专题11 电磁感应定律及其应用解析版

《专题11 电磁感应定律及其应用解析版》由会员分享，可在线阅读，更多相关《专题11 电磁感应定律及其应用解析版（17页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第四部分 电磁感应与电路 专题11 电磁感应定律及其应用【讲】讲核心素养一、素养呈现1. 物理观念：感应电流、感应电动势、磁通量、自感、涡流。2. 科学思维：楞次定律、法拉第电磁感应定律 。3. 科学探究：探究断电自感和通电自感的规律。4.科学态度与责任：磁悬浮、电磁阻尼在生产中的应用。 二、素养落实1. 掌握楞次定律、法拉第电磁感应定律，并灵活应用2. 掌握电磁感应中图象的分析技巧3. 做好电磁感应中的电路分析、电源分析、动力学和能量转化分析讲考纲高考命题点命题轨迹情境图楞次定律和法拉第电磁感应定律的应用201520161 卷 19,2 卷 152 卷 20,3 卷 2115(1)19 题

2、15(2)15 题 16(2)20 题D-i)l.W南mm3T46 c： 口201720181 卷 20,3 卷 14201920201 卷 18,2 卷 20,3卷151 卷 17、19,2 卷 18,3卷2017(2)20 题18(1)19 题18(2)18 题18(3)20 题17(3)15 题18(1)17 题16(3)21 题17(1)18 题ur.tOJU.-1； H.fjiIMMXXXX X金属棹电磁感应中动力学问题分析电磁感应中的动力学和能量问题20162020201620201 卷 24,2 卷 243卷243卷251卷2119(1)20 题mm16(3)25 题20(3)1

3、4 题16(1)24 题 16(2)24 题考点一 楞次定律和法拉第电磁感应定律【考点诠释】1判定感应电流方向的两种方法(1) 楞次定律：一般用于线圈面积不变，磁感应强度发生变化的情形(2) 右手定则：一般用于导体棒切割磁感线的情形。2求感应电动势的方法不变时治溜(1) 感生电动势：E=rrrJ不变E=nBt平动切割：E=Blv(2)动生电动势：转动切割：E=*l2o【典例分析1】(多选)(2020济南市高三第一次模拟考试)如图所示，铜圆盘安装在竖直的铜轴上，圆盘处于方向竖直向上的匀强磁场中，电路通过电刷与圆盘的边缘和铜轴接触良好，电源电动势为E,内阻为尸，R为定值电阻。先将开关闭合，待圆盘转

4、速稳定后再断开开关，不计一切摩擦，下列说法正确的是()A. 闭合开关时，从上往下看圆盘逆时针转动B. 闭合开关，转速稳定时，流过圆盘的电流为零C. 断开开关时，a点电势低于b点电势D. 断开开关后，流过定值电阻R的电流方向与原电流方向相反【答案】BC【解析】根据题意可知，铜圆盘中的电流是从轴线流入，从边缘流出，根据左手定则可以判断出，从上往下看 铜圆盘是顺时针转动，A错误。闭合开关转速稳定时，因为圆盘在转动的过程中产生电动势，相当于电源提供 的电流和圆盘转动切割磁感线产生的电流相抵消，铜圆盘不受安培力，其中的电流为零，B正确。断开开关时， 由于惯性，从上往下看铜圆盘仍然是顺时针转动的，根据安培

5、定则可知，铜圆盘的轴心是感应电动势的正极， a 点电势低于b点电势，流过定值电阻R的电流方向与原来的方向相同，C正确，D错误。【典例分析2 侈选）（2020湖北部分重点中学新起点考试）将一根粗细均匀的导线折成如图所示的闭合线框， 线框上C、D连线的左侧是半径为尸的半圆，右侧与C、D连线形成等边三角形。将线框放在光滑水平面上， 其右侧为磁感应强度大小为E、方向垂直水平面向下的匀强磁场（虚线为磁场边界），现用外力拉着线框以速度v 匀速水平向右进入该磁场，且运动过程中C、D连线与磁场边界始终平行，下列说法正确的是（）A. 线框进入磁场的过程中产生的感应电动势不变B. 线框进入磁场的过程中产生的感应电

6、动势先变大后变小2nBrvC. C、D连线到达磁场边界时，C、D两端的电压为鴛4D. C、D连线到达磁场边界时，C、D两端的电压为2Brv【答案】BC【解析】线框进入磁场的过程中，切割磁感线的有效长度先增大后减小，产生的感应电动势先增大后减小，选项A错误，B正确；C、D连线到达磁场边界时，产生的感应电动势E=2Brv，线框导线总长度为L=nr+4r,nr2nBrvc、d两端电压为u=2Brnr工4r=_4，选项c正确，d错误。q= I t=nRT(n：匝数，AO：磁通量变化量，R+r:闭合电路的总电阻)考点二 电磁感应中的图象问题考点诠释】电磁感应中常见的图象问题图象类型(1) 随时间变化的图

7、象，如B t图象、O t图象、Et图象、It图象(2) 随位移变化的图象，如Ex图象、Ix图象(所以要先看坐标轴：哪个物理量随哪个物理量变化要弄清)问题类型(1) 由给定的电磁感应过程选出或画出正确的图象(画图象)(2) 由给定的有关图象分析电磁感应过程，求解相应的物理量(用图象)应用知识四个规律左手定则、安培定则、右手定则、楞次定律六类公式(1) 平均电动势E=nAA(2) 平动切割电动势E=Blv(3) 转动切割电动势已占皿E(4) 闭合电路欧姆定律IR卄(5) 安培力FBIl(6) 牛顿运动定律的相关公式等【典例分析3】(多选)(2020山东学业水平等级考试T12)如图所示，平面直角坐标

8、系的第一和第二象限分别存在磁感应强度大小相等、方向相反且垂直于坐标平面的匀强磁场，图中虚线方格为等大正方形。一位于平面 内的刚性导体框abcde在外力作用下以恒定速度沿尹轴正方向运动(不发生转动)。从图示位置开始计时，4 s末 bc边刚好进入磁场。在此过程中，导体框内感应电流的大小为/, ab边所受安培力的大小为Fab，二者与时间t 的关系图像可能正确的是( )ABCD【答案】BC【解析】第1 s内，ae边切割磁感线，由E=BLv可知，感应电动势不变，导体框总电阻一定，故感应电流一定， 由安培力F=BIL可知ab边所受安培力与ab边进入磁场的长度成正比；第2 s内，导体框切割磁感线的有效长 度

9、均匀增大，感应电动势均匀增大，感应电流均匀增大；第34 s内，导体框在第二象限内切割磁感线的有效 长度保持不变，在第一象限内切割磁感线的有效长度不断增大，但两象限磁场方向相反，导体框的两部分感应 电动势方向相反，所以第2 s末感应电动势达到最大，之后便不断减小，第3 s末与第1 s末，导体框切割磁感 线的有效长度相同，可知第3 s末与第1 s末线框中产生的感应电流大小相等，A项错误，B项正确；但第3 s 末ab边进入磁场的长度是第1 s末的3倍，即ab边所受安培力在第3 s末的大小等于第1 s末所受安培力大小 的 3 倍， C 项正确， D 项错误。【规律总结】图象选择问题的2种处理方法排除法

10、定性地分析电磁感应过程中物理量的变化趋势（增大还是减小）、变化快慢（均匀变化还是非均 匀变化），特别是分析物理量的正负和方向，以排除错误的选项函数法根据题目所给条件定量地写出两个物理量之间的函数关系，然后由函数关系对图象进行分析 和判断【典例分析4】(多选)(2020山东等级考12月模拟)竖直放置的长直密绕螺线管接入如图甲所示的电路中，螺线管中通有顺时针方向(俯视)的电流，电流大小按图乙所示的规律变化。螺线管内中间位置固定有一水平放置的硬质闭合金属小圆环(未画出)，圆环轴线与螺线管轴线重合。下列说法正确的是()甲乙A. t=4时刻，小圆环有扩张的趋势B. t=4时刻，小圆环有收缩的趋势c. t

11、=4和 t=时刻，小圆环内的感应电流大小相等d. t=时刻，俯视时小圆环内有逆时针方向的感应 电流【答案】BC【解析】由题图乙可知，0f时间内，螺线管中的电流均匀增大，由安培定则可判断出螺线管中产生的磁场方 向向下且磁感应强度逐渐增大，故小圆环中磁通量增加，由楞次定律可知，小圆环有收缩的趋势，选项B正确， a错误；2厂时间内，螺线管中的电流均匀减小，由安培定则可判断出螺线管中产生的磁场方向向下且磁感应 强度逐渐减小，故小圆环中磁通量减少，由楞次定律可知，俯视时小圆环内产生顺时针方向的感应电流，选项 d错误；t=4时刻和t=时刻，螺线管中电流变化率大小相等，故小圆环中磁通量变化率相等，根据法拉第

12、电 磁感应定律知，小圆环内产生的感应电动势大小相等，由闭合电路欧姆定律可知，小圆环内的感应电流大小相 等，选项 C 正确。【规律总结】图象应用的3 个关注(1) 关注图象所描述的物理意义；明确各种“”“”的含义；(2) 关注变化过程，看电磁感应发生的过程分为几个阶段，这几个阶段是否和图象变化相对应，一般进入磁场或 穿出磁场，磁通量最大或最小，有效切割长度最大或最小等是分段的关键点。(3) 关注大小、方向的变化趋势，看图线斜率的大小、图线的曲直是否和物理过程对应。考点三 电磁感应中力电综合问题【考点诠释】一电磁感应中的动力学问题1两种状态及处理方法状态特征处理方法平衡态加速度为零根据平衡条件列式

13、分析非平衡态加速度不为零根据牛顿第二定律进行动态分析或结合功能关系进行分析2力学对象和电学对象的相互关系二电磁感应中的能量问题1电磁感应中的能量转化2求解焦耳热 Q 的三种方法3求解电磁感应现象中能量问题的一般步骤(1) 在电磁感应中，切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路将产生感应电动势，该导体或回路就相当于电源。(2) 分析清楚有哪些力做功，就可以知道有哪些形式的能量发生了相互转化。(3) 根据能量守恒列方程求解。三动量观点在电磁感应问题中的应用1对于两导体棒在平直的光滑导轨上运动的情况，如果两棒所受的外力之和为零，则考虑应用动量守恒定律处理问题；2.由B ILM=mZ q= I At可知

14、，当题目中涉及电荷量或平均电流时，可应用动量定理来解决问题。【典例分析5】(2020滨州市重点中学高考模拟考试)如图所示，光滑导轨MN和PQ固定在竖直平面内，导轨 间距为L,两端分别接有阻值均为R的定值电阻R1和R2。两导轨间有一边长为!的正方形区域abed，该区域内 有磁感应强度大小为B,方向垂直纸面向里的匀强磁场。一质量为m的金属杆与导轨相互垂直且接触良好，从 ab 处由静止释放，若金属杆离开磁场前已做匀速运动，其余电阻均不计。求：(1) 金属杆离开磁场前的瞬间流过R的电流大小和方向;(2) 金属杆离开磁场时速度的大小 ；(3) 金属杆穿过整个磁场过程中电阻R1上产生的焦耳热。【题眼点拨】

15、“离开磁场前已做匀速运动”表明此时安培力与重力平衡。“边长为L的正方形区域”表明导体棒切割的有效长度为L。【答案】(1席，方向从P到M (2驚(3晋一噓2【解析】(1)设流过金属杆中的电流为/,由平衡条件得mg=BL，解得/=鲁 所以r1中的电流大小i=2=mg,方向从p到m。(2) 设金属杆匀速运动时的速度为v由 E=vRE=IR得v=2mgRB2L2L 1(3) mg2 = Q+2mv2 得 Q_mgL_2m3g2R2 得 Q_ 2 _ B4L4Ri上产生的焦耳热为mgL_ 4m3g2R2B4L4【典例分析6】(2020马鞍山市质检)如图甲所示，有一竖直方向的匀强磁场区域，磁场方向垂直纸面

16、向里，区 域的上下边缘间距为H_85 cm,磁感应强度B随时间t的变化关系如图乙所示。有一长L1_20 cm、宽L2_10 cm、匝数n_5的矩形线圈，其总电阻R_0.2 Q、质量m_0.5 kg, 在 t_0时刻，线圈从离磁场区域的上边缘 高为h_5 cm处由静止开始下落，0.2 s时线圈刚好全部进入磁场，0.5 s时线圈刚好开始从磁场中出来。不计空 气阻力，重力加速度g取10 m/s2。求：甲乙(1) 线圈穿过磁场区域所经历的时间t；(2) 线圈穿过磁场区域产生的热量Q。【答案】(1)0.425 s (2)1.042 J【解析】(1)设线圈做自由落体运动的末速度为V,则V2_2gh,得 v

17、_ 1 m/sh=2gt，得 t = 0.1 sE进入磁场时，Ei=nBLiVi，/= rR, FAi=nBJiLi 得 FA1 = 5 N,即 FA1=mg线圈匀速进入磁场， L2= v1t2得 t2 = 0.1 s之后线圈向下做匀加速运动，运动d=HL2=0.75 m后，线圈的下边刚好到达磁场的下边缘 有 vv2=2gd，得 v2=4 m/s由 v2v1=gt3，得 t3 = 0.3 sE出磁场时，E2 = nB2LiV2, I2= R2，FA2 = nB2I2L1得 FA2=5 N,即 FA2=mg 线圈匀速出磁场， L2=v2t4得 t4=0.025 s因此线圈穿过磁场区域所经历的时间

18、t=t2t3t4=0.425 s。(2)线圈进出磁场过程均做匀速运动，该过程中线圈产生的热量Q=mg2L2=1.0 JAB整个线圈在磁场中运动时，E3=nL帀AB=5A?=3T/sQ2=t3=24 J-0.042 J因此全过程产生的总热量Q=Q1+Q2= 1.042 Jo【典例分析7】(2020马鞍山二模)两根足够长的固定的平行金属导轨位于同一水平面内，两导轨间的距离为L，导轨上放置两根导体棒a和b,俯视图如图甲所示。两根导体棒的质量均为加，电阻均为人，回路中其余部分 的电阻不计，在整个导轨平面内，有磁感应强度大小为B的竖直向上的匀强磁场。导体棒与导轨始终垂直接触 良好且均可沿导轨无摩擦地滑行

19、，开始时，两棒均静止，间距为，现给导体棒a一水平向右的初速度，并 开始计时，可得到如图乙所示的Av t图象(Av表示两棒的相对速度，即Av=va-vb)甲乙(1) 试证明：在0t2时间内，回路产生的焦耳热Q与磁感应强度B无关。(2) 求 t1 时刻棒 b 的加速度大小。(3) 求 t2 时刻两棒之间的距离。【答案】(i)见解析尙 xo+ms【解析】 (1)t2 时刻开始，两棒速度相等，由动量守恒定律有2mv=mv0由能量守恒定律有Q=*mvo2(2m)v2解得Q=|mvo所以在 0t2 时间内，回路产生的焦耳热 Q 与磁感应强度 B 无关。(2)t1 时刻有 vavb=v0E回路中的电流I=2

20、RBLv BLv,ab2R此时棒 b 所受的安培力 F=BIL由牛顿第二定律得棒 b 的加速度大小=F B2L2vo ai m 4mR。(3) t2时刻，两棒速度相同，均为v=V20 0t2时间内，对棒b,由动量定理有B I LAt=mv0根据法拉第电磁感应定律有E =AtE根据闭合电路欧姆定律有I=云 而 A=BAS=BL(xx0)mv R 解得t2时刻两棒之间的距离x=x0+。【典例分析 8】某研学小组设计了一个辅助列车进站时快速刹车的方案。如图所示，在站台轨道下方埋有一励 磁线圈，通电后形成竖直方向的磁场(可视为匀强磁场)。在车身下方固定一矩形线框，利用线框进入磁场时所 受的安培力，辅助

21、列车快速刹车。已知列车的总质量为m,车身长为s,线框的短边ab和cd分别安装在车头和 车尾，长度均为L(L小于匀强磁场的宽度)，整个线框的电阻为-。站台轨道上匀强磁场区域足够长，车头进入 磁场瞬间的速度为v0,假设列车停止前所受铁轨及空气阻力的合力恒为/。已知磁场的磁感应强度的大小为B， 车尾进入磁场瞬间，列车恰好停止。求列车车头刚进入磁场瞬间线框中的电流大小I和列车的加速度大小a；(2) 求列车从车头进入磁场到停止所用的时间t；(3) 请你评价该设计方案的优点和缺点(优、缺点至少写一种)。则车站台答案】见解析【解析】(1)车头进入磁场时线框ab边切割磁感线，有E=BLv0E线框中的电流为i=

22、eBLv联立以上两式可得BBR0 线框所受的安培力为F安=恥由牛顿第二定律可得F 安 f=ma 联立各式可得a=BLm严(2)以列车前进速度方向为正方向，由动量定理可得联立各式可得t=mv0RB2L2sfR(3) 该方案的优点：利用电磁阻尼现象辅助刹车，可以使列车的加速度平稳减小；可以减小常规刹车的机械磨损。该方案的缺点：没有考虑列车车厢和内部线路等也是金属材质，进入磁场时会产生涡流对设备产生不良影响 励磁线圈也需要耗能；线框固定在列车上增加负载且容易出现故障。规律总结】力电综合问题的分析思路“时 的分靳lLn 的侍外力用翟枪第堆磯恢应定誥或間询确 定懑应电动勢的犬小用楞捉定押谨右下定则 判断感应i 11动势的方向券：的一分析研究过理中龍忻转化关系.刘方程求感应ftl流上音为折对象愛力 -曲等效电路禺确足戲粧规举安坍力F=BIL -运动状态抑連度a踏円的” .分析.判断运动性瓯