高三物理复习第九章电磁感应28电磁感应定律的综合应用省公开课一等奖新课获奖课件

1/46基础自主梳理2/46基础自主梳理3/46关键点研析突破关键点一4/46关键点研析突破5/46关键点研析突破例1(·四川卷)如图所表示，金属导轨MNC和PQD，MN与PQ平行且间距为L，所在平面与水平面夹角为α，N、Q连线与MN垂直，M、P间接有阻值为R电阻；光滑直导轨NC和QD在同一水平面内，与NQ夹角都为锐角θ.均匀金属棒ab和ef质量均为m，长均为L，ab棒初始位置在水平导轨上与NQ重合；ef棒垂直放在倾斜导轨上，与导轨间动摩擦因数为μ(μ较小)，由导轨上小立柱1和2阻挡而静止.空间有方向竖直匀强磁场(图中未画出).两金属棒与导轨保持良好接触.不计全部导轨和ab棒电阻，ef棒阻值为R，最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等，忽略感应电流产生磁场，重力加速度为g.6/46(1)若磁感应强度大小为B，给ab棒一个垂直于NQ、水平向右速度v1，在水平导轨上沿运动方向滑行一段距离后停顿，ef棒一直静止，求此过程ef棒上产生热量；(2)在(1)问过程中，ab棒滑行距离为d，求经过ab棒某横截面电量；(3)若ab棒以垂直于NQ速度v2在水平导轨上向右匀速运动，并在NQ位置时取走小立柱1和2，且运动过程中ef棒一直静止.求此状态下最强磁场磁感应强度及此磁场下ab棒运动最大距离.思维导引①ab棒向右运动时直至静止时，损失动能转化为热能，散失在哪些地方？②怎样求解电磁感应现象中流过某横截面电量？③取走小立柱后，ef棒变哪几个力，其平衡条件是什么？④ab棒所产生电动势恒定吗？7/46关键点研析突破解析：(1)设ab棒初动能为Ek，ef棒和电阻R在此过程产生热量分别为W和W1，有W+W1=Ek①且W=W1②由题有③得④8/462)设在题设过程中，ab棒滑行时间为Δt，扫过导轨间面积为ΔS，经过ΔS磁通量为ΔΦ，ab棒产生电动势为E，ab棒中电流为I，经过ab棒某横截面电量为q，则E=ΔΦ/Δt⑤且ΔΦ=BΔS⑥I=q/Δt⑦又有I=2E/R⑧由图所表示ΔS=d(L-dcotθ)⑨联立⑤~⑨，解得q=2Bd(L-dcotθ)R⑩9/46关键点研析突破(3)ab棒滑行距离为x时,ab棒在导轨间棒长Lx为Lx=L-2xcotθ此时，ab棒产生电动势Ex为流过ef棒电流Ix为Ix=Ex/Ref棒所受安培力Fx为Fx=BIxL联立⑩～，解得由式可得，Fx在x=0和B为最大值Bm时有最大值F1.由题知，ab棒所受安培力方向必水平向左，ef棒所受安培力方向必水平向右，使F1为最大值受力分析如图所表示，图中fm为最大静摩擦力，有10/46关键点研析突破F1cosα=mgsinα+μ(mgcosα+F1sinα)联立，得式就是题目所求最强磁场磁感应强度大小，该磁场方向可竖直向上，也可竖直向下由式可知，B为Bm时，Fx随x增大而减小，x为最大xm时，Fx为最小值F2，如图3可知答案：11/46感悟提升：导体棒运动动力学分析过程，普通包含“三个电学方程、一个力学方程”.三个电学方程为感应电动势计算、感应电流计算、安培力计算;一个力学方程为牛顿第二定律或平衡方程.安培力大小与导体棒速度大小有直接关系，所以，对导体棒运动状态分析关键在于安培力大小改变分析.在计算感应过程中产生电能时不能用感应电动势(或电流)平均值.当感应电动势(或电流)大小恒定时，电能计算还能够利用(适合用于纯电阻电路).12/46关键点研析突破1.(多项选择)(·金华十校元月统一调研)两根足够长光滑导轨竖直放置，间距为L，顶端接阻值为R电阻.质量为m、电阻为r金属棒在距磁场上边界某处由静止释放，金属棒和导轨接触良好，导轨所在平面与磁感应强度为B匀强磁场垂直，如图所表示，不计导轨电阻，重力加速度为g，则()A.金属棒在磁场中运动时，流过电阻R电流方向为a→bB.金属棒速度为v时，金属棒所受安培力大小为C.金属棒最大速度为D.金属棒以稳定速度下滑时，电阻R热功率为R13/46关键点研析突破解析：金属棒在磁场中向下运动时，由楞次定律知，流过电阻R电流方向为b→a，选项A错误；金属棒速度为v时，金属棒中感应电动势E=BLv，感应电流I=E/(R+r)，所受安培力大小为F=BIL= ，选项B正确；当安培力F=mg时，金属棒下落速度最大，金属棒最大速度为v= ，选项C错误；金属棒以稳定速度下滑时，电阻R和r总热功率为P=mgv=(R+r),电阻R热功率为R，选项D正确.答案：BD14/46关键点研析突破2.(·天津卷)如图所表示，“凸”字形硬质金属线框质量为m，相邻各边相互垂直，且处于同一竖直平面内，ab边长为l，cd边长为2l，ab与cd平行，间距为2l.匀强磁场区域上下边界均水平，磁场方向垂直于线框所在平面.开始时,cd边到磁场上边界距离为2l，线框由静止释放，从cd边进入磁场直到ef、pq边进入磁场前，线框做匀速运动.在ef、pq边离开磁场后，ab边离开磁场之前，线框又做匀速运动.线框完全穿过磁场过程中产生热量为Q.线框在下落过程中一直处于原竖直平面内，且ab、cd边保持水平，重力加速度为g.求：(1)线框ab边将离开磁场时做匀速运动速度大小是cd边刚进入磁场时几倍；(2)磁场上下边界间距离H.15/46关键点研析突破解析：(1)设磁场磁感应强度大小为B，cd边刚进入磁场时，线框做匀速运动速度为v1，cd边上感应电动势为E1，由法拉第电磁感应定律，有E1=2Blv1①设线框总电阻为R，此时线框中电流为I1，由闭合电路欧姆定律，有I1=E1/R②设此时线框所受安培力为F1，有F1=2I1lB③因为线框做匀速运动，其受力平衡，有mg=F1④由①②③④式得v1= ⑤设ab边离开磁场之前，线框做匀速运动速度为v2，同理可得v2= ⑥由⑤⑥式得v2=4v1⑦16/46关键点研析突破(2)线框自释放直到cd边进入磁场前，由机械能守恒定律，有2mgl=1/2mv12⑧线框完全穿过磁场过程中，由能量守恒定律，有mg(2l+H)=1/2mv22-1/2mv12+Q⑨由⑦⑧⑨式得H=Q/(mg)+28l⑩答案：(1)4(2)Q/(mg)+28l17/46关键点研析突破关键点二18/46关键点研析突破19/46关键点研析突破20/46关键点研析突破21/46关键点研析突破3.(·西安三校联合模考)在同一水平面中光滑平行导轨P、Q相距l＝1m，导轨左端接有如图所表示电路.其中水平放置两平行板电容器两极板M、N间距d＝10mm，定值电阻R1＝R2＝12Ω，R3＝2Ω，金属棒ab电阻r＝2Ω，其它电阻不计，磁感应强度B＝0.5T匀强磁场竖直穿过导轨平面，当金属棒ab沿导轨向右匀速运动时，悬浮于电容器两极板之间，质量m＝1×10-14kg，电荷量q＝-1×10-14C微粒恰好静止不动.已知g＝10m/s2，在整个运动过程中金属棒与导轨接触良好，且运动速度保持恒定.试求：(1)匀强磁场方向；(2)ab两端电压；(3)金属棒ab运动速度.22/46解析：(1)微粒受到重力和电场力而静止，因重力竖直向下，则电场力竖直向上，故M板带正电.ab棒向右切割磁感线产生感应电动势，ab棒等效于电源，其a端为电源正极，等效电路如图所表示：由右手定则可判断，匀强磁场方向竖直向下.(2)微粒受到重力和电场力而静止，则有R3两端电压与电容器两端电压相等，由欧姆定律得经过R3电流I=UMN/R3=0.05Aab棒两端电压为23/46(3)由法拉第电磁感应定律得感应电动势E=Blv，由闭合电路欧姆定律得E=Uab+Ir=0.5V,联立可得v=E/(Bl)=1m/s.答案：(1)竖直向下(2)0.4V(3)1m/s24/46关键点研析突破4.(·海口一中阶段性教学检测)如图所表示，有一宽L＝0.4m矩形金属框架水平放置，框架两端各接一个阻值R0＝2Ω电阻，框架其它部分电阻不计，框架足够长.垂直金属框平面有一竖直向下匀强磁场，磁感应强度B＝1.0T.金属杆ab质量m＝0.1kg，电阻r＝1.0Ω，杆与框架接触良好，且与框架间摩擦力不计.当杆受一水平恒定拉力F作用，由静止开始运动，经一段时间后电流表示数稳定在0.6A.已知在金属杆加速过程中每个电阻R0产生热量Q0＝0.2J.求：(1)电路中产生最大感应电动势；(2)水平拉力F大小；(3)在加速过程中金属杆位移大小.25/46关键点研析突破解析：(1)杆ab切割磁感线时，等效电路图如图所表示杆加速过程感应电动势一直在增加，当稳定时最大，I=0.6A,I总=2I=1.2AR外=R0/2=1Ω依据闭合电路欧姆定律：Em=I总(R外+r)=1.2×(1+1)V=2.4V(2)电流表示数稳定时，ab杆匀速运动有F=F安依据安培力公式F安=BI总L所以F=1.0×1.2×0.4N=0.48N．26/46(3)最大速度vm=Em/BL=2.4/(1.0×0.4)m/s=6m/s安培力做功W安=-Q=-(2Q0+Qr)因为所以Qr＝2Q0,所以W安=-0.8J依据动能定理：WF+W安=1/2mvm2-0所以WF=12×0.1×62+0.8J=2.6J又因为WF=Fx所以x=WF/F=2.60.48m≈5.4m答案：(1)2.4V(2)0.48N(3)5.4m27/46关键点研析突破关键点三28/46关键点研析突破29/46关键点研析突破30/46关键点研析突破5.(·湖南四校元月联考)如图甲所表示，在竖直平面内有四条间距相等水平虚线L1、L2、L3、L4，在L1与L2、L3与L4之间均存在着匀强磁场，磁感应强度大小为1T，方向垂直于竖直平面向里.现有一矩形线圈abcd，宽度cd＝L＝0.5m，质量为0.1kg，电阻为2Ω，将其从图示位置(cd边与L1重合)由静止释放，速度随时间改变图象如图乙所表示，t1时刻cd边与L2重合，t2时刻ab边与L3重合，t3时刻ab边与L4重合，t2～t3之间图线为与t轴平行直线，t1～t2之间和t3之后图线均为倾斜直线，已知t1～t2时间间隔为0.6s，整个运动过程中线圈一直位于竖直平面内.(重力加速度g取10m/s2)则()31/46关键点研析突破A.在0～t1时间内，经过线圈电荷量为2.5CB.线圈匀速运动速度为8m/sC.线圈长度ad＝1mD.0～t3时间内，线圈产生热量为4.2J解析：t2～t3时间内，线圈做匀速直线运动，而E＝BLv2，F＝BELR，F＝mg，解得v2＝ ＝8m/s，选项B正确;线圈在cd边与L2重合到ab边与L3重合过程中一直做匀加速运动，则ab边刚进磁场时，cd边也刚进磁场，设磁场宽度为d，则3d＝v2t-1/2gt2，解得d＝1m，则ad边长度为2m，选项C错误;在0～t3时间内，由能量守恒定律，有Q＝5mgd-1/2mv22＝1.8J，选项D错误;在0～t1时间内，经过线圈电荷量q＝ΔΦ/R＝(BLd)/R＝0.25C，选项A错误.答案：B32/46关键点研析突破6.如图甲所表示，光滑导轨水平放置在与水平方向夹角为60°斜向下匀强磁场中，匀强磁场磁感应强度B随时间t改变规律如图乙所表示(要求斜向下为正方向)，导体棒ab垂直导轨放置，除电阻R阻值外，其余电阻不计，导体棒ab在水平外力F作用下一直处于静止状态.要求a→b方向为电流正方向，水平向右方向为外办F正方向，则在0~t1时间内，选项图中能正确反应流过导体棒ab电流i和导体棒ab所受水平外力F随时间t改变图象是()33/46关键点研析突破解析:闭合回路面积不变，只有磁感应强度改变，由图乙可知，在0~t1时间内，Bt图象斜率不变，故产生感应电动势恒定，感应电流方向不变，依据楞次定律可判断出，感应电流方向一直是由b→a，即一直取负值，A、B两项错误.因导体棒ab在水平外力F作用下一直处于静止状态，所以水平外力F与安培力F安沿水平方向分力等大、反向，又因F安=BIL∝B，依据左手定则可知，在0~t0时间内，F安水平分力向右，在t0~t1时间内，F安水平分力向左，故在0~t0时间内，水平外力F向左，在t0~t1时间内，水平外力F向右，C项错误，D项正确.答案：D34/46速效提升训练35/4636/46速效提升训练37/46速效提升训练2.(·长春市学业水平测试)如图甲所表示，在0≤x≤2L区域内存在着匀强磁场，磁场方向垂直于xOy坐标系平面(纸面)向里.含有一定电阻矩形线框obcd位于xOy坐标系平面内，线框ab边与y轴重合，bc边长为L,设线框从t＝0时刻起在外力作用下由静止开始沿x轴正方向做匀加速运动，则线框中感应电流i(取逆时针方向电流为正)随时间t改变函数图像可能是图乙中()乙38/46速效提升训练乙解析：因为v=at，则e=BLv=BLat,i＝e/R=(Blat)/R，故i先随时间增加．线框全部进入磁场后，i=0.出磁场时，电流方向相反，电流更大，且与时间呈线性关系，故D项正确．答案：D39/46速效提升训练40/46速效提升训练41/46速效提升训练4.(多项选择)(·上海卷)如图所表示，光滑平行金属导轨固定在水平面上，左端由导线相连，导体棒垂直静置于导轨上组成回路.在外力F作用下，回路上方条形磁铁竖直向上做匀速运动.在匀速运动过程中外力F做功WF，磁场力