高考物理一轮复习 第1部分 专题2 第2讲 能量观点在电磁学中的应用课件

第第2 2讲讲能量观点在电磁学中的应用能量观点在电磁学中的应用1(2011 年四川卷)如图 221 所示，间距 l0.3 m 的平行金属导轨a1b1c1和 a2b2c2分别固定在两个竖直面内，在水平面 a1b1b2a2区域内和倾角37的斜面 c1b1b2c2区域内分别有磁感应强度 B10.4 T、方向竖直向上和 B21 T、方向垂直于斜面向上的匀强磁场电阻 R0.3 、质量 m10.1 kg、长为c的相同导体杆 K、S、Q 分别放置在导轨上，S 杆的两端固定在 b1、b2图 221点，K、Q 杆可沿导轨无摩擦滑动且始终接触良好一端系于 K 杆中点的轻绳平行于导轨绕过轻质定滑轮自然下垂，绳上穿有质量 m20.05 kg 的小环已知小环以 a6 m/s2 的加速度沿绳下滑，K 杆保持静止，Q 杆在垂直于杆且沿斜面向下的拉力 F 作用下匀速运动不计导轨电阻和滑轮摩擦，绳不可伸长取 g10 m/s2，sin 370.6，cos 370.8.求：(1)小环所受摩擦力的大小；(2)Q 杆所受拉力的瞬时功率2(2011 年北京卷)利用电场和磁场，可以将比荷不同的离子分开，这种方法在化学分析和原子核技术等领域有重要的应用如图 222 所示的矩形区域 ACDG(AC 边足够长)中存在垂直于纸面的匀强磁场，A 处有一夹缝离子源产生的离子，经静电场加速后穿过夹缝沿垂直于 GA 边且垂直于磁场的方向射入磁场，运动到 GA 边，被相应的收集器收集，整个装置内部为真空图 222 已知被加速的两种正离子的质量分别是 m1 和 m2(m1m2)，电荷量均为 q.加速电场的电势差为 U，离子进入电场时的初速度可以忽略，不计重力，也不考虑离子间的相互作用(1)求质量为 m1 的离子进入磁场时的速率 v1；(2)当磁感应强度的大小为 B 时，求两种离子在 GA 边落点的间距 s；(3)在前面的讨论中忽略了夹缝宽度的影响，实际装置中夹缝具有一定宽度若夹缝过宽，可能使两束离子在 GA 边上的落点区域交叠，导致两种离子无法完全分离设磁感应强度大小可调，GA 边长为定值 L，夹缝宽度为d，夹缝右边缘在 A 处；离子可以从夹缝各处射入磁场，入射方向仍垂直于 GA 边且垂直于磁场为保证上述两种离子能落在 GA 边上并被完全分离，求夹缝的最大宽度3(2011 年天津卷)如图 223 所示，两根足够长的光滑平行金属导轨 MN、PQ 间距离为 l0.5 m，其电阻不计，两导轨及其构成的平面均与水平面成 30角完全相同的两金属棒 ab、cd 分别垂直导轨放置，每棒两端都与导轨始终有良好接触，已知两棒质量均为m0.02 kg，电阻均为R0.1，整个装置处在垂直于导轨平面向上的匀强磁场中，磁感应强度 B0.2 T，棒 ab在平行于导轨向上的力 F 作用下，沿导轨向上匀速运动，而棒 cd 恰好能够保持静止取 g10 m/s2，问：图 223(1)通过棒 cd 的电流 I 是多少，方向如何？(2)棒 ab 受到的力 F 多大？(3)棒 cd 每产生 Q0.1 J 的热量，力 F 做的功 W 是多少？棒 cd 在共点力作用下平衡，则Fcdmgsin 30代入数据得 I1 A根据楞次定律可知，棒 cd 中的电流方向由 d 至c(2)棒ab 与棒 cd 受到的安培力大小相等FabFca对棒 ab，由共点力平衡知Fmgsin 30IlB代入数据解得 F0.2 N解：(1)棒cd 受到的安培力FcdIlB4(2009 年广东卷)如图 224 所示，在一个粗糙水平面上，彼此靠近地放置两个带同种电荷的小物块，由静止释放后，两个物块向相反方向运动，并最终停止，在物块的运动过程中，下列表述正确的是()A两个物块的电势能逐渐减少B物块受到的库仑力不做功C两个物块的机械能守恒D物块受到的摩擦力始终小于其受到的库仑力图 224解析：在远离过程中，电场力做正功，则电势能逐渐减少，A 正确，B 错误；由于运动过程中，有重力以外的电场力和摩擦力做功，故机械能不守恒，C 错误；在远离过程中开始电场力大于摩擦力，物块才能加速离开，后来电场力小于摩擦力，才能减速到停止，故 D 错误答案：A5(2009 年广东卷)如图 225 所示，绝缘长方体 B 置于水平面上，两端固定一对平行带电极板，极板间形成匀强电场E，长方体 B 的上表面光滑，下表面与水平面的动摩擦因数0.05(设最大静摩擦力与滑动摩擦力相同)，B 与极板的总质量mB1.0 kg.带正电的小滑块 A 质量 mA0.6 kg，其受到的电场力大小 F1.2 N假设 A 所带的电量不影响极板间的电场分布t0 时刻，小滑块 A 从 B 表面上的 a 点以相对地面的速度 vA 1.6 m/s 向左运动，同时，B(连同极板)以相对地面的速度 vB0.40 m/s 向右运动问(g 取10 m/s2)：图 225(1)A 和 B 刚开始运动时的加速度大小分别为多少？(2)若 A 最远能到达 b 点，a、b 的距离 L 应为多少？从t0 时刻到 A 运动到 b 点时，摩擦力对 B 做的功为多少？解：(1)长方体 B 所受的摩擦力为f(mAmB)g0.8 N设A 和B 刚开始运动时的加速度大小分别为aA 和aB，则FmAaA，得到 aA2 m/s2FfmBaB，得到 aB2 m/s2能量在电磁学中的应用在近几年的高考中都有，考题形式上选择题和计算题都有计算题，往往要结合运动分析、受力分析等列方程综合求解，难度比较大从内容上一般考向为：(1)带电体在电场中运动，电场力做功，电势能变化(2)电磁感应中的能量问题，电磁感应中其他形式的能转化为电能表现为安培力做负功，而电动机原理中安培力做正功电能转化为其他形式的能(3)复合场中，重力势能、动能、电势能之间的相互转化磁场 B.现有一质量 m0.01 kg，带电荷量 q10-5带电体在电场力作用下的能量转化【例 1】(2011 年广东实验中学模拟)如图 226 所示，高h0.8 m 的绝缘水平桌面上方的区域中存在匀强电场，场强 E的方向与区域的某一边界平行，区域中存在垂直于纸面的匀强C 的小球从 A点以 v04 m/s 的初速度水平向右运动，匀速通过区域后落在水平地面上的 B点，已知：小球与水平桌面间的动摩擦因数0.1，L1 m，h0.8 m，x0.8 m，取 g10 m/s2.试求：图 226(1)小球在区域中的速度；(2)区域中磁感应强度 B 的大小及方向；(3)区域中电场强度 E 的大小及方向(2)由于小球在磁场中做匀速运动，所以小球不可能受摩擦力作用，也就不受桌面的弹力(支持力)作用，只能受重力和洛伦兹力作用，且fmg又 fqvB联立解得：B5.0103 T由左手定则可判断磁感应强度 B 的方向垂直纸面向里(3)由于 vv0，所以小球在电场中做减速运动电场方向有两种可能：对带电体在电场力作用下的能量转化问题，第一、要分析清电场力对带电体做功的情况，如果做正功则电势能转化为其他形式的能，做负功则其他形式的能转化为电势能；第二、计算电场力做功时有两种方法，其一是：W电F电scos qEscos (适应匀强电场中)；其二是：W电qU(匀强、非匀强电场都可用)1(2011 年潮阳一中模拟)如图 227 所示，一带电粒子从 P 点以初速度 v 射入匀强电场，仅受电场力的作用，则)可能的运动轨迹及电势能的变化情况是(图 227A轨迹 a 且电势能一直变大B轨迹 b 且电势能变小C轨迹 c 且电势能变小D轨迹 d 且电势能变大解析：轨迹如果为 a 则电场力方向向左，电场力先做负功再做正功，电势能先增大后减小，A 项错；轨迹如果为 b则不受电场力，B 项错；如果粒子带正电，则电场力方向向右，轨迹为 c，但 d 不可能，若轨迹为 d 电场力方向向下，所以 D 项错，轨迹为 c 电场力做正功，电势能减小，C 项正确答案：C复合场中的能量问题【例 2】(2011 年从化中学三模)如图 228 所示，竖直平面 xOy 内存在水平向右的匀强电场，场强大小 E10 N/C，在 y0 的区域内还存在垂直于坐标平面向里的匀强磁场，磁感应强度大小 B0.5 T一带电量 q0.2 C、质量 m0.4 kg的小球由长 L0.4 m 的细线悬挂于 P 点，小球可视为质点现将小球拉至水平位置 A 无初速释放，小球运动到悬点 P 正下方的坐标原点 O 时，悬线突然断裂，此后小球又恰好能通过 O 点正下方的 N 点(g10 m/s2)求： 图 228(1)小球运动到 O 点的速度大小；(2)悬线断裂前瞬间拉力的大小；(3)ON 间的距离所谓复合场就是电场、磁场、重力场几个场同时存在于某一区域对这类问题：(1)要分析带电体的受力情况，因为有几个场的受力情况会比较复杂，要做到不添力，不漏力，并且分析在运动过程中，力是否会发生变化，尤其是洛伦兹力会随速度的变化而变化(2)要抓住各力做功的分析和能量转化的分析，再结合动能定理、能量守恒定律列方程求解2(珠海 2012 届高三摸底)如图 229 所示，有位于竖直平面上的半径为 R 的圆形光滑绝缘轨道，其上半部分处于竖直向下、场强为 E 的匀强电场中，下半部分处于垂直水平面向里的匀强磁场中；质量为 m、带正电且电荷量为 q 的小球，从轨道的水平直径的 M 端由静止释放，若小球在某一次通过最低点时对轨道的压力为零，求：(1)磁感应强度 B 的大小；(2)小球对轨道最低点的最大压力；图 229(3)若要小球在圆形轨道内做完整的圆周运动，求小球从轨道的水平直径的 M 端下滑的最小速度电磁感应中的能量问题【例 3】(2011 年佛山一模)如图 2210 甲所示，倾斜放置的光滑平行导轨，长度足够长，宽度 L0.4 m，自身电阻不计，上端接有 R0.3 的定值电阻在导轨间 MN 虚线以下的区域存在方向垂直导轨平面向上、磁感应强度 B0.5 T 的匀强磁场在MN 虚线上方垂直导轨放有一根电阻 r0.1 的金属棒现将金属棒无初速释放，其运动时的 vt 图象如图 2210 乙所示，重力加速度取 g10 m/s2.试求：图 2210(1)斜面的倾角和金属棒的质量 m；(2)在 2 s5 s 时间内金属棒动能减少了多少？此过程中整个回路产生的热量 Q 是多少(结果保留一位小数)?力 F合mgsin 图 12解：(1)在 02 s 时间内，金属棒受力如图 12 所示，合电磁感应产生感应电流则产生了电能，从能的角度分析肯定有其他形式的能转化为电能，从力的角度，产生的感应电流在磁场中有安培力，安培力做负功这类题往往还综合产生的感应电流通过某导体棒，产生安培力，此时安培力做正功，又把电能转化为机械能，如果有电流通过电阻还有内能产生我们抓住能量的转化，分析是什么能转化为什么能，就可从守恒角度列方程如例题中，棒的重力势能转化为棒的动能和电路中的内能3(2011 年揭阳二模)如图 2211 所示，MN、PQ 两平行光滑水平导轨分别与半径 r0.5 m 的相同竖直半圆导轨在 N、Q端平滑连接，M、P 端连接定值电阻 R，质量 M2 kg 的 cd 绝缘杆垂直静止在水平导轨上，在其右侧至 N、Q 端的区域内充满竖直向上的匀强磁场现有质量 m1 kg 的 ab 金属杆以初速度 v012 m/s水平向右与 cd 绝缘杆发生正碰后，进入磁场并最终未滑出，cd 绝缘杆则恰好能通过半圆导轨最高点，不计其他电阻和摩擦, ab金属杆始终与导轨垂直且接触良好，取g10 m/s2，求：图 2211(1)cd 绝缘杆通过半圆导轨最高点时的速度大小 v；(2)电阻 R 产生的焦耳热 Q.功和能在电磁学中的应用，在思路方法上与功和能在力学中的应用一样，都是要分析力，分析物体的运动过程，看过程中有哪些力做功，有哪些能量形式的转化，搞清楚能量的来源与去向，再根据动能定理、功能关系、能的转化与守恒定律列方程求解在知识上，电场方面主要是电场的基本性质、电场强度、电势、电势能以及电场力做功等；磁场方面，主要是安培力、洛伦兹力、安培力做功与能的转化关系、洛伦兹力不做功以及电磁感应中的能量转化等