迎战高考物理二轮复习 专题28电磁感应与法拉第电磁感应定律课件.ppt

专题二十八电磁感应与法拉第电磁感应定律 自主学习1 电磁感应中产生的感应电流在磁场中将受到的作用 因此电磁感应问题往往跟力学问题联系在一起 2 解决这类问题 一方面要考虑电磁学中的有关规律 如楞次定律 法拉第电磁感应定律 左手定则 右手定则等 另一方面还要考虑力学的有关规律 如牛顿运动定律 动量定理 动量守恒定律 动能定理等 安培力 针对训练如图所示 有两根和水平方向成 角的光滑平行的金属轨道 上端接有可变电阻r 下端足够长 空间有垂直于轨道平面的匀强磁场 磁场应强度为b 一根质量为m的金属杆从轨道上由静止滑下 经过足够长的时间后 金属杆的速度会趋近于一个最大速度vm 则 a 如果b增大 vm将变大b 如果 变大 vm将变大c 如果r变大 vm将变大d 如果m变小 vm将变大 解析 以金属杆为研究对象 受力如图 根据牛顿第二定律得mgsin f安 ma 其中f安 当a 0时 v vm 结合此式分析即得b c选项正确 答案 bc 1 电磁感应过程实质是不同形式的能量转化的过程 电磁感应过程中产生的感应电流在磁场中必定受到作用 因此要维持安培力存在 必存有 外力 克服做功 此过程中 其他形式的能转化为 外力 克服安培力做多少功 就有多少其他形式的能转化为 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 安培力 电能 电能 同理 安培力做功的过程 是转化为其他形式的能的过程 安培力做多少功 就有多少转化为其他形式的能 电能 电能 深化拓展电能求解思路主要有三种 1 利用克服安培力做功求解 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 机械能的减小量等于产生的电能 3 利用电路特征来求解 通过电路中所产生的电能来计算 2009 高考天津理综 如图所示 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上放出的热量解析 本题考查了能量守恒及电磁感应相关知识 意在考查考生的综合运用物理知识解决物理问题的能力 对金属棒受力分析可知 设金属棒所受重力为g 上升高度h 则根据能量守恒可得 fh w安 gh e 即拉力及安培力所做的功的代数和等于金属棒机械能的增加量 a正确 答案 a 规律方法电磁感应和力学问题的综合 其联系桥梁是安培力 分析此类问题首先应明确两大研究对象及其之间的相互制约关系 这类问题中的导体一般不是做匀变速运动 而是经历一个动态变化过程再趋于一个稳定状态 故正确进行动态分析确定最终状态是关键 可分别从运动和力的关系入手 运用牛顿第二定律 也可从能量关系入手 运用动能定理或动量守恒定律 例1 如图 a 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 磁场方向垂直于斜面向下 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 b 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 思维点拨 杆ab由静止开始加速下滑 由于电磁感应现象 杆受到随速度增大而增大的安培力 方向沿斜面向上 当安培力大小等于重力沿斜面向下的分力时 杆ab速度达最大值 解析 1 如图所示 杆ab受 重力mg 竖直向下 支持力fn 垂直于斜面向上 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 此时电路中电流ab杆受到安培力f bil 根据牛顿运动定律 有ma mgsin f mgsin a gsin 3 当a 0时 ab杆有最大速度 答案 1 见解析图 如图所示 水平光滑平行导轨间距l 1m 左端接有阻值r 1 5 的定值电阻 在距左端s0 2m处垂直导轨放置一根质量m 1kg 电阻r 0 5 的导体棒 导体棒与导轨始终保持良好接触 导轨的电阻可忽略 整个装置处在竖直向上的匀强磁场中 1 若磁场的感应强度b随时间t变化的关系为b 0 5 0 1t 式中b的单位为t t的单位为s 为使导体棒保持静止 求作用在导体棒上的水平拉力f随时间t变化的规律 2 若磁场的磁感应强度b 0 5t恒定 t 0时导体棒在水平拉力f的作用下从静止开始向右做匀加速直线运动 已知t 4s时f 3n 求此时导体棒两端的电势差 解析 1 由法拉第电磁感应定律为使导体棒保持静止 则f应与安培力等大反向 即 2 由牛顿第二定律 f bil ma 联立 得 代入数据解得 a 2m s2 v 8m s e 4v i 2a电势差 u ir 2 1 5v 3v 答案 1 f 5 t 10 2 n 2 3v 规律方法解决这类问题的基本方法 1 根据导体的运动状态确定其受力情况 2 分析导体在运动过程中共有几个力对它做功 3 分析导体机械能的变化 用能量守恒定律得到其机械能的改变与回路中产生的焦耳热所满足的方程 综合以上基本方法 对于电磁感应现象 我们应遵循这样的分析思路 1 凡遇到求电流 电压 电功率等问题时 应把产生感应电动势的那部分导体 或线圈 当做电源 画出等效电路进行分析 计算求解 2 闭合电路中的导体在磁场中做切割磁感线运动产生了感应电流 此电流又受到磁场力的作用 随着v的变化 感应电流也变化 因此导体的加速度 速度也变化 遇到这类电学与力学的综合题 应进行动态分析 画出必要的受力分析平面图 应用力学 电学知识求解 3 电磁感应现象中图象问题的分析 要抓住磁通量的变化是否均匀 从而推知感应电动势 或电流 是否大小恒定 用楞次定律判断出感应电动势 或电流 的方向 从而确定其正负以及在坐标中的范围 4 涉及做功及能量的问题 要考虑使用能量守恒定律 在分析受力的基础上 弄清各力的做功情况及能量转化的方向 例2 如图所示 将边长为a 质量为m 电阻为r的正方形导线框竖直向上抛出 穿过宽度为b 磁感应强度为b的匀强磁场 磁场的方向垂直纸面向里 线框向上离开磁场时的速度刚好是进入磁场时的一半 线框离开磁场后继续上升一段高度 然后落下并匀速进入磁场 整个运动过程中始终存在着大小恒定的空气阻力f且线框不发生转动 求 分析 线框匀速下落进入磁场时 受力平衡 线框上升阶段 重力和空气阻力均做负功 穿越磁场时 还有安培力做负功 线框下落阶段 重力做正功 空气阻力做负功 穿越磁场时 安培力做负功 用动能定理求解 解析 1 下落阶段匀速进入 则有 2 由动能定理知 离开磁场后的上升阶段有 mg f h 下落阶段有 mg f h 代入数据 联立解得 3 分析线框在穿越磁场的过程中 设刚进入磁场时的速度为v0 由能量守恒有 又由题意知 v0 2v1 总结提升 本题把电磁感应 安培力 物体的运动等知识巧妙地结合在一起 涉及力的平衡 动能定理 能量守恒定律等知识 知识容量大 如图所示 固定在水平光滑金属导轨 间距为l 左端接有阻值为r的电阻 处在方向竖直 磁感应强度为b的匀强磁场中 质量为m的导体棒与固定弹簧相连 放在导轨上 导轨与导体棒的电阻均可忽略 初始时刻 弹簧恰处于自然长度 导体棒具有水平向右的初速度v0 在沿导轨往复运动的过程中 导体棒始终与导轨垂直并保持良好接触 1 求初始时刻导体棒受到的安培力 2 若导体棒从初始时刻到速度第一次为零时 弹簧的弹性势能为ep 则这一过程中安培力所做的功w1和电阻r上产生的焦耳热q1分别为多少 3 导体棒往复运动 最终将静止于何处 从导体棒开始运动直到最终静止的过程中 电阻r上产生的焦耳热q为多少 解析 1 初始时刻棒中感应电动势e blv0 棒中感应电流i 作用于棒上的安培力f bil 联立 得 f 由右手定则和左手定则判断可知 安培力方向水平向左 2 由功和能的关系 得安培力做功w1 ep 电阻r上产生的焦耳热 3 由能量转化及平衡条件等 可判断 棒最终将静止于初始位置 例3 如图所示 两根正对的平行金属直轨道mn m n 位于同一水平面上 两轨之间的距离l 0 50m 轨道的m m 端之间接一阻值r 0 40 的定值电阻 n n 端与两条位于竖直面内的半圆形光滑金属轨道np n p 平滑连接 两半圆轨道的半径均为r0 0 50m 直轨道的右端处于竖直向下 磁感应强度b 0 64t的匀强磁场中 磁场区域的宽度d 0 80m 且其右边界 与nn 重合 现有一质量m 0 20kg 电阻r 0 10 的导体杆ab静止在距磁场的左边界s 2 0m处 在与导体杆垂直的水平恒力f 2 0n的作用下ab杆开始运动 当ab杆运动至磁场的左边界时撤去f 结果导体杆ab恰好能以最小速度通过半圆形轨道的最高点pp 已知导体杆ab在运动过程中与轨道接触良好 且始终与轨道垂直 导体杆ab与直轨道之间的动摩擦因数 0 10 轨道的电阻可忽略不计 取g 10m s2 求 1 导体杆刚进入磁场时 通过导体杆上的电流大小和方向 2 导体杆穿过磁场的过程中通过电阻r上的电荷量 3 导体杆穿过磁场的过程中整个电路中产生的焦耳热 解析 1 设导体杆在恒力f的作用下运动至磁场的左边界时的速度为v1 根据动能定理有 f mg s 导体杆刚进入磁场时产生的感应电动势e blv1此时通过导体杆上的电流大小i e r r 3 8a 或3 84a 根据右手定则可知 电流方向为由b向a 2 设导体杆在磁场中运动的时间为t 产生的感应电动势的平均值为e平均 则由法拉第电磁感应定律有e平均 t bld t通过电阻r的感应电流的平均值i平均 e平均 r r 通过电阻r的电荷量q it 0 512c 或0 51c 3 设导体杆离开磁场时的速度大小为v2 运动到圆轨道最高点的速度为v3 因导体杆恰好能通过半圆形轨道的最高点 根据牛顿第二定律对导体杆在轨道最高点时有 对于导体杆从nn 运动到pp 的过程 根据机械能守恒定律有解得v2 5 0m s导体杆穿过磁场的过程中损失的机械能此过程中电路中产生的焦耳热为q e mgd 0 94j 2009 高考江苏卷 如图所示 两平行的光滑金属导轨安装在一光滑绝缘斜面上 导轨间距为l 足够长且电阻忽略不计 导轨平面的倾角为 条形匀强磁场的宽度为d 磁感应强度大小为b 方向与导轨平面垂直 长度为2d的绝缘杆将导体棒和正方形的单匝线框连接在一起组成 形装置 总质量为m 置于导轨上 导体棒中通以大小恒为i的电流 由外接恒流源产生 图中未画出 线框的边长为d d l 电阻为r 下边与磁场区域上边界重合 将装置由静止释放 导体棒恰好运动到磁场区域下边界处返回 导体棒在整个运动过程中始终与导轨垂直 重力加速度为g 求 1 装置从释放到开始返回的过程中 线框中产生的焦耳热q 2 线框第一次穿越磁场区域所需的时间t1 3 经过足够长时间后 线框上边与磁场区域下边界的最大距离xm 解析 1 设装置由静止释放到导体棒运动到磁场下边界的过程中 作用在线框上