新课标高三物理二轮复习专题课件：学案11《电磁感应》.ppt

学案电磁感应 知识回顾1 感生电动势与动生电动势 1 感生电动势 电路面积不发生变化 由于磁场变化而产生的感应电动势叫感生电动势 此时法拉第电磁感应定律可表示为 其中为b的变化率 e 2 动生电动势 磁场不变 一部分 或及部分 导体切割磁感线而产生感应电动势 此时法拉第电磁感应定律可表示为 用该公式求出每一部分导体产生电动势 再求出各导体电动势的和就等于整个闭合电路的电动势 3 若磁场和线圈面积同时变化 则闭合电路中的电动势为和之和 可分别求感生电动势和动生电动势 再求出代数和 2 感应电动势的计算 1 法拉第电磁感应定律 e n 若b变 而s不变 则e 若s变而b不变 则e 常用于计算平均电动势 e blv 感生电动势 动生电动势 n nb 2 导体垂直切割磁感线 e blv 主要用于求电动势的值 3 如图1所示 导体棒围绕棒的一端在垂直磁场的平面内做匀速圆周运动而切割磁感线产生的电动势e 4 感应电荷量的计算回路中发生磁通量变化时 在 t内迁移的电荷量 感应电荷量 为q i t 可见 q仅由回路电阻和变化量决定 与发生磁通量变化的时间无关 瞬时 磁通量 方法点拨1 判断电磁感应中闭合电路相对运动问题的分析方法 1 常规法 据原磁场 b原方向及 情况 确定感应磁场 b感方向 判断感应电流 i感方向 导体受力及运动趋势 2 效果法 由楞次定律可知 感应电流的 效果 总是阻碍引起感应电流的 原因 即阻碍物体间的来作出判断 楞次定律 安培定则 左手定则 相对运动 2 电磁感应中能量问题的解题思路 1 明确研究对象 研究过程 2 进行正确的受力分析 运动分析 感应电路分析 e感和i感的大小 方向 变化 及相互制约关系 3 明确各力的做功情况及伴随的情况 4 利用动能定理 能量守恒定律或功能关系列方程求解 能量转化 3 解决感应电路综合问题的一般思路是 先电后力 即 先作 源 的分析 分离出电路中由电磁感应所产生的电源 求出电源参数e和r 再进行 路 的分析 分析电路结构 弄清串并联关系 求出相关部分的电流大小 以便安培力的求解 然后是 力 的分析 分析力学研究对象 常是金属杆 导体线圈等 的受力情况 尤其注意其所受的安培力 接着进行 运动 状态的分析 根据力和运动的关系 判断出正确的运动模型 最后是 能量 的分析 寻找电磁感应过程和力学对象的运动过程中其能量转化和守恒的关系 类型一电磁感应中的图象问题例1 2009 北京西城区 如图2所示 空间有 和 两个有理想边界 宽度都为l的匀强磁场区域 磁感应强度大小为b 方向如图所示 abcd是由均匀电阻丝做成的边长为l的正方形线框 每边电阻均为r 线框以垂直磁场边界的速度v水平向右匀速穿过两磁场区域 线框平面与磁感线垂直 且bc边始终与磁场边界平行 设线框刚进入 区的位置x 0 x轴沿水平方向向右 从bc边刚进入 区到ad边离开 区的过程中 ab两端电势差uab随距离变化的图象正确的是 图中u0 blv 图2 解析0 luab blvl 2luab blv2l 3luab blv 所以应选c 答案c 解题归纳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 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 预测1如图3所示 图中a是一边长为l的方形线框 电阻为r 今维持线框以恒定的速度v沿x轴运动 并穿过图中所示的匀强磁场b区域 若以x轴正方向作为力的正方向 线框在图示位置的时刻作为时间的零点 则磁场对线框的作用力f随时间t的变化图线为下图中的 图3 答案b 类型二电磁感应的力学问题例2 2009 上海卷 24 如图4所示 光滑的平行金属导轨水平放置 电阻不计 导轨间距为l 左侧接一阻值为r的电阻 区域cdef内存在垂直轨道平面向下的有界匀强磁场 磁场宽度为s 一质量为m 电阻为r的金属棒mn置于导轨上 与导轨垂直且接触良好 受到f 0 5v 0 4 n v为金属棒速度 的水平外力作用 从磁场的左边界由静止开始运动 测得电阻两端电压随时间均匀增大 已知 l 1m m 1kg r 0 3 r 0 2 s 1m 图4 1 分析并说明该金属棒在磁场中做何种运动 2 求磁感应强度b的大小 3 若撤去外力后棒的速度v随位移x的变化规律满足v v0 且棒在运动到ef处时恰好静止 则外力f作用的时间为多少 4 若在棒未出磁场区域时撤去外力 画出棒在整个运动过程中速度随位移变化所对应的各种可能的图线 解析 1 金属棒做匀加速运动r两端电压u i v u随时间均匀增大 即v随时间均匀增大 所以加速度为恒量 2 f ma 将f 0 5v 0 4代入得 0 4 a由加速度为恒量 与v无关 得a 0 4m s20 5 0 代入数据得b 0 5t 3 x1 at2 v0 atx1 x2 s所以0 2t2 0 8t 1 0 解方程得t 1s 4 答案 1 匀加速运动 2 0 5t 3 1s 4 见解析 预测2 2009 金华二调 如图5所示 两根足够长的固定的平行金属导轨位于竖直平面内 两导轨间的距离为d 导轨上面横放着两根导体棒l1和l2 与导轨构成回路 两根导体棒的质量均为m 电阻均为r 回路中其余部分的电阻可不计 在整个导轨平面内都有与导轨所在平面垂直的匀强磁场 磁感应强度为b 两导体棒均可沿导轨无摩擦地滑行 保持l1向上做速度为v的匀速运动 在t 0时刻将靠近l1处的l2由静止释放 刚释放时两棒的距离可忽略 经过一段时间后l2也做匀速运动 d 0 5m m 0 5kg r 0 1 b 1t g取10m s2 1 为使导体棒l2向下运动 l1的速度v最大不能超过多少 2 若l1的速度v为3m s 在坐标中画出l2的加速度a2与速率v2的关系图象 3 若l1的速度v为3m s 在l2做匀速运动的某时刻 两棒的间距为4m 求在此时刻前l2运动的距离 图5 解析 1 l2刚释放时电路中电动势e1 bdv回路中电流i1 安培力f bi1d导体棒l2能向下运动 则mg f得v 4m s 2 当l2运动速度为v2时 回路中电动势e bd v v2 导体棒l2的加速度a 得a 2 5 2 5v2 3 当导体棒l2做匀速运动时 l1和l2两棒的速度分别是v和v2 由平衡条件得 mg得v v2 4m s设当导体棒l2 l1的相对速度为v相时 棒的加速度a g 取极短时间 t 在时间 t内速度变化 v v g t t v g t v相 t 又v相 t x相 得v2 gt x相代入数据两棒间距为4m 所用时间t 1 1s 导体棒l1运动的位移x1 vt 3 1 1m 3 3m 导体棒l2运动的位移x2 x相 x1 0 7m答案 1 4m s 2 见解析 3 0 7m 解题归纳解决电磁感应中的力与运动问题时应认真审题 理解题目情景 关键是受力分析 明确受力分析和研究对象 结合牛顿运动定律及运动学知识求解 类型三电磁感应中的能量问题例3 2009 江苏卷 15 如图6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 型装置 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 图6 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 经过足够长的时间后 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 作用在线框上的安培力做功为w由动能守理mgsin 4d w bild 0且q w解得q 4mgdsin bild 2 设线框刚离开磁场下边界时的速度为v1 则接着向下运动2d由动能定理mgsin 2d bild 0 mv12又线框装置在磁场中运动时受到的合力f mgsin f 其中感应电动势 bdv感应电流i 安培力f bi d 由牛顿第二定律 在t到t t时间内 有 v t则 v gsin t有v1 gt1sin 解得t1 3 经过足够长时间后 线框在磁场下边界与最大距离xm之间往复运动 由动能定理得mgsin xm bil xm d 0解得xm 答案 1 4mgdsin bild 2 3 解题归纳安培力做功与能量转化的关系 安培力做正功 电能转化为机械能 安培力做负功 则机械能转化为电能 类型四电磁感应中的电路问题例4 2009 广州二模前考试 如图7所示 水平放置的三条光滑平行金属导轨abc 相距均为d 1m 导轨ac间横跨一质量为m 1kg的金属棒mn 棒与导轨始终良好接触 棒的电阻r 2 导轨的电阻忽略不计 在导轨bc间接一电阻为r 2 的灯泡 导轨ac间接一理想伏特表 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下 现对棒mn施加一水平向右的拉力f 使棒从静止开始运动 试求 图7 1 若施加的水平恒力f 8n 则金属棒达到稳定时速度为多少 2 若施加的水平外力功率恒定 棒达到稳定时速度为1 5m s 则此时电压表的读数为多少 3 若施加的水平外力功率恒为p 20w 经历t 1s时间 棒的速度达到2m s 则此过程中灯泡产生的热量是多少 解析 1 当f f安时 金属棒速度达到稳定 设稳定时速度为v1 f安 bdi i 解得v1 6m s 2 设电压表的读数为u 则u e ulul e 2bdv2解得u 5v 3 设小灯泡和金属棒产生的热量分别为q1 q2 有 2由功能关系得 pt q1 q2 mv2可得q1 12j答案 1 6m s 2 5v 3 12j 解题归纳电磁感应中的电路关系 在电磁感应现象中 切割磁感线的导体相当于电源或磁通量发生变化的回路相当于电源 其他部分相当于外电路 解决电磁感应与电路综合问题的基本思路是 1 明确哪部分相当于电源 由法拉第电磁感应定律和楞次定律确定感应电动势的大小和方向 2 画出等效电路图 3 运用闭合电路欧姆定律 串 并联电路的性质求解未知物理量 1 2009 天津卷 4 如图8所示 竖直放直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 福建卷 18 如图9所示 固定放置在同一水平面内的两根平行长直金属导轨的间距为d 其右端接有阻值为r的电阻 整个装置处在竖直向上磁感应强度大小为b的匀强磁场中 一质量为m 质量分布均匀 的导体杆ab垂直于导轨放置 且与两导轨保持良好接触 杆与导轨之间的动摩擦因数为 现杆在水平向左 垂直于杆的恒力f作用下从静止开始沿导轨运动距离l时 速度恰好达到最大 运动过程中杆始终与导轨保持垂直 设杆接入电路的电阻为r 导轨电阻不计 重力加速度大小为g 则此过程 图9 a 杆的速度最大值为b 流过电阻r的电量为c 恒力f做的功与摩擦力做的功之和等于杆动能的变化量d 恒力f做的功与安倍力做的功之和大于杆动能的变化量解析当v最大时有f ff f安 即f mg v 通过电阻r的电量q 由动能定理有wf wf wf安 ek 其wf 0 wf安 0 故b d对 答案bd 3 2009 天津卷 9 如图10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 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 图10 解析 1 线框转动产生交变电流emax bs imax emax r bs r有效值i 线框转过的过程中 bs q 答案 4 苏北四市第三次调研 如图11所示 光滑金属导体ab和cd水平固定 相交于o点并接触良好 aoc 60 一根轻弹簧一端固定 另一端连接一质量为m的导体棒ef ef与ab和cd接触良好 弹簧的轴线与 bod平分线重合 虚线mn是磁感应强度大小为b 方向竖直向下的匀强磁场的边界线 距o点距离为l ab cd ef单位长度的电阻均r 现将弹簧压缩 t 0时 使ef从距磁场边界处由静止释放 进入磁场后刚好做匀速运动 当ef到达o点时 弹簧刚好恢复原长 并与导体棒ef分离 已知弹簧变量为x时 弹性势能为kx2 k为弹簧的劲度系数 不计感应电流之间的相互作用 1 证明 导体棒在磁场中做匀速运动时 电流的大小保持不变 2 求导体棒在磁场中做匀速运动的速度大小v0和弹簧的劲度系数k 3 求导体棒最终停止位置距o点的距离 图11