2021高考物理二轮复习第12讲电磁感应及综合应用课件

这是一份2021高考物理二轮复习第12讲电磁感应及综合应用课件，共51页。PPT课件主要包含了-2-，知识脉络梳理，规律方法导引，-3-，-4-，-5-，命题热点一，命题热点二，命题热点三，-6-等内容，欢迎下载使用。

1.知识规律(1)掌握“三个定则”“两个定律”。“三个定则”是指安培定则、左手定则和右手定则;“两个定律”是指楞次定律和法拉第电磁感应定律。(2)应用楞次定律时的“三看”和“三想”。①看到“线圈(回路)中磁通量变化”时,想到“增反减同”。②看到“导体与磁体间有相对运动”时,想到“来拒去留”。③看到“回路面积可以变化”时,想到“增缩减扩”。
(3)求感应电动势的两种方法。
(4)运用“两种观点”分析“一种电路”。“两种观点”是指动力学观点和能量观点;“一种电路”是指电磁感应电路。2.思想方法(1)物理思想:等效思想、守恒思想。(2)物理方法:图像法、转换法、解析法。
电磁感应中的图像问题常以选择题的形式考查物理量的定量关系。
例1如图所示,等腰直角三角形区域EFG内有垂直于纸面向里的磁感应强度为B的匀强磁场,直角边EF长度为2l。现有一电阻为R的闭合直角梯形导线框ABCD以速度v水平向右匀速通过磁场。t=0时刻恰好位于图示位置(即BC与EF在一条直线上,且C与E重合),规定导线框中感应电流沿逆时针方向时为正,则感应电流i与时间t的关系图线正确的是(　　)
解析:线框CD边切割磁感线的有效长度均匀增大,初始时刻切割的有效长度为零,则感应电动势、感应电流为零,排除选项D。在
边切割磁感线(产生与ADC切割磁感线方向相反的感应电动势)的有效长度也增大,而且增大得快,如图所示,所以回路总的感应电动势不断减小,但感应电流方向与第一阶段相同,排除选项A、B,正确选项为C。
规律方法电磁感应图像问题的求解方法(1)图像选择问题:求解物理图像的选择题可用“排除法”,即排除与题目要求相违背的图像,留下正确图像。也可用“对照法”,即按照要求画出正确的草图,再与选项对照。解决此类问题关键是把握图像特点、分析相关物理量的函数关系、分析物理过程的变化或物理状态的变化。(2)图像分析问题:定性分析物理图像,要明确图像中的横轴与纵轴所代表的物理量,弄清图像的物理意义,借助有关的物理概念、公式、不变量和定律做出相应判断。在进行有关物理图像的定量计算时,要弄清图像所揭示的物理规律及物理量间的函数关系,善于挖掘图像中的隐含条件,明确图像与坐标轴所包围的面积、图像斜率,以及图像的横轴、纵轴的截距所表示的物理意义。
拓展训练1(多选)(2019·全国卷Ⅲ)如图所示,方向竖直向下的匀强磁场中有两根位于同一水平面内的足够长的平行金属导轨,两相同的光滑导体棒ab、cd静止在导轨上。t=0时,棒ab以初速度v0向右滑动。运动过程中,ab、cd始终与导轨垂直并接触良好,二者速度分别用v1、v2表示,回路中的电流用I表示。下列图像可能正确的是(　　)
解析:对两棒分别受力分析可知,ab棒做减速直线运动,cd棒做加速直线运动,最后两棒速度相同。ab棒和cd棒在运动过程中都产生感应电动势,两个电动势方向相反,逐渐抵消,两棒速度相同时,总电动势减小至0,电流减小至0,C正确,D错误。对两棒整体受力分析可
由C图和F安=BIl可知,F安不均匀变化,加速度不均匀变化,速度图像的斜率为加速度,A正确,B错误。
拓展训练2(多选)如图甲所示,矩形线圈abcd平放在水平桌面上,其空间存在两个竖直方向的磁场,两磁场方向相反,两磁场的分界线OO'恰好把线圈分成左右对称的两部分,当两磁场的磁感应强度按如图乙所示的规律变化时,线圈始终静止。规定磁场垂直纸面向里为正方向,线圈中电流逆时针方向为正方向,线圈所受桌面的摩擦力向左为正方向,则下列关于线圈产生的感应电流和桌面对线圈的摩擦力随时间变化的图像正确的是(　　)
解析:由楞次定律可得,在0~t1时间内,线圈中产生逆时针方向的感应电流,在t1~t2时间内,线圈中产生顺时针方向的感应电流,由法拉第电磁感应定律及闭合电路欧姆定律知,线圈中的电流
状态,则水平方向受到的安培力和摩擦力大小相等,方向相反,因为F=BIl,当磁感应强度B均匀变化时,感应电流I恒定,l恒定;根据题图甲、乙可知,分界线OO'左侧磁场的磁感应强度B1=kt(0电磁感应中的动力学问题考查与牛顿第二定律、运动学知识结合的动态分析问题以及电磁感应中的纯力学问题,计算题和选择题都有可能出现。
例2如图甲所示,一个质量m=0.1 kg的正方形金属框总电阻R=0.5 Ω,金属框放在表面绝缘的斜面AA'B'B的顶端(金属框上边与AA'重合),自静止开始沿斜面下滑,下滑过程中穿过一段边界与斜面底边BB'平行、宽度为d的匀强磁场后滑至斜面底端(金属框下边与BB'重合),设金属框在下滑过程中的速度为v,与此对应的位移为x,那么v2-x 图像如图乙所示,已知匀强磁场方向垂直斜面向上,金属框与斜面间的动摩擦因数μ=0.5,斜面倾角θ=53°,g取10 m/s2,sin 53° =0.8,cs 53°=0.6。求:
(1)金属框进入磁场前的下滑加速度a和进入磁场的速度v1;(2)金属框经过磁场时受到的安培力F安大小; (3)匀强磁场的磁感应强度大小B。思维导引
解析:(1)在金属框进入磁场前的下滑阶段:由题图可得x1=0.9 m;由牛顿第二定律可得ma=mgsin θ-μmgcs θ解得a=5 m/s2解得v1=3 m/s。
(2)由题图可知,金属框穿过磁场过程做匀速直线运动,
金属框受力平衡,则mgsin θ-μmgcs θ-F安=0解得F安=0.5 N。(3)由安培力公式得F安=BIl由法拉第电磁感应定律得E=Blv1
规律方法电磁感应与动力学综合题的解题策略(1)分析“源”:找准主动运动者,用法拉第电磁感应定律和楞次定律求解电动势的大小和方向。(2)分析“路”:画出等效电路图,求解回路中的电流的大小及方向。(3)分析“力”:分析安培力对导体棒运动速度、加速度的影响,从而推得对电流有什么影响,最后确定导体棒的最终运动情况。(4)列“方程”:列出牛顿第二定律或平衡方程求解。
拓展训练3(2017·全国卷Ⅲ)如图所示,在方向垂直于纸面向里的匀强磁场中有一U形金属导轨,导轨平面与磁场垂直。金属杆PQ置于导轨上并与导轨形成闭合回路PQRS,一圆环形金属线框T位于回路围成的区域内,线框与导轨共面。现让金属杆PQ突然向右运动,在运动开始的瞬间,关于感应电流的方向,下列说法正确的是(　　)A.PQRS中沿顺时针方向,T中沿逆时针方向B.PQRS中沿顺时针方向,T中沿顺时针方向C.PQRS中沿逆时针方向,T中沿逆时针方向D.PQRS中沿逆时针方向,T中沿顺时针方向
解析:金属杆从静止开始突然向右运动,产生感应电动势,感应电流从无到有,根据右手定则可知,感应电流的方向由Q指向P,PQRS中的电流沿逆时针方向;该感应电流在金属线框T中产生的磁通量向外,故穿过金属线框T向里的磁通量减小,根据楞次定律,T中感应电流沿顺时针方向,D正确。
拓展训练4(2019·北京卷)如图所示,垂直于纸面的匀强磁场磁感应强度为B。纸面内有一正方形均匀金属线框abcd,其边长为l,总电阻为R,ad边与磁场边界平行。从ad边刚进入磁场直至bc边刚要进入的过程中,线框在向左的拉力作用下以速度v匀速运动,求:(1)感应电动势的大小E;(2)拉力做功的功率P;(3)ab边产生的焦耳热Q。
解析:(1)由法拉第电磁感应定律可得,感应电动势E=Blv。
电磁感应中的能量问题经常和闭合电路欧姆定律一起出题,考查电路中的能量转换,计算题和选择题都可能出现。
例3如图所示,平行金属导轨与水平面间夹角均为37°,导轨间距为1 m,电阻不计,导轨足够长。两根金属棒ab和a'b'的质量都是0.2 kg,电阻都是1 Ω,与导轨垂直放置且接触良好,金属棒和导轨之间的动摩擦因数为0.25,两个导轨平面处均存在着垂直轨道平面向上的匀强磁场(图中未画出),磁感应强度B的大小相同。让a'b'固定不动,将金属棒ab由静止释放,当ab下滑速度达到稳定时,整个回路消耗的电功率为8 W。
(1)求ab下滑的最大加速度。(2)ab下落了30 m 高度时,其下滑速度已经达到稳定,则此过程中回路电流的发热量Q为多大?(3)如果将ab与a'b'同时由静止释放,当ab下落了30 m 高度时,其下滑速度也已经达到稳定,则此过程中回路电流的发热量Q'为多大?(g取10 m/s2,sin 37°=0.6,cs 37°=0.8)
答案:(1)4 m/s2　(2)30 J　(3)75 J解析:(1)当ab棒刚下滑时,ab棒的加速度有最大值a=gsin θ-μgcs θ=4 m/s2。(2)ab棒达到最大速度时做匀速运动,有mgsin θ=BIl+μmgcs θ,整个回路消耗的电功率P电=BIlvm=(mgsin θ-μmgcs θ)vm=8 W,则ab棒的最大速度为vm=10 m/s
(3)由对称性可知,当ab下落30 m稳定时其速度为v',a'b'也下落30 m,其速度也为v',ab和a'b'都切割磁感线产生电动势,总电动势等于二者之和。根据共点力平衡条件,对ab棒受力分析,得mgsin θ=BI'l+μmgcs θ
代入数据得Q'=75 J。
规律方法对于电磁感应问题中焦耳热的计算,主要从以下三个角度入手(1)感应电路为纯电阻电路时,产生的焦耳热等于克服安培力做的功,即Q=W安。(2)感应电路中电阻产生的焦耳热等于电流通过电阻做的功,即Q=I2Rt。(3)感应电路中产生的焦耳热可通过能量守恒定律列方程求解。要特别注意回路中某个元件的焦耳热和回路总焦耳热之间的关系,不能混淆。
拓展训练5如图所示,绝缘水平面内固定 有一间距d=1 m、电阻不计的足够长光滑 矩形导轨AKDC,导轨两端接有阻值分别为 R1=3 Ω和R2=6 Ω的定值电阻。矩形区域 AKFE、NMCD范围内均有方向竖直向下、 磁感应强度大小B=1 T的匀强磁场Ⅰ和Ⅱ。 一质量m=0.2 kg,电阻r=1 Ω的导体棒ab垂直放在导轨上的AK与EF之间某处,在方向水平向右、大小F0=2 N的恒力作用下由静止开始运动,到达EF时导体棒ab的速度大小v1=3 m/s;导体棒ab进入磁场Ⅱ后,导体棒ab中通过的电流始终保持不变。导体棒ab在运动过程中始终保持与导轨垂直且接触良好,空气阻力不计。
(1)求导体棒ab刚要到达EF时的加速度大小a;(2)求两磁场边界EF和MN之间的距离l;(3)若在导体棒ab刚要到达MN时将恒力F0撤去,求导体棒ab能继续滑行的距离s以及滑行该距离s的过程中整个回路产生的焦耳热Q。
答案:(1)5 m/s2　(2)1.35 m　(3)3.6 m　3.6 J解析:(1)导体棒ab刚要到达EF时,在磁场中切割磁感线产生感应电动势E1=Bdv1经分析可知,此时导体棒ab所受安培力的方向水平向左。根据牛顿第二定律,有F0-BI1d=ma1
解得a1=5 m/s2。
(2)导体棒ab进入磁场Ⅱ后,受到的安培力与F0平衡,做匀速直线运动。导体棒ab中通过的电流为I2,保持不变,则有F0=BI2d,
设导体棒ab从EF运动到MN的过程中的加速度大小为a2根据牛顿第二定律,则有F0=ma2;导体棒ab在EF、MN之间做匀加速直线运动,
解得l=1.35 m。
(3)对撤去F0后,导体棒ab继续滑行的过程中,根据牛顿第二定律和闭合电路欧姆定律,则有BId=ma;
因v2=6 m/s,代入数据,解得Q=3.6 J。
1.(多选)(2018·全国卷Ⅰ)如图所示,两个线圈绕在同一根铁芯上,其中一线圈通过开关与电源连接,另一线圈与远处沿南北方向水平放置在纸面内的直导线连接成回路。将一小磁针悬挂在直导线正上方,开关未闭合时小磁针处于静止状态,下列说法正确的是(　　)
A.开关闭合后的瞬间,小磁针的N极朝垂直纸面向里的方向转动B.开关闭合并保持一段时间后,小磁针的N极指向垂直纸面向里的方向C.开关闭合并保持一段时间后,小磁针的N极指向垂直纸面向外的方向D.开关闭合并保持一段时间再断开后的瞬间,小磁针的N极朝垂直纸面向外的方向转动
2.将一段导线绕成图甲所示的闭合电路,并固定在水平面(纸面)内,回路的ab边置于垂直于纸面向里的匀强磁场Ⅰ中。回路的圆环区域内有垂直纸面的磁场Ⅱ,以向里为磁场Ⅱ的正方向,其磁感应强度B随时间t变化的图像如图乙所示。用F表示ab边受到的安培力,以水平向左为F的正方向,能正确反映F随时间t变化的图像是(　　)
3.(多选)(2019·四川成都模拟)如图所示,半径为2l的小圆与半径为3l的圆形金属导轨拥有共同的圆心,在小圆区域内存在垂直于纸面向里的磁感应强度大小为B的匀强磁场,在小圆与导轨之间的环形区域内存在垂直于纸面向外的磁感应强度大小为2B的匀强磁场。现将一长度为3l的导体棒置于磁场中,让其一端O点与圆心重合,另一端与圆形导轨良好接触。在O点与导轨间接入一阻值为r的电阻,导体棒以角速度ω沿导轨逆时针做匀速圆周运动,其他电阻不计。下列说法正确的是(　　)A.导体棒O点的电势比A点的电势低B.在导体棒的内部,电流由A点流向O点
4.(多选)(2020·全国卷Ⅰ)如图所示,U形光滑金属框abcd置于水平绝缘平台上,ab和dc边平行,和bc边垂直。ab、dc足够长,整个金属框电阻可忽略。一根具有一定电阻的导体棒MN置于金属框上,用水平恒力F向右拉动金属框,运动过程中,装置始终处于竖直向下的匀强磁场中,MN与金属框保持良好接触,且与bc边保持平行。经过一段时间后(　　)A.金属框的速度大小趋于恒定值B.金属框的加速度大小趋于恒定值C.导体棒所受安培力的大小趋于恒定值D.导体棒到金属框bc边的距离趋于恒定值
5.(2017·江苏卷)如图所示,两条相距d的平行金属导轨位于同一水平面内,其右端接一阻值为R的电阻。质量为m的金属杆静置在导轨上,其左侧的矩形匀强磁场区域MNPQ的磁感应强度大小为B、方向竖直向下。当该磁场区域以速度v0匀速地向右扫过金属杆后,金属杆的速度变为v。导轨和金属杆的电阻不计,导轨光滑且足够长,杆在运动过程中始终与导轨垂直且两端与导轨保持良好接触。求:
(1)MN刚扫过金属杆时,杆中感应电流的大小I;(2)MN刚扫过金属杆时,杆的加速度大小a;(3)PQ刚要离开金属杆时,感应电流的功率P。
电磁感应中的电路、能量问题【典例示范】 如图甲所示(俯视图),相距为2l的光滑平行金属导轨水平放置,导轨一部分处在以OO'为右边界的匀强磁场中,匀强磁场的磁感应强度大小为B,方向垂直导轨平面向下,导轨右侧接有定值电阻R,导轨电阻忽略不计。在距边界OO'为l处垂直导轨放置一质量为m、电阻不计的金属杆ab。
(1)若金属杆ab固定在导轨上的初始位置,磁场的磁感应强度在时间t内由B均匀减小到零,求此过程中电阻R上产生的焦耳热Q1。(2)若磁场的磁感应强度不变,金属杆ab在恒力作用下在初始位置由静止开始向右运动3l距离,其v-x的关系如图乙所示。求:①金属杆ab在刚要离开磁场时的加速度大小;②此过程中电阻R上产生的焦耳热Q2。
以题说法电磁感应的能量问题往往涉及法拉第电磁感应定律、楞次定律、闭合电路欧姆定律、动力学问题、能量守恒等考点,综合性很强,解答此类问题要注意从以下三方面进行突破:(1)明确电学对象——将产生感应电动势的那部分电路等效为电源,如果在一个电路中切割磁感线的是几部分互相联系的电路,则可等效成电源的串并联。分析内外电路结构,应用闭合电路欧姆定律和部分电路欧姆定律理顺电学量之间的关系。
分析推理:1.回路中只有感应电动势。2.v1是刚离开磁场的速度,v2是运动3l时的速度。3.受恒力F和安培力F安。
(2)建立过程模型——分析物体的受力情况和运动情况,导体棒切割磁感线的运动一般不是做匀变速运动,而是经历一个动态变化过程再趋于一个稳定状态,故正确进行动态分析确定最终状态是关键。(3)找准功能关系——确定有哪些形式的能量发生了转化。例如,有摩擦力做功必有内能产生;有重力做功,重力势能必然发生变化;若安培力做负功,必然有其他形式的能转化为电能。
针对训练 一个圆形线圈,共有n=10匝,其总电阻r=4.0 Ω。线圈与阻值R0=16 Ω的外电阻连成闭合回路,如图甲所示。线圈内部存在着一个边长l=0.20 m的正方形区域,其中有分布均匀但强弱随时间变化的磁场,图乙显示了一个周期内磁场的变化情况,周期T=1.0×10-2 s,磁场方向以垂直线圈平面向外为正方向。求:
(3)一个周期内电阻R0的发热量。