高三物理高考二轮复习电磁感应现象及其规律的综合应用.ppt

在本专题的复习中 一方面要理解并熟记产生感应电动势和感应电流的条件 会灵活运用楞次定律判断各种情况下感应电动势或感应电流的方向 另一方面 能准确地计算各种情况下感应电动势的大小 并能运用力学规律综合分析电磁感应现象中物体的运动情况及能量转化问题 一 安培定则 左手定则 右手定则和楞次定律的适用情况比较及对楞次定律的理解1 适用情况的比较 楞次定律 基本现象 应用的定则或定律 运动电荷 电流产生磁场 安培定则 磁场对运动电荷 电流产生作用力 左手定则 电磁感应 部分导体切割磁感线运动 右手定则 闭合回路磁通量变化 2 对楞次定律的理解 1 谁阻碍谁 感应电流的磁场阻碍产生感应电流的磁场的磁通量的变化 2 阻碍什么 阻碍的是穿过回路的磁通量的变化 而不是磁通量本身 3 如何阻碍 当原磁通量增加时 感应电流的磁场方向与原磁场方向相反 当原磁通量减少时 感应电流的磁场方向与原磁场方向相同 即 增反减同 在分析判断感应电流的方向时 右手定则与左手定则容易相混 要抓住 因果关系 才能无误 因动而生电 用右手定则 因电而动 用左手定则 二 感应电动势的两种求法 一个回路 不一定闭合 v为平均速度 平均感应电动势v为瞬时速度 瞬时感应电动势 一般情况下为 t时间内的平均感应电动势 l v b之间必须两两互相垂直 且l为切割磁感线导体的有效长度 不一定是匀强磁场 e由决定 与 大小无必然联系 条件不同 物理意义不同 只适于导线切割磁感线的情况 具有普遍性 无论什么方式引起磁通量的变化都适用 适用范围不同 一段直导线 或等效成直导线 两种方法 e blv 研究对象不同 1 在电磁感应中 切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路将产生感应电动势 该导体或回路相当于电源 2 在电源内部 电流由负极流向正极 电源两端电压为路端电压 一 用楞次定律判断感应电流方向的基本思路运用楞次定律判定感应电流方向的基本思路可归结为 一原 二感 三电流 即为 1 明确原磁场 弄清原磁场的方向及磁通量的变化情况 2 确定感应磁场 即根据楞次定律中的 阻碍 原则 结合原磁场磁通量变化情况 确定出感应电流产生的感应磁场的方向 3 判定电流方向 即根据感应磁场的方向 运用安培定则判断出感应电流方向 二 判断闭合电路相对运动类问题的分析策略在电磁感应问题中 有一类综合性较强的分析判断类问题 主要讲的是磁场中的闭合电路在一定条件下产生了感应电流 而此电流又处于磁场中 受到安培力作用 从而使闭合电路或电路中可动部分的导体发生了运动 对其运动趋势的分析判断有两种思路方法 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 据 阻碍 原则 可直接对运动趋势做出判断 三 感应电荷量的计算设在时间 t内通过导线截面的电荷量为q 则q i t e r t n r t t n r可见 在电磁感应现象中 只要穿过闭合电路的磁通量发生变化 闭合电路中就会产生感应电流 在时间 t内通过导线横截面的电荷量q仅由线圈的匝数n 磁通量的变化量 和闭合电路的电阻r决定 与发生磁通量的变化量的时间无关 四 电磁感应中的能量问题的解决方法在电磁感应现象中 往往要涉及安培力做功的问题 而安培力做功又涉及电能和其他形式的能之间相互转化的问题 具体解决方法如下 1 在电磁感应中 切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路将产生感应电动势 该导体或回路就相当于电源 2 用法拉第电磁感应定律和楞次定律研究感应电动势的大小和方向 3 画出等效电路 求出回路中电阻消耗电功率的表达式 4 分析清楚有哪些力做功 明确有哪些形式的能量发生了转化 如有摩擦力做功 必有内能产生 有重力做功 重力势能必然发生变化 有安培力做功 必然有其他形式的能与电能相互转化 5 根据不同的物理情景 选择动能定理 能量守恒定律或功能关系列方程求解 安培力做负功的过程是其他形式的能转化为电能的过程 对应回路中产生的内能 安培力做正功的过程是电能转化为其他形式的能的过程 对应关系可表示为 五 电磁感应中的图象问题及分析方法1 常见图象形式图象问题是一种半定量分析问题 电磁感应中常涉及磁感应强度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 此外 还涉及感应电动势e 感应电流i随线圈位移x变化的图象 即e x图象和i x图象 2 问题分类 1 由给出的电磁感应过程选出或画出正确的图象 2 由给定的有关图象分析电磁感应过程 求解相应物理量 3 注意事项 1 图象中两个坐标轴各代表什么意义 2 图象中纵坐标的正 负表示什么意义 3 画图象时应注意初始状态如何以及正方向的选取 4 注意图象横轴 纵轴截距的物理意义以及图线斜率的物理意义 1 电磁感应现象问题的分析 要抓住磁通量变化是否均匀 从而推知感应电动势或感应电流的大小变化情况 即 用楞次定律判断出感应电流的方向 从而确定其正负以及在坐标中的位置 2 要正确解决图象问题 还要注意将图象的意义 反映的物理信息 规律与实际的物理过程 遵循的物理规律 方程等对应起来 特别是在作图和用图中 2009 宁夏高考 如图8 1所示 一导体圆环位于纸面内 o为圆心 环内两个圆心角为90 的扇形区域内分别有匀强磁场 两磁场的磁感应强度的大小相等 方向相反且均与纸面垂直 导体杆om可绕o转动 m端通过滑动触点与圆环良好接触 在圆心和圆环间连有电阻r 杆om以匀角速度 逆时针转动 t 0时恰好在图示位置 规定从a到b流经电阻r的电流方向为正 圆环和导体杆的电阻忽略不计 则杆从t 0开始转动一周的过程中 电流随 t变化的图象是图8 2中的 思路点拨 解答本题时应把握以下几点 1 由法拉第电磁感应定律判断电流大小的变化规律 2 由楞次定律判断电流的方向 3 注意题目中正方向的规定 解析 旋转的导体杆在磁场中切割磁感线 产生电动势 由右手定则可判断 开始电流方向由b向a 为负方向 后来磁场反向 电流方向为正方向 因为只有开始的周期和第3个周期内导体杆切割磁感线 所以c正确 答案 c 电磁感应中对图象问题的分析 要抓住磁通量的变化是否均匀 从而根据法拉第电磁感应定律推知感应电动势 电流 是否大小恒定 用楞次定律或右手定则判断出感应电动势 或电流 的方向 从而确定其正 负 以及在坐标中的范围 有些图象问题还要画出等效电路来辅助分析 1 2009 唐山模拟 如图8 3甲所示 一矩形金属线圈abcd垂直固定于磁场中 磁场是变化的 磁感应强度b随时间t的变化关系图象如图8 3乙所示 则线圈的ab边所受安培力f随时间t变化的图象是图8 4中的 规定向右为安培力f的正方向 解析 由i 及e s可知 因b分段均匀变化 电流大小在分时间段内恒定 而由f bilab和左手定则可知在0 1s内 ab边受安培力方向向左 且均匀变小 可知b d错误 在1s 2s内 b均匀增大 电流方向由a到b 由左手定则可知 ab受安培力方向向右 且均匀增大 故c错误 a正确 答案 a 如图8 5甲所示 两根足够长的光滑平行金属导轨 间距为l 与水平面的夹角 30 上端接有电阻r 匀强磁场垂直于导轨平面 现将一金属杆垂直于两导轨放置 并对金属杆施加平行于导轨向下的恒力f 杆最终匀速运动 改变恒力f的大小 杆匀速运动速度的大小也随之改变 作出杆匀速运动速度v与拉力f的关系图线如图8 5乙所示 不计金属杆和导轨的电阻 取重力加速度g 10m s2 求 1 金属杆的质量 2 拉力f 12n时 金属杆匀速运动的速度和电路中的电功率 思路点拨 通过对金属杆运动过程分析及受力分析得出金属杆匀速运动的条件应是合外力为零 列出平衡方程 再利用图乙寻找解题需要的已知量 代入方程即可求解 答案 1 0 4kg 2 28m s392w 感应电流在磁场中受到安培力的作用 因此电磁感应问题往往跟力学问题联系在一起 解决这类问题需要综合应用电磁感应规律 法拉第电磁感应定律 楞次定律 及力学中的有关规律 牛顿定律 动能定理等 解决这类问题的方法是 1 选择研究对象 即是哪一根导体棒或哪几根导体棒组成的系统 2 分析其受力情况 安培力既跟电流垂直又跟磁场垂直 3 分析研究对象所受的各力做功情况和合外力情况 选定所要应用的物理规律 4 运用物理规律列方程 求解 注意 加速度a 0时 速度v达到最大值 2 2009 平顶山模拟 如图8 6甲所示 光滑且足够长的平行金属导轨mn pq固定在同一水平面上 两导轨间距l 0 2m 电阻r 0 4 导轨上停放一质量m 0 1kg 电阻r 0 1 的金属杆 导轨电阻可忽略不计 整个装置处于磁感应强度b 0 5t的匀强磁场中 磁场方向竖直向下 现用一外力f沿水平方向拉杆 使之由静止开始运动 若理想电压表的示数u随时间t变化的关系如图8 6乙所示 1 试分析说明金属杆做匀加速运动 并求出加速度的大小 2 求第2秒末外力f的瞬时功率 答案 1 见解析 2 7w 2009 泰安模拟 如图8 7甲所示 相距为l的光滑平行金属导轨水平放置 导轨一部分处在以oo 为右边界的匀强磁场中 匀强磁场的磁感应强度大小为b 方向垂直导轨平面向下 导轨右侧接有定值电阻r 导轨电阻忽略不计 在距边界oo 也为l处垂直导轨放置一质量为m 电阻为r的金属杆ab 1 若杆ab在恒力作用下由静止开始向右运动3l距离 其速度 位移的图象如图乙所示 图中所示量为已知量 求此过程中电阻r上产生的焦耳热qr及杆ab在刚要离开磁场时的加速度大小a 2 若杆ab固定在导轨上的初始位置 使匀强磁场保持大小不变 绕oo 轴匀速转动 在磁场方向由图示位置开始转过的过程中 电路中产生的焦耳热为q 则磁场转动的角速度 大小是多少 思路点拨 杆ab在恒力作用下运动第一个l时 电流是变化的 求焦耳热不可用焦耳定律直接去求 应当用功能关系计算 但当磁场绕oo 轴匀速转动时 回路中产生正弦交流电 能计算电动势的有效值 因此焦耳定律可直接用 不过应当区分q和qr的不同含义 解析 1 设恒力为f 杆ab离起始位置的位移从l到3l的过程中 由动能定理可得 杆ab在磁场中由起始位置发生位移l的过程 根据功能关系 恒力f做的功等于杆ab增加的动能与回路产生的焦耳热之和 则 本题是与电磁感应有关的力电综合题 涉及到图象 法拉第电磁感应定律 安培力 牛顿运动定律 动能定理 1 利用功能关系的观点分析电磁感应问题 首先应对研究对象进行准确的受力分析 判断各力做功情况 利用动能定理或功能关系列式求解 2 利用能量守恒分析电磁感应问题时 应注意明确初 末状态及其能量转化 根据力做功和相应形式能的转化列式求解 3 如图8 8 a 所示 光滑的平行水平金属导轨mn pq相距l 在m点和p点间连接一个阻值为r的电阻 在两导轨间cdfe矩形区域内有垂直导轨平面竖直向上 宽为d的匀强磁场 磁感应强度为b 一质量为m 电阻为r 长度也刚好为l的导体棒ab垂直搁在导轨上 与磁场左边界相距d0 现用一个水平向右的力f拉棒ab 使它由静止开始运动 棒ab离开磁场前已做匀速直线运动 棒ab与导轨始终保持良好接触 导轨电阻不计 f随ab与初始位置的距离x变化的情况如图 b 所示 f0已知 求 1 棒ab离开磁场右边界时的速度 2 棒ab通过磁场区域的过程中整个回路所消耗的电能 3 d0满足什么条件时 棒ab进入磁场后一直做匀速运动 2008 广东高考 如图8 9 a 所示 水平放置的两根平行金属导轨 间距l 0 3m 导轨左端连接r 0 6 的电阻 区域abcd内存在垂直于导轨平面b 0 6t的匀强磁场 磁场区域宽d 0 2m 细金属棒a1和a2用长为2d 0 4m的轻质绝缘杆连接 放置在导轨平面上 并与导轨垂直 每根金属棒在导轨间的电阻均为r 0 3 导轨电阻不计 使金属棒以恒定速度v 1 0m s沿导轨向右穿越磁场 计算从金属棒a1进入磁场 t 0 到a2离开磁场的时间内 不同时间段通过电阻r的电流强度 并在图8 9 b 中画出 思路点拨 导体棒a1 a2分别切割磁感线时 电路中有电流 可根据公式e blv计算感应电动势 然后根据闭合电路欧姆定律和串 并联电路特点计算通过r的电流强度 如图 解决此类问题时 要分析清楚电源的位置及电路的连接方式 同时还要注意导体棒 电源 的电阻是否存在 然后画出等效电路图 此后处理问题的方法与闭合电路中的求解基本一致 4 两根光滑的长直金属导轨mn m n 平行置于同一水平面内 导轨间距为l 电阻不计 m m 处接有如图8 11所示的电路 电路中各电阻的阻值均为r 电容器的电容为c 长度也为l 阻值同为r的金属棒ab垂直于导轨放置 导轨处于磁感应强度为b 方向竖直向下的匀强磁场中 ab在外力作用下向右匀速运动且与导轨保持良好接触 在ab运动距离为x的过程中 整个回路中产生的焦耳热为q 求 1 ab运动速度v的大小 2 电容器所带的电荷量q 解析 由于ab在外力作用下向右匀速运动 切割磁感线而产生感应电动势 将产生电动势的导体看成电源 确定闭合回路 根据法拉第电磁感应定律和电路规律可解决问题 1 设ab上产生的感应电动势为e 回路中的电流为i ab运动距离x所用时间为t 则有 1 2009 湖南省师大附中模拟 一闭合线圈置于磁场中 若磁感应强度b随时间变化的规律如图8 12所示 则图8 13中能正确反映线圈中感应电动势e随时间t变化的图象是 解析 由 s可知 因磁感应强度b随时间变化的变化率是分段恒定的 因此电动势e随时间变化的规律也是分段恒定 故d正确 答案 d 2 如图8 14甲 乙所示的电路中 电阻r和自感线圈l的电阻值都很小 且小于灯a的电阻 接通s 使电路达到稳定 灯泡a发光 则 a 在电路甲中 断开s后 a将逐渐变暗b 在电路甲中 断开s后 a将先变得更亮 然后渐暗c 在电路乙中 断开s后 a将逐渐变暗d 在电路乙中 断开s后 a将先变得更亮 然后渐暗 解析 甲电路中 灯a和线圈l串联 电流相同 断开s时 线圈上产生自感电动势 阻碍原电流的减小 通过r a形成回路 渐渐变暗 乙电路电阻r和灯a串联 灯a的电阻大于线圈l的电阻 电流则小于线圈l中的电流 断开s时 电源不给灯供电 而线圈产生自感电动势阻碍电流的减小 通过r a形成回路 灯a中电流比原来大 变得更亮 然后渐渐变暗 答案 ad 3 水平面上的光滑平行导轨mn pq上放着光滑导体棒abcd 两棒用绝缘细线系住 且处于拉直状态 匀强磁场的方向如图8 15甲所示 磁感应强度b随时间t的变化图线如图8 15乙所示 不计ab cd间电流的相互作用 则在0到t0时间内细线中的张力 a 逐渐增大b 逐渐减小c 保持不变d 先逐渐增大 后逐渐减小 解析 磁场均匀减小 导体棒中产生大小不变的感应电流 但磁场在减小 所以在0到t0时间内 细线中的张力在逐渐减小 t0时刻减小到零 因此b正确 答案 b 4 在竖直面内的一对光滑导轨水平放置 导轨的左端通过一只二极管 具有从a向b的单向导电性 接一原来不带电的平行板电容器 两个平行板水平放置 匀强磁场与导轨平面垂直 一导体棒沿导轨滑动并与导轨接触良好 金属棒匀速运动时 一个带正电的液滴p在平行板间恰好保持静止 运动方向由下图给出 则下面哪个图示可能正确 解析 带正电的液滴处于静止状态 说明平行板上极板带负电 下极板带正电 因此根据右手定则和二极管的单向导电性可知b正确 答案 b 5 2008 宁夏高考 如图8 17所示 同一平面内的三条平行导线串有两个电阻r和r 导体棒pq与三条导线接触良好 匀强磁场的方向垂直于纸面向里 导体棒的电阻可忽略 当导体棒向左滑动时 下列说法正确的是 a 流过r的电流为由d到c 流过r的电流为由b到ab 流过r的电流为由c到d 流过r的电流为由b到ac 流过r的电流为由d到c 流过r的电流为由a到bd 流过r的电流为由c到d 流过r的电流为由a到b 解析 如下图所示 以两个回路abqoa和pqcdp为研究对象 根据楞次定律判断感应电流的方向分别为顺 逆时针方向 答案 b 6 2009 宣城模拟 如图8 18甲所示 两根足够长的平行金属导轨固定放置在同一水平面上 其左端接一定值电阻 金属杆mn水平放在导轨上 且保持良好接触 金属杆具有一定的电阻 导轨电阻不计 整个装置处于竖直向下的匀强磁场中 在外力作用下 金属杆从静止开始沿导轨水平向右加速运动 并始终与导轨垂直 其v t图象如图8 18乙所示 图8 19中能正确反映金属杆克服安培力做功的功率p随金属杆速度变化规律的是 答案 d 7 2009 福建高考 如图8 20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 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