2019年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十章 電磁感應(yīng) 專題強(qiáng)化十三 電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)和能量問題課件.ppt
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專題強(qiáng)化十三電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)和能量問題,第十章電磁感應(yīng),專題解讀,1.本專題是動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)和能量觀點(diǎn)在電磁感應(yīng)中的綜合應(yīng)用,高考常以計(jì)算題的形式命題.2.學(xué)好本專題,可以極大培養(yǎng)同學(xué)們的分析能力、推理能力和規(guī)范表達(dá)的能力,針對(duì)性的專題強(qiáng)化,可以提升同學(xué)們解決電磁感應(yīng)問題中最難問題的信心.3.用到的知識(shí)有:法拉第電磁感應(yīng)定律、楞次定律、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、共點(diǎn)力的平衡條件、動(dòng)能定理、焦耳定律、能量守恒定律等.,內(nèi)容索引,,命題點(diǎn)一電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問題,命題點(diǎn)二電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)和能量問題,課時(shí)作業(yè),,,,,1,命題點(diǎn)一電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問題,1.題型簡述:感應(yīng)電流在磁場中受到安培力的作用,因此電磁感應(yīng)問題往往跟力學(xué)問題聯(lián)系在一起.解決這類問題需要綜合應(yīng)用電磁感應(yīng)規(guī)律(法拉第電磁感應(yīng)定律、楞次定律)及力學(xué)中的有關(guān)規(guī)律(共點(diǎn)力的平衡條件、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)能定理等).,2.兩種狀態(tài)及處理方法,3.動(dòng)態(tài)分析的基本思路解決這類問題的關(guān)鍵是通過運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分析,尋找過程中的臨界狀態(tài),如速度、加速度最大值或最小值的條件.具體思路如下:,導(dǎo)體受外力運(yùn)動(dòng),E=Blv,,感應(yīng)電動(dòng)勢,,感應(yīng)電流,,F=BIl,導(dǎo)體受安培力,,合力變化,,加速度變化,,F合=ma,速度變化,臨界狀態(tài),,【例1】(2016全國Ⅲ25)如圖,兩條相距l(xiāng)的光滑平行金屬導(dǎo)軌位于同一水平面(紙面)內(nèi),其左端接一阻值為R的電阻;一與導(dǎo)軌垂直的金屬棒置于兩導(dǎo)軌上;在電阻、導(dǎo)軌和金屬棒中間有一面積為S的區(qū)域,區(qū)域中存在垂直于紙面向里的均勻磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B1隨時(shí)間t的變化關(guān)系為B1=kt,式中k為常量;在金屬棒右側(cè)還有一勻強(qiáng)磁場區(qū)域,區(qū)域左邊界MN(虛線)與導(dǎo)軌垂直,磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B0,方向也垂直于紙面向里.某時(shí)刻,金屬棒在一外加水平恒力的作用下從靜止開始向右運(yùn)動(dòng),在t0時(shí)刻恰好以速度v0越過MN,此后向右做勻速運(yùn)動(dòng).金屬棒與導(dǎo)軌始終相互垂直并接觸良好,它們的電阻均忽略不計(jì).求:,(1)在t=0到t=t0時(shí)間間隔內(nèi),流過電阻的電荷量的絕對(duì)值;,答案,解析,在金屬棒未越過MN之前,ΔΦ=ΔBS=kΔtS①E=②I=③I=④聯(lián)立①②③④式得|Δq|=⑤由⑤式得,|q|=,(2)在時(shí)刻t(t>t0)穿過回路的總磁通量和金屬棒所受外加水平恒力的大小.,答案,解析,,1.(多選)如圖所示,兩根足夠長、電阻不計(jì)且相距L=0.2m的平行金屬導(dǎo)軌固定在傾角θ=37的絕緣斜面上,頂端接有一盞額定電壓U=4V的小燈泡,兩導(dǎo)軌間有一磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B=5T、方向垂直斜面向上的勻強(qiáng)磁場.今將一根長為L、質(zhì)量為m=0.2kg、電阻r=1.0Ω的金屬棒垂直于導(dǎo)軌放置在頂端附近無初速度釋放,金屬棒與導(dǎo)軌接觸良好,金屬棒與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.25,已知金屬棒下滑到速度穩(wěn)定時(shí),小燈泡恰能正常發(fā)光,重力加速度g取10m/s2,sin37=0.6,cos37=0.8,則,A.金屬棒剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度大小為3m/s2B.金屬棒剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度大小為4m/s2C.金屬棒穩(wěn)定下滑時(shí)的速度大小為9.6m/sD.金屬棒穩(wěn)定下滑時(shí)的速度大小為4.8m/s,金屬棒剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)v0=0,不受安培力作用,mgsinθ-μmgcosθ=ma,代入數(shù)據(jù)得a=4m/s2,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤,B正確;設(shè)金屬棒穩(wěn)定下滑時(shí)mgsinθ=BIL+μmgcosθ,I=,E=BLv,聯(lián)立解得v=4.8m/s,故選項(xiàng)C錯(cuò)誤,D正確.,答案,解析,√,√,2.(2016全國Ⅱ24)如圖,水平面(紙面)內(nèi)間距為l的平行金屬導(dǎo)軌間接一電阻,質(zhì)量為m、長度為l的金屬桿置于導(dǎo)軌上.t=0時(shí),金屬桿在水平向右、大小為F的恒定拉力作用下由靜止開始運(yùn)動(dòng).t0時(shí)刻,金屬桿進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場區(qū)域,且在磁場中恰好能保持勻速運(yùn)動(dòng).桿與導(dǎo)軌的電阻均忽略不計(jì),兩者始終保持垂直且接觸良好,兩者之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ.重力加速度大小為g.求:,(1)金屬桿在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢的大?。?答案,(2)電阻的阻值.,答案,解析,,,,,2,命題點(diǎn)二電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)和能量問題,1.題型簡述:電磁感應(yīng)過程的實(shí)質(zhì)是不同形式的能量轉(zhuǎn)化的過程,而能量的轉(zhuǎn)化是通過安培力做功來實(shí)現(xiàn)的.安培力做功的過程,是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過程;外力克服安培力做功的過程,則是其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的過程.2.解題的一般步驟(1)確定研究對(duì)象(導(dǎo)體棒或回路);(2)弄清電磁感應(yīng)過程中,哪些力做功,哪些形式的能量相互轉(zhuǎn)化;(3)根據(jù)能量守恒定律或功能關(guān)系列式求解.,3.求解電能應(yīng)分清兩類情況(1)若回路中電流恒定,可以利用電路結(jié)構(gòu)及W=UIt或Q=I2Rt直接進(jìn)行計(jì)算.(2)若電流變化,則①利用安培力做功求解:電磁感應(yīng)中產(chǎn)生的電能等于克服安培力所做的功;②利用能量守恒求解:若只有電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化,則減少的機(jī)械能等于產(chǎn)生的電能.,如圖甲,在水平桌面上固定著兩根相距L=20cm、相互平行的無電阻軌道P、Q,軌道一端固定一根電阻R=0.02Ω的導(dǎo)體棒a,軌道上橫置一根質(zhì)量m=40g、電阻可忽略不計(jì)的金屬棒b,兩棒相距也為L=20cm.該軌道平面處在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小可以調(diào)節(jié)的豎直向上的勻強(qiáng)磁場中.開始時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度B0=0.1T.設(shè)棒與軌道間的最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力,g取10m/s2.,【例2】,(1)若保持磁感應(yīng)強(qiáng)度B0的大小不變,從t=0時(shí)刻開始,給b棒施加一個(gè)水平向右的拉力,使它由靜止開始做勻加速直線運(yùn)動(dòng).此拉力F的大小隨時(shí)間t變化關(guān)系如圖乙所示.求b棒做勻加速運(yùn)動(dòng)的加速度及b棒與軌道間的滑動(dòng)摩擦力;(2)若從t=0開始,磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t按圖丙中圖象所示的規(guī)律變化,求在金屬棒b開始運(yùn)動(dòng)前,這個(gè)裝置釋放的熱量.,答案,解析,分析,0.036J,5m/s20.2N,答案,(1)F安=B0IL①E=B0Lv②I=③v=at④所以F安=當(dāng)b棒勻加速運(yùn)動(dòng)時(shí),F(xiàn)-Ff-F安=ma⑤聯(lián)立可得F-Ff-=ma⑥由圖象可得:當(dāng)t=0時(shí),F(xiàn)=0.4N,當(dāng)t=1s時(shí),F(xiàn)=0.5N.代入⑥式,可解得a=5m/s2,F(xiàn)f=0.2N.,(2)感應(yīng)電動(dòng)勢E′==0.02V⑦I′==1A⑧棒b將要運(yùn)動(dòng)時(shí),有F安′=BtI′L=Ff⑨所以Bt=1T,根據(jù)Bt=B0+⑩得t=1.8s,回路中產(chǎn)生的焦耳熱為Q=I′2Rt=0.036J.,能量轉(zhuǎn)化問題的分析程序:先電后力再能量,3.小明設(shè)計(jì)的電磁健身器的簡化裝置如圖所示,兩根平行金屬導(dǎo)軌相距l(xiāng)=0.50m,傾角θ=53,導(dǎo)軌上端串接一個(gè)R=0.05Ω的電阻.在導(dǎo)軌間長d=0.56m的區(qū)域內(nèi),存在方向垂直導(dǎo)軌平面向下的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度B=2.0T.質(zhì)量m=4.0kg的金屬棒CD水平置于導(dǎo)軌上,用絕緣繩索通過定滑輪與拉桿GH相連.CD棒的初始位置與磁場區(qū)域的下邊界相距s=0.24m.,一位健身者用恒力F=80N拉動(dòng)GH桿,CD棒由靜止開始運(yùn)動(dòng),上升過程中CD棒始終保持與導(dǎo)軌垂直.當(dāng)CD棒到達(dá)磁場上邊界時(shí)健身者松手,觸發(fā)恢復(fù)裝置使CD棒回到初始位置(重力加速度g=10m/s2,sin53=0.8,不計(jì)其他電阻、摩擦力以及拉桿和繩索的質(zhì)量).求:(1)CD棒進(jìn)入磁場時(shí)速度v的大?。?2.4m/s,答案,解析,a==12m/s2v==2.4m/s,(2)CD棒進(jìn)入磁場時(shí)所受的安培力FA的大??;,48N,答案,解析,感應(yīng)電動(dòng)勢E=Blv感應(yīng)電流I=安培力FA=IBl代入得FA==48N,(3)在拉升CD棒的過程中,健身者所做的功W和電阻產(chǎn)生的焦耳熱Q.,64J26.88J,答案,解析,健身者做功W=F(s+d)=64JF-mgsinθ-FA=0CD棒在磁場區(qū)做勻速運(yùn)動(dòng)在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)間t=焦耳熱Q=I2Rt=26.88J.,4.如圖所示,兩根足夠長的平行金屬導(dǎo)軌固定在傾角θ=30的斜面上,導(dǎo)軌電阻不計(jì),間距L=0.4m,導(dǎo)軌所在空間被分成區(qū)域Ⅰ和Ⅱ,兩區(qū)域的邊界與斜面的交線為MN.Ⅰ中的勻強(qiáng)磁場方向垂直斜面向下,Ⅱ中的勻強(qiáng)磁場方向垂直斜面向上,兩磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B=0.5T.在區(qū)域Ⅰ中,將質(zhì)量m1=0.1kg、電阻R1=0.1Ω的金屬條ab放在導(dǎo)軌上,ab剛好不下滑.然后,在區(qū)域Ⅱ中將質(zhì)量m2=0.4kg、電阻R2=0.1Ω的光滑導(dǎo)體棒cd置于導(dǎo)軌上,由靜止開始下滑.cd在滑動(dòng)過程中始終處于區(qū)域Ⅱ的磁場中,ab、cd始終與導(dǎo)軌垂直且兩端與導(dǎo)軌保持良好接觸,取g=10m/s2,問:,(1)cd下滑的過程中,ab中的電流方向;,答案,解析,由右手定則可判斷出cd中的電流方向?yàn)橛蒬到c,則ab中電流方向?yàn)橛蒩流向b.,由a流向b,,,右手定則,(2)ab剛要向上滑動(dòng)時(shí),cd的速度v為多大;,答案,解析,5m/s,開始放置時(shí)Fmax=m1gsinθ①設(shè)ab剛要上滑時(shí),E=BLv②I=③設(shè)ab所受安培力為F安,有F安=BIL④F安=m1gsinθ+Fmax⑤綜合①②③④⑤式,代入數(shù)據(jù)解得v=5m/s,(3)從cd開始下滑到ab剛要向上滑動(dòng)的過程中,cd滑動(dòng)的距離x=3.8m,此過程中ab上產(chǎn)生的熱量Q是多少.,答案,解析,1.3J,設(shè)cd棒運(yùn)動(dòng)過程中在電路中產(chǎn)生的總熱量為Q總,m2gxsinθ=Q總+m2v2又Q=解得Q=1.3J,,課時(shí)作業(yè),,,,3,1.(2016全國Ⅰ24)如圖,兩固定的絕緣斜面傾角均為θ,上沿相連.兩細(xì)金屬棒ab(僅標(biāo)出a端)和cd(僅標(biāo)出c端)長度均為L,質(zhì)量分別為2m和m;用兩根不可伸長的柔軟輕導(dǎo)線將它們連成閉合回路abdca,并通過固定在斜面上沿的兩光滑絕緣小定滑輪跨放在斜面上,使兩金屬棒水平.右斜面上存在勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,方向垂直于斜面向上,已知兩根導(dǎo)線剛好不在磁場中,回路電阻為R,兩金屬棒與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為μ,重力加速度大小為g,已知金屬棒ab勻速下滑.求:,1,2,3,(1)作用在金屬棒ab上的安培力的大小;,答案,解析,mg(sinθ-3μcosθ),對(duì)于ab棒2mgsinθ=μFN1+FT+F①FN1=2mgcosθ②對(duì)于cd棒,mgsinθ+μFN2=FT′=FT③FN2=mgcosθ④聯(lián)立①②③④式得:F=mg(sinθ-3μcosθ)⑤,1,2,3,(2)金屬棒運(yùn)動(dòng)速度的大小.,答案,解析,設(shè)金屬棒運(yùn)動(dòng)速度大小為v,ab棒上的感應(yīng)電動(dòng)勢為E=BLv⑥回路中電流I=⑦安培力F=BIL⑧聯(lián)立⑤⑥⑦⑧得:v=(sinθ-3μcosθ).,1,2,3,2.如圖所示,兩平行光滑金屬導(dǎo)軌傾斜放置且固定,兩導(dǎo)軌間距為L,與水平面間的夾角為θ,導(dǎo)軌下端有垂直于軌道的擋板,上端連接一個(gè)阻值R=2r的電阻,整個(gè)裝置處在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B、方向垂直導(dǎo)軌向上的勻強(qiáng)磁場中,兩根相同的金屬棒ab、cd放在導(dǎo)軌下端,其中棒ab靠在擋板上,棒cd在沿導(dǎo)軌平面向上的拉力作用下,由靜止開始沿導(dǎo)軌向上做加速度為a的勻加速運(yùn)動(dòng).已知每根金屬棒質(zhì)量為m、電阻為r,導(dǎo)軌電阻不計(jì),棒與導(dǎo)軌始終接觸良好.求:,1,2,3,(1)經(jīng)多長時(shí)間棒ab對(duì)擋板的壓力變?yōu)榱悖?答案,解析,棒ab對(duì)擋板的壓力為零時(shí),受力分析可得BIabL=mgsinθ設(shè)經(jīng)時(shí)間t0棒ab對(duì)擋板的壓力為零,棒cd產(chǎn)生的電動(dòng)勢為E,則E=BLat0,1,2,3,(2)棒ab對(duì)擋板壓力為零時(shí),電阻R的電功率;,答案,解析,棒ab對(duì)擋板壓力為零時(shí),cd兩端電壓為Ucd=E-Ir解得Ucd=此時(shí)電阻R的電功率為P=解得P=,2,3,1,(3)棒ab運(yùn)動(dòng)前,拉力F隨時(shí)間t的變化關(guān)系.,答案,解析,對(duì)cd棒,由牛頓第二定律得F-BI′L-mgsinθ=maI′=E′=BLat解得F=m(gsinθ+a)+.,2,3,1,3.如圖所示,兩根相距L=1m的足夠長的光滑金屬導(dǎo)軌,一組導(dǎo)軌水平,另一組導(dǎo)軌與水平面成37角,拐角處連接一阻值R=1Ω的電阻.質(zhì)量均為m=2kg的金屬細(xì)桿ab、cd與導(dǎo)軌垂直接觸形成閉合回路,導(dǎo)軌電阻不計(jì),兩桿的電阻均為R=1Ω.整個(gè)裝置處于磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B=1T、方向垂直于導(dǎo)軌平面的勻強(qiáng)磁場中.當(dāng)ab桿在平行于水平導(dǎo)軌的拉力作用下沿導(dǎo)軌向右勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),cd桿靜止.g=10m/s2,sin37=0.6,cos37=0.8,求:,2,3,1,(1)水平拉力的功率;,答案,解析,864W,cd桿靜止,由平衡條件可得mgsinθ=BIL,解得I=12A由閉合電路歐姆定律得2I=,得v=36m/s水平拉力F=2BIL=24N,水平拉力的功率P=Fv=864W,2,3,1,(2)現(xiàn)讓cd桿靜止,求撤去拉力后ab桿產(chǎn)生的焦耳熱.,答案,解析,864J,撤去外力后ab桿在安培力作用下做減速運(yùn)動(dòng),安培力做負(fù)功,先將棒的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能,再通過電流做功將電能轉(zhuǎn)化為整個(gè)電路產(chǎn)生的焦耳熱,即焦耳熱等于桿的動(dòng)能的減小量,有Q=ΔEk=mv2=1296J而Q=I′2Rt,ab桿產(chǎn)生的焦耳熱Q′=I′2Rt,所以Q′=Q=864J.,2,3,1,- 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