高考物理月刊专版 专题09 交变电流和电磁感应电磁感应与电路问题课件.ppt

电磁感应与电路问题 电磁感应是电磁学的重点 是高中物理中难度较大 综合性最强的部分 本专题主要讨论电磁感应现象中与电路有关的物理问题 即电学知识部分 如电磁感应定律 楞次定律 直流电路知识 磁场知识等多个知识点 近年来 此专题在高考中出现的频率极高 如感应电流的产生条件 方向判定 自感现象 电磁感应的图象和导体切割磁感线产生的感应电动势的计算 且要求较高 几乎是年年有考 试题题型全面 选择题 填空题 计算题都可涉及 尤其是难度大 涉及知识合能力强 多以中档以上题目出现来增加试题的区分度 点多综合能力强 多以 中档以上题目出现来增加试题的区分度 而选择和填空题多以中档左右的试题出现 本专题在备考中应给予高度重视 强化训练 重点是感应电流方向的判定 感应电动势的产生与计算 难点是结合电路中的图象问题 电流和电压问题 能量与功率问题 电量问题 自感问题等 通过典型例题 变式训练达到巩固知识的目的 培养考生理解能力 分析综合能力 尤其从实际问题中抽象概括构建物理模型的创新能力 2010年浙江卷19题考查中涉及了楞次定律 法拉第电磁感应定律 侧重与其他知识的综合考查 2011年热点是滑轨类问题 线框穿越磁场的图象和能量问题 侧重综合能力和运用数学知识解决物理问题的能力 例一 如图8 1 1所示 直角三角形导线框abc固定在匀强磁场中 ab是一段长为l 电阻为r的均匀导线 ac和bc的电阻可不计 ac长度为 磁场的磁感应强度为b 方向垂直纸面向里 现有一段长度为 电阻为均匀导体杆mn架在导线框上 开始时紧靠ac以恒定速度v向b端滑动 滑动中始终与ac平行并与导线框保持良好接触 当mn滑过的距离为时 导线ac中的电流是多大 方向如何 图8 1 1 电磁感应中的电流 电压问题 分析 mn匀速切割磁感线 相当于一个直流电源 直角三角形导线框abc为负载电阻 画出等效电路图 如图所示 再用e blv求出感应电动势的大小 用右手定则判定感应电流的方向 运用闭合电路欧姆定律求解 解析 外 评析 本题考查了法拉第电磁感应定律 右手定则 电阻串 并联 闭合电路欧姆定律 但关键是找出等效电源 负载 画出电路图 如图8 1 2所示 在磁感应强度大小为b 方向竖直向上的匀强磁场中 有一质量为m 阻值为r的闭合矩形金属线框abcd用绝缘轻质细杆悬挂在o点 并可绕o点摆动 金属线框从右侧某一位置静止开始释放 在摆动到左侧最高点的过程中 细杆和金属线框平面始终处于同一平面 且垂直纸面 则线框中感应电流的方向是 图8 1 2 变式题1 2009 浙江 解析 由楞次定律 一开始磁通量减小 后来磁通量增大 由 增反 减同 可知电流方向是 d c b a d a a b c d ab d c b a dc 先是d c b a d 后是a b c d ad 先是a b c d a 后是d c b a d 答案 b 变式题2 2010 上海物理 如图8 1 3 一有界区域内 存在着磁感应强度大小均为b 方向分别垂直于光滑水平桌面向下和向上的匀强磁场 磁场宽度均为l 边长为l的正方形线框abcd的bc边紧靠磁场边缘置于桌面上 使线框从静止开始沿x轴正方向匀加速通过磁场区域 若以逆时针方向为电流的正方向 能反映线框中感应电流变化规律的是图 图8 1 3 解析 在0 t1 电流均匀增大 在t1 t2 两边感应电流方向相同 大小相加 故电流大 在t2 t3 因右边离开磁场 只有一边产生感应电流 故电流小 所以选a b错误 同理 因为c是i x图象 不是i t图象 所以c中是曲线 c正确d错误 答案 ac 变式题3 2009 广东新洲中学月考 如图8 1 4甲所示 水平面上的两光滑金属导轨平行固定放置 间距d 0 5m 电阻不计 左端通过导线与阻值r 2的电阻连接 右端通过导线与阻值rl 4的小灯泡l连接 在cdfe矩形区域内有竖直向上的匀强磁场 ce长l 2m 有一阻值r 2的金属棒pq放置在靠近磁场边界cd处 cdfe区域内磁场的磁感应强度b随时间变化如图8 1 4乙所示 在t 0至t 4s内 金属棒pq保持静止 在t 4s时使金属棒pq以某一速度进入磁场区域并 保持匀速运动 已知从t 0开始到金属棒运动到磁场边界ef处的整个过程中 小泡灯的亮度没有发生变化 求 1 通过小灯泡的电流 2 金属棒pq在磁场区域中运动的速度大小 图8 1 4 解析 总 2 当金属棒在磁场区域中运动时 由金属 棒切割磁感线产生电动势 电路为 r 与 r l 并 联 再与 r 串联 此时电路的总电阻 总 由于灯泡中电流不变 所以灯泡的电流 则流过金属棒的电流为 电动势 总 例二 如图8 2 1所示 两足够长平行光滑的金属导轨mn pq相距为l 导轨平面与水平面夹角a 30 导轨电阻不计 磁感应强度为b的匀强磁场垂直导轨平面向上 长为l的金属棒ab垂直于mn pq放置在导轨上 且始终与导轨电接触良好 金属棒的质量为m 电阻为r 两金属导轨的上端连接右端电路 灯泡的电阻rl 4r 定值电阻r1 2r 电阻箱电阻调到使r2 12r 重力加速度为g 现将金属棒由静止释放 试求 电磁感应中的电功 电热问题 图8 2 1 1 金属棒下滑的最大速度为多少 2 r2为何值时 其消耗的功率最大 最大的功率为多少 解析 总 总 并 并 变式题1 2010 温州八校联考 如图8 2 2所示 金属棒ab垂直跨搁在位于水平面上的两条平行光滑金属导轨上 棒与导轨接触良好 棒ab和导轨电阻均忽略不计 导轨左端接有电阻r 垂直于导轨平面的匀强磁场向下穿过平面 现以水平向右的恒定外力f拉着棒ab向右移动 t秒末棒ab速度为v 移动的距离为l 且在t秒内速度大小一直在变化 则下列判断正确的是 a t秒内ab棒所受的安培力方向水平向左 大小逐渐增大b t秒内外力f做的功等于电阻r释放的电热c t秒内ab棒做加速度逐渐减小的加速运动d t秒末外力f做功的功率等于 图8 2 2 解析 金属棒向右运动 据安培定则可知 ab棒受到的安培力向左 由于向右运动的速度增大 电流增大 所以安培力也逐渐增大 a对 f对棒做的功转化为棒的动能和r上的电热 b错 t秒末f的功率为fv v为瞬时速度 由于不是匀加速运动 所以d错 因为恒力f不变 向左的安培力不断增大 合力逐渐减小 所以加速度逐渐减小 c对 答案 ac 变式题2 如图8 2 3所示 平行光滑导轨竖直放置 匀强磁场方向垂直导轨平面 一质量为m的金属棒a沿导轨滑下 电阻r上消耗的最大功率为p 不计棒及导轨电阻 要使r上消耗的最大功率为4p 可行的办法有 a 将磁感应强度变为原来的4倍b 将磁感应强度变为原来的1 2c 将电阻r变为原来的4倍d 将电阻r变为原来的2倍 图8 2 3 解析 答案 bc 变式题3 2009 福建 一台小型发电机产生的电动势随时间变化的正弦规律图象如图8 2 4甲所示 已知发电机线圈内阻为5 0w 现外接一只电阻为95 0w的灯泡 如图8 2 4乙所示 则 a 电压表的示数为220vb 电路中的电流方向每秒钟改变50次c 灯泡实际消耗的功率为484wd 发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为24 2j 图8 2 4 解析 答案 d 例三 如图8 3 1所示 在匀强磁场中固定放置一根串接一电阻r的直角形金属导轨 在纸面内 磁场方向垂直纸面朝里 另有两根金属导轨c d分别平行于a b放置 保持导轨之间接触良好 金属导轨的电阻不计 现经历以下四个过程 以速率v移动d 使它与ob的距离增大一倍 再以速率v移动c 使它与oa的距离减小一半 然后 再以速率2v移动c 使它回到原处 最后以速率2v移动d 使它也回到原处 设上述四个过程中通过电阻r的电荷量的大小依次为q1 q2 q3和q4 则 电磁感应中的电量问题 a q1 q2 q3 q4b q1 q2 2q3 2q4c 2q1 2q2 q3 q4d q1 q2 q3 q4 图8 3 1 分析 设开始导轨d与ob的距离为x1 导轨c与oa的距离为x2 由法拉第电磁感应定律知 移动c或d时产生的感应电动势 通过导体r的电量为 由上式可知 通过导体r的电量与导体d或c移动的速度无关 由于b与r为定值 其电量取决于所围成面积的变化 解析 若导轨d与ob距离增大一倍 即由x1变2x1 则所围成的面积增大了ds1 x1 x2 若导轨c再与oa距离减小一半 即由x2变为 则所围成的面积又减小了ds2 2x1 x1 x2 若导轨c再回到原处 此过程面积的变化为 最后导轨d又回到原处 此过程面积的变化为 由于 则通过电阻r的电荷量是相等的 即q1 q2 q3 q4 所以选a 答案 a 评析 本题难度较大 要求考生对法拉第电磁感应定律熟练掌握 明确电量与导轨运动速度无关 而取决于磁通量的变化 同时结合图形去分析物理过程 考查了考生综合分析问题的能力 变式题1 如图8 3 2所示 匝数n 100匝 截面积s 0 2m2 电阻r 0 5的圆形线圈mn处于垂直纸面向里的匀强磁场内 磁感应强度随时间按b 0 6 0 02t t 的规律变化 处于磁场外的电阻r1 3 5 r2 6 电容c 30 f 开关s开始时未闭合 求 1 闭合s后 线圈两端m n两点间的电压umn和电阻r2消耗的电功率 2 闭合s一段时间后又打开s 则s断开后通过r2的电荷量为多少 图8 3 2 解析 1 线圈中感应电动势通过电源的电流强度线圈两端m n两点间的电压电阻r2消耗的电功率 2 闭合s一段时间后 电路稳定 电器c相当于开路 其两端电压uc等于r2两端的电压 即 电容器充电后所带电荷量为 当s再断开后 电容器通过电阻r2放电 通过r2的电荷量为7 2 10 6c 图8 3 3 如图8 3 3所示 单匝矩形闭合导线框abcd全部处于磁感应强度为b的水平匀强磁场中 线框面积为s 电阻为r 线框绕与cd边重合的竖直固定转轴以角速度w匀速转动 线框中感应电流的有效值i 线框从中性面开始转过的过程中 通过导线横截面的电荷量q 变式题2 2009 天津 解析 本题考查交变流电的产生和最大值 有效值 平均值的关系及交变电流中有关电荷量的计算等知识 变式题3 如图8 3 4所示 两个电阻的阻值分别为r和2r 其余电阻不计 电容器的电容为c 匀强磁场的磁感应强度为b 方向垂直纸面向里 金属棒ab cd的长度均为l 当棒ab以速度v向左切割磁感应线运动 棒cd以速度2v向右切割磁感应线运动时 电容c的电量为多大 哪一个极板带正电 图8 3 4 解析 图8 4 1 ad 例4 电磁感应中的自感问题 解析 电键k闭合时每个灯泡的电流为i 则流过电感l1的电流为2i 流过电感l2的电流为i 断开电键k的瞬间 通过电感上的电流不会发生突变 l1中的电流从2i减小到零 l2中的电流从i减小到零 bc中电流都从i减小到零 a中电流从2i减小到零 故b c缓慢变暗 a灯先亮一下然后逐渐变暗 ad正确 答案 ad a 电流表a1的示数比a2的小b 电流表a2的示数比a3的小c 电流表a1和a2的示数相同d 电流表的示数都不为零 图8 4 2 变式题1 2010 四川 图8 4 2甲所示电路中 a1 a2 a3为相同的电流表 c为电容器 电阻r1 r2 r3的阻值相同 线圈l的电阻不计 在某段时间内理想变压器原线圈内磁场的变化如图8 4 2乙所示 则在t1 t2时间内 解析 由b t图象知在t1 t2时间内 原线圈中磁场先负向减小后正向增大 则副线圈中磁通量是均匀变化的 根据法拉第电磁感应定律在副线圈中产生的感应电流大小不变 再根据楞次定律可判断负向减小时和正向增大时感应电流的方向相同 则在t1 t2时间内副线圈中感应电流为稳恒电流 所以a1和a2的示数相同 a3的示数为0 答案 c 图8 4 3 变式题2 如图8 4 3所示 l1 l2 l3是完全相同的灯泡 l为直流电阻可忽略的自感线圈 开关s原来接通 将开关s断开时 下面说法正确的是 a l1闪亮一下后熄灭b l2闪亮一下后恢复原来的亮度c l3变暗一下后恢复原来的亮度d l3闪亮一下后恢复原来的亮度 d 图8 5 1 例5 abcd固定在匀强磁场中 磁感线的方向与导线框所在平面垂直 规定磁场的正方向垂直纸面向里 磁感应强度b随时间变化的规律如图8 5 1所示 若规定顺时针方向为感应电流i的正方向 下列各图中正确的是 电磁感应中的图像 分析 解决图象类问题的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 然后运用楞次定律或右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在中的范围 解析 0 1s内b垂直纸面向里均匀增大 则由楞次定律及法拉第电磁感应定律可得线圈中产生恒定的感应电流 方向为逆时针方向 排除a c选项 2s 3s内 b垂直纸面向外均匀增大 同理可得线圈中产生的感应电流方向为顺时针方向 排除b选项 d正确 答案 d 评析 考查了电磁感应现象中对图象问题的分析 要正确理解图象问题 必须能根据图象的定义把图象反映的规律对应到实际过程中去 又能根据对实际过程的抽象对应到图象中去 最终根据实际过程的物理规律判断 变式题1 2010 浙江 半径为r带缺口的刚性金属圆环在纸面上固定放置 在圆环的缺口两端引出两根导线 分别与两块垂直于纸面固定放置的平行金属板连接 两板间距为d 如图8 5 2 甲 所示 有一变化的磁场垂直于纸面 规定向内为正 变化规律如图8 5 2 乙 所示 在t 0时刻平板之间中心有一重力不计 电荷量为q的静止微粒 则以下说法正确的是 a 第2秒内上极板为正极b 第3秒内上极板为负极c 第2秒末微粒回到了原来位置d 第2秒末两极板之间的电场强度大小为0 2pr2 d 图8 5 2 解析 0 1s内情况 由楞次定律可知 金属板上极板带负电 金属板下极板带正电 若粒子带