高考物理創(chuàng)新方案 （人教） 電磁感應(yīng)規(guī)律的綜合應(yīng)用

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歡迎進(jìn)入物理課堂 電磁感應(yīng)規(guī)律的綜合應(yīng)用 一 電磁感應(yīng)中的電路問(wèn)題1 內(nèi)電路和外電路 1 切割磁感線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體或磁通量發(fā)生變化的線圈都相當(dāng)于 2 該部分導(dǎo)體的電阻或線圈的電阻相當(dāng)于電源的 其余部分是電路 電源 內(nèi)阻 外 二 電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的力學(xué)問(wèn)題1 基本方法 1 用法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律求的大小和方向 2 由閉合電路歐姆定律求回路中的 3 分析導(dǎo)體受力情況 包含安培力在內(nèi)的全面受力分析 4 根據(jù)平衡條件或牛頓第二定律列方程 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 電流 2 兩種狀態(tài)處理 1 導(dǎo)體處于平衡態(tài) 靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 處理方法 根據(jù)列式分析 2 導(dǎo)體處于非平衡態(tài) 加速度不為零 處理方法 根據(jù)定律進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析 或結(jié)合功能關(guān)系分析 平衡條件 牛頓第二 三 電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化問(wèn)題電磁感應(yīng)過(guò)程是能量轉(zhuǎn)化為的過(guò)程 這一過(guò)程同樣遵循能的轉(zhuǎn)化與守恒定律 其中外力克服安培力做功 把機(jī)械能或其他能量轉(zhuǎn)化成電能 感應(yīng)電流通過(guò)電阻做功又把電能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能 這一功能轉(zhuǎn)化途徑可表達(dá)為 其他形式 電能 四 電磁感應(yīng)圖象問(wèn)題 特別提醒 1 畫(huà)圖象時(shí)要注意圖象的初始條件及正方向規(guī)定 2 合理推導(dǎo)物理量的變化規(guī)律 標(biāo)注縱橫坐標(biāo) 特別是轉(zhuǎn)折點(diǎn)的坐標(biāo) 1 如圖9 3 1所示 兩根相距為l的平行直導(dǎo)軌ab cd b d間連有一固定電阻R 導(dǎo)軌電阻可忽略不計(jì) MN為放在ab和cd上的一導(dǎo)體桿 與ab垂直 其電阻也為R 整個(gè)裝置處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為B 磁場(chǎng)方向垂直于導(dǎo)軌所在平面 指向圖中紙面內(nèi) 現(xiàn)對(duì)MN施力使它沿導(dǎo)軌方向以速度v做勻速運(yùn)動(dòng) 令U表示MN兩端電壓的大小 則 答案 A 2 如圖9 3 2所示 ab和cd是位于水平面內(nèi)的平行金屬軌道 軌道間距為l 其電阻可忽略不計(jì) ac之間連接一阻值為R的電阻 ef為一垂直于ab和cd的金屬桿 它與ab和cd接觸良好并可沿軌道方向無(wú)摩擦地滑動(dòng) 其電阻可忽略 整個(gè)裝置處在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 磁場(chǎng)方向垂直于圖中紙面向里 磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 當(dāng)施外力使桿ef以速度v向右勻速運(yùn)動(dòng)時(shí) 桿ef所受的安培力為 答案 A 3 如圖9 3 3所示 固定在水平絕緣平面上足夠長(zhǎng)的金屬導(dǎo)軌不計(jì)電阻 但表面粗糙 導(dǎo)軌左端連接一個(gè)電阻R 質(zhì)量為m的金屬棒ab 電阻也不計(jì) 放在導(dǎo)軌上 并與導(dǎo)軌垂直 整個(gè)裝置放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 磁場(chǎng)方向與導(dǎo)軌平面垂直 用水平恒力F把a(bǔ)b棒從靜止起向右拉動(dòng)的過(guò)程中 A 恒力F做的功等于電路產(chǎn)生的電能B 恒力F和摩擦力的合力做的功等于電路中產(chǎn)生的電能C 克服安培力做的功大于電路中產(chǎn)生的電能D 恒力F和摩擦力的合力做的功等于電路中產(chǎn)生的電能和棒獲得的動(dòng)能之和 解析 在此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中做功的力有拉力 摩擦力和安培力 三力做功之和為棒ab動(dòng)能的增加量 其中安培力做功將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能 故選項(xiàng)D是正確 答案 D 4 如圖9 3 4所示 水平放置的導(dǎo)體框架 寬L 0 50m 接有電阻R 0 20 勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直框架平面向里 磁感應(yīng)強(qiáng)度B 0 40T 一導(dǎo)體棒ab垂直框邊跨放在框架上 并能無(wú)摩擦地在框架上滑動(dòng) 框架和導(dǎo)體棒ab的電阻均不計(jì) 當(dāng)ab以v 4 0m s的速度向右勻速滑動(dòng)時(shí) 求 1 ab棒中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小 2 維持導(dǎo)體棒ab做勻速運(yùn)動(dòng)的外力F的大小 答案 1 0 80V 2 0 80N 典例啟迪 例1 2011 黃山模擬 如圖9 3 5所示 在豎直方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 金屬框架ABCD固定在水平面內(nèi) AB與CD平行且足夠長(zhǎng) BC與CD夾角 90 光滑導(dǎo)體棒EF 垂直于CD 在外力作用下以垂直于自身的速度v向右勻速運(yùn)動(dòng) 框架中的BC部分與導(dǎo)體棒單位長(zhǎng)度的電阻均為R AB與CD的電阻不 計(jì) 導(dǎo)體棒在滑動(dòng)過(guò)程中始終保持與導(dǎo)軌良好接觸 經(jīng)過(guò)C點(diǎn)瞬間作為計(jì)時(shí)起點(diǎn) 下列關(guān)于電路中電流大小I與時(shí)間t 消耗的電功率P與導(dǎo)體棒水平移動(dòng)的距離x變化規(guī)律的圖象中正確的是 A B C D 圖9 3 6 思路點(diǎn)撥 解答本題時(shí)應(yīng)注意以下三個(gè)方面 1 導(dǎo)體棒在BC上運(yùn)動(dòng)時(shí)回路中的電阻值和切割磁感線的有效長(zhǎng)度均是變化的 2 推導(dǎo)I和P的表達(dá)式 再做出判斷 答案 C 歸納領(lǐng)悟 解決圖象問(wèn)題的一般步驟 1 明確圖象的種類 即是B t圖還是 t圖 或者E t圖 I t圖等 2 分析電磁感應(yīng)的具體過(guò)程 3 用右手定則或楞次定律確定方向?qū)?yīng)關(guān)系 4 結(jié)合法拉第電磁感應(yīng)定律 歐姆定律 牛頓定律等規(guī)律寫(xiě)出函數(shù)關(guān)系式 5 根據(jù)函數(shù)關(guān)系式 進(jìn)行數(shù)學(xué)分析 如分析斜率的變化 截距等 6 判斷圖象 或畫(huà)圖象或應(yīng)用圖象解決問(wèn)題 題組突破 1 在豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 水平放置一個(gè)不變形的單匝金屬圓線圈 規(guī)定線圈中感應(yīng)電流的正方向如圖9 3 7甲所示 當(dāng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t做如圖乙所示變化時(shí) 圖9 3 8中正確表示線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E變化的是 答案 A 2 如圖9 3 9中 MN和PQ是兩根互相平行豎直放置的光滑金屬導(dǎo)軌 已知導(dǎo)軌足夠長(zhǎng) 且電阻不計(jì) ab是一根不但與導(dǎo)軌垂直而且始終與導(dǎo)軌接觸良好的金屬桿 開(kāi)始 將開(kāi)關(guān)S斷開(kāi) 讓桿ab由靜止開(kāi)始自由下落 過(guò)段時(shí)間后 再將S閉合 若從S閉合開(kāi)始計(jì)時(shí) 則金屬桿ab的速度v隨時(shí)間t變化的圖象不可能是 答案 B 典例啟迪 例2 如圖9 3 11 a 所示 水平放置的兩平行金屬導(dǎo)軌 間距L 0 3m 導(dǎo)軌左端連接R 0 6 的電阻 區(qū)域abcd內(nèi)存在垂直于導(dǎo)軌平面B 0 6T的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 磁場(chǎng)區(qū)域?qū)扗 0 2m 細(xì)金屬棒A1和A2用長(zhǎng)為2D 0 4m的輕質(zhì)絕緣桿連接 放置在導(dǎo)軌平面上 并與導(dǎo)軌垂直 每根金屬棒在導(dǎo)軌間的電阻均為r 0 3 導(dǎo)軌電阻不計(jì) 使金屬棒以恒定速度v 1 0m s沿導(dǎo)軌向右穿越磁場(chǎng) 計(jì)算從金屬棒A1進(jìn)入磁場(chǎng) t 0 到A2離開(kāi)磁場(chǎng)的時(shí)間內(nèi) 不同時(shí)間段通過(guò)電阻R的電流 并在圖 b 中畫(huà)出 思路點(diǎn)撥 解答本題時(shí)應(yīng)注意以下三個(gè)方面 1 不同階段的等效電路 2 電流的方向及變化 3 各階段電流對(duì)應(yīng)的時(shí)間 電流與時(shí)間的關(guān)系圖象如圖所示 答案 見(jiàn)解析 歸納領(lǐng)悟 首先判斷哪部分導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 該部分導(dǎo)體屬于電源部分 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律計(jì)算出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小 然后轉(zhuǎn)化為電路問(wèn)題 利用閉合電路歐姆定律進(jìn)行求解 解決電磁感應(yīng)電路問(wèn)題的關(guān)鍵是弄清內(nèi)電路和外電路 畫(huà)出等效電路圖 題組突破 3 用均勻?qū)Ь€做成的正方形線框邊長(zhǎng)為0 2m 正方形的一半放在垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 如圖9 3 12所示 當(dāng)磁場(chǎng)以10T s的變化率增強(qiáng)時(shí) 線框中a b兩點(diǎn)間的電勢(shì)差是 A Uab 0 1VB Uab 0 1VC Uab 0 2VD Uab 0 2V 答案 B 答案 D 典例啟迪 例3 2010 天津高考 如圖9 3 14所示 質(zhì)量m1 0 1kg 電阻R1 0 3 長(zhǎng)度l 0 4m的導(dǎo)體棒ab橫放在U型金屬框架上 框架質(zhì)量m2 0 2kg 放在絕緣水平面上 與水平面間的動(dòng)摩擦因數(shù) 0 2 相距0 4m的MM NN 相互平行 電阻不計(jì)且足夠長(zhǎng) 電阻R2 0 1 的MN垂直 于MM 整個(gè)裝置處于豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 磁感應(yīng)強(qiáng)度B 0 5T 垂直于ab施加F 2N的水平恒力 ab從靜止開(kāi)始無(wú)摩擦地運(yùn)動(dòng) 始終與MM NN 保持良好接觸 當(dāng)ab運(yùn)動(dòng)到某處時(shí) 框架開(kāi)始運(yùn)動(dòng) 設(shè)框架與水平面間最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力 g取10m s2 1 求框架開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)ab速度v的大小 2 從ab開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到框架開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中 MN上產(chǎn)生的熱量Q 0 1J 求該過(guò)程ab位移x的大小 思路點(diǎn)撥 當(dāng)MN受到的安培力達(dá)到框架受地面的最大靜摩擦力時(shí) 框架開(kāi)始運(yùn)動(dòng) 拉力F所做的功一部分轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體棒ab的動(dòng)能 一部分轉(zhuǎn)化為回路中的焦耳熱 答案 1 6m s 2 1 1m 歸納領(lǐng)悟 1 運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu) 2 能量轉(zhuǎn)化特點(diǎn) 3 安培力在不同情況下的作用 當(dāng)磁場(chǎng)不動(dòng) 導(dǎo)體做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí) 導(dǎo)體所受安培力與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相反 此即電磁阻尼 在這種情況下 安培力對(duì)導(dǎo)體做負(fù)功 即導(dǎo)體克服安培力做功 將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能 進(jìn)而轉(zhuǎn)化為焦耳熱 當(dāng)導(dǎo)體開(kāi)始時(shí)靜止 磁場(chǎng) 磁體 運(yùn)動(dòng)時(shí) 由于導(dǎo)體相對(duì)磁場(chǎng)向相反方向做切割磁感線運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流 進(jìn)而受到安培力作用 這時(shí)安培力成為導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力 此即電磁驅(qū)動(dòng) 在這種情況下 安培力做正功 電能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的機(jī)械能 題組突破 5 水平放置的光滑導(dǎo)軌上放置一根長(zhǎng)為L(zhǎng) 質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒ab ab處在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B 方向如圖9 3 15所示的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 導(dǎo)軌的一端接一阻值為R的電阻 現(xiàn)使ab在水平恒力F作用下由靜止沿垂直于磁場(chǎng)的方向運(yùn)動(dòng) 當(dāng)通過(guò)位移為x時(shí) ab達(dá)到最大速度v 此時(shí)撤去外力 最后ab靜止在導(dǎo)軌上 在ab運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中 下列說(shuō)法正確的是 答案 D 6 如圖9 3 16所示 邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形導(dǎo)線框質(zhì)量為m 由距磁場(chǎng)H高處自由下落 其下邊ab進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后 線圈開(kāi)始做減速運(yùn)動(dòng) 直到其上邊cd剛剛穿出磁場(chǎng)時(shí) 速度減為ab邊剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的一半 磁場(chǎng)的寬度也為L(zhǎng) 則線框穿越勻強(qiáng)磁場(chǎng)過(guò)程中發(fā)出的焦耳熱為 答案 C 8分 t 0時(shí) 磁場(chǎng)在xOy平面內(nèi)的分布如圖9 3 17所示 其磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小均為B0 方向垂直于xOy平面 相鄰磁場(chǎng)區(qū)域的磁場(chǎng)方向相反 每個(gè)同向磁場(chǎng)區(qū)域的寬度均為L(zhǎng)0 整個(gè)磁場(chǎng)以速度v沿x軸正方向勻速運(yùn)動(dòng) 若在磁場(chǎng)所在區(qū)間內(nèi)放置一由n匝線圈組成的矩形線框abcd 線框的bc邊平行于x軸 bc LB ab L LB略大于L0 總電阻為R 線框始終保持靜止 求 1 線框中產(chǎn)生的總電動(dòng)勢(shì)大小和導(dǎo)線中的電流大小 2 線框所受安培力的大小和方向 自主嘗試 試一試 能否做到正確解答 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全