高考物理创新方案 （人教） 电磁感应规律的综合应用

欢迎进入物理课堂 电磁感应规律的综合应用 一 电磁感应中的电路问题1 内电路和外电路 1 切割磁感线运动的导体或磁通量发生变化的线圈都相当于 2 该部分导体的电阻或线圈的电阻相当于电源的 其余部分是电路 电源 内阻 外 二 电磁感应现象中的力学问题1 基本方法 1 用法拉第电磁感应定律和楞次定律求的大小和方向 2 由闭合电路欧姆定律求回路中的 3 分析导体受力情况 包含安培力在内的全面受力分析 4 根据平衡条件或牛顿第二定律列方程 感应电动势 电流 2 两种状态处理 1 导体处于平衡态 静止或匀速直线运动状态 处理方法 根据列式分析 2 导体处于非平衡态 加速度不为零 处理方法 根据定律进行动态分析 或结合功能关系分析 平衡条件 牛顿第二 三 电磁感应中的能量转化问题电磁感应过程是能量转化为的过程 这一过程同样遵循能的转化与守恒定律 其中外力克服安培力做功 把机械能或其他能量转化成电能 感应电流通过电阻做功又把电能转化成内能 这一功能转化途径可表达为 其他形式 电能 四 电磁感应图象问题 特别提醒 1 画图象时要注意图象的初始条件及正方向规定 2 合理推导物理量的变化规律 标注纵横坐标 特别是转折点的坐标 1 如图9 3 1所示 两根相距为l的平行直导轨ab cd b d间连有一固定电阻R 导轨电阻可忽略不计 MN为放在ab和cd上的一导体杆 与ab垂直 其电阻也为R 整个装置处于匀强磁场中 磁感应强度的大小为B 磁场方向垂直于导轨所在平面 指向图中纸面内 现对MN施力使它沿导轨方向以速度v做匀速运动 令U表示MN两端电压的大小 则 答案 A 2 如图9 3 2所示 ab和cd是位于水平面内的平行金属轨道 轨道间距为l 其电阻可忽略不计 ac之间连接一阻值为R的电阻 ef为一垂直于ab和cd的金属杆 它与ab和cd接触良好并可沿轨道方向无摩擦地滑动 其电阻可忽略 整个装置处在匀强磁场中 磁场方向垂直于图中纸面向里 磁感应强度为B 当施外力使杆ef以速度v向右匀速运动时 杆ef所受的安培力为 答案 A 3 如图9 3 3所示 固定在水平绝缘平面上足够长的金属导轨不计电阻 但表面粗糙 导轨左端连接一个电阻R 质量为m的金属棒ab 电阻也不计 放在导轨上 并与导轨垂直 整个装置放在匀强磁场中 磁场方向与导轨平面垂直 用水平恒力F把ab棒从静止起向右拉动的过程中 A 恒力F做的功等于电路产生的电能B 恒力F和摩擦力的合力做的功等于电路中产生的电能C 克服安培力做的功大于电路中产生的电能D 恒力F和摩擦力的合力做的功等于电路中产生的电能和棒获得的动能之和 解析 在此运动过程中做功的力有拉力 摩擦力和安培力 三力做功之和为棒ab动能的增加量 其中安培力做功将机械能转化为电能 故选项D是正确 答案 D 4 如图9 3 4所示 水平放置的导体框架 宽L 0 50m 接有电阻R 0 20 匀强磁场垂直框架平面向里 磁感应强度B 0 40T 一导体棒ab垂直框边跨放在框架上 并能无摩擦地在框架上滑动 框架和导体棒ab的电阻均不计 当ab以v 4 0m s的速度向右匀速滑动时 求 1 ab棒中产生的感应电动势大小 2 维持导体棒ab做匀速运动的外力F的大小 答案 1 0 80V 2 0 80N 典例启迪 例1 2011 黄山模拟 如图9 3 5所示 在竖直方向的磁感应强度为B的匀强磁场中 金属框架ABCD固定在水平面内 AB与CD平行且足够长 BC与CD夹角 90 光滑导体棒EF 垂直于CD 在外力作用下以垂直于自身的速度v向右匀速运动 框架中的BC部分与导体棒单位长度的电阻均为R AB与CD的电阻不 计 导体棒在滑动过程中始终保持与导轨良好接触 经过C点瞬间作为计时起点 下列关于电路中电流大小I与时间t 消耗的电功率P与导体棒水平移动的距离x变化规律的图象中正确的是 A B C D 图9 3 6 思路点拨 解答本题时应注意以下三个方面 1 导体棒在BC上运动时回路中的电阻值和切割磁感线的有效长度均是变化的 2 推导I和P的表达式 再做出判断 答案 C 归纳领悟 解决图象问题的一般步骤 1 明确图象的种类 即是B t图还是 t图 或者E t图 I t图等 2 分析电磁感应的具体过程 3 用右手定则或楞次定律确定方向对应关系 4 结合法拉第电磁感应定律 欧姆定律 牛顿定律等规律写出函数关系式 5 根据函数关系式 进行数学分析 如分析斜率的变化 截距等 6 判断图象 或画图象或应用图象解决问题 题组突破 1 在竖直向上的匀强磁场中 水平放置一个不变形的单匝金属圆线圈 规定线圈中感应电流的正方向如图9 3 7甲所示 当磁场的磁感应强度B随时间t做如图乙所示变化时 图9 3 8中正确表示线圈中感应电动势E变化的是 答案 A 2 如图9 3 9中 MN和PQ是两根互相平行竖直放置的光滑金属导轨 已知导轨足够长 且电阻不计 ab是一根不但与导轨垂直而且始终与导轨接触良好的金属杆 开始 将开关S断开 让杆ab由静止开始自由下落 过段时间后 再将S闭合 若从S闭合开始计时 则金属杆ab的速度v随时间t变化的图象不可能是 答案 B 典例启迪 例2 如图9 3 11 a 所示 水平放置的两平行金属导轨 间距L 0 3m 导轨左端连接R 0 6 的电阻 区域abcd内存在垂直于导轨平面B 0 6T的匀强磁场 磁场区域宽D 0 2m 细金属棒A1和A2用长为2D 0 4m的轻质绝缘杆连接 放置在导轨平面上 并与导轨垂直 每根金属棒在导轨间的电阻均为r 0 3 导轨电阻不计 使金属棒以恒定速度v 1 0m s沿导轨向右穿越磁场 计算从金属棒A1进入磁场 t 0 到A2离开磁场的时间内 不同时间段通过电阻R的电流 并在图 b 中画出 思路点拨 解答本题时应注意以下三个方面 1 不同阶段的等效电路 2 电流的方向及变化 3 各阶段电流对应的时间 电流与时间的关系图象如图所示 答案 见解析 归纳领悟 首先判断哪部分导体产生感应电动势 该部分导体属于电源部分 根据法拉第电磁感应定律计算出感应电动势的大小 然后转化为电路问题 利用闭合电路欧姆定律进行求解 解决电磁感应电路问题的关键是弄清内电路和外电路 画出等效电路图 题组突破 3 用均匀导线做成的正方形线框边长为0 2m 正方形的一半放在垂直于纸面向里的匀强磁场中 如图9 3 12所示 当磁场以10T s的变化率增强时 线框中a b两点间的电势差是 A Uab 0 1VB Uab 0 1VC Uab 0 2VD Uab 0 2V 答案 B 答案 D 典例启迪 例3 2010 天津高考 如图9 3 14所示 质量m1 0 1kg 电阻R1 0 3 长度l 0 4m的导体棒ab横放在U型金属框架上 框架质量m2 0 2kg 放在绝缘水平面上 与水平面间的动摩擦因数 0 2 相距0 4m的MM NN 相互平行 电阻不计且足够长 电阻R2 0 1 的MN垂直 于MM 整个装置处于竖直向上的匀强磁场中 磁感应强度B 0 5T 垂直于ab施加F 2N的水平恒力 ab从静止开始无摩擦地运动 始终与MM NN 保持良好接触 当ab运动到某处时 框架开始运动 设框架与水平面间最大静摩擦力等于滑动摩擦力 g取10m s2 1 求框架开始运动时ab速度v的大小 2 从ab开始运动到框架开始运动的过程中 MN上产生的热量Q 0 1J 求该过程ab位移x的大小 思路点拨 当MN受到的安培力达到框架受地面的最大静摩擦力时 框架开始运动 拉力F所做的功一部分转化为导体棒ab的动能 一部分转化为回路中的焦耳热 答案 1 6m s 2 1 1m 归纳领悟 1 运动的动态结构 2 能量转化特点 3 安培力在不同情况下的作用 当磁场不动 导体做切割磁感线的运动时 导体所受安培力与导体运动方向相反 此即电磁阻尼 在这种情况下 安培力对导体做负功 即导体克服安培力做功 将机械能转化为电能 进而转化为焦耳热 当导体开始时静止 磁场 磁体 运动时 由于导体相对磁场向相反方向做切割磁感线运动而产生感应电流 进而受到安培力作用 这时安培力成为导体运动的动力 此即电磁驱动 在这种情况下 安培力做正功 电能转化为导体的机械能 题组突破 5 水平放置的光滑导轨上放置一根长为L 质量为m的导体棒ab ab处在磁感应强度大小为B 方向如图9 3 15所示的匀强磁场中 导轨的一端接一阻值为R的电阻 现使ab在水平恒力F作用下由静止沿垂直于磁场的方向运动 当通过位移为x时 ab达到最大速度v 此时撤去外力 最后ab静止在导轨上 在ab运动的整个过程中 下列说法正确的是 答案 D 6 如图9 3 16所示 边长为L的正方形导线框质量为m 由距磁场H高处自由下落 其下边ab进入匀强磁场后 线圈开始做减速运动 直到其上边cd刚刚穿出磁场时 速度减为ab边刚进入磁场时的一半 磁场的宽度也为L 则线框穿越匀强磁场过程中发出的焦耳热为 答案 C 8分 t 0时 磁场在xOy平面内的分布如图9 3 17所示 其磁感应强度的大小均为B0 方向垂直于xOy平面 相邻磁场区域的磁场方向相反 每个同向磁场区域的宽度均为L0 整个磁场以速度v沿x轴正方向匀速运动 若在磁场所在区间内放置一由n匝线圈组成的矩形线框abcd 线框的bc边平行于x轴 bc LB ab L LB略大于L0 总电阻为R 线框始终保持静止 求 1 线框中产生的总电动势大小和导线中的电流大小 2 线框所受安培力的大小和方向 自主尝试 试一试 能否做到正确解答 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全