高考二轮复习物理课件第一编核心专题突破专题4电路与电磁感应第二讲电磁感应规律及综合应用

第二讲电磁感应规律及综合应用1通览主干知识2研学核心考点目录索引

3突破热考命题1通览主干知识2研学核心考点考点一楞次定律和法拉第电磁感应定律的应用分层突破——明要点命题角度1感应电流方向的判定

命题角度2两类电动势的求解

命题角度3感应电荷量的两种求法

深化拓展“三定则、一定律”的比较定则或定律适用的现象因果关系安培定则电流的磁效应——电流、运动电荷产生的磁场因电生磁左手定则1.安培力——磁场对电流的作用力;2.洛伦兹力——磁场对运动电荷的作用力因电受力右手定则导体做切割磁感线运动产生的电磁感应现象因动生电楞次定律闭合回路磁通量变化产生的电磁感应现象因磁生电典例剖析例1

(命题角度2)(2022全国乙卷)如图所示,一不可伸长的细绳的上端固定,下端系在边长为l=0.40m的正方形金属框的一个顶点上。金属框的一条对角线水平,其下方有方向垂直于金属框所在平面的匀强磁场。已知构成金属框的导线单位长度的阻值为λ=5.0×10-3

Ω/m;在t=0到t=3.0s时间内,磁感应强度大小随时间t的变化关系为B(t)=0.3-0.1t(SI)。求:(1)t=2.0s时金属框所受安培力的大小;(2)在t=0到t=2.0s时间内金属框产生的焦耳热。解题指导审题:破题:1.本题以正方形金属框为素材,创设了求解安培力和焦耳热的学习探索问题情境,主要考查法拉第电磁感应定律、欧姆定律、安培力、焦耳定律等知识点。2.求感应电动势时注意有效面积的判断,求安培力时注意有效长度的判断。解析

(1)金属框的总电阻为R=4lλ=4×0.40×5.0×10-3

Ω=0.008

Ω(2)0~2.0

s内金属框产生的焦耳热为Q=I2Rt=0.016

J。

分层演练——拿高分练真题·明考向1.(命题角度1、2)(多选)(2022广东卷)如图所示,水平地面(xOy平面)下有一根平行于y轴且通有恒定电流I的长直导线。P、M和N为地面上的三点,P点位于导线正上方,MN平行于y轴,PN平行于x轴。一闭合的圆形金属线圈,圆心在P点,可沿不同方向以相同的速率做匀速直线运动,运动过程中线圈平面始终与地面平行。下列说法正确的有(

)A.N点与M点的磁感应强度大小相等,方向相同B.线圈沿PN方向运动时,穿过线圈的磁通量不变C.线圈从P点开始竖直向上运动时,线圈中无感应电流D.线圈从P点运动到M点产生的感应电动势与从P点运动到N点产生的感应电动势相等AC解析

因为M、N两点连线与长直导线平行,两点与长直导线的距离相同,根据右手螺旋定则可知,通电长直导线在M、N两点产生的磁感应强度大小相等,方向相同,选项A正确。根据右手螺旋定则,线圈在P点时,穿进与穿出线圈的磁感线对称,磁通量为零;在向N点平移的过程中,穿进与穿出线圈的磁感线不再对称,线圈的磁通量会发生变化,选项B错误。根据右手螺旋定则,线圈从P点竖直向上运动的过程中,穿进与穿出线圈的磁感线对称,线圈的磁通量始终为零,没有发生变化,线圈中无感应电流,选项C正确。从P点运动到M点与从P点运动到N点,线圈的磁通量变化量相同,依题意从P点运动到M点所用时间较长,根据法拉第电磁感应定律可知,两次产生的感应电动势不相等,选项D错误。2.(命题角度2)(2023湖北卷)近场通信(NFC)器件应用电磁感应原理进行通讯,其天线类似一个压平的线圈,线圈尺寸从内到外逐渐变大。如图所示,一正方形NFC线圈共3匝,其边长分别为1.0cm、1.2cm和1.4cm,图中线圈外线接入内部芯片时与内部线圈绝缘。若匀强磁场垂直通过此线圈,磁感应强度变化率为103T/s,则线圈产生的感应电动势最接近(

)A.0.30V B.0.44VC.0.59V D.4.30VB解析

根据法拉第电磁感应定律可知E=

(S1+S2+S3)=0.44

V,选项B正确。

练模拟·提能力1.(命题角度2)(2023湖南岳阳二模)如图所示,半径为r的圆形区域内存在方向竖直向上、磁感应强度大小随时间变化的匀强磁场,磁感应强度大小与时间的关系为B=kt(各物理量取国际单位制单位,k>0且为常量)。现将单位长度电阻为R、半径为x的金属圆环放入这个磁场中,圆环与磁场边界为同心圆且圆环平面与磁场方向垂直。下列说法正确的是(

)A.若x为2r时,圆环产生的感应电动势大小为4kπr2B.从上往下看,圆环中的电流沿顺时针方向,且电流随时间均匀增大C2.(命题角度1、3)(多选)(2023海南海口模拟)如图所示,在水平面上固定平行光滑导轨PQ、RS,PR之间用导线连接,两导轨间距为L。两导轨间有磁感应强度大小为B、方向竖直向上的匀强磁场,虚线是匀强磁场的左、右边界且均与导轨垂直,在磁场左边导轨上有一根质量为m、导轨间有效电阻为R的导体棒MN,导体棒以初速度v0向右进入磁场,并以速度v从右边穿出磁场,导体棒始终与导轨垂直且接触良好,其余电阻不计,下列说法正确的是(

)A.导体棒穿过磁场的过程中电流方向由N到MBD解析

根据题意,由右手定则可知,导体棒穿过磁场的过程中电流方向由M到N,故A错误;根据题意,由能量守恒定律可知,导体棒穿过磁场的过程中产生考点二电磁感应中的图像问题分层突破——明要点命题角度1由电磁感应过程分析图像(1)分析电磁感应过程;(2)明确物理量变化规律;(3)判断图像正误。命题角度2由图像分析电磁感应过程(1)看清图像纵、横轴意义;(2)明确物理量变化规律;(3)还原电磁感应过程。深化拓展1.电磁感应图像问题的“三点关注”2.电磁感应图像问题的“两种解法”典例剖析例2

(命题角度2)(2023湖南模拟)如图甲所示,PQNM是倾角θ=37°、表面粗糙的绝缘斜面,abcd是匝数n=20、质量m=1kg、总电阻R=2Ω、边长L=1m的正方形金属线框。线框与斜面间的动摩擦因数μ=0.8,在OO'NM的区域加上垂直斜面向上的匀强磁场(图中未画出),使线框的一半处于磁场中,磁场的磁感应强度B随时间t变化的图像如图乙所示。g取10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8。下列说法正确的是(

)A.0~6s内,线框中的感应电流大小为1AB.0~6s内,线框产生的焦耳热为6JC.t=6s时,线框受到的安培力大小为8ND.t=10s时,线框即将开始运动C线框处于静止状态,线框中的感应电流大小为0.5

A,故A、D错误;0~6

s内,线框产生的焦耳热为Q=I2Rt=0.52×2×6

J=3

J,故B错误;t=6

s时,磁感应强度为B'=0.1×6

T+0.2

T=0.8

T,线框受到的安培力大小为F=nB'IL=20×0.8×0.5×1

N=8

N,故C正确。分层演练——拿高分练真题·明考向1.(命题角度1、2)(2023全国乙卷)一学生小组在探究电磁感应现象时,进行了如下比较实验。用图甲所示的缠绕方式,将漆包线分别绕在几何尺寸相同的有机玻璃管和金属铝管上,漆包线的两端与电流传感器接通。两管皆竖直放置,将一很小的强磁体分别从管的上端由静止释放,在管内下落至管的下端。实验中电流传感器测得的两管上流过漆包线的电流I随时间t的变化分别如图乙和图丙所示,分析可知(

)甲

乙丙A.图丙是用玻璃管获得的图像B.在铝管中下落,小磁体做匀变速运动C.在玻璃管中下落,小磁体受到的电磁阻力始终保持不变D.用铝管时测得的电流第一个峰到最后一个峰的时间间隔比用玻璃管时的短答案

A解析

小磁体下落过程中,在铝管中运动时,受到两个阻力的作用,一个是铝管电流产生的磁场的阻碍作用,另一个是线圈电流产生的磁场的阻碍作用,显然铝管的阻碍作用更强一些,所以小磁体在铝管中运动的速度要比在玻璃管中运动的速度小,则线圈中出现的电流峰值要小,选项A正确。小磁体下落速度越大,铝管内产生的涡流越大,对小磁体的阻碍越大,所以不是匀变速运动,选项B错误。小磁体在玻璃管内受到的电磁阻力是漆包线中电流产生的磁场给的,该力与小磁体下落的速度以及漆包线的间距有关,可知该力应该是变力,选项C错误。由选项A的分析可知,用铝管时,小磁体的运动速度小,所以所用时间长,选项D错误。2.(命题角度1)(2023辽宁卷)如图所示,空间中存在水平向右的匀强磁场,一导体棒绕固定的竖直轴OP在磁场中匀速转动,且始终平行于OP。导体棒两端的电势差u随时间t变化的图像可能正确的是(

)C解析

导体棒和磁感应强度B的方向垂直,开始时,导体棒的线速度v垂直于B,周期后,v和B的方向平行,根据交变电流的产生规律,导体棒两端的电势差u随时间t的函数关系为余弦函数关系,选项C正确。练模拟·提能力1.(命题角度1)(2023广东广州模拟)如图所示,在光滑的水平面上,宽为2L的有界匀强磁场左侧放置一边长为L的正方形导电线圈,线圈在水平外力作用下向右匀加速穿过该磁场,则在线圈穿过磁场的过程中,拉力F随位移x的变化图像、热功率P随位移x的变化图像、线圈中感应电流I(从上向下看顺时针方向为正)随位移x的变化图像正确的是(

)C2.(命题角度2)(多选)(2023湖南长沙模拟)如图甲所示,两根足够长、电阻不计且相距L=1m的平行金属导轨固定在倾角θ=37°的绝缘斜面上,两导轨间存在磁感应强度大小B=1T、垂直斜面向上的匀强磁场。现将两根质量均为m=1kg、电阻均为R=1Ω、长度均为L=1m的金属棒放置在导轨顶端附近,两金属棒始终垂直导轨且接触良好,金属棒ab与导轨间的摩擦忽略不计,金属棒cd与导轨间的动摩擦因数为μ=0.75。在t=0时,将金属棒ab由静止释放,此时金属棒cd锁定在斜面上,若在0~t1时间内,金属棒ab沿着斜面下滑的距离为x1=0.5m;在t=t1时,将金属棒cd由静止释放,金属棒ab中的电流随时间变化的关系如图乙所示,重力加速度g取10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8,则(

)A.t=t1时,金属棒ab的加速度大小为5m/s2B.t=t1时,金属棒cd的加速度大小为2m/s2C.t=t1时,金属棒ab的速度大小为2m/sD.在0~t1时间内,金属棒ab产生的焦耳热为2J答案

AC解析

在t=t1时,对金属棒ab,由牛顿第二定律有mgsin

θ-BI1L=ma1,解得金属棒ab的加速度大小为a1=5

m/s2,故A正确;对金属棒cd,由牛顿第二定律有mgsin

θ+BI1L-μmgcos

θ=ma2,解得金属棒cd的加速度大小为a2=1

m/s2,故B考点三电磁感应中的动力学、动量和能量问题分层突破——明要点命题角度1电磁感应中的动力学问题

命题角度2电磁感应中的能量、动量分析

典例剖析例3

(命题角度1、2)(2023浙江模拟)某物理兴趣小组为了研究电磁阻尼的原理,设计了如图所示的装置进行实验,水平平行导轨MN、PQ间距为L,处于方向竖直向下、磁感应强度为B的匀强磁场中,左端连接阻值为R的定值电阻,细绳绕过定滑轮一端连接质量为m、长为L、有效电阻也为R的导体棒a,另一端连接质量为3m的重物b,导体棒a始终垂直于导轨且与导轨接触良好,重物b距离地面的高度为h,刚开始a、b初速度均为0,由静止释放重物b,当重物b落地前瞬间导体棒a速度恰好达到稳定,运动过程中不考虑摩擦力的影响,重力加速度为g,导轨足够长。求:(1)导体棒a速度稳定时的速度大小v;(2)导体棒a从开始运动到速度稳定的过程中电阻R产生的热量QR;(3)导体棒a从开始运动到速度稳定需要的时间t,以及重物落地后导体棒a继续前进的位移x。解析

(1)导体棒a速度稳定时,导体棒a受重力、支持力、拉力和向左的安培力此时导体棒a产生的感应电动势为E=BLv受到的安培力大小为FA=BIL根据平衡条件得FA=3mg(2)对导体棒a和重物b组成的系统,根据能量守恒定律得

(3)导体棒a从静止开始运动到速度稳定,对导体棒a和重物b整体

分层演练——拿高分练真题·明考向1.(命题角度1、2)(多选)(2022全国甲卷)如图所示,两根相互平行的光滑长直金属导轨固定在水平绝缘桌面上,在导轨的左端接入电容为C的电容器和阻值为R的电阻。质量为m、阻值也为R的导体棒MN静止于导轨上,与导轨垂直且接触良好,导轨电阻忽略不计,整个系统处于方向竖直向下的匀强磁场中。开始时,电容器所带的电荷量为Q,闭合开关S后,则(

)B.导体棒MN向右先加速、后匀速运动C.导体棒MN速度最大时所受的安培力也最大D.电阻R上产生的焦耳热大于导体棒MN上产生的焦耳热答案

AD解析

导体棒MN两端的最大电压为U=,因此通过导体棒MN电流的最大值为

,选项A正确;导体棒MN向右加速后,产生反电动势,当MN两端的电压u>Blv时,导体棒加速运动,当速度达到最大值之后,导体棒MN与R构成回路,由于一直处于通路状态,由能量守恒可知,最后导体棒MN速度为零,

选项B错误;导体棒MN速度最大时,导体棒中的电流为0,导体棒受到的安培力为0,选项C错误;将整个电路等效为两个电路的叠加,在电容器为电源的电路中,通过R与导体棒MN的电流大小相同、方向向下,在导体棒MN切割磁感线作电源的电路中,通过R的电流方向向下,通过导体棒MN的电流方向向上,综上可知通过电阻R的电流大,产生的焦耳热较多,D正确。2.(命题角度1、2)(多选)(2023辽宁卷)如图所示,两根光滑平行金属导轨固定在绝缘水平面上,左、右两侧导轨间距分别为d和2d,处于竖直向上的磁场中,磁感应强度大小分别为2B和B。已知导体棒MN的电阻为R、长度为d,导体棒PQ的电阻为2R、长度为2d,PQ的质量是MN的2倍。初始时刻两棒静止,两棒中点之间连接一压缩量为L的轻质绝缘弹簧。释放弹簧,两棒在各自磁场中运动直至停止,弹簧始终在弹性限度内。整个过程中两棒保持与导轨垂直并接触良好,导轨足够长且电阻不计。下列说法正确的是(

)答案

AC解析

弹簧伸展的过程中,MN向左运动,PQ向右运动,由右手定则可知,回路中产生顺时针方向的电流,选项A正确;设某时刻回路中的电流为I,MN受到的安培力F1=2BId,方向向右,PQ受到的安培力F2=BI·2d,方向向左,两导体棒组成的系统所受到的合外力为0,系统动量守恒,当PQ的速率为v时,设MN的速率为v',则有2mv-mv'=0,解得v'=2v,回路内的电动势练模拟·提能力1.(命题角度2)(2023湖南模拟)如图所示,两根相同且光滑的

圆弧轨道,aa'与cc'等高,半径为r、间距为L,轨道电阻不计。在轨道右侧连有一阻值为R的电阻,整个装置处在一方向竖直向上的匀强磁场中,磁感应强度大小为B。一根长度为L、电阻为R'的金属棒,在外力F的作用下以初速度v0从aa'沿轨道做匀速圆周运动至cc'处,则该过程中(

)A.金属棒经过最低位置bb'处时,通过金属棒的电流方向为b'→bB.金属棒经过最低位置bb'处时,电路中的电流最小C解析

金属棒经过最低位置bb'处时,根据右手定则可知通过金属棒的电流方向为b→b',故A错误;金属棒经过最低位置bb'处时,金属棒垂直切割磁感线,产生的感应电动势最大,电路中的电流最大,故B错误;金属棒切割磁感2.(命题角度1、2)(多选)(2023湖南郴州三模)如图甲所示,两根间距为L=1.0m、电阻不计、足够长的光滑平行金属导轨与水平面夹角θ=30°,导轨底端接入一阻值为R=2.0Ω的定值电阻R。导轨所在区域内存在磁感应强度大小为B的匀强磁场,磁场方向垂直于导轨平面向上。在导轨上垂直于导轨放置一质量为m=0.2kg、电阻为r=1.0Ω的金属杆,开始时使金属杆保持静止,某时刻开始给金属杆一个沿斜面向上大小为F=2.0N的恒力,金属杆由静止开始运动,金属杆运动过程的v-t图像如图乙所示。金属杆与两导轨垂直且接触良好,重力加速度g取10m/s2。则在金属杆向上运动的过程中,下列说法正确的是(

)A.匀强磁场的磁感应强度大小B=

TB.0~2s内通过电阻R的电荷量为1.4CC.0~2s内金属杆通过的位移大小为4mD.0~4s内电阻R产生的热量为6.2J答案

BD3突破热考命题经典物理模型:电磁感应中的“杆+导轨”模型情境解读“杆+导轨”模型又分为“单杆”模型和“双杆”模型,导轨放置方式可分为水平、竖直和倾斜,杆的运动状态可分为匀速、匀变速、非匀变速运动等。(一)单杆模型物理模型匀强磁场与导轨垂直,磁感应强度为B,导轨宽为l,杆cd质量为m,初速度为零,拉力恒为F,水平导轨光滑,除电阻R外,其他电阻不计动态分析设运动过程中某时刻杆cd的速度为v,由牛顿第二定律得杆cd的加速度为

,a、v同向,随速度的增加,杆cd的加速度a减小,当a=0时,有最大速度

恒定收尾状态运动形式匀速直线运动动力学特征a=0,速度恒定不变电学特征I恒定(二)双杆模型

物理模型“双杆”模型分为两类:一类是“一动一静”,甲杆静止不动,乙杆运动,其实质是单杆问题,不过要注意问题包含着一个条件——甲杆静止,受力平衡。另一种情况是两杆都在运动,对于这种情况,要注意两杆切割磁感线产生的感应电动势是相加还是相减分析方法动力学观点通常情况下一个金属杆做加速度逐渐减小的加速运动,而另一个金属杆做加速度逐渐减小的减速运动,最终两金属杆以共同的速度匀速运动能量观点其中一个金属杆机械能的减少量等于另一个金属杆机械能的增加量与回路中产生的焦耳热之和考向分析“杆+导轨”模型是高考的热点,考查的知识点多,题目的综合性强,物理情境变化空间大,也是复习中的难点。此类试题可以很好地考查力与运动的关系,一般会与动量定理、动量守恒定律、动能定理、焦耳定律、功能关系、能量守恒定律等联系在一起,进而考查学生综合分析问题的能力。案例探究例题(2023全国甲卷)如图所示,水平桌面上固定一光滑U形金属导轨,其平行部分的间距为l,导轨的最右端与桌面右边缘对齐,导轨的电阻忽略不计。导轨所在区域有方向竖直向上的匀强磁场,磁感应强度大小为B。一质量为m、电阻为R、长度也为l的金属棒P静止在导轨上。导轨上质量为3m的绝缘棒Q位于P的左侧,以大小为v0的速度向P运动并与P发生弹性碰撞,碰撞时间很短。碰撞一次后,P和Q先后从导轨的最右端滑出导轨,并落在地面上同一地点。P在导轨上运动时,两端与导轨接触良好,P与Q始终平行,不计空气阻力。求:(1)金属棒P滑出导轨时的速度大小;(2)金属棒P在导轨上运动过程中产生的热量;(3)与P碰撞后,绝缘棒Q