高考物理一轮复习 第9单元 电磁感应课件

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1、PPT第9单元 主编ppt第1单元 主编物理13KA物理-XKB-R-QG 第1讲电磁感应楞次定律 知识建构模块建构技能建构【考纲要求】【考情总结】【备考建议】模块建构知识建构技能建构1.电磁感应现象2.磁通量 3.法拉第电磁感应定律 4.楞次定律 5.自感.涡流 1.命题频率较高的知识点有:感应电流的产生条件、方向判断和感应电动势的计算;电磁感应现象与磁场、电路、力学、能量等知识相联系的综合题及感应电流(或感应电动势)的图象问题,在高考中时常出现.2.在高考中题型全面,有选择题和计算题,选择题多为较简单的题目,计算题难度较大,区分度高,能很好地考查学生的综合能力.预计本章内容在2013年的高

2、考中考查可能有如下方面:判断感应电流的有无、方向及感应电动势计算仍是高考的热点,尤其是以图象的形式考查.力学和电学知识相结合且涉及能量转化与守恒的电磁感应类考题将继续充当具有选拔性功能的压轴题.与新技术、新信息、新材料相结合的题目是今后的命题趋势.模块建构知识建构技能建构 一、磁通量1.概念:穿过某一面积磁感线的条数,大小等于磁感应强度B、截面面积S和两者夹角的正弦的乘积.2.公式:=BSsin (指B与S的夹角)模块建构知识建构技能建构4. 磁通量的变化:=2-1 二、电磁感应现象3.标量,有正负之分,单位:韦伯(Wb)1.电磁感应现象:只要穿过闭合回路的磁通量发生变化,闭合回路中就有电流产

3、生,这种利用磁场产生电流的现象叫做电磁感应.产生的电流叫做感应电流.模块建构知识建构技能建构3.磁通量变化的常见情况 (改变的方式):线圈所围面积发生变化,闭合电路中的部分导线做切割磁感线运动导致变化,其实质也是B不变而S增大或减小;线圈在磁场中转动导致变化,线圈面积与磁感应强度二者之间夹角发生变化,如匀强磁场中转动的矩形线圈就是典型;磁感应强度随时间(或位置)变化,磁感应强度是时间的函数;或闭合回路变化导致变化.2.产生感应电流的条件:闭合回路中磁通量发生变化模块建构知识建构技能建构4.电磁感应现象的实质:产生感应电动势.无论回路是否闭合,只要穿过线圈的磁通量发生变化,线圈中就有感应电动势产

4、生,产生感应电动势的那部分导体相当于电源. 三、感应电流方向的判定模块建构知识建构技能建构(1)内容:伸开右手,使拇指跟其余的四指垂直且与手掌都在同一平面内,让磁感线垂直穿过手心,手掌所在平面跟磁感线和导线所在平面垂直,大拇指指向导线运动的方向,四指所指的方向即为感应电流方向(电源).1.右手定则模块建构知识建构技能建构2.楞次定律(2)适用范围:导体棒切割磁感线产生感应电流方向的判断(1)内容:感应电流具有这样的方向,即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化.(2)适用范围:一切情况下感应电流方向的判断模块建构知识建构技能建构(3)对“阻碍”的理解注意“阻碍”不是阻止,这里是阻而未

5、止.阻碍磁通量变化指:磁通量增加时,阻碍增加(感应电流的磁场和原磁场方向相反,起抵消作用);磁通量减少时,阻碍减少(感应电流的磁场和原磁场方向一致,起补偿作用),简称“增反减同”.楞次定律另一种表达:感应电流的效果总是要阻碍(或反抗)产生感应电流的原因.(F安方向就起到阻碍的效果作用)即由电磁感应现象而引起的一些受力、相对运动、磁场变化等都有阻碍原磁通量变化的趋势.a.阻碍原磁通量的变化或原磁场的变化;b.阻碍相对运动,可理解为“来拒去留”;模块建构知识建构技能建构c.使线圈面积有扩大或缩小的趋势;d.阻碍原电流的变化.有时应用这些推论解题,比用楞次定律本身更方便.模块建构知识建构技能建构(4

6、)应用楞次定律的一般步骤基本思路可归结为:“一原、二感、三电流”.明确闭合回路中引起感应电流的原磁场方向如何;确定原磁场穿过闭合回路中的磁通量如何变化(是增还是减);根据楞次定律确定感应电流磁场的方向;再利用安培定则,根据感应电流磁场的方向来确定感应电流的方向.模块建构知识建构技能建构1.(2012年怀柔一模)如图所示,磁带录音机既可用作录音,也可用作放音,其主要部件为可匀速行进的磁带a和绕有线圈的磁头b,不论是录音还是放音过程,磁带或磁头软铁都会存在磁化现象.下列关于录音、放音过程中主要工作原理的描述,正确的是( )A.放音和录音的主要原理都是电磁感应B.放音和录音的主要原理都是磁场对电流的

7、作用C.放音的主要原理是电磁感应,录音的主要原理是电流的磁效应D.录音的主要原理是电磁感应,放音的主要原理是电流的磁效应模块建构知识建构技能建构【答案】C【解析】录音机录音时是变化的电流产生变化的磁场引起磁带上磁粉的重新分布,是利用电流的磁效应,放音时磁粉磁场的变化引起感应电流的变化,是利用了电磁感应,C对.模块建构知识建构技能建构2.(2012年北京东城一模)如图所示,正方形闭合导线框处在磁感应强度恒定的匀强磁场中,C、E、D、F为线框中的四个顶点,图甲中的线框绕E点转动,图乙中的线框向右平动,磁场足够大.下列判断正确的是( )A.图甲线框中有感应电流产生,C点电势比D点低B.图甲线框中无感

8、应电流产生,C、D两点电势相等模块建构知识建构技能建构C.图乙线框中有感应电流产生,C点电势比D点低D.图乙线框中无感应电流产生,C、D两点电势相等【解析】线框绕E点转动和向右平动,都没有磁通量的变化,无感应电流产生,由右手定则,图甲线框中C、D两点电势相等,则A错B对;图乙线框中C点电势比D点高,则C、D都错.【答案】B模块建构知识建构技能建构3.如图所示,匀强磁场的磁感应强度为B、方向与水平面间的夹角为30,图中实线位置有一面积为S的矩形线圈处于磁场中,并绕着它的一条边从水平位置转到竖直位置(图中虚线位置).在此过程中磁通量的改变量大小为( )A.BS B.BSC.BS D.2BS【解析】

9、取线圈在水平位置时穿过线圈的磁通量为正,则有:1=BSsin 30=BS当线圈处于竖直位置时,磁感线从线圈另一面穿过,则磁通量为:31231212模块建构知识建构技能建构2=-BScos 30=-BS故线圈中的磁通量的改变量=2-1=-BS即改变量大小|=BS.【答案】C32312312模块建构知识建构技能建构4.(2012年广东佛山一模)如图所示,质量为m的铜质小闭合线圈静置于粗糙水平桌面上.当一个竖直放置的条形磁铁贴近线圈,沿线圈中线由左至右从线圈正上方等高、快速经过时,线圈始终保持不动.则关于线圈在此过程中受到的支持力FN和摩擦力f的情况,以下判断正确的是( )A.FN先大于mg ,后小

10、于mgB.FN一直大于mgC.f先向左,后向右D.f一直向左模块建构知识建构技能建构【解析】条形磁铁从线圈正上方快速经过时,线圈的磁通量先增后减.由楞次定律,磁通量增加,在竖直方向上线圈有向下运动的趋势,水平方向上有向右运动的趋势;磁通量减小,在竖直方向上线圈有向上运动的趋势,水平方向上有向右运动的趋势,则A、D正确.【答案】AD模块建构知识建构技能建构一、磁通量、磁通量的变化量的计算模块建构知识建构技能建构 例1如图所示,a、b、c三个闭合的线圈放在同一平面内,当a线圈中有电流通过时,它们的磁通量分别为a、b、c,则下列说法正确的是( )A.abbc C.accb 【名师点金】磁通量虽是标量

11、,但有正负,计算时要考虑磁感线是穿进,还是穿出的.模块建构知识建构技能建构【规范全解】通电后a线圈相当于一条形磁铁,其等效的N极垂直纸面向外,条形磁铁内部的所有磁感线都通过a线圈,条形磁铁外部的磁感线,一部分通过a、b线圈之间,一部分通过b、c线圈之间,还有一部分通过c线圈外面,线圈b、c的磁通量是进出磁感线的净磁通,所以abc.【答案】B模块建构知识建构技能建构(1)若磁感线沿相反方向通过同一平面,则磁通量在数值上等于正、反磁感线的代数和,这就是所谓的净磁通.方法概述磁通量的计算要注意:模块建构知识建构技能建构(2)当B与S间存在夹角时,要用有效的面积计算磁通量.所谓有效面积,是指面积在与磁

12、感应强度B垂直的方向上的投影.变式训练1如图所示,ab是水平面上一个圆的直径,在过ab的竖直平面内有一根通电导线cd.已知cd平行于ab,当cd竖直向上平移时,电流的磁场穿过圆面积的磁通量将( )A.逐渐增大B.逐渐减小C.始终为零D.不为零,但保持不变模块建构知识建构技能建构【规范全解】由于圆ab是关于过导线cd的竖直平面对称,cd产生的磁场的磁感线只要穿进圆ab,就一定穿出圆ab,则圆的磁通量始终为零.【答案】C模块建构知识建构技能建构 例2如图所示,闭合矩形线圈abcd与长直导线MN在同一平面内,线圈的ab、dc两边与直导线平行,则导线中通正弦交流电线框向下平动线框向右平动线框以长直导线

13、MN为轴转动线框以ab为轴转动线框以ad为轴转动上述情况会产生感应电流的是( )A.只有会产生 B.只有会产生C.只有会产生 D.都会产生二、电磁感应现象条件的探究【名师点金】磁通量 =BSsin ,当B、S或B与S夹角至少一个量发生变化,磁通量就可能变化,引起感应电流.模块建构知识建构技能建构【规范全解】导线中通正弦交流电和线框向右平动,引起磁场的变化,磁通量变化;线框以ab为轴转动和以ad为轴转动,既改变了磁场的大小,还改变了磁场与线框平面的夹角,引起磁通量变化;所以产生感应电流的有.【答案】B方法概述在分析电磁感应现象问题时要特别注意以下几点:在一个闭合回路中不管它以哪种方式变化,只要穿

14、过回路的磁通量发生变化,回路中就一定有感应电动势产生;回路中产生了电动势后回路中是否有电流还要看回路是否闭合.模块建构知识建构技能建构 例3如图所示,甲、乙两个矩形线圈同处在纸面内,甲的ab边与乙的cd边平行且靠得较近,甲、乙两线圈分别处在垂直纸面方向的匀强磁场中,穿过甲的磁感应强度为B1,方向指向纸面内,穿过乙的磁感应强度为B2,方向指向纸面外,两个磁场可同时变化,当发现ab边和cd边间有排斥力时,磁场的变化情况可能是( )A.B1变小,B2变大B.B1变大,B2变大三、楞次定律或右手定则的综合应用模块建构知识建构技能建构C.B1变小,B2变小D.B1不变,B2变小【名师点金】从“ab边和c

15、d边间有排斥力”作为解题的切入点,得到电流方向关系,然后根据楞次定律分析.模块建构知识建构技能建构【规范全解】ab边与cd边有斥力,则两边通过的电流方向一定相反,由楞次定律可知,当B1变小,B2变大时,ab边与cd边中的电流方向相反.【答案】A方法概述楞次定律应用的基本思路可归结为:“一原、二感、三电流”.明确闭合回路中引起感应电流的原磁场方向如何;确定原磁场穿过闭合回路中的磁通量如何变化(是增还是减);根据楞次定律确定感应电流磁场的方向;再利用安培定则,根据感应电流磁场的方向来确定感应的电流方向.模块建构知识建构技能建构变式训练2如图所示,同一平面内的三条平行导线串有两个电阻R和r,导体棒P

16、Q与三条导线接触良好;匀强磁场的方向垂直纸面向里.导体棒的电阻可忽略不计.当导体棒向左滑动时,下列说法正确的是( )A.流过R的电流为由d到c,流过r的电流为由b到aB.流过R的电流为由c到d,流过r的电流为由b到a模块建构知识建构技能建构C.流过R的电流为由d到c,流过r的电流为由a到bD.流过R的电流为由c到d,流过r的电流为由a到b模块建构知识建构技能建构【规范全解】本题考查右手定则的运用.根据右手定则,可判断PQ作为电源,Q端的电势高,在PQcd回路中,电流为逆时针方向,即流过R的电流为由c到d;在电阻r的回路中,电流为顺时针方向,即流过r的电流为由b到a.当然也可以用楞次定律,通过回

17、路的磁通量的变化来判断电流的方向.【答案】B模块建构知识建构技能建构高考真题1 (2008年高考海南物理卷)法拉第通过精心设计的一系列实验,发现了电磁感应定律,将历史上认为各自独立的学科“电学”与“磁学”联系起来.在下面几个典型的实验设计思想中,所作的推论后来被实验否定的是( )A.既然磁铁可使近旁的铁块带磁,静电荷可使近旁的导体表面感应出电荷,那么静止导线上的稳恒电流也可在近旁静止的线圈中感应出电流B.既然磁铁可在近旁运动的导体中感应出电动势,那么稳恒电流也可在近旁运动的线圈中感应出电流C.既然运动的磁铁可在近旁静止的线圈中感应出电流,那么静止的磁铁也可在近旁运动的导体中感应出电动势模块建构

18、知识建构技能建构【命题分析】电磁感应现象是物理主干知识点,物理学史是近几年高考热点之一,两点结合在一起考查,体现高考考查“重视基础、重视学科思想”等命题思想.D.既然运动的磁铁可在旁的导体中感应出电动势,那么运动导线上的稳恒电流也可在近旁的线圈中感应出电流模块建构知识建构技能建构【规范全解】磁铁可使近旁的铁块磁化带磁,静电荷可使近旁的导体引起静电感应带电,但静止的稳恒电流,其磁场不变,不会使静止的线圈磁通量发生变化而产生感应电流,所以A项被实验否定,答案应为A;除此之外,磁铁可使运动的导体切割磁感线产生感应电动势,稳恒电流尽管磁场不变,但运动的线圈磁通量会变化,同样运动导线上的稳恒电流也会使线

19、圈磁通量变化,综上所述B、C、D都被实验所证实是正确的.【答案】A【解析提示】线圈中是否有感应电流,关键在于转化为“磁通量变化”的分析判断.模块建构知识建构技能建构考向预测1 假如有一宇航员登月后,想探测一下月球表面是否有磁场,他手边有一只灵敏电流表和一个小线圈,则下列推断正确的是( )A.直接将电流表放于月球表面,看是否有示数来判断磁场的有无B.将电流表与线圈组成闭合回路,使线圈沿某一方向运动,如电流表无示数,则可判断月球表面无磁场C.将电流表与线圈组成闭合回路,使线圈沿某一方向运动,如电流表有示数,则可判断月球表面有磁场D.将电流表与线圈组成闭合回路,使线圈在某一平面内沿各个方向运动,如电

20、流表无示数,则可判断月球表面无磁场模块建构知识建构技能建构生改变时,回路中有感应电流产生,A中即使有一个恒定的磁场,也不会有示数,A错误;同理,将电流表与线圈组成回路,使线圈沿某一方向运动,如电流表无示数,也不能判断出没有磁场,因为磁通量可能是恒定的,B错误;电流表有示数则说明一定有磁场,C正确;将电流表与线圈组成闭合回路,使线圈在某一个与磁场平行的平面内沿各个方向运动,也不会有示数,D错误.【答案】C【解析】电磁感应现象产生的条件是:穿过闭合回路的磁通量发模块建构知识建构技能建构高考真题2 (2009年高考浙江理综卷)如图所示,在磁感应强度大小为B、方向竖直向上的匀强磁场中,有一质量为m、阻

21、值为R的闭合矩形金属线框abcd用绝缘轻质细杆悬挂在O点,并可绕O点摆动.金属线框从右侧某一位置静止开始释放,在摆动到左侧最高点的过程中,细杆和金属框平面始终处于同一平面,且垂直纸面.则线框中感应电流的方向是( )A.abcdaB.dcbadC.先是dcbad,后是abcdaD.先是abcda,后是dcbad模块建构知识建构技能建构【解析提示】运用楞次定律判定感应电流方向的重点需抓住“一个变化、二个磁场”:“一个变化”即磁通量的变化情况是增加还是减少;“二个磁场”即原磁场和感应磁场,根据楞次定律中的“阻碍”原则(即“增反减同”),确定两磁场的方向关系,再运用安培定则判断出感应电流方向.【命题分

22、析】楞次定律是近年来高考的热点之一,本题对学生的空间想象能力和分析推理能力要求较高,区分度较好.模块建构知识建构技能建构【规范全解】金属线框从右侧某一位置静止开始释放,在摆动到竖直位置的过程中:磁场自abcd的右侧面穿出,摆动过程中磁通量在减少,根据右手定则得电流的方向为dcbad;金属线框竖直位置在摆动到左侧最高点的过程中,根据右手定则不难得出感应电流的方向也为dcbad.【答案】B模块建构知识建构技能建构考向预测2 (2011年上海金山期末)如图所示,一根条形磁铁从左向右靠近闭合金属环的过程中,环中的感应电流(自左向右看)( )A.沿顺时针方向B.先沿顺时针方向后沿逆时针方向C.沿逆时针方

23、向D.先沿逆时针方向后沿顺时针方向模块建构知识建构技能建构通量一直增加,根据楞次定律,环中的感应电流(自左向右看)为逆时针方向,C对.【答案】C【解析】条形磁铁从左向右靠近闭合金属环的过程中,向右的磁模块建构知识建构技能建构第2讲法拉第电磁感应定律知识建构技能建构1.概念:在电磁感应现象中产生的电动势叫感应电动势,产生感应电动势的那部分导体就相当于电源.一、感应电动势2.方向:与电源内部的电流方向相同,由负极指向正极知识建构技能建构1.内容:电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比.3.与感应电流的关系:由感应电动势、闭合电路的总电阻决定,闭合电路的欧姆定律,即I=.二、法

24、拉第电磁感应定律ERr2.表达式:E=n.t知识建构技能建构(1)E=n中,n为线圈匝数,这是确定感应电动势的普遍规律,回路可以不闭合.t3.对法拉第电磁感应定律的理解(2)E=n中,总是取绝对值,E的大小是由线圈匝数及磁通量的变化率决定的,与或的大小无必然联系.t知识建构技能建构4.适用情况:研究对象为一个回路(不一定闭合),研究在t时间内的平均电动势.三、导体切割磁感线运动时产生感应电动势(3)E=n一般用以求t时间内感应电动势的平均值,依I=及q=It可进一步求平均电流及t时间内通过回路某横截面积的电荷量,但一般不能由平均电流计算电路中电流所做的功以及电路中产生的电热.tER知识建构技能

25、建构(1)大小:E=BLvsin (指v与B的夹角)1.平动切割磁感线知识建构技能建构(2)说明:若导线是曲折的,或L与v不垂直时,则L应为导线的有效切割长度,即导线两端点v、B所决定平面的垂线上的投影长度,如下图所示,三种情况下感应电动势大小相同.知识建构技能建构2.适用情况:一段直导线(或能等效为直导线),某时刻或某位置的瞬时电动势,四、自感和涡流知识建构技能建构(1)由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象.在自感现象中产生的电动势,叫做自感电动势.1.自感现象(2)自感电动势:大小E自=L(对于同一线圈取决于本身电流变化的快慢),方向总是阻碍导体中原来电流的变化It知识建构技能建

26、构(3)自感系数,也叫自感或电感,由线圈的大小、形状、匝数及是否有铁芯决定;线圈越长、单位长度的匝数越多、横截面积越大,自感系数越大,若线圈中加有铁芯,自感系数会更大.单位:亨利(H).(4)通电自感和断电自感的比较知识建构技能建构比较项通电自感断电自感电路图器材要求A1、A2同规格,R=RL,L较大L很大(有铁芯)现象在S闭合瞬间,A2立即亮起来,A1灯逐渐变亮,最终一样亮在开关S断开时,A灯渐渐熄灭知识建构技能建构原因由于开关闭合时,流过电感线圈的电流迅速增大,使线圈产生自感电动势,阻碍了电流的增大,使流过A1灯的电流比流过A2灯的电流增加得慢断开开关S时,流过线圈L的电流减小,产生自感电

27、动势,阻碍了电流的减小,使电流继续存在一段时间,在S断开后,通过L的电流反向通过灯A,A灯不会立即熄灭,若RLIA,则A灯熄灭前要闪亮一下,若RLRA,原来的电流ILIA,则A灯逐渐熄灭,不再闪亮一下知识建构技能建构能量转化情况电能转化为磁场能磁场能转化为电能2.涡流现象知识建构技能建构(1)当线圈中的电流发生变化时,这个线圈附近的导体中就会产生感应电流.这种电流看起来很像水的旋涡,所以叫做涡流,如图所示.知识建构技能建构(3)防止:变压器用硅钢片涂绝缘漆叠合而成.(2)应用:电磁炉(特点是节能、环保,效率高)、机车制动的涡流闸.知识建构技能建构1.下列关于感应电动势大小的说法中,正确的是(

28、)A.线圈中磁通量变化越大,线圈中产生的感应电动势一定越大B.线圈中磁通量越大,产生的感应电动势一定越大C.线圈放在磁感应强度越强的地方,产生的感应电动势一定越大D.线圈中磁通量变化越快,产生的感应电动势越大【解析】由E=n知,电动势与磁通量的变化率成正比,与磁通量的大小、磁通量的变化量大小及磁感应强度无关,故D选项正确.【答案】Dt知识建构技能建构2.关于线圈的自感系数,下列说法正确的是( )A.线圈的自感系数越大,自感电动势就一定越大B.线圈中电流等于零时,自感系数也等于零C.线圈中电流变化越快,自感系数越大D.线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁芯决定【解析】自感电动势E自=L,与自感

29、系数及电流的变化率有关,A错;自感系数由线圈的匝数、横截面积、长度及有无铁芯等自身因素决定,B、C错,D对.【答案】DIt知识建构技能建构3.用相同导线绕制的边长为l或2l的四个闭合导体线框,以相同的速度匀速进入右侧匀强磁场,如图所示.在每个线框进入磁场的过程中,M、N两点间的电压分别为Ua、Ub、Uc和Ud下列判断正确的是( )A.Ua Ub Uc Ud B.Ua Ub Ud Uc C.Ua=Ub Uc=Ud D.Ub Ua Ud Uc 知识建构技能建构【解析】在线框进入磁场的过程中,MN两端的电压等于线框回路中的路端电压,根据线框长度和电阻的关系及闭合电路欧姆定律,可知Ua=Blv,Ub=

30、Blv,Uc=B2lv=Blv,Ud=B2lv=Blv,所以UaUbUd ,开始做加速度a越来越小的加速运动,a减到0做匀速运动,全部进入做竖直下抛运动,则C正确;当mgmg时,导体棒做减速运动,随着速度的减小,加速度减小,直到做匀速运动;当F=mg时,导体棒做加速运动,随着速度的增大,加速度减小,直到做匀速运动.所以A、B、C正确.【答案】ABC22B L vR220B L vR220B L vR220B L vR知识建构技能建构 例3如图所示,两平行的足够长光滑金属导轨安装在一光滑绝缘斜面上,导轨间距为l,导轨电阻忽略不计,导轨所在平面的倾角为,匀强磁场的宽度为d,磁感应强度大小为B、方向

31、与导轨平面垂直向下.长度为2d的绝缘杆将导体棒和正方形的单匝线框连接在一起,总质量为m,置于导轨上.导体棒中通以大小恒为I的电流,方向如图所示(由外接恒流源产生,图中未图出).线框的边长为d(d l),电阻为R,下边与磁场区域上边界重合.将装置由静止释放,导体棒恰好运动到磁场区域下边界处返回,导体棒在整个运动过程中始终与导轨垂直.重力加速度为g.问:三、电磁感应中的能量问题知识建构技能建构(1)装置从释放到开始返回的过程中,线框中产生的焦耳热Q是多少?知识建构技能建构(3)经过足够长时间后,线框上边与磁场区域下边界的最大距离xm是多少?【名师点金】线框在磁场中运动,加速度不恒定,运动的速度不是

32、线性变化,感应电流及其所受的安培力不是线性变化,研究运动往往从能量的角度入手.(2)线框第一次向下运动即将离开磁场下边界时线框上边所受的安培力FA多大?知识建构技能建构【规范全解】(1)设装置由静止释放到导体棒运动到磁场下边界的过程中,作用在线框上的安培力做功为W.由动能定理有:mgsin 4d+W-BIld=0且Q=-W解得Q=4mgdsin -BIld.知识建构技能建构(2)设线框第一次向下运动刚离开磁场下边界时的速度为v1,则接着又向下运动2d,由动能定理mgsin 2d-BIld=0-m 得v1= 安培力FA=BId=Bd= =.1221v2BIld4mgdsinm1BdvR221B

33、d vR22B dR2BIld4mgdsinm知识建构技能建构(3)经过足够长时间后,线框在磁场下边界与最大距离之间往复运动.由动能定理mgsin xm-BIl(xm-d)=0解得xm=.【答案】(1)4mgdsin -BIldBIldBIlmgsin(2) 22B dR2BIld4mgdsinm(3) BIldBIlmgsin知识建构技能建构方法概述电磁感应中的能量问题:从能量转化和守恒着手,运用动能定理或能量守恒定律.基本思路:受力分析弄清哪些力做功,做正功还是负功明确有哪些形式的能量参与转化,哪增哪减由动能定理或能量守恒定律列方程求解.能量转化特点:其他能(如:机械能) 电能 内能(焦耳

34、热)知识建构技能建构变式训练2 (2011年温州模拟)如图所示,AB、CD为两个平行的水平光滑金属导轨,处在方向竖直向下,磁感应强度为B的匀强磁场中,AB、CD间距为L,左右两端均接有阻值为R的电阻,质量为m长为L且不计电阻的导体棒MN放在导轨上,与导轨接触良好,并与轻质弹簧组成弹簧振动系统,开始时,弹簧处于自然长度,导体棒MN具有水平向左的初速度v0,经过一段时间,导体棒MN第一次运动到最左端,这一过程中AC间的电阻R上产生的焦耳热为Q,则( )知识建构技能建构A.初始时刻棒所受的安培力大小为2 B.从初始时刻至棒第一次到达最左端的过程中,整个回路产生的焦耳热为 C.当棒第一次到达最左端时,

35、弹簧具有的弹性势能为m-2QD.当棒再次回到初始位置时,AC间电阻R的热功率为 220B L vR23Q1220v2220B L vR知识建构技能建构【规范全解】初始时刻感应电流I=,棒所受的安培力BIL=2,则A正确;从初始时刻至棒第一次到达最左端的过程中,AC和BD 产生的焦耳热相等,整个回路产生的焦耳热为2Q,则B错误;当棒第一次到达最左端的过程,由动能定理-W弹力-2Q=-m,则弹簧具有的弹性势能W弹力为m-2Q,则C正确;当棒再次回到初始位置时,速度小于v0,AC间电阻R的热功率小于,则D错误.【答案】AC 02BLvR220B L vR1220v1220v2220B L vR知识建

36、构技能建构 例4在水平桌面上,一个圆形金属框置于匀强磁场B1中,线框平面与磁场垂直,圆形金属框与一个水平的平行金属导轨相连接,导轨上放置一根导体棒ab,导体棒与导轨接触良好,导体棒处于另一匀强磁场B2中,该磁场的磁感应强度恒定,方向垂直导轨平面向下,如图甲所示.磁感应强度B1随时间t的变化关系如图乙所示,01.0 s内磁场方向垂直线框平面向下.若导体棒始终保持静止,并设向右为静摩擦力的正方向,则导体所受的摩擦力f随时间变化的图象是图丙中的( )四、电磁感应的图象问题探究知识建构技能建构知识建构技能建构【名师点金】根据B1-t图,结合法拉第电磁感应定律、楞次定律可以画出I-t图象,再转换到安培力

37、BIL随时间t的图象,根据二力平衡,最后确定摩擦力f时间t的图象.知识建构技能建构【规范全解】01 s,根据楞次定律可得,棒中电流由b到a,对棒由左手定则可知其受到的安培力向左,故摩擦力向右;1 s2 s,无电流;同理可知,2 s3 s,棒所受安培力向右,摩擦力向左,故D对.【答案】D方法概述图象问题综合了法拉第电磁感应定律、楞次定律、闭合电路的欧姆定律和力学规律,能力要求高.分析思路为:看清图象的横纵坐标;研究横纵坐标的函数关系,并转换到题目中相关的物理量的变化上去(如:电流、磁感应强度、速度等);结合函数关系,确定图象的特征.知识建构技能建构变式训练3 (2011年铁岭模拟)如图所示,一个

38、水平放置的“”型光滑导轨固定在磁感应强度为B的匀强磁场中,ab是粗细、材料与导轨完全相同的导体棒,导体棒与导轨接触良好.在外力作用下,导体棒以恒定速度v向右平动,以导体棒在图中所示位置的时刻作为计时起点,则回路中感应电动势E、感应电流I、导体棒所受外力的功率P和回路中产生的焦耳热Q随时间变化的图象中正确的是( )知识建构技能建构【规范全解】导体棒以速度v匀速运动,感应电动势E=BLv,L随时间均匀增大,则E-t为线性关系,A正确;感应电流I= = = ,大小恒定,则B错误;导体棒所受外力等于安培力,即F=BIL,其功率P=Fv= ,L随时间均匀增大,则P-t为线形关系,C正确;回路中产生的焦耳

39、热Q=Pt,则Q-t为非线形关系,D错误.【答案】ACBLvrBLvLLLcotsinSBSv1(1cot)sin22B v SL知识建构技能建构高考真题1 (2011年高考海南物理卷)如图所示,EOF和EOF为空间一匀强磁场的边界,其中EOEO,FOFO,且EOOF;OO为EOF的角平分线,OO间的距离为l;磁场方向垂直于纸面向里.一边长为l的正方形导线框沿OO方向匀速通过磁场,t=0时刻恰好位于图示位置.规定导线框中感应电流沿逆时针方向时为正,则下列关于感应电流i与时间t的关系图线中,可能正确的是( )知识建构技能建构【解析提示】把线框进入有界磁场转化为导体棒切割磁感线的情况,即应用右手定

40、则研究电流方向,应用E=BLv计算感应电动势的大小.【命题分析】本题考查了电磁感应图象问题,涉及楞次定律和法拉第电磁感应定律的应用.知识建构技能建构【规范全解】根据楞次定律,线圈中的电流先是逆时针,可以排除C项与D项.在整个运动过程中,线圈的左、右两条边在切割磁感线,一开始是左面一条边在切割磁感线,且有效长度越来越长,向左运动后有效长度保持l不变,等到左边逐步移出磁场时,右边逐步进入磁场,切割磁感线的有效长度未变,等到右边开始移出.【答案】B2l知识建构技能建构考向预测1 (2011年北京丰台模拟)如图所示,匀强磁场中有两条水平放置的电阻可忽略的光滑平行金属轨道,轨道左端接一个阻值为R的电阻,

41、R两端与电压传感器相连.一根导体棒(电阻为r)垂直轨道放置,从t=0时刻起对其施加一向右的水平恒力F,使其由静止开始向右运动.用电压传感器瞬时采集电阻R两端的电压U,并用计算机绘制出Ut图象.若施加在导体棒上的水平恒力持续作用一段时间后撤去,那么计算机绘制的图象可能是( )知识建构技能建构【解析】对导体棒,有外力F作用时,加速度a1= ,做加速度越来越小的加速运动,电压传感器读数U= ,可见电压增大,但斜率越来越小;撤去外力F作用后,加速度a2= ,做加速度越来越小的减速运动,电压传感器读数U= ,可见电压减小,但斜率越来越22B L vFrRmBLRvrR22B L vrRmBLRvrR小,

42、则答案A正确.【答案】A知识建构技能建构高考真题2 (2011年高考天津理综卷)如图所示,两根足够长的光滑平行金属导轨MN、PQ间距l=0.5 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m=0.02 kg,电阻均为R=0.1 ,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B=0.2 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g=10 m/s2,问:知识建构技能建构(2)棒ab受到的力F多大?(1)通过棒cd的电流I是多少,方向如何?

43、(3)棒cd每产生Q=0.1 J的热量,力F做的功W是多少?知识建构技能建构【命题分析】本题考查了电磁感应动力学问题和能量问题,对考生分析推理、综合应用的能力要求较高.【解析提示】从状态明确的两棒(ab 匀速运动和cd 静止)受力研究出发,从而研究感应电流、运动速度、做功等问题.知识建构技能建构【规范全解】(1)棒cd受到的安培力Fcd=IlB棒cd在共点力作用下平衡,则:Fcd=mgsin 30代入数据解得:I=1 A根据楞次定律可知,棒cd中的电流方向由d至c.知识建构技能建构(2)棒ab与棒cd受到的安培力大小相等,即:Fab=Fcd 对棒ab,由共点力平衡知:F=mgsin 30+Il

44、B代入数据解得:F=0.2 N.知识建构技能建构(3)设在时间t内棒cd产生Q=0.1 J热量,由焦耳定律知:Q=I2Rt设棒ab匀速运动的速度大小为v,其产生的感应电动势为:E=Blv由闭合电路欧姆定律知:I= 由运动学公式知在时间t内,棒ab沿导轨的位移为:x=vt力F做的功为:2ER知识建构技能建构W=Fx综合上述各式,代入数据解得:W=0.4 J.【答案】(1)1 A电流方向由d至c(2)0.2 N (3)0.4 J知识建构技能建构考向预测2 如图所示,两条间距l=1 m的光滑金属导轨制成倾角为37的斜面和水平面,上端用阻值为R=4 的电阻连接.在斜面导轨区域和水平导轨区域内分别有垂直

45、于斜面和水平面的匀强磁场B1 和B2,且B1=B2=0.5 T.ab和cd是质量均为m=0.1 kg,电阻均为r=4 的两根金属棒,ab置于斜面导轨上,cd置于水平导轨上,均与导轨垂直且接触良好.已知t=0时刻起,cd棒在外力作用下开始水平向右运动(cd棒始终在水平导轨上运动),ab棒受到F=0.6-0.2t(N)沿斜面向上的力作用,处于静止状态.不计导轨的电阻,试求:知识建构技能建构(2)分析并说明cd棒在磁场B2中做何种运动.(1)流过ab棒的电流Iab随时间t变化的函数关系.(3)t=0时刻起,1 s内通过cd棒的电量q.知识建构技能建构(4)若t=0时刻起,1.2 s内作用在cd棒上的

46、外力做功W=16 J,则这段时间内电阻R上产生的焦耳热QR多大?【解析】(1)ab棒处于平衡,则F+FA=mgsin 37FA=B1Iabl得Iab=0.4t(A).知识建构技能建构(2)cd棒上电流Icd=2Iab=0.8t(A)则回路中电源电动势E=Icd R总 cd棒切割磁感线,产生的感应电动势为E=Blv联立解得,cd棒的速度v=9.6t所以,cd棒做初速度为零的匀加速直线运动.知识建构技能建构(3)cd棒的加速度a=9.6 m/s2,1 s内的位移s=at2=4.8 m根据=得q=t=0.4 C.12IER总R t总2B lsR t总I2B lsR总知识建构技能建构(4)t=1.2

47、s时,cd棒的速度v=at=11.52 m/s根据动能定理W-W安=mv2-0得1.2 s内克服安培力做的功W安=9.36 J回路中产生的焦耳热Q=W安=9.36 J电阻R上产生的焦耳热QR=1.56 J.【答案】(1)Iab=0.4t(A)126Q(2)cd棒做初速度为零的匀加速直线运动(3)0.4 C(4)1.56 J知识建构技能建构第4讲单 元 整 合综合建构综合建构一、 电磁感应的两大基本定律规律内容适用范围应用楞次定律感应电流具有这样的方向,感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化一切情况下感应电流方向的判断增反减同法拉第电磁感应定律电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁

48、通量的变化率成正比研究一个回路或导体棒E=n或E=BLvt综合建构考题回顾1 (2011年高考全国理综卷)如图,两根足够长的金属导轨ab、cd竖直放置,导轨间的距离为L,电阻不计.在导轨上端并接两个额定功率均为P、电阻均为R的小灯泡.整个系统置于匀强磁场中,磁感应强度方向与导轨所在平面垂直.现将一质量为m、电阻可以忽略的金属棒MN从图示位置由静止开始释放.金属棒下落过程中保持水平,且与导轨接触良好.已知某时刻后两灯泡保持正常发光.重力加速度为g.求:综合建构(2)灯泡正常发光时导体棒的运动速率.【模型分析】本题属于典型的电磁感应中的电路问题,求解此类问题关键是要分离出电路中由电磁感应所产生的电

49、源,应用楞次定律和法拉第电磁感应定律求出电源的电动势E方向和大小,然后应用电路的串、并联知识计算电压、电流和功率的分配.(1)磁感应强度的大小.综合建构【规范全解】(1)根据题意可知,某时刻后两灯泡保持正常发光,金属棒下落达到稳态.流过MN的电流I=2 由金属棒匀速下落,有mg=BIL解得:B=.PR2mgLRP综合建构(2)设金属棒匀速下落的速度为v,根据能量守恒有:mgv=2P,解得:v= (或:E=BLv,E=I,解得:v=).【答案】(1) (2) 2Pmg2R2Pmg2mgLRP2Pmg综合建构考向预测1 如图甲所示,在一个正方形金属线圈区域内,存在着磁感应强度B随时间变化的匀强磁场

50、,磁场的方向与线圈平面垂直.金属线圈所围的面积S=200 cm2,匝数n=1000,线圈电阻r=1.0 .线圈与电阻R构成闭合回路,电阻R=4.0 .匀强磁场的磁感应强度随时间变化的情况如图乙所示,求:(1)在t=2.0 s时刻,通过电阻R的感应电流大小.(2)在t=5.0 s时刻,电阻R消耗的电功率.综合建构(3)06.0 s内整个闭合电路中产生的热量.【解析】(1)根据法拉第电磁感应定律,04.0 s时间内线圈中磁通量均匀变化,产生恒定的感应电流.t1=2.0 s时的感应电动势E1=n=n 根据闭合电路欧姆定律,闭合回路中的感应电流I1= 11t401(BB )St1ERr解得:I1=0.

51、2 A.综合建构(2)由图象可知,在4.0 s6.0 s时间内,线圈中产生的感应电动势E2=n=n 根据闭合电路欧姆定律,t2=5.0 s时闭合回路中的感应电流I2=0.8 A电阻消耗的电功率P2=R=2.56 W.22t642t 2ERr22I综合建构(3)根据焦耳定律,04.0 s内闭合电路中产生的热量Q1=(r+R)t1=0.8 J4.0 s6.0 s内闭合电路中产生的热量Q2=(r+R)t2=6.4 J06.0 s内闭合电路中产生的热量Q=Q1+Q2=7.2 J.【答案】(1)0.2 A (2)2.56 W (3)7.2 J21I22I综合建构二、 电磁感应的动力学问题电磁感应问题往往

52、和力学问题联系在一起,解题的基本步骤是:利用法拉第电磁感应定律和楞次定律求感应电动势的大小和方向,以及回路中的电流大小;分析研究导体受力情况(包含安培力,用左手定则确定其方向);列动力学方程或平衡方程求解.综合建构考题回顾2如图甲所示,两固定的竖直光滑金属导轨足够长且电阻不计.两质量、长度均相同的导体棒c、d,置于边界水平的匀强磁场上方同一高度h处.磁场宽为3h,方向与导轨平面垂直.先由静止释放c,c刚进入磁场即匀速运动,此时再由静止释放d,两导体棒与导轨始终保持良好接触.用ac表示c的加速度,Ekd表示d的动能,xc、xd分别表示c、d相对释放点的位移.图乙中正确的是( )综合建构【命题分析

53、】本题属于电磁感应的力学问题(涉及力和能量的综合),分析的重点是通过导体的感应电流在磁场中将受到安培力作用,从加速度和力做功两个方面研究运动.综合建构【规范全解】设c棒进入磁场时的速度是v,则d棒进入磁场时的速度也是v,在d棒下落h的这段时间内,平均速度为v,c的平均速度为v,所以c在磁场中下落2h时,d进入磁场,该瞬间二者速度相同,回路磁通量不变,不产生感应电流,下落的加速度为重力加速度,两者速度均匀增加,B正确;c离开磁场前,d只受重力,其增加的动能等于重力所做的功,c离开磁场后,即d从下落2h到4h这段位移上,受到向上的安培力大于重力,做加速度逐渐减小的变减速直线运动,d离开磁场后,只受

54、重力,动能随位移均匀增加,D正确、C错误.本题答案为B、D.【答案】BD12综合建构考向预测2 如图所示,一对平行光滑轨道放置在水平面上,两轨道间距L=0.20 m,电阻R=10 ,有一质量为m=1 kg的金属棒平放在轨道上,与两轨道垂直,金属棒及轨道的电阻皆可忽略不计,整个装置处于垂直轨道平面向下的匀强磁场中,磁感应强度B=5 T,现用一外力F沿轨道方向拉金属棒,使之做匀加速运动,加速度a=1 m/s2,试求:综合建构(2)F=3 N时,电路消耗的电功率P.(1)力F与时间t的关系.综合建构(3)若外力F的最大值为5 N,为求金属棒运动所能达到的最大速度,某同学解法为:先由(1)中的结果求出

55、F=5 N时的时间t,然后代入v=at求解.指出该同学解法的错误之处,并用正确的方法解出结果.【解析】(1)由F-=ma,v=at 得F=0.1t+1.22B L vR(2)F=3 N时,t=20 s,v=at=20 m/s电功率P=(F-ma )v=40 W.综合建构(3)错误之处:F刚达到最大值时,速度并未达到最大值,金属棒做加速度逐渐减小的变加速运动,直到加速度为0时,速度达到最大.正确解法:由F-=ma=0得:v=50 m/s.【答案】(1)F=0.1t+1 (2)40 W (3)见解析22B L vR22FRB L综合建构三、电磁感应的综合问题分类涉及规律电路问题楞次定律、法拉第电磁

56、感应定律动力学问题牛顿运动定律、运动学公式能量问题动能定理、能量守恒定律综合建构考题回顾3 (2011年高考福建理综卷)A.运动的平均速度大小为vB.下滑的位移大小为 C.产生的焦耳热为qBLv12qRBLD.受到的最大安培力大小为sin 22B L vR综合建构【方法分析】解决电磁感应中的综合问题,不仅要应用电磁学中的有关规律,如楞次定律、法拉第电磁感应定律、左、右手定则、安培力的计算公式等,还要应用力学中的有关规律,如牛顿运动定律、动能定理、机械能守恒定律和功能关系等.要将电磁学和力学的知识综合起来应用.综合建构【规范全解】棒向下做加速度逐渐减小的加速运动,平均速度大于v,选项A错误;流过

57、ab棒的电量q=,解得x=,选项B正确;若物体以速度v匀速下滑,则产生的焦耳热Q=BILx=BLx=qBLv,比棒实际下滑的过程中产生的焦耳热大,选项C错误;速度达到v时,棒受到的安培力最大,Fm=,选项D错误.【答案】B12RBLxRqRBLqt22B L vR综合建构考向预测3 如图甲所示,水平面上有两电阻不计的足够长的光滑金属导轨平行固定放置,间距d为0.5 m,左端通过导线与阻值为2 的电阻R连接,右端通过导线与阻值为4 的小灯泡L连接,在CDEF矩形区域内有竖直向上的匀强磁场,CE长为2 m,CDEF区域内磁场的磁感应强度B随时间变化如图乙所示,在t=0时,一阻值为2 的金属棒在恒力

58、F作用下由静止开始从AB位置沿导轨向右运动,当金属棒从AB位置运动到EF位置过程中,小灯泡的亮度没有发生变化,求:综合建构(2)恒力F的大小.(1)通过小灯泡的电流.(3)金属棒的质量.(4)8秒内通过电阻R的电量.综合建构【解析】(1)金属棒未进入磁场时,R总=RL+=5 E1=0.5 V解得:IL=0.1 A.2RtS Bt1ER总(2)因灯泡亮度不变,故4 s末金属棒进入磁场时刚好匀速运动I=IL+IR=IL+=0.3 AF=FA=BId=0.3 N. LLI RR综合建构(3)金属棒进入磁场时E2=I(R+)=1 V匀速运动的速度v=1 m/s加速运动的加速度a=0.25 m/s2 由牛顿第二定律m=1.2 kg.LLRRRR2EBdvtFa(4)8秒内通过电阻R的电量 q=q1+q2=I1t1+I2t2=(0.054+0.22)C=0.6 C.【答案】(1)0.1 A (2)0.3 N (3)1.2 kg (4)0.6 C综合建构