专题9电磁感应学生

1 考查楞次定律的应用问题 2 考查电磁感应中的图象问题 3 考查法拉第电磁感应定律和楞次定律的综合应用问题 如电路问题 图象问题 动力学 问题 能量问题等 命题趋势 1 综合考查楞次定律 法拉第电磁感应定律及电路 安培力等相关知识 2 考查学生的识图能力 由图象获取解题信息的能力 3 电流恒定时 考查焦耳定律 电功率的相关知识 4 电流变化时 考查不同能量的转化问题 5 与牛顿第二定律 运动学结合的动态分析问题 6 电磁感应中的安培力问题 涉及受力分析及功能关系的问题 一 电磁感应中的图象问题一 电磁感应中的图象问题 电磁感应中的图象多在选择题中出现 有时也在计算题中考查 主要考查以下内容 1 综 合考查楞次定律 法拉第电磁感应定律及电路 安培力等相关知识 2 在计算题中考查学生 的识图能力 电磁感应现象中 回路产生的感应电动势 感应电流及磁场对导线的作用力随时间的变化 规律 可用图象直观地表现出来 如 I t B t E t 等 此题型可大致分为两类 1 由给定的电磁感应过程选择相应的物理量的函数图象 以选择题形式为主 2 由给定的有关图象分析电磁感应过程 确定相关物理量 以综合计算题形式出现 方法技巧 图象问题的思路与方法 1 图象选择问题 求解物理图象的选择题可用 排除法 即排除与题目要求相违背的图象 留下正确图象 也可用 对照法 即按照要求画出正确的草图 再与选项对照 解决此类 问题关键是把握图象特点 分析相关物理量的函数关系 分析物理过程的变化或物理状态 的变化 2 图象分析问题 定性分析物理图象 要明确图象中的横轴与纵轴所代表的物理量 弄清 图象的物理意义 借助有关的物理概念 公式 不变量和定律作出相应判断 在有关物理 图象的定量计算时 要弄清图象所揭示的物理规律及物理量间的函数关系 善于挖掘图象 中的隐含条件 明确有关图象所包围的面积 斜率 以及图象的横轴 纵轴的截距所表示 的物理意义 二 电磁感应中的动力学问题二 电磁感应中的动力学问题 电磁感应中的动力学问题是高考中的热点 考查形式既有选择题 又有计算题 命题规律 大致有以下两点 1 与牛顿第二定律 运动学知识结合的动态分析 2 电磁感应中的纯力 学问题 涉及受力及功能关系问题 电磁感应动力学问题的分析方法 1 2 规律方法 电磁感应与力学综合题的解题策略 解决此类问题首先要建立 动 电 动 的思维顺序 可概括总结为 1 找准主动运动者 用法拉第电磁感应定律和楞次定律求解电动势的大小和方向 2 画出等效电路图 求解回路中的电流的大小及方向 3 分析安培力对导体棒运动速度 加速度的影响 从而推得对电流有什么影响 最后确定 导体棒的最终运动情况 4 列出牛顿第二定律或平衡方程求解 三 电磁感应中的能量转化问题三 电磁感应中的能量转化问题 该知识点在高考中既有选择题 又有计算题 是高考中的重点 分析高考考题 命题主要 有以下特点 1 电磁感应与电路 动力学知识一起进行综合考查 2 电流恒定时 考查焦耳定律 电功率的相关知识 3 电流变化时 考查不同能量的转化问题 方法技巧 求焦耳热的三个途径 1 感应电路为纯电阻电路时 产生的焦耳热等于克服安培力做的功 即 Q W安 2 感应电路中电阻产生的焦耳热等于电流通过电阻做的功 即 Q I2Rt 3 感应电路中产生的焦耳热可通过能量守恒定律列方程求解 误区警示 1 受力分析时 误将安培力作为普通力进行处理 安培力的一般表达式为 F BIl 只要速度变化 安培力就变化 物体所受合力就发生 变化 2 导体进出磁场时 习惯性地认为运动性质没有大的变化 在进入磁场或出磁场时 由于安培力的突变 物体的运动性质也随之变化 考点考点 1 感应电流方向的判断 感应电流方向的判断 1 感应电流 1 产生条件Error 2 方向判断Error 2 应用楞次定律的 二 三 四 1 区分两个磁场 引起感应电流的磁场 原磁场 感应电流的磁场 感应磁场 2 理解三种阻碍 阻碍原磁通量的变化 增反减同 阻碍物体间的相对运动 来拒去留 阻碍自身电流的变化 增反减同 3 解题四步分析 确定原磁场的方向 分析原磁场 确定磁通量的变化 增大或减小 判断感应磁场的方向 增反减同 判断感应电流的方向 安培定则 例 1 2013 山东卷 18 将一段导线绕成图 4 9 5 甲所示的闭合回路 并固定在水平 面 纸面 内 回路的 Ab 边置于垂直纸面向里的匀强磁场 中 回路的圆环区域内有垂直纸 面的磁场 以向里为磁场 的正方向 其磁感应强度 B 随时间 t 变化的图象如图乙所 示 用 F 表示 ab 边受到的安培力 以水平向右为 F 的正方向 能正确反应 F 随时间 t 变化 的图象是 特别提醒 电磁感应现象的发生一般有以下两种情况 1 闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动 此种情况下感应电流的方向一般用 右手定则判断 2 穿过闭合电路的磁通量发生变化 此种情况下感应电流的方向一般用楞次定律判断 不论哪种情况 归根到底还是穿过闭合电路的磁通量发生了变化 即 0 变式探究 如图 4 9 6 所示 在匀强磁场中的矩形金属轨道上 有等长的两根金属棒 ab 和 cd 它们在外力作用下以相 同的速度匀速向左运动 则 A 断开开关 S ab 中有感应电流 方向为 b a B 闭合开关 S ab 中有感应电流 方向为 a b C 无论是断开还是闭合开关 S ab 中都有感应电流 方向均为 a b D 无论是断开还是闭合开关 S ab 中都没有感应电流 考点考点 2 电磁感应中的图象问题 电磁感应中的图象问题 例 2 2013 福建卷 18 图 4 9 8 如图 4 9 8 矩形闭合导体线框在匀强磁场上方 由不同高度静止释放 用 t1 t2分别表 示线框 ab 边和 cd 边刚进入磁场的时刻 线框下落过程形状不变 ab 边始终保持与磁场水 平边界线 OO 平行 线框平面与磁场方向垂直 设 OO 下方磁场区域足够大 不计空气的 影响 则下列哪一个图象不可能反映线框下落过程中速度 v 随时间 t 变化的规律 特别提醒 分析电磁感应图象问题时的三个关注 1 关注初始时刻 如初始时刻感应电流是否为零 是正方向还是负方向 2 关注变化过程 看电磁感应发生的过程分为几个阶段 这几个阶段是否和图象变化相对 应 3 关注大小 方向的变化趋势 看图象斜率的大小 图象的曲 直是否和物理过程对应 分析电磁感应图象问题时的三个易错点 1 分不清横坐标是时间 t 还是位移 x 正确区分横坐标是解题的关键 2 不能找到切割磁感线的有效长度 因而无法确定感应电动势如何变化 特别是线框两条 边切割有界磁场时 切割磁感线的有效长度在变化 确定有效长度如何变化才能确定感应 电动势如何变化 3 不能正确区分哪部分是电源 哪部分是外电路 因而无法确定两点间电势差 例如矩形 线圈进入磁场 切割磁感线的边是电源 其他三边串联作为外电路 区分内外电路是研究 回路上两点间电势差的基础 变式探究 如图 4 9 9 所示 导体棒沿两平行金属导轨从图中位置以速度 v 向右匀速通过一正方形 abcd 磁场区域 ac 垂直于导轨且平行于导体棒 ac 右侧的磁感应强度是左侧的 2 倍且方向相反 导轨和导体 棒的电阻均不计 下列关于导体棒中感应电流和所受安培力随时间变化的图象正确的是 规 定电流从 M 经 R 到 N 为正方向 安培力向左为正方向 考点考点 3 法拉第电磁感应定律的应用 法拉第电磁感应定律的应用 例 3 2013 四川卷 7 如图 4 9 11 所示 边长为 L 不可形变的正方形导线框内有 半径为 r 的圆形磁场区域 其磁感应强度 B 随时间 t 的变化关系为 B kt 常量 k 0 回路 中滑动变阻器 R 的最大阻值为 R0 滑动片 P 位于滑动变阻器中央 定值电阻 R1 R0 R2 闭合开关 S 电压表的示数为 U 不考虑虚线 MN 右侧导体的感应电动势 则 R0 2 A R2两端的电压为 U 7 B 电容器的 a 极板带正电 C 滑动变阻器 R 的热功率为电阻 R2的 5 倍 D 正方形导线框中的感应电动势为 kL2 特别提醒 1 求感应电动势大小的几种方法 1 磁通量变化型 E n t 2 磁感应强度变化型 E S B t 3 面积变化型 E B S t 4 平动切割型 E Blv 5 转动切割型 E Bl2 1 2 2 解决与电路相联系的电磁感应问题的基本方法 1 用法拉第电磁感应定律和楞次定律 或右手定则 确定感应电动势的大小和方向 2 画出等效电路 对整个回路进行分析 确定哪一部分是电源 哪一部分为负载 认清负 载间的连接关系 3 运用闭合电路欧姆定律 串并联电路的性质 电功率等公式列式求解 变式探究 如图 4 9 12 所示 两根完全相同的导线构成匝数分别为 n1和 n2的圆形闭合线圈 A 和 B 两线圈平面与磁场垂 直 当磁感应强度随时间均匀变化时 两线圈中的感应电流之比 IA IB为 A n1 n2 B n2 n1 C n n D n n 2 12 22 22 1 考点考点 4 电磁感应中的动力学和能量问题 电磁感应中的动力学和能量问题 例 4 如图 4 9 14 所示 MN 和 PQ 为竖直方向的两平行长直金属导轨 间距 L 为 1 m 电阻不计 导轨所在的平面与磁感应强度 B 为 1 T 的匀强磁场垂直 质量 m 0 2 kg 电阻 r 1 的金属杆 ab 始终垂直于导轨并与其保持光滑接触 导轨的上端有阻值为 R 3 的灯泡 金属杆从静止下落 当下落高度为 h 4 m 后灯泡保持正常发光 重力加速度为 g 10 m s2 求 1 灯泡的额定功率 2 金属杆从静止下落 4 m 的过程中通过灯泡的电荷量 3 金属杆从静止下落 4 m 的过程中灯泡所消耗的电能 特别提醒 1 解决电磁感应综合问题的一般思路 1 先作 源 的分析 分析电路中由电磁感应所产生的电源 求出电源参数 E 和 r 2 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 3 然后是 力 的分析 分析研究对象 通常是金属杆 导体 线圈等 的受力情况 尤其 注意其所受的安培力 4 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 5 最后是 能量 的分析 寻找电磁感应过程和研究对象的运动过程中其能量转化和守恒 的关系 2 求解焦耳热 Q 的几种方法 两根足够长的光滑直金属导轨 MN PQ 平行固定在倾角 37 的绝缘斜面上 两导轨间距 L 1 m 导轨的电阻可忽略 M P 两点间接有阻值为 R 的电阻 一根质量 m 1 kg 电 阻 r 0 2 的均匀直金属杆 ab 放在两导轨上 与导轨垂直且接触良好 整套装置处于磁 感应强度 B 0 5 T 的匀强磁场中 磁场方向垂直斜面向下 自图示位置起 杆 ab 受到大 小为 F 0 5v 2 式中 v 为杆 ab 运动的速度 所有物理量均采用国际单位制 方向平行导 轨沿斜面向下的拉力作用 由静止开始运动 测得通过电阻 R 的电流随时间均匀增大 g 取 10 m s2 sin 37 0 6 1 试判断金属杆 ab 在匀强磁场中做何种运动 请写出推理过程 2 求电阻 R 的阻值 3 求金属杆 ab 自静止开始下滑通过位移 x 1 m 所需的时间 t 能力突破 1 物理模型 是一种理想化的物理形态 可以指物理对象或物理过程 也可以指运动形式 等 它是物理知识的一种直观表现 科学家做理论研究时 通常都要用从 构建模型 入手 利用抽象 理想化 简化 类比等手法 把研究对象的本质特征抽象出来 构成一个概念 实物 或运动过程的体系 即形成模型 从本质上讲 物理过程的分析和解答 就是探究 构建物理模型的过程 我们通常所要求 的解题时应 明确物理过程 在头脑中建立一幅清晰的物理图景 其实就是指要正确地构 建物理模型 2 构建模型中应注意以下三点 1 养成根据物理概念和物理规律分析问题的思维习惯 结合题目描述的现象 给出的条件 确定问题的性质 同时抓住现象的特征寻找因果关系 这样能为物理模型的构建打下基 础 2 理想化方法是构建物理模型的重要方法 理想化方法的本质是抓住主要矛盾 近似的处 理实际问题 因此在分析问题时要养成比较 取舍的习惯 3 要透彻掌握典型物理模型的本质特征 不断积累典型模型 并灵活运用它们 3 实际应用技巧 学习高中物理 从某一角度理解 就是学生建立物理模型 应用物理模型的过程 物理模 型的应用过程主要有以下几个环节 首先 建立模型概念 理解物理概念 其次 认清环境模型 突出主要矛盾 然后 构造物理过程模型 建立物理情景 最后 转换物理模型 深入理解物理模型 电磁感应中常考 杆 导轨 模型 1 模型构建 对杆在导轨上运动组成的系统 杆在运动中切割磁感线产生感应电动势 并受到安培力的 作用改变运动状态最终达到稳定的运动状态 该系统称为 杆 导轨 模型 2 模型分类及其特点 单杆水平式 物理模型 动态分析 设运动过程中某时刻棒的速度为 v 加速度为 a a v F m B2L2v mR 同向 随 v 的增加 a 减小 当 a 0 时 v 最大 I 恒定 BLv R 续表 收尾状态 运动形式匀速直线运动 力学特征a 0 v 恒定不变 电学特征I 恒定 单杆倾斜式 物理模型 动态分析 棒释放后下滑 此时 a gsin 速度 v E BLv I F BIL a 当安培力 F mgsin 时 E R a 0 v 最大 收尾状态 运动形式匀速直线运动 力学特征a 0 v 最大 vm mgRsin B2L2 电学特征I 恒定 例 1 2013 安徽卷 16 如图 4 9 17 所示 足够长平行金属导轨倾斜放置 倾角为 37 宽度为 0 5 m 电阻忽 略不计 其上端接一小灯泡 电阻为 1 一导体棒 MN 垂直于导轨放置 质量为 0 2 kg 接入电路的电阻为 1 两端与导轨接触良好 与导轨间的动摩擦因数为 0 5 在导轨间存在 着垂直于导轨平面的匀强磁场 磁感应强度为 0 8 T 将导体棒 MN 由静止释放 运动一段 时间后 小灯泡稳定发光 此后导体棒 MN 的运动速度以及小灯泡消耗的电功率分别为 重 力加速度 g 取 10 m s2 sin 37 0 6 A 2 5 m s 1 W B 5 m s 1 W C 7 5 m s 9 W D 15 m s 9 W 变式探究 如图 4 9 18 所示 两平行导轨间距 L 0 1 m 足够长光滑的倾斜部分和粗 糙的水平部分圆滑连接 倾斜部分与水平面的夹角 30 垂直斜面方向向上的匀强磁场 的磁感应强度 B 0 5 T 水平部分没有磁场 金属棒 ab 质量 m 0 005 kg 电阻 r 0 02 运动中与导轨有良好接触 并且垂直于导轨 电阻 R 0 08 其余电阻不计 当金属 棒从斜面上离地高 h 1 0 m 以上任何地方由静止释放后 在水平面上滑行的最大距离 x 都 是 1 25 m 取 g 10 m s2 求 1 棒在斜面上的最大速度为多少 2 棒与水平面间的动摩擦因数 3 棒从高度 h 1 0 m 处滑下后电阻 R 上产生的热量 综合题型 1 如图 4 9 19 所示 虚线 MN 表示正方形金属框的一条对称轴 A B C 是三个磁感 线均匀分布的有界磁场区 区内磁感应强度随时间变化的规律都满足 B kt 金属框按照 图示方式处在磁场中 测得金属框在 A 区中的感应电流为 I0 在 B 区和 C 区内感应电流分 别为 IB IC 以下判断中正确的是 A IB 2I0 IC 2I0 B IB 2I0 IC 0 C IB 0 IC 0 D IB I0 IC 0 2 2013 北京卷 17 如图 4 9 20 在磁感应强度为 B 方向垂直纸面向里的匀强磁场中 金属杆 MN 在平行金属导轨上以速 度 v 向右匀速滑动 MN 中产生的感应电动势为 E1 若磁感应强度增为 2B 其他条件不变 MN 中产生的感应电动势变为 E2 则通过电阻 R 的电流方向及 E1与 E2之比 E1 E2分别为 A c a 2 1 B A c 2 1 C A c 1 2 D c a 1 2 3 如图 4 9 21 所示 边长为 L 电阻不计的 n 匝正方形金属线框位于竖直平面内 连接的小灯泡的额定功率 额定电压分别为 P U 线框及小灯泡的总质量为 m 在线框的下方有一匀强磁场区域 区域宽度为 l 磁感应强度方向与线框平面垂直 其上 下边界与线框底边均水平 线框从 图示位置开始静止下落 穿越磁场的过程中 小灯泡始终正常发光 则 A 有界磁场宽度 l L B 磁场的磁感应强度应为 mgU PL C 线框匀速穿越磁场 速度恒为 P mg D 线框穿越磁场的过程中 灯泡产生的焦耳热为 mgL 4 2013 浙江卷 15 磁卡的磁条中有用于存储信息的磁极方向不同的磁化区 刷卡器中有 检测线圈 当以速度 v0刷卡时 在线圈中产生感应电动势 其 E t 关系如图 4 9 22 所 示 如果只将刷卡速度改为 线圈中的 E t 关系图可能是 v0 2 5 两根相距为 L 的足够长的金属弯角光滑导轨如图 4 9 23 所示放置 它们有一边在水 平面内 另一边与水平面的夹角为 37 质量均为 m 的金属细杆 ab cd 与导轨垂直接触形 成闭合回路 导轨的电阻不计 回路总电阻为 2R 整个装置处于磁感应强度大小为 B 方 向竖直向上的匀强磁场中 当 ab 杆在平行于水平导轨的拉力 F 作用下以速度 v 沿导轨匀 速运动时 cd 杆恰好处于静止状态 重力加速度为 g 以下说法正确的是 A ab 杆所受拉力 F 的大小为 mgsin 37 B 回路中电流为 mgsin 37 BL C 回路中电流的总功率为 mgvsin 37 D m 与 v 大小的关系为 m B2L2v 2Rgtan 37 6 如图 4 9 24 所示电路 两根光滑金属导轨平行放置在倾角为 的斜面上 导轨下端接有电阻 R 导轨电阻不计 斜面处在竖直向上的匀强磁场中 电阻可忽略不计的金属棒 ab 质量为 m 受到沿斜面向上 且与金属棒垂直的恒力 F 的作用 金属棒沿导轨匀速下滑 则它在下滑高度 h 的过程中 以下说法正确的是 A 作用在金属棒上各力的合力做功为零 B 重力做的功等于系统产生的电能 C 金属棒克服安培力做的功等于电阻 R 上产生的焦耳热 D 金属棒克服恒力 F 做的功等于电阻 R 上产生的焦耳热 7 如图 4 9 25 所示 一个闭合三角形导线框 ABC 位于竖直平面内 其下方 略靠前 固定一根与导线框平面平行 的水平直导线 导线中通以图示方向的恒定电流 释放导线框 它由实线位置下落到虚线 位置未发生转动 在此过程中 A 导线框中感应电流方向依次为 ACBA ABCA ACBA B 导线框的磁通量为零时 感应电流却不为零 C 导线框所受安培力的合力方向依次为向上 向下 向上 D 导线框所受安培力的合力为零 做自由落体运动 8 如图 4 9 2