于线框平面 当线框中没有电流通过时 天平左侧托盘中放置质量为m1的砝码 天平恰好平衡 给线框通入图示方向的电流I时 需在右侧托盘中再放置质量为m2 m1 m2 的砝码 天平可重新平衡 下列说法正确的是 A 保持线框中的电流不变 将左右托盘中的砝码对调 天平仍平衡 图12 B 若只改变电流的方向 将右侧托盘中的砝码移至左盘 天平仍平衡C 若只改变磁场的方向 将左右托盘中的砝码对调 天平仍平衡D 若只将线框的匝数加倍 将右侧托盘中的砝码移至左盘 天平仍平衡解析当线框中无电流时 m1g m线g 当线框中通电流时 m2g BIL A中 保持电流不变 即安掊力不变 将左右托盘中砝码对调 将不再平衡 A错误 B中改变电流方向 安培力等大反向 若将右侧托盘的砝码移至左盘 则满足m1g m2g BIL m线g 仍将保持平衡 B正确 同理知C错误 线框匝数加倍 则安培力加倍 线圈质量加倍 将右侧托盘的砝码移至左盘 平衡被破坏 D错误 答案B 6 如图13所示 实线为方向未知的三条电场线 a b两带电粒子从电场中的O点以相同的初速度飞出 仅在电场力作用下 两粒子的运动轨迹如图中虚线所示 则 A a一定带正电 b一定带负电B a加速度减小 b加速度增大C a电势能减小 b电势能增大D a和b的动能一定都增大解析由题意无法判断两粒子电性所以A错 a粒子加速度减小 b加速度增大 所以B正确 两粒子电势能都减小 所以C错 a b两粒子的动能一定增大 D正确 所以应选择B D BD 图13 7 2009 广州模拟 如图14所示 在绝缘水平面上固定两个等量同种电荷A B 在AB连线上的P点由静止释放一带电滑块 则滑块会由静止开始一直向右运动到AB连线上的一点M而停下 则以下判断正确的是 A 滑块一定带的是与A B异种的电荷B 滑块的电势能一定是先减小后增大C 滑块的动能与电势能之和一定减小D AP间距一定小于BM间距 图14 解析由于物块没有做往复运动 而是最后停下 说明P与地面间有摩擦 所以滑块的动能与电势能之和减小 C正确 且AP BM 滑块一定与A B同种电性所以A错 由于不知道M点位置 若M点在A B连线中点右侧 则电势能先减小后增大 若在中点左侧则电势能一直在减小 B错 综上所述C D正确 答案CD 8 如图15所示 光滑的水平桌面放在方向竖直向下的匀强磁场中 桌面上平放着一根一端开口 内壁光滑的试管 试管底部有一带电小球 在水平拉力F作用下 试管向右匀速运动 带电小球能从试管口处飞出 关于带电小球及其在离开试管前的运动 下列说法中正确的是 A 小球带正电B 小球运动的轨迹是抛物线C 洛伦兹力对小球做正功D 维持试管匀速运动的拉力F应逐渐增大 图15 解析由于小球从管口飞出 开始时小球一定受到指向管口的洛伦兹力F1 由左手定则知 小球带正电 A对 垂直于管方向 向右匀速运动 所以洛伦兹力沿管方向的分量F1不变 小球沿管方向做初速度为零的匀加速运动 其合运动为类平抛运动 轨迹为抛物线 B对 由于小球具有两个分速度且都与各自对应的洛伦兹力垂直 所以洛伦兹力不做功 C错 对整体受力分析知 拉力F与洛伦兹力的另一分量F2平衡 而F2 qvB v为沿管壁方向的速度 v at 则F qBat D对 答案为A B D 答案ABD 9 2009 重庆卷 23 2009年中国女子冰壶队首次获得了世界锦标赛冠军 这引起了人们对冰壶运动的关注 冰壶在水平冰面上的一次滑行可简化为如下过程 如图16所示 运动员将静止于O点的冰壶 视为质点 沿直线OO 推到A点放手 此后冰壶沿AO 滑行 最后停于C点 已知冰面和冰壶间的动摩擦因数为 冰壶质量为m AC L CO r 重力加速度为g 图16 1 求冰壶在A点的