高考物理一轮复习 第十章 电磁感应 第3讲 电磁感应的综合问题课件.ppt

第3讲电磁感应的综合问题 一 电磁感应与电路1 对电源的理解在电磁感应现象中 产生感应电动势的那部分导体相当于电源 如 切割磁感线的导体棒 内有磁通量变化的线圈等 2 对电路的理解内电路是切割磁感线的导体或磁通量发生变化的线圈 除电源外其余部分是外电路 外电路由电阻 电容等电学元件组成 在外电路中 电流从高电势处流向低电势处 在内电路中 电流则从低电势处流向高电势处 二 电磁感应与图象1 图象类型 1 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变化的图象 即b t图象 t图象 e t图象和i t图象 2 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随位移x变化的图象 即e x图象和i x的图象 2 问题类型 1 由给定的电磁感应过程判断或画出正确的图象 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 利用给出的图象判断或画出新的图象 四 电磁感应与能量守恒1 能量转化导体切割磁感线或磁通量发生变化 在回路中产生感应电流 这个过程中机械能或其他形式的能转化为电能 具有感应电流的导体在磁场中受安培力作用或通过电阻发热 又可使电能转化为机械能或内能 因此 电磁感应过程中总是伴随着能量的转化 2 实质电磁感应过程的实质是不同形式的能量转化的过程 而能量的转化是通过安培力做功的形式实现的 安培力做功的过程 是电能转化为其他形式能的过程 外力克服安培力做功 则是其他形式的能转化为电能的过程 考点二 考点三 考点一 考点二 考点三 考点一 3 突破策略 1 确定电源 先判断产生电磁感应现象的是哪一部分导体 该部分导体可视为电源 2 分析电路结构 画等效电路图 3 利用电路规律求解 主要有欧姆定律 串并联规律等 考点二 考点三 考点一 考点二 考点三 考点一 考点二 考点三 考点一 考点二 考点三 考点一 考点二 考点三 考点一 1 如图所示 两根相距为l的平行直导轨ab cd b d间连有一固定电阻r 导轨电阻忽略不计 mn为放在ab和cd上的一导体杆 与ab垂直 其电阻也为r 整个装置处于匀强磁场中 磁感应强度的大小为b 磁场方向垂直于导轨所在平面 指向图中纸面内 现对mn施力使它沿导轨方向以速度v 如图 做匀速运动 令u表示mn两端电压的大小 则 a 考点二 考点三 考点一 考点二 考点三 考点一 2 2015 郑州一模 如图所示 在xoy平面内有一扇形金属框abc 其半径为r ac边与y轴重合 bc边与x轴重合 且c位于坐标原点 ac边与bc边的电阻不计 圆弧ab上单位长度的电阻为r 金属杆mn长度为l 放在金属框abc上 mn与ac边紧邻且重叠部分的电阻为r0 磁感应强度为b的匀强磁场与框架平面垂直并充满平面 现对mn杆施加一个外力 图中未画出 使之以c点为圆心顺时针匀速转动 角速度为 求 1 在mn杆运动过程中 通过杆的电流i与转过的角度 间的关系 2 整个电路消耗电功率的最小值 考点二 考点三 考点一 考点二 考点三 考点一 考点二 考点三 考点一 考点二电磁感应的图象问题1 图象类型 考点二 考点三 考点一 2 分析方法对图象的分析 应做到 四明确 三理解 1 明确图象所描述的物理意义 明确各种正 负号的含义 明确斜率的含义 明确图象和电磁感应过程之间的对应关系 2 理解三个关系及其各自的物理意义 考点二 考点三 考点一 典例2 2014 新课标全国卷 如图 a 线圈ab cd绕在同一软铁芯上 在ab线圈中通以变化的电流 用示波器测得线圈cd间电压如图 b 所示 已知线圈内部的磁场与流经线圈的电流成正比 则下列描述线圈ab中电流随时间变化关系的图中 可能正确的是 考点二 考点三 考点一 解题思路 根据法拉第电磁感应定律 ab线圈电流的变化率与线圈cd上的波形图一致 线圈cd上的波形图是方波 ab线圈电流只能是线性变化的 因为只有线性变化的变化率才是常数 c项正确 参考答案 c 名师归纳 电磁感应中图象类选择题的两个常见解法 1 排除法 定性地分析电磁感应过程中物理量的变化趋势 增大还是减小 变化快慢 均匀变化还是非均匀变化 特别是物理量的正负 排除错误的选项 没有表示方向的正负时 优先判断方向有时会产生意想不到的效果 2 函数法 根据题目所给条件定量地写出两个物理量之间的函数关系 然后由函数关系对图象做出分析和判断 这未必是最简捷的方法 但却是最有效的方法 考点二 考点三 考点一 1 2013 新课标全国卷 如图 在水平面 纸面 内有三根相同的均匀金属棒ab ac和mn 其中ab ac在a点接触 构成 v 字形导轨 空间存在垂直于纸面的均匀磁场 用力使mn向右匀速运动 从图示位置开始计时 运动中mn始终与 bac的平分线垂直且和导轨保持良好接触 下列关于回路中电流i与时间t的关系图线 可能正确的是 a 考点二 考点三 考点一 考点二 考点三 考点一 2 2013 新课标全国卷 如图 在光滑水平面上有一边长为l 电阻为r的正方形导线框 在导线框右侧有一宽度为d d l 的条形匀强磁场区域 磁场的边界与导线框的一边平行 磁场方向竖直向下 导线框以某一初速度向右运动 t 0时导线框的右边恰与磁场的左边界重合 随后导线框进入并通过磁场区域 下列v t图象中 可能正确描述上述过程的是 d 考点二 考点三 考点一 考点三电磁感应中的动力学问题1 导体的两种运动状态 1 平衡状态 静止或匀速直线运动 f合 0 2 非平衡状态 加速度不为零 f合 ma 2 电学对象与力学对象的转换及关系 考点二 考点三 考点一 考点二 考点三 考点一 典例3 2015 哈尔滨模拟 两足够长的平行金属导轨间的距离为l 导轨光滑且电阻不计 导轨所在的平面与水平面夹角为 在导轨所在平面内 分布着磁感应强度为b 方向垂直于导轨所在平面斜向上的匀强磁场 把一个质量为m的导体棒ab放在金属导轨上 在外力作用下保持静止 导体棒与金属导轨垂直且接触良好 导体棒与金属导轨接触的两点间的电阻为r1 完成下列问题 1 如图甲 金属导轨的一端接一个内阻为r的直流电源 撤去外力后导体棒仍能静止 求直流电源电动势 2 如图乙 金属导轨的一端接一个阻值为r2的定值电阻 撤去外力让导体棒由静止开始下滑 在加速下滑的过程中 当导体棒的速度达到v时 求此时导体棒的加速度 3 求 2 问中导体棒所能达到的最大速度 考点二 考点三 考点一 考点二 考点三 考点一 考点二 考点三 考点一 总结提升 导体动态分析的思考路线 导体运动产生感应电动势 感应电流 通电导体受安培力 合外力变化 加速度变化 速度变化 感应电动势变化 周而复始地循环 直至最终达到稳定状态 此时加速度为零 而速度v通过加速达到最大值 做匀速直线运动或通过减速达到稳定值做匀速直线运动 考点二 考点三 考点一 1 多选 如图所示 电阻不计的平行金属导轨固定在一绝缘斜面上 两根相同的金属导体棒ab cd垂直于导轨静止放置 且与导轨接触良好 匀强磁场垂直穿过导轨平面向上 现用一平行于导轨的恒力f作用在ab的中点 使其向上加速运动 若cd始终保持静止 则它所受摩擦力可能 ab a 变为0b 先减小再增大c 等于fd 先增大再减小 解析 ab在恒力f作用下加速运动 由楞次定律可知 闭合回路中产生的感应电流方向为acdba 由左手定则得cd受到安培力方向应沿斜面向上 且逐渐增大 由力平衡可知 cd受到的摩擦力先沿斜面向上逐渐减小到零 然后沿斜面向下逐渐增大 且最大值ffm f安 mgsin 而ab棒所受合力f合 f ff mgsin f安 ma 可知f安 f 故ffm f 所以a b项正确 c d项错误 考点二 考点三 考点一 2 如图所示 mn和pq是两条水平放置彼此平行的金属导轨 质量m 0 2kg 电阻r 0 5 的金属杆ab垂直跨接在导轨上 匀强磁场的磁感线垂直于导轨平面 导轨左端接阻值r 2 的电阻 理想电压表并接在r两端 导轨电阻不计 t 0时刻ab受水平拉力f的作用后由静止开始向右做匀加速运动 ab杆与导轨动摩擦因数 0 2 第4s末 ab杆的速度v 1m s 电压表示数u 0 4v 取重力加速度g 10m s2 1 在第4s末 ab杆产生的感应电动势和受到的安培力各为多大 2 若第4s末以后 ab杆做匀速运动 则在匀速运动阶段的拉力为多大 整个过程拉力的最大值为多大 3 若第4s末以后 拉力的功率保持不变 ab杆能达到的最大速度为多大 考点二 考点三 考点一 考点二 考点三 考点一 考点二 考点三 考点一 电磁感应中的能量问题1 能量转化及焦耳热的求法 1 能量转化 2 求解焦耳热q的三种方法 2 电能求解的三种思路 1 利用克服安培力求解 电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功 2 利用能量守恒或功能关系求解 3 利用电路特征来求解 通过电路中产生的电能来计算 3 解题的一般步骤 1 确定研究对象 导体棒或回路 2 弄清电磁感应过程中 哪些力做功 哪些形式的能量相互转化 3 根据能量守恒定律列式求解 典例 2014 新课标全国卷 半径分别为r和2r的同心圆形导轨固定在同一水平面内 一长为r 质量为m且质量分布均匀的直导体棒ab置于圆导轨上面 ba的延长线通过圆导轨中心o 装置的俯视图如图所示 整个装置位于一匀强磁场中 磁感应强度的大小为b 方向竖直向下 在内圆导轨的c点和外圆导轨的d点之间接有一阻值为r的电阻 图中未画出 直导体棒在水平外力作用下以角速度 绕o逆时针匀速转动 在转动过程中始终与导轨保持良好接触 设导体棒与导轨之间的动摩擦因数为 导体棒和导轨的电阻均可忽略 重力加速度大小为g 求 1 通过电阻r的感应电流的方向和大小 2 外力的功率 规律方法 求解电能应分清两类情况 1 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 2 若电流变化 则 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 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 2 如图甲所示 mn pq两条平行的光滑金属轨道与水平面成 30 角固定 m p之间接电阻箱r 导轨所在空间存在匀强磁场 磁场方向垂直于轨道平面向上 磁感应强度为b 0 5t 质量为m的金属杆ab水平放置在轨道上 其接入电路的电阻值为r 现从静止释放杆ab 测得其在下滑过程中的最大速度为vm 改变电阻箱的阻值r 得到vm与r的关系图象如图乙所示 已知轨道间距为l 2m 重力加速度g取10m s2 轨道足够长且电阻不计 1 当r 0时 求杆ab匀速下滑过程中产生的感应电动势e的大小及杆中电流的方向 2 求杆ab的质量和阻值r 3 当r 4 时 求回路瞬时电功率每增加1w的过程中合外力对杆做的功w 2 2015 东城模拟 某空间中存在一个有竖直边界的水平方向匀强磁场区域 现将一个等腰梯形闭合导线圈 从图示位置垂直于磁场方向匀速拉过这个区域 尺寸如图所示 以感应电流的逆时针方向为正 图中能正确反映该过程线圈中感应电流随时间变化的图象是 a 解析 梯形闭合导线圈从左向右运动l过程中 切割磁感线的导线长度从l线性增大到2l 感应电流的磁场方向垂直纸面向外 由楞次定律判断感应电流方向为逆时针且逐渐增大 当线圈向右运动从l到2l过程中 只有两腰的部分切割磁感线 垂直运动方向的总长度为l不变 感应电流方向为逆时针且保持不变 当线圈向右运动从2l到3l过程中 切割磁感线的导线长度从2l线性增大到3l 感应电流方向为顺时针且逐渐增大 a项正确 3 2016 湖北襄阳五中期中检测 多选 空间中存在着竖直方向的磁场 一圆形金属框水平放在磁场中 规定磁感应强度方向和线圈中感应电流方向如图甲所示时为正 某时刻开始计时线圈中产生了如图乙所示的感应电流 则磁感应强度随时间变化的图线可能是 ac 解析 由图乙可知 在0 1s时间内 圆环中感应电流恒定为正 根据楞次