微专题7　电磁感应中的电路问题

微专题7电磁感应中的电路问题定位·学习目标通过对电磁感应中的电路问题的分析,学会解决电磁感应现象中电路问题及电荷量问题的基本方法和解题思路,培养科学思维核心素养。要点归纳1.处理电磁感应中的电路问题的一般方法(1)明确哪部分电路或导体产生感应电动势,该部分电路或导体就相当于电源,其他部分是外电路。(2)画等效电路图,分清内、外电路。(3)用法拉第电磁感应定律E=nΔΦ(4)运用闭合电路欧姆定律、串并联电路特点、电功率等公式联立求解。2.电磁感应中的电荷量问题闭合回路中磁通量发生变化时,电荷发生定向移动而形成感应电流,在Δt时间内通过某一横截面的电荷量(感应电荷量)q=IΔt=ER总Δt=nΔΦΔt·(1)由上式可知,线圈匝数一定时,通过某一横截面的感应电荷量仅由回路总电阻和磁通量的变化量决定,与时间无关。(2)求解闭合回路中通过的电荷量时,I、E均为平均值。题型一电磁感应中的电路问题典例研习[例1](变化磁场的电路问题)如图甲所示电路,定值电阻R0、小灯泡L与金属圆线圈连成闭合回路,在金属圆线圈区域内存在匀强磁场,t=0时刻,磁感应强度方向垂直于线圈所在平面向里,磁感应强度B随时间t的变化关系如图乙所示。已知线圈匝数N=100匝、半径r=10cm、总电阻R=2Ω,定值电阻R0=3Ω,小灯泡电阻RL=6Ω且阻值不随温度变化。取π=3。求:(1)线圈中产生的感应电动势和感应电流的大小;(2)0～2s内流过小灯泡的电流方向和小灯泡消耗的电能。解析:(1)根据法拉第电磁感应定律得E=Nπr2·|ΔB定值电阻与小灯泡并联,并联电阻R并=RL线圈中产生的感应电流I=ER(2)根据楞次定律,0～2s内线圈中感应磁场垂直于纸面向里,感应电流为顺时针方向,小灯泡中的电流方向为b→a,小灯泡两端电压UL=R并0～2s内小灯泡消耗的电能E电=W电=UL答案:(1)6V1.5A(2)方向为b→a3J[例2](导体棒水平切割磁感线的电路问题)如图所示,匀强磁场的磁感应强度B=0.1T,金属棒AD长0.4m,与框架宽度相同,电阻为R=13Ω,框架电阻不计,电阻R1=2Ω,R2(1)流过金属棒的感应电流的大小;(2)R1和R2消耗的功率之比。解析:(1)金属棒AD产生的电动势为E=BLv=0.1×0.4×5V=0.2V,外电阻为R′=R1R2R1流过金属棒的感应电流为I=ER+R(2)R1和R2消耗的功率之比为P1P2=U2R答案:(1)0.2A(2)1∶2[例3](导体棒转动切割磁感线的电路问题)为了提高自行车夜间行驶的安全性,某同学设计了一种“闪烁”装置。如图所示,自行车后轮由半径r1=0.1m的金属内圈、半径r2=0.4m的金属外圈和绝缘辐条构成,后轮的内、外圈之间等间隔地接有6根金属条,每根金属条的中间均串联一阻值R=2Ω的小灯泡(可视为定值电阻)。在支架上装有磁体,形成了磁感应强度大小B=4πT、方向垂直于纸面向外、张角θ=π(1)当金属条ab进入“扇形”磁场时,求感应电动势E,并判断ab上的电流方向;(2)当金属条ab进入“扇形”磁场时,画出“闪烁”装置的电路图,并求出内、外圈的电势差Uab。解析:(1)金属条ab在磁场中切割磁感线运动,所构成的回路磁通量变化,设经过时间Δt,磁通量变化量为ΔΦ,由法拉第电磁感应定律得E=ΔΦ磁通量的变化量为ΔΦ=BΔS=B(12r2代入数据得E=12Bω(r22根据右手定则可知感应电流方向为b→a。(2)等效电路如图,由图可知电路总电阻为R总=R5内、外圈的电势差Uab=ER总·答案:(1)1.2V方向为b→a(2)图见解析0.2V分析电磁感应中的电路问题的一般思路题型二电磁感应中的电荷量问题典例研习[例4](电荷量的求解)如图甲所示,一个圆形线圈的匝数n=100匝,线圈面积S=200cm2,线圈的电阻r=1Ω,线圈外接一个阻值R=4Ω的电阻,把线圈放入一方向垂直于线圈平面向里的匀强磁场中,磁感应强度随时间变化规律如图乙所示。求:(1)线圈中的感应电流的大小和方向;(2)电阻R两端的电压;(3)前4s内通过R的电荷量。解析:(1)依题意,由法拉第电磁感应定律有E1=nΔΦΔ=100×0.4=0.1V,线圈中的感应电流为I1=E1R+由楞次定律和安培定则知感应电流方向沿逆时针方向。(2)R两端的电压为U1=I1R=0.02×4V=0.08V。(3)前4s内通过R的电荷量为q=IΔt=EΔtR+=100×0.=8×10-2C。答案:(1)0.02A方向沿逆时针方向(2)0.08V(3)8×10-2C[例5](已知电荷量求解其他物理量)如图所示,两根足够长的光滑金属导轨MN、PQ平行放置,导轨平面与水平面成θ=37°角,间距L=0.5m,导轨M、P两端接有阻值R=5Ω的电阻,质量m=0.2kg的金属棒ab垂直于导轨放置,金属棒ab和导轨电阻均不计。整个装置放在磁感应强度B=2.0T的匀强磁场中,磁场方向垂直于导轨平面向上。金属棒ab由静止开始沿导轨下滑到刚开始匀速运动时,通过电阻R上的电荷量q=2C。求:(取sin37°=0.6,cos37°=0.8,重力加速度g取10m/s2)(1)金属棒ab匀速运动时的速度v的大小;(2)金属棒ab从静止滑到刚开始匀速运动时产生的焦耳热Q。解析:(1)金属棒匀速运动时,有mgsinθ=BIL,其中I=ER=BLv联立解得v=6m/s。(2)设金属棒开始匀速运动时已沿导轨下滑的距离为x,电荷量的计算公式q=IΔt,其中I=ER=ΔΦR解得x=qRBL由能量守恒定律有mgsinθ·x=12mv2解得Q=8.4J。答案:(1)6m/s(2)8.4J1.如图所示,足够长平行金属导轨倾斜放置,倾角为37°,宽度为0.5m,电阻忽略不计,其上端接一小灯泡,电阻为1Ω。一导体棒MN垂直于导轨放置,质量为0.2kg,接入电路的电阻为1Ω,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0.8T。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10m/s2,取sin37°=0.6,cos37°=0.8)(B)A.2.5m/s,1W B.5m/s,1WC.7.5m/s,9W D.15m/s,9W解析:设灯泡电阻为R,导体棒接入电路中的电阻为r,当灯泡稳定发光后,导体棒做匀速运动,根据平衡条件有mgsinθ-μmgcosθ=BIL=B2l2vR+r2.(多选)圆盘发电机的结构示意图如图甲所示,可等效为图乙所示圆盘中任意一个半径CD都在切割磁感线,在C、D之间接上电阻R,已知圆盘匀速转动的角速度为ω,CD的长度为L,每条半径对应的电阻都为r,匀强磁场的磁感应强度为B。下列说法正确的是(CD)A.C点电势比D点高B.电阻R两端的电压为12BL2C.流过电阻R的电流为BD.相等时间内,电阻R产生的热量与圆盘产生的热量之比为R解析:由右手定则可知,电流由C流向D,则C点电势比D点低,故A错误;回路中的感应电动势为E=BL·0+ωL2=12BL2ω,流过电阻R的电流为I=ER+r=BL2ω2(3.(多选)如图所示,两竖直放置的平行金属导轨之间有矩形匀强磁场区域,矩形磁场区域的高度为d,导体棒ab和cd跨接在两导轨上,可沿导轨无摩擦滑动且接触良好,并能始终保持与两导轨垂直,两导体棒有电阻,两导轨电阻不计。现将ab和cd同时由静止释放,若ab棒通过磁场的时间与进磁场之前的运动时间相等,且ab棒出磁场时,cd棒刚好进磁场,ab和cd均匀速穿过磁场区域。下列说法正确的是(AD)A.ab释放处到磁场上边界的距离为dB.刚释放时,ab和cd之间的距离为dC.ab和cd的质量相等D.两导体棒穿过磁场过程中,流过ab棒的电荷量相等解析:设导体棒ab从距磁场区域上边界H处由静止释放,导体棒ab做自由落体运动,设导体棒ab进入磁场时的速度为v,则有H=12gt2=v2t,ab棒通过磁场的时间与进磁场之前的运动时间相等,当导体棒在磁场中运动时,有d=vt,联立可得H=d2,故A正确;由于ab棒出磁场时,cd棒刚好进磁场,对cd棒,做自由落体运动的时间为2t,则有h=12g(2t)2=4×12gt2=4×d2=2d,所以刚释放时,ab和cd之间的距离为l=h-H=3d2,故B错误;两导体棒进入磁场均做匀速直线运动,说明导体棒所受重力与安培力平衡,即mg=BIL=4.水平放置的两根平行金属导轨ad和bc,相距L=0.5m,导轨两端a、b和c、d两点分别连接电阻R1和R2,组成矩形闭合回路,如图所示,放在竖直向下的匀强磁场中,磁感应强度为B=2T,一根接入电路电阻值为2Ω的导体棒PQ在外力作用下以4m/s的速度向右匀速运动,电阻R1=3Ω,R2=6Ω,导轨ad和bc的电阻不计,导体棒与导轨接触良好。求:(1)导体棒PQ两端的电势差;(2)电阻R1上的电流大小和方向。解析:(1)根据法拉第电磁感应定律有E=BLv=2×0.5×4V=4V,外电阻R外=R1R2导体棒PQ两端的电势差U=R外r+R(2)电阻R1上的电流大小I=UR1=根据右手定则判定电流方向为由a到b。答案:(1)2V(2)23课时作业基础巩固练考点一电磁感应中的电路问题1.(多选)如图所示,匝数为n的线圈,电阻为r,横截面积为S,处于一个随时间均匀增强的磁场中,磁感应强度的变化率为k,磁场方向水平向右且与线圈平面垂直,电容器的电容为C,两个电阻的阻值均为R。下列说法正确的是(BC)A.通过线圈的电流为knSB.从左向右看线圈中的电流方向为逆时针方向C.电容器所带的电荷量为knSRCD.电容器上极板带负电解析:线圈中产生的感应电动势E=nkS,通过线圈的电流为I=knSr+R2.如图所示,粗细均匀、电阻为2r的金属圆环,放在图示的匀强磁场中,磁场的磁感应强度为B,圆环直径为l;长为l、电阻为r2的金属棒ab放在圆环上,且与圆环接触良好,当金属棒以速度v0A.Blv0 B.12Blv0 C.13Blv0 D.2解析:切割磁感线的金属棒相当于电源,其电阻相当于电源内阻,当运动到题图中虚线位置时,两个半圆金属环相当于并联,等效电路图如图所示。则R外=R并=r2,I=ER外+r2=Blv0r。金属棒两端的电势差等于路端电压,则Uba=IR外考点二电磁感应中的电荷量问题3.如图所示,虚线MN左侧有面积足够大的、磁感应强度为B的匀强磁场,磁场方向垂直于纸面向里,MN右侧为真空区域。使边长为L的正方形单匝导线框绕其顶点a,在纸面内顺时针转动,线框电阻为R。经时间t匀速转到图中虚线位置,则(C)A.导线框abcd中感应电流方向为逆时针方向B.该过程中流过线框任意横截面的电荷量为BC.平均感应电动势为BD.t时刻的感应电动势为2解析:由题意可知,通过线框的磁通量减少,根据楞次定律可知,导线框中的电流方向为顺时针方向,故A错误;导线框在磁场中运动时磁通量的变化量为ΔΦ=BL22-BL2,线框中的平均感应电动势为E=|ΔΦ|Δt=BL22t,线框中平均感应电流为I=ER4.如图所示,足够长的U形光滑金属导轨平面与水平面成θ角,其中MN与PQ平行且间距为L,导轨平面与磁感应强度为B的匀强磁场垂直,导轨电阻不计。金属棒ab由静止开始沿导轨下滑,并与两导轨始终保持垂直且接触良好,ab棒接入电路的电阻为R,经过足够长的时间,当流过ab棒某一横截面的电荷量为q时,棒的速度为v,则ab棒在这一过程中(C)A.受到的最大安培力大小为B2B.运动的平均速度大小为12C.下滑的位移大小为qRD.产生的焦耳热为qBLv解析:金属棒ab开始做加速运动,速度增大,感应电动势增大,所以感应电流也增大,导致金属棒受到的安培力增大,所以加速度减小,即金属棒做加速度逐渐减小的变加速运动,不是匀变速直线运动,则运动的平均速度大小v≠0+v2=v2,故B错误;当速度为v时,感应电动势为E=BLv,电路电流为I=ER,则这一过程金属棒ab受到的最大安培力大小为Fm=BIL=B2L2vR,故A错误;根据q=IΔt=ERΔt=ΔΦΔt5.如图甲所示,电阻为5Ω、匝数为100匝的线圈(图中只画了2匝)两端A、B与电阻R相连,R=95Ω。线圈内有方向垂直于纸面向里的匀强磁场,线圈中的磁通量按图乙所示规律变化。则(C)A.A点的电势低于B点的电势B.在线圈中感应电流沿顺时针方向C.0.1s内通过电阻R的电荷量为0.05CD.0.1s内非静电力所做的功为5.5J解析:线圈中的磁通量向里增加,根据楞次定律可知,线圈中的感应电流为逆时针方向,则A点的电势高于B点的电势,故A、B错误;线圈中产生的感应电动势为E=nΔΦΔt=100×0.15-0.100.1V=50V,回路中的感应电流为I=E6.(多选)如图所示,垂直于纸面向外的正方形匀强磁场区域内,有一位于纸面内、电阻均匀的正方形导体框abcd,现将导体框分别向两个方向以v、4v的速度匀速拉出磁场,则导体框从两个方向移出磁场的过程中(BD)A.导体框ad边两端电势差相同B.通过导体框横截面的电荷量相同C.导体框中产生的焦耳热相同D.导体框中产生的感应电流方向相同解析:设导体框的边长为L,以v的速度向上匀速拉出磁场时,由法拉第电磁感应定律和闭合电路欧姆定律可得,导体框ad边两端电势差为U1=14E1=14BLv,以4v的速度向右匀速拉出磁场时,导体框ad边两端电势差为U2=34E2=34BL·4v=3BLv,A错误;通过导体框横截面的电荷量为q=It,由闭合电路欧姆定律可得I=ER,由法拉第电磁感应定律可得E=ΔΦΔt,ΔΦ=BL2,解得q=能力提升练7.(多选)如图所示,固定在同一水平面内的两平行长直金属导轨,间距为1m,其左端用导线接有两个阻值为4Ω的电阻,整个装置处在竖直向上、磁感应强度大小为2T的匀强磁场中。一质量为2kg的导体杆MN垂直于导轨放置,已知杆接入电路的电阻为2Ω,杆与导轨之间的动摩擦因数为0.5。对杆施加水平向右、大小为20N的拉力,杆从静止开始沿导轨运动,杆与导轨始终保持良好接触,导轨电阻不计,重力加速度g取10m/s2。则(BCD)A.M点的电势高于N点B.杆运动的最大速度大小是10m/sC.杆上产生的焦耳热与两电阻产生焦耳热的和相等D.当杆达到最大速度时,M、N两点间的电势差大小为10V解析:根据右手定则知,杆中电流方向为M→N,则N点的电势高于M点,故A错误;设杆运动的最大速度是v,此时杆做匀速运动,受到的安培力大小为FA=ILB,I=ER2+r,E=BLv,得FA=B2L2vR2+r,其中R=4Ω,r=2Ω,根据平衡条件有F=FA+μmg,联立解得v=10m/s,故B正确;两电阻并联阻值R并=R2=r,杆中电流与两电阻的总电流相等,由Q=I8.(多选)如图所示,光滑水平面上的正方形导线框,以某一初速度进入竖直向下的匀强磁场并最终完全穿出。线框的边长小于磁场宽度。下列说法正确的是(AC)A.线框出磁场的过程中电流方向为顺时针方向B.线框进磁场和出磁场的两过程中均做匀减速直线运动C.线框进磁场和出磁场的两过程中通过导线横截面的电荷量相等D.线框进磁场和出磁场的两过程中所用时间相等解析:线框出磁场的过程中,由右手定则知电流方向为顺时针方向,故A正确;线框进、出磁场的过程中,有E=Blv,I=ER,FA=BIL=ma,联立有FA=B2L2vR=ma,线框进、出磁场过程中,由左手定则可知线框受到的安培力向左,则v减小,线框做加速度减小的减速运动,故B错误;线框在进磁场和出磁场的两过程中通过导线横截面的电荷量q=It,其中I=ER,9.如图甲所示,两根平行的光滑金属导轨上端与阻值为R的电阻相连,导轨平面与水平面夹角为θ,导轨间距为L。水平的虚线所夹区域存在两个垂直于导轨平面向上的有界匀强磁场Ⅰ和Ⅱ,其中磁场Ⅰ磁感应强度大小为B,磁场Ⅱ磁感应强度B′大小未知。一根水平放置的导体棒从图示位置由静止释放,经时间t进入磁场Ⅰ。以磁场Ⅰ的上边界为坐标原点,沿导轨建立x轴,导体棒在磁场中运动时电阻R的功率P与导体棒的位置坐标x的关系如图乙所示。导轨和导体棒的电阻不计,重力加速度为g。求:(1)棒进入磁场Ⅰ时受到的安培力方向及速度v0的大小;(2)磁场Ⅱ磁感应强度B′的大小。解析:(1)棒进入磁场Ⅰ时受到的安培力应阻碍棒相对于导轨向下运动,则棒进入磁场Ⅰ时受到的安培力方向平行于导轨平面向上;设棒进入磁场Ⅰ时,电路电流为I0,根据题图乙可知P0=I0解得I0=P0棒进入磁场Ⅰ时产生的感应电动势为E=BLv0,根据闭合电路欧姆定律可得E=I0R,联立解得v0=P0(2)根据题图乙可知,0～x1内,电阻R的功率保持不变,则回路电流保持不变,回路电动势保持不变,棒进入磁场Ⅰ时产生的感应电动势保持不变,故导体棒在磁场Ⅰ中向下以v0做匀速直线运动。根据题图乙可知,棒刚进入磁场Ⅱ时,电阻的功率为2P0,设此时电流为