高考物理大二輪總復(fù)習(xí)與增分策略 題型研究4 加試計算題 23題 電磁感應(yīng)規(guī)律的綜合應(yīng)用課件

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1、電磁感應(yīng)規(guī)律的綜合應(yīng)用題型研究4 加試計算題23題 1.導(dǎo)體棒的兩種運動狀態(tài)(1)平衡狀態(tài)導(dǎo)體棒處于靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài),加速度為零;(2)非平衡狀態(tài)導(dǎo)體棒的加速度不為零.2.兩個研究對象及其關(guān)系電磁感應(yīng)中導(dǎo)體棒既可看做電學(xué)對象(因為它相當(dāng)于電源),又可看做力學(xué)對象(因為有感應(yīng)電流而受到安培力),而感應(yīng)電流I和導(dǎo)體棒的速度v是聯(lián)系這兩個對象的紐帶. 考點一 電磁感應(yīng)中的動力學(xué)問題 3.電磁感應(yīng)中的動力學(xué)問題分析思路(3)過程分析:由于安培力是變力,導(dǎo)體棒做變加速運動或變減速運動,當(dāng)加速度為零時,達到穩(wěn)定狀態(tài),最后做勻速直線運動,根據(jù)共點力的平衡條件列方程:F 合0. 例1如圖1甲所示,兩

2、根足夠長的直金屬導(dǎo)軌MN、PQ平行放置在傾角為的絕緣斜面上,兩導(dǎo)軌間距為L,M、P兩點間接有阻值為R的電阻.一根質(zhì)量為m的均勻直金屬桿ab放在兩導(dǎo)軌上,并與導(dǎo)軌垂直.整套裝置處于磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中,磁場方向垂直斜面向下,導(dǎo)軌和金屬桿的電阻可忽略,讓ab桿沿導(dǎo)軌由靜止開始下滑,導(dǎo)軌和金屬桿接觸良好,不計它們之間的摩擦.圖1 解析答案 (1)由b向a方向看到的裝置如圖乙所示,請在此圖中畫出ab桿下滑過程中某時刻的受力示意圖;解析如圖所示,ab桿受重力mg,豎直向下;支持力FN,垂直斜面向上;安培力F,沿斜面向上.答案見解析圖 解析答案 (2)在加速下滑過程中,當(dāng)ab桿的速度大小為v時,求此

3、時ab桿中的電流及加速度的大小;解析當(dāng)ab桿速度為v時,感應(yīng)電動勢EBLv,根據(jù)牛頓第二定律,有 解析答案 (3)求在下滑過程中,ab桿可以達到的最大速度.解析當(dāng)a0時,ab桿有最大速度 方法技巧用“四步法”分析電磁感應(yīng)中的動力學(xué)問題解決電磁感應(yīng)中的動力學(xué)問題的一般思路是“先電后力”,具體思路如下:(1)進行“源”的分析分離出電路中由電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的電源,求出電源的參數(shù)E和r.(2)進行“路”的分析分析電路結(jié)構(gòu),明確串、并聯(lián)的關(guān)系,求出相關(guān)部分的電流大小,以便求解安培力.(3)“力”的分析分析研究對象(常是金屬桿、導(dǎo)體線圈等)的受力情況,尤其注意其所受的安培力.(4)進行“運動”狀態(tài)的分析根據(jù)

4、力和運動的關(guān)系,判斷出正確的運動模型. 變式題組1.(2015浙江10月選考22)如圖2甲所示,質(zhì)量m3.0103 kg的“ ”形金屬細框豎直放置在兩水銀槽中,“ ”形框的水平細桿CD長l0.20 m,處于磁感應(yīng)強度大小B11.0 T,方向水平向右的勻強磁場中.有一匝數(shù)n300匝,面積S0.01 m 2的線圈通過開關(guān)K與兩水銀槽相連.線圈處于與線圈平面垂直的、沿豎直方向的勻強磁場中,其磁感應(yīng)強度B2的大小隨時間t變化的關(guān)系如圖乙所示.(g取10 m /s2)圖2 (1)求00.10 s線圈中的感應(yīng)電動勢大小.答案30 V 解析答案(2)t0.22 s時閉合開關(guān)K,若細桿CD所受安培力方向豎直向

5、上,判斷CD中的電流方向及磁感應(yīng)強度B2的方向.解析電流方向C D,B2方向向上答案C D向上 解析答案 (3)t0.22 s時閉合開關(guān)K,若安培力遠大于重力,細框跳起的最大高度h0.20 m,求通過細桿CD的電荷量.答案0.03 C 2.(2016浙江10月學(xué)考22)為了探究電動機轉(zhuǎn)速與彈簧伸長量之間的關(guān)系,小明設(shè)計了如圖所示的裝置.半徑為l的圓形金屬導(dǎo)軌固定在水平面上,一根長也為l、電阻為R的金屬棒ab一端與導(dǎo)軌接觸良好,另一端固定在圓心處的導(dǎo)電轉(zhuǎn)軸OO上,由電動機A帶動旋轉(zhuǎn).在金屬導(dǎo)軌區(qū)域內(nèi)存在垂直于導(dǎo)軌平面,大小為B1、方向豎直向下的勻強磁場.另有一質(zhì)量為m、電阻為R的金屬棒cd用輕質(zhì)

6、彈簧懸掛在豎直平面內(nèi),并與固定在豎直平面內(nèi)的“ U”型導(dǎo)軌保持良好接觸,導(dǎo)軌間距為l,底部接阻值也為R的電阻,處于大小為B 2、方向垂直導(dǎo)軌平面向里的勻強磁場中.從圓形金屬導(dǎo)軌引出導(dǎo)線和通過電刷從轉(zhuǎn)軸引出導(dǎo)線經(jīng)開關(guān)S與 “ U”型導(dǎo)軌連接.當(dāng)開關(guān)S斷開,棒cd靜止時,彈簧伸長量為x0;當(dāng)開關(guān)S閉合,電動機以某一轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動,棒cd再次靜止時,彈簧伸長量變?yōu)閤(不超過彈性限度).不計其余電阻和摩擦等阻力,求此時:圖3 解析答案 (1)通過棒cd的電流Icd;由右手定則,電流方向由a到b, 解析答案 (2)電動機對該裝置的輸出功率P; 解析答案 (3)電動機轉(zhuǎn)動角速度與彈簧伸長量x之間的函數(shù)關(guān)系.

7、解析S斷開時,由平衡條件kx0mgS閉合時,由平衡條件kxB2Icdlmg 考點二 動力學(xué)和能量觀點的綜合應(yīng)用1.力學(xué)對象和電學(xué)對象的相互關(guān)系 2.解決電磁感應(yīng)動力學(xué)及能量問題的一般思路(1)電路分析:確定電源,畫出等效電路,明確內(nèi)、外電路,分析電路的串、并聯(lián)關(guān)系.(2)受力分析:注意導(dǎo)體棒所受的安培力大小和方向.(3)運動分析:對運動過程進行“慢進”式推理分析,應(yīng)用牛頓第二定律對運動過程中各物理量進行分析.(4)能量分析:分析運動過程中各力做功情況,明確能量轉(zhuǎn)化形式.(5)規(guī)律分析:根據(jù)牛頓第二定律、運動學(xué)方程、動能定理、能量守恒定律合理組合優(yōu)化. 3.求解焦耳熱的三種方法(1)焦耳定律:Q

8、I2Rt(2)功能關(guān)系:QW克服安培力(3)能量轉(zhuǎn)化:QE其他能的減少量 例2如圖4所示,“凸”字形硬質(zhì)金屬線框質(zhì)量為m,相鄰各邊互相垂直,且處于同一豎直平面內(nèi),ab邊長為l,cd邊長為2l,ab與cd平行,間距為2l.勻強磁場區(qū)域的上下邊界均水平,磁場方向垂直于線框所在平面.開始時,cd邊到磁場上邊界的距離為2l,線框由靜止釋放,從cd邊進入磁場直到ef、pq邊進入磁場前,線框做勻速運動,在ef、pq邊離開磁場后,ab邊離開磁場之前,線框又做勻速運動.線框完全穿過磁場過程中產(chǎn)生的熱量為Q.線框在下落過程中始終處于原豎直平面內(nèi),且ab、cd邊保持水平,重力加速度為g.求:圖4 解析答案 (1)

9、線框ab邊將要離開磁場時做勻速運動的速度大小是cd邊剛進入磁場時的幾倍; 解析答案 解析設(shè)磁場的磁感應(yīng)強度大小為B,cd邊剛進入磁場時,線框做勻速運動的速度為v1,cd邊上的感應(yīng)電動勢為E1,由法拉第電磁感應(yīng)定律,有E12Blv1 設(shè)線框總電阻為R,此時線框中電流為I1,由閉合電路歐姆定律,有I1 設(shè)此時線框所受安培力為F1,有F12I1lB 由于線框做勻速運動,其受力平衡,有mgF 1 設(shè)ab邊離開磁場之前,線框做勻速運動的速度為v2,同理可得v2 由式得v24v1 答案4倍 解析答案 (2)磁場上、下邊界間的距離H.解析線框自釋放直到cd邊進入磁場前,線框完全穿過磁場的過程中,由能量守恒定

10、律,有 誤區(qū)警示在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中求解焦耳熱時容易出現(xiàn)以下兩類錯誤:(1)不加分析就把某時刻的電流I代入公式QI2Rt求解焦耳熱,大多數(shù)情況下感應(yīng)電流I是變化的,求解焦耳熱要用電流的有效值,因此不能用某時刻的電流代入公式QI2Rt求解焦耳熱.(2)電路中產(chǎn)生焦耳熱的元件不是一個,不加分析誤認為某個元件上的焦耳熱就是整個電路產(chǎn)生的焦耳熱. 變式題組3.如圖5所示,光滑平行的水平金屬導(dǎo)軌MNPQ相距l(xiāng),在M點和P點間接一個阻值為R的電阻,在兩導(dǎo)軌間OO1O1 O矩形區(qū)域內(nèi)有垂直導(dǎo)軌平面豎直向下、寬為d的勻強磁場,磁感應(yīng)強度為B.一質(zhì)量為m,電阻為r的導(dǎo)體棒ab,垂直擱在導(dǎo)軌上,與磁場左邊界相距d0.

11、現(xiàn)用一大小為F、水平向右的恒力拉ab棒,使它由靜止開始運動,棒ab在離開磁場前已經(jīng)做勻速直線運動(棒ab與導(dǎo)軌始終保持良好的接觸,導(dǎo)軌電阻不計).求:圖5 (1)棒ab在離開磁場右邊界時的速度; 解析答案 解析棒在磁場中勻速運動時,有FFABIl, 解析答案 (2)棒ab通過磁場區(qū)的過程中整個回路所消耗的電能.解析安培力做的功轉(zhuǎn)化成兩個電阻消耗的電能Q, 4.如圖6甲所示,在水平面上固定有長為L2 m、寬為d1 m的金屬“ U”形導(dǎo)軌,在“ U”形導(dǎo)軌右側(cè)l0.5 m范圍內(nèi)存在垂直紙面向里的勻強磁場,且磁感應(yīng)強度隨時間變化的規(guī)律如圖乙所示.在t0時刻,質(zhì)量m0.1 kg的導(dǎo)體棒以v01 m /

12、s的初速度從導(dǎo)軌的左端開始向右運動,導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌之間的動摩擦因數(shù)0.1,導(dǎo)軌與導(dǎo)體棒單位長度的電阻均為0.1 /m,不計導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌之間的接觸電阻及地球磁場的影響(取g10 m /s2).圖6 解析答案 (1)通過計算分析4 s內(nèi)導(dǎo)體棒的運動情況;解析導(dǎo)體棒先在無磁場區(qū)域做勻減速運動,有代入數(shù)據(jù)解得t1 s,x0.5 m即導(dǎo)體棒在1 s末已經(jīng)停止運動,以后一直保持靜止,離左端位置為x0.5 m .答案見解析 解析答案 (2)計算4 s內(nèi)回路中電流的大小,并判斷電流方向;解析前2 s磁通量不變,回路電動勢和電流分別為E0,I0;回路的總長度為5 m,因此回路的總電阻為R50.5 根據(jù)楞次定律,在回路中的電流方向是順時針方向.答案見解析 解析答案 (3)計算4 s內(nèi)回路產(chǎn)生的焦耳熱.解析前2 s電流為零,后2 s有恒定電流,焦耳熱為QI2Rt0.04 J.答案見解析

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