2019屆高考物理二輪復(fù)習(xí) 專題8 電磁感應(yīng)及綜合應(yīng)用 交變電流學(xué)案
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1、8電磁感應(yīng)及綜合應(yīng)用 交變電流 電磁感應(yīng)命題頻率較高,大部分以選擇題的形式出題,也有部分是計(jì)算題,多以中檔以上難度的題目來增加試卷的區(qū)分度,考查較多的知識(shí)點(diǎn)有:感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件、方向判定和導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算,同時(shí)也會(huì)與力學(xué)、磁場(chǎng)、能量等知識(shí)綜合考查及圖象問題的考查。命題趨勢(shì)集中在以下三個(gè)方面:楞次定律、右手定則、左手定則的應(yīng)用;與圖象結(jié)合考查電磁感應(yīng)現(xiàn)象;通過“桿+導(dǎo)軌”模型,“線圈穿過有界磁場(chǎng)”模型,考查電磁感應(yīng)與力學(xué)、電路、能量等知識(shí)的綜合應(yīng)用。 高頻考點(diǎn):電磁感應(yīng)圖象;電磁感應(yīng)中的電路問題;理想變壓器。 1.法拉第電磁感應(yīng)定律:電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小跟穿過
2、這一電路的磁通量變化率成正比,這就是法拉第電磁感應(yīng)定律。 內(nèi)容:電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小,跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比。 發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的這部分電路就相當(dāng)于電源,在電源的內(nèi)部電流的方向是從低電勢(shì)流向高電勢(shì)。(即:由負(fù)到正) 2.[感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小計(jì)算公式] 1) E=BLV (垂直平動(dòng)切割) 2)…=?(普適公式)ε∝(法拉第電磁感應(yīng)定律) 3) E= nBSωsin(ωt+Φ);Em=nBSω(線圈轉(zhuǎn)動(dòng)切割) 4)E=BL2ω/2 (直導(dǎo)體繞一端轉(zhuǎn)動(dòng)切割) 5)*自感E自=nΔ
3、Φ/Δt==L( 自感 ) 3.楞次定律:感應(yīng)電流具有這樣的方向,即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量變化,這就是楞次定律。 內(nèi)容:感應(yīng)電流具有這樣的方向,就是感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。 B感和I感的方向判定:楞次定律(右手) 深刻理解“阻礙”兩字的含義(I感的B是阻礙產(chǎn)生I感的原因) B原方向?;B原?變化(原方向是增還是減);I感方向?才能阻礙變化;再由I感方向確定B感方向。 4.交變電流 交變電流(1)中性面線圈平面與磁感線垂直的位置,或瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零的位置。 中性面的特點(diǎn):a.線圈處于中性面位置時(shí),穿過線圈的磁通量Φ最大,但=0;
4、 產(chǎn)生:矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞與磁場(chǎng)垂直的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。 變化規(guī)律e=NBSωsinωt=Emsinωt;i=Imsinωt;(中性面位置開始計(jì)時(shí)),最大值Em=NBSω 四值:①瞬時(shí)值②最大值③有效值電流的熱效應(yīng)規(guī)定的;對(duì)于正弦式交流U==0.707Um④平均值 不對(duì)稱方波:不對(duì)稱的正弦波 求某段時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)線橫截面的電荷量Q=IΔt=εΔt/R=ΔΦ/R 我國用的交變電流,周期是0.02s,頻率是50Hz,電流方向每秒改變100次。 瞬時(shí)表達(dá)式:e=e=220sin100πt=311sin100πt=311sin314t 線圈作用是“通直流,阻交流;通低頻,阻高頻”. 電容的
5、作用是“通交流、隔直流;通高頻、阻低頻”. 變壓器兩個(gè)基本公式:①②P入=P出,輸入功率由輸出功率決定, 遠(yuǎn)距離輸電:一定要畫出遠(yuǎn)距離輸電的示意圖來,包括發(fā)電機(jī)、兩臺(tái)變壓器、輸電線等效電阻和負(fù)載電阻。并按照規(guī)范在圖中標(biāo)出相應(yīng)的物理量符號(hào)。一般設(shè)兩個(gè)變壓器的初、次級(jí)線圈的匝數(shù)分別為、n1、n1/ n2、n2/,相應(yīng)的電壓、電流、功率也應(yīng)該采用相應(yīng)的符號(hào)來表示。 功率之間的關(guān)系是:P1=P1/,P2=P2/,P1/=Pr=P2。 電壓之間的關(guān)系是:。 電流之間的關(guān)系是:.求輸電線上的電流往往是這類問題的突破口。 輸電線上的功率損失和電壓損失也是需要特別注意的。 分析和計(jì)算時(shí)都必須用,
6、而不能用。 特別重要的是要會(huì)分析輸電線上的功率損失。 1.【浙江省2017普通高校招生選考科目考試物理試題】間距為l的兩平行金屬導(dǎo)軌由水平部分和傾斜部分平滑連接而成,如圖所示,傾角為θ的導(dǎo)軌處于大小為B1,方向垂直導(dǎo)軌平面向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)間Ⅰ中,水平導(dǎo)軌上的無磁場(chǎng)區(qū)間靜止放置一質(zhì)量為3m的“聯(lián)動(dòng)雙桿”(由兩根長為l的金屬桿,cd和ef,用長度為L的剛性絕緣桿連接而成),在“聯(lián)動(dòng)雙桿”右側(cè)存在大小為B2,方向垂直導(dǎo)軌平面向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)間Ⅱ,其長度大于L,質(zhì)量為m,長為l的金屬桿ab,從傾斜導(dǎo)軌上端釋放,達(dá)到勻速后進(jìn)入水平導(dǎo)軌(無能量損失),桿cd與“聯(lián)動(dòng)雙桿”發(fā)生碰撞后
7、桿ab和cd合在一起形成“聯(lián)動(dòng)三桿”,“聯(lián)動(dòng)三桿”繼續(xù)沿水平導(dǎo)軌進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)間Ⅱ并從中滑出,運(yùn)動(dòng)過程中,桿ab、cd和ef與導(dǎo)軌始終接觸良好,且保持與導(dǎo)軌垂直。已知桿ab、cd和ef電阻均為R=0.02Ω,m=0.1kg,l=0.5m,L=0.3m,θ=300,B1=0.1T,B2=0.2T。不計(jì)摩擦阻力和導(dǎo)軌電阻,忽略磁場(chǎng)邊界效應(yīng)。求: (1)桿ab在傾斜導(dǎo)軌上勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度大小v0; (2)聯(lián)動(dòng)三桿進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)間II前的速度大小v; (3)聯(lián)動(dòng)三桿滑過磁場(chǎng)區(qū)間II產(chǎn)生的焦耳熱Q 1.【2018年全國普通高等學(xué)校招生統(tǒng)
8、一考試物理(江蘇卷)】如圖所示,兩條平行的光滑金屬導(dǎo)軌所在平面與水平面的夾角為θ,間距為d.導(dǎo)軌處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,方向與導(dǎo)軌平面垂直.質(zhì)量為m的金屬棒被固定在導(dǎo)軌上,距底端的距離為s,導(dǎo)軌與外接電源相連,使金屬棒通有電流.金屬棒被松開后,以加速度a沿導(dǎo)軌勻加速下滑,金屬棒中的電流始終保持恒定,重力加速度為g.求下滑到底端的過程中,金屬棒: (1)末速度的大小v; (2)通過的電流大小I; (3)通過的電荷量Q. 一、多選題 1.如圖,在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,有一面積為S的矩形單匝閉合導(dǎo)線abcd,ab邊與磁場(chǎng)方向垂直,線框的
9、電阻為R。使線框以恒定角速度ω繞過ad、bc中點(diǎn)的軸旋轉(zhuǎn)。下列說法正確的是( ) A.線框abcd中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值是BSω B.線框abcd中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值是BSω C.線框平面與磁場(chǎng)方向平行時(shí),流經(jīng)線框的電流最大 D.線框平面與磁場(chǎng)方向垂直時(shí),流經(jīng)線框的電流最大 2.如圖(a),在同一平面內(nèi)固定有一長直導(dǎo)線PQ和一導(dǎo)線框R,R在PQ的右側(cè)。導(dǎo)線PQ中通有正弦交流電i,i的變化如圖(b)所示,規(guī)定從Q到P為電流正方向。導(dǎo)線框R中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)( ) A.在t=T4時(shí)為零 B.在t=T2時(shí)改變方向 C.在t=T2時(shí)最大,且沿順時(shí)針方向 D.在t=T時(shí)最大,且沿順時(shí)針方
10、向 二、單選題 1.采用220 kV高壓向遠(yuǎn)方的城市輸電.當(dāng)輸送功率一定時(shí),為使輸電線上損耗的功率減小為原來的14,輸電電壓應(yīng)變?yōu)? ) A.55 kV B.110 kV C.440 kV D.880 kV 2.教學(xué)用發(fā)電機(jī)能夠產(chǎn)生正弦式交變電流。利用該發(fā)電機(jī)(內(nèi)阻可忽略)通過理想變壓器向定值電阻R供電,電路如圖所示,理想交流電流表A、理想交流電壓表V的讀數(shù)分別為I、U,R消耗的功率為P.若發(fā)電機(jī)線圈的轉(zhuǎn)速變?yōu)樵瓉淼?2,則( ) A.R消耗的功率變?yōu)?2P B.電壓表V的讀數(shù)變?yōu)?2U C.電流表A的讀數(shù)變?yōu)?I D.通過R的交變電流頻率不變
11、3.如圖,在同一平面內(nèi)有兩根平行長導(dǎo)軌,導(dǎo)軌間存在依次相鄰的矩形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域,區(qū)域?qū)挾染鶠閘,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向交替向上向下。一邊長為32l的正方形金屬線框在導(dǎo)軌上向左勻速運(yùn)動(dòng),線框中感應(yīng)電流i隨時(shí)間t變化的正確圖線可能是( ) A.B.C.D. 三、解答題 6.如圖所示,在豎直平面內(nèi)建立xOy坐標(biāo)系,在0≤x≤0.65m,y≤0.40m范圍內(nèi)存在一具有理想邊界、方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域。一邊長為L=0.10m、質(zhì)量m=0.02kg、電阻R=0.40Ω的勻質(zhì)正方形剛性導(dǎo)線框abcd處于圖示位置,其中心的坐標(biāo)為(0,0.65)?,F(xiàn)將線框以初速度v0=2m/s水平向右拋出,線框
12、在進(jìn)入磁場(chǎng)過程中速度保持不變,然后在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),最后從磁場(chǎng)右邊界離開磁場(chǎng)區(qū)域,完成運(yùn)動(dòng)全過程,線框在全過程中始終處于xOy平面內(nèi),其ab邊與x軸保持平行,空氣阻力不計(jì),求: (1)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大?。? (2)線框在全過程中產(chǎn)生的焦耳熱Q; (3)在全過程中,cb兩端得到電勢(shì)差Ucb與線框中心位置的x坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系。 7.如圖,兩光滑平行金屬導(dǎo)軌置于水平面(紙面)內(nèi),軌間距為l,左端連有阻值為R的電阻.一金屬桿置于導(dǎo)軌上,金屬桿右側(cè)存在一磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域.已知金屬桿以速度v0向右進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)域,做勻變速直
13、線運(yùn)動(dòng),到達(dá)磁場(chǎng)區(qū)域右邊界(圖中虛線位置)時(shí)速度恰好為零.金屬桿與導(dǎo)軌始終保持垂直且接觸良好.除左端所連電阻外,其他電阻忽略不計(jì).求金屬桿運(yùn)動(dòng)到磁場(chǎng)區(qū)域正中間時(shí)所受安培力的大小及此時(shí)電流的功率。 參考答案 1.【解析】沿著斜面正交分解,最大速度時(shí)重力分力與安培力平衡 (1)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=B1lv0 電流I=E1.5R 安培力F=B1Il 勻速運(yùn)動(dòng)條件mgsinθ=B12l2v01.5R 代入數(shù)據(jù)解得:v0=6m/s (2)由定量守恒定律mv0=4mv 解得:v=1.5m/s (3)進(jìn)入B2磁場(chǎng)區(qū)域,設(shè)速度變化大小
14、為Δv,根據(jù)動(dòng)量定理有 B2IlΔt=-4mΔv IΔt=q=Δ?1.5R=B2Ll1.5R 解得:Δv=-0.25m/s 出B2磁場(chǎng)后“聯(lián)動(dòng)三桿”的速度為 v'=v+2Δv=1.0m/s 根據(jù)能量守恒求得: Q=12×4m×v2-v'2=0.25J 【答案】(1) v0=6m/s (2) 1.5m/s (3)0.25J 1.【解析】(1)勻加速直線運(yùn)動(dòng)v2=2as解得v=2as (2)安培力F安=IdB金屬棒所受合力F=mgsinθ–F安 牛頓運(yùn)動(dòng)定律F=ma 解得I=m(gsinθ–a)dB (3)運(yùn)動(dòng)時(shí)間t=va電荷量Q=It 解得Q=2asm(gsinθ
15、-a)dBa 【答案】(1)2as;(2)m(gsinθ-a)dB;(3)2asm(gsinθ-a)dBa; 一、多選題 1.【解題思路】一個(gè)單匝線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn),當(dāng)從中性面開始計(jì)時(shí),產(chǎn)生的正弦式交變電流電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式為:e=Emsinθ.=Emsinωt。故感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值Em=BSω,有效值E=Em2,故A正確,B錯(cuò)誤。 當(dāng)θ=90o時(shí),即線框平面與磁場(chǎng)方向平行時(shí),電流最大故C正確,D錯(cuò)誤。 【答案】AD 2.【解題思路】由圖(b)可知,導(dǎo)線PQ中電流在t=T/4時(shí)達(dá)到最大值,變化率為零,導(dǎo)線框R中磁通量變化率為零,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,在t=T/4時(shí)導(dǎo)線框中
16、產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零,選項(xiàng)A正確;在t=T/2時(shí),導(dǎo)線PQ中電流圖象斜率方向不變,導(dǎo)致導(dǎo)線框R中磁通量變化率的正負(fù)不變,根據(jù)楞次定律,所以在t=T/2時(shí),導(dǎo)線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向不變,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;由于在t=T/2時(shí),導(dǎo)線PQ中電流圖象斜率最大,電流變化率最大,導(dǎo)致導(dǎo)線框R中磁通量變化率最大,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,在t=T/2時(shí)導(dǎo)線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大,由楞次定律可判斷出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向?yàn)轫槙r(shí)針方向,選項(xiàng)C正確;由楞次定律可判斷出在t=T時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。 【答案】AC 二、單選題 1.【解題思路】本意考查輸電線路的電能損失,意在考查考生的分析能力。當(dāng)輸
17、電功率P=UI,U為輸電電壓,I為輸電線路中的電流,輸電線路損失的功率為P損=I2R,R為輸電線路的電阻,即P損=PU2R。當(dāng)輸電功率一定時(shí),輸電線路損失的功率為原來的14,則輸電電壓為原來的2倍,即440V,故選項(xiàng)C正確。 【答案】C 2.【解題思路】根據(jù)公式Em=nBSω分析電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的交流電的最大值以及有效值、頻率的變化情況;根據(jù)n1n2=U1U2=I2I1判斷原副線圈中電流電壓的變化情況,根據(jù)副線圈中功率的變化判斷原線圈中功率的變化;根據(jù)ω=2πn可知轉(zhuǎn)速變?yōu)樵瓉淼?2,則角速度變?yōu)樵瓉淼?2,根據(jù)Em=nBSω可知電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的最大電動(dòng)勢(shì)為原來的12,根據(jù)U=Em2可知發(fā)電機(jī)的輸出
18、電壓有效值變?yōu)樵瓉淼?2,即原線圈的輸出電壓變?yōu)樵瓉淼?2,根據(jù)n1n2=U1U2可知副線圈的輸入電壓變?yōu)樵瓉淼?2,即電壓表示數(shù)變?yōu)樵瓉淼?2,根據(jù)P=U2R可知R消耗的電功率變?yōu)?4P,A錯(cuò)誤B正確;副線圈中的電流為I2=12UR,即變?yōu)樵瓉淼?2,根據(jù)n1n2=I2I1可知原線圈中的電流也變?yōu)樵瓉淼?2,C錯(cuò)誤;轉(zhuǎn)速減小為原來的12,則頻率變?yōu)樵瓉淼?2,D錯(cuò)誤。 【答案】B 3.【解題思路】試題分析:找到線框在移動(dòng)過程中誰切割磁感線,并根據(jù)右手定則判斷電流的方向,從而判斷整個(gè)回路中總電流的方向。要分過程處理本題。 第一過程從①移動(dòng)②的過程中左邊導(dǎo)體棒切割產(chǎn)生的電流方向是順時(shí)針,右
19、邊切割磁感線產(chǎn)生的電流方向也是順時(shí)針,兩根棒切割產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)方向相同所以E=2Blv,則電流為i=ER=2BlvR,電流恒定且方向?yàn)轫槙r(shí)針。 再從②移動(dòng)到③的過程中左右兩根棒切割磁感線產(chǎn)生的電流大小相等,方向相反,所以回路中電流表現(xiàn)為零,然后從③到④的過程中,左邊切割產(chǎn)生的電流方向逆時(shí)針,而右邊切割產(chǎn)生的電流方向也是逆時(shí)針,所以電流的大小為i=ER=2BlvR,方向是逆時(shí)針。 當(dāng)線框再向左運(yùn)動(dòng)時(shí),左邊切割產(chǎn)生的電流方向順時(shí)針,右邊切割產(chǎn)生的電流方向是逆時(shí)針,此時(shí)回路中電流表現(xiàn)為零,故線圈在運(yùn)動(dòng)過程中電流是周期性變化,故D正確。故選D。 【答案】D 三、解答題 6.【解析】(1)線框進(jìn)入
20、磁場(chǎng)的過程中速度不變,線框受力平衡:mg=BIl
感應(yīng)電流I=BlvyR
進(jìn)入時(shí)的y方向速度:vy=2m/s,
解得:B=2T
(2)動(dòng)量定理:-BlΔq=mv-mv0
解得Δq=Bl2R
全過程能量守恒:Q=mgl+12mv02-12mv2
解得Q=0.0375J
(3)進(jìn)入磁場(chǎng)前:x≤0.4m
Uab=0
進(jìn)入磁場(chǎng)過程:0.4m
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