（名师导学）2020版高考物理总复习 第十章 第3节 电磁感应规律的综合应用课件 新人教版

第3节电磁感应规律的综合应用考点1►电磁感应与电路电磁感应的电路问题1．电源与外电路切割磁感线运动的导体或磁通量发生变化的线圈相当于_________，其电阻相当于电源________，其余部分是外电路．2．常用参量的求解(1)根据法拉第电磁感应定律：电动势E＝______或________________．电源内阻nΔΦΔtE＝Blvsinθ(2)根据闭合电路的欧姆定律：路端电压U＝_______，对纯电阻电路，干路电流I＝______．(3)通过电路中导体横截面的电量q＝________，R′为闭合电路的总电阻．ER＋rE－IrnΔΦR′例1如图所示，MNPQ是用单位长度电阻为r0的均匀金属条制成的矩形闭合框，线框固定在倾角为θ的绝缘斜面上，MN长为L，MQ长为4L，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直穿过斜面．质量为m的金属杆ab在外力F作用下，以速度v匀速沿斜面向下滑过矩形框，滑行过程中ab始终平行于MN且与框良好接触，外力F始终沿斜面且垂直于ab.已知金属杆ab的单位长度电阻为2.1r0，不计杆与框的摩擦．重力加速度取g，将杆ab经过MN时的位移记为s＝0，求：(1)杆ab中感应电流I随位移s变化的关系式；(2)杆ab发热功率的最小值；(3)矩形框MNPQ上发热功率最大时ab杆的位移．【解析】(1)感应电动势E＝BLv，外电路被ab分为上下两部分，R外＝R上R下R上＋R下＝（L＋2s）（9L－2s）10Lr0，I＝ER外＋R内＝BLvR外＋R内＝BLv（L＋2s）（9L－2s）10Lr0＋2.1Lr0＝10BL2v（L＋2s）（9L－2s）r0＋21L2r0.(2)外电路电阻最大时，感应电流最小，ab发热功率最小．因为R上＋R下为常数，所以当R上＝R下时R外有最大值，即位移s＝2L，此时R外＝R上R下R上＋R下＝5L×5L10Lr0＝2.5Lr0，Pab＝I2R内＝ER外＋R内2R内＝105B2Lv21058r0.(3)矩形框的功率即电源的输出功率，当R外＝R内时，P出最大．即（L＋2s）（9L－2s）10Lr0＝2.1Lr0，可解得s1＝L，s2＝3L.【小结】解答电磁感应电路问题的方法1．确定电源产生电磁感应现象的导体或线圈就是电源．2．分清内、外电路内电路是切割磁感线的导体或磁通量发生变化的线圈，外电路由电阻、电容等电学元件组成．3．解题的基本步骤(1)用法拉第电磁感应定律和楞次定律或右手定则确定感应电动势的大小和方向，感应电动势的方向是电源内部电流的方向．(2)根据电源和电路中其他各元件的连接方式画出等效电路图，注意区别内、外电路，区别路端电压和电动势．(3)根据E＝BLvsinθ或E＝nΔΦΔt结合闭合电路欧姆定律、串并联电路知识和电功率、焦耳定律等列式求解．若涉及理想变压器的问题，结合变压器公式求解．1．(多选)如图甲，线圈A(图中实线，共100匝)的横截面积为0.3m2，总电阻r＝2Ω，A右侧所接电路中，电阻R1＝2Ω，R2＝6Ω，电容C＝3μF，开关S1闭合．A中有横截面积为0.2m2的区域C(图中虚线)，C内有图乙所示的变化磁场，t＝0时刻，磁场方向垂直于线圈平面向里为正．下列判断正确的是()BDA．闭合S2，电路稳定后，通过R2的电流由b流向aB．闭合S2，电路稳定后，通过R2的电流大小为0.4AC．闭合S2，电路稳定后再断开S1，通过R2的电流由b流向aD．闭合S2，电路稳定后再断开S1，通过R2的电荷量为7.2×10－6C【解析】根据楞次定律，线圈中产生的感应电流为顺时针方向，则闭合S2、电路稳定后，通过R2的电流由a流向b，选项A错误；根据法拉第电磁感应定律：E＝nΔBΔtS＝100×0.63×0.2V＝4V，则闭合S2、电路稳定后，通过R2的电流大小为I＝ER1＋R2＋r＝42＋6＋2A＝0.4A，选项B正确；闭合S2、电路稳定后电容器上极板带正电，则当再断开S1，电容器放电，通过R2的电流由a流向b，选项C错误；电路稳定后电容器带电量Q＝CUR2＝3×10－6×0.4×6C＝7.2×10－6C，则电路稳定后再断开S1，通过R2的电荷量为7.2×10－6C，选项D正确．2．(多选)如图所示，一个匝数n＝100匝的圆形线圈，面积S1＝0.4m2，电阻r＝1Ω.在线圈中存在面积S2＝0.3m2，垂直线圈平面向外的匀强磁场区域，磁感应强度B＝0.3＋0.15t.将线圈两端a、b与一个阻值R＝2Ω的电阻相连接，b端接地．则下列说法正确的是()A．通过电阻R的电流方向向上B．回路中的电流大小逐渐增大C．电阻R消耗的电功率为6.75WD．a端的电势φa＝－3VAD【解析】由题可知，磁场逐渐增强，即原磁场磁通量逐渐增大，根据楞次定律可知，感应电流的磁场与原磁场方向相反，根据右手定律可知通过电阻R的电流方向向上，故选项A正确；由B＝0.3＋0.15t可知：ΔBΔt＝0.15T/s，根据法拉第电磁感应定律可知：E＝nΔBΔtS2＝100×0.15×0.3V＝4.5V，根据闭合电路欧姆定律可知：I＝ER＋r＝4.52＋1A＝1.5A，恒定不变，故选项B错误；根据公式可知电阻R消耗的电功率为：P＝I2R＝1.52×2W＝4.5W，故选项C错误；根据欧姆定律可知电阻R两端电压为Uba＝IR＝1.5×2V＝3.0V＝φb－φa，由题可知：φb＝0，则φa＝－3V，故选项D正确．考点2►电磁感应的图象问题电磁感应的图象问题图象类型(1)磁感应强度B、磁通量Φ、感应电动势E和感应电流I随________变化的图象，即B－t图象、Φ－t图象、E－t图象、I－t图象(2)对于切割磁感线产生感应电动势和感应电流的情况，还常涉及感应电动势E和感应电流I随________变化的图象，即E－x图象和I－x图象问题类型(1)由给定的__________过程判断或画出正确的图象(2)由给定的有关图象分析__________过程，求解相应的物理量(3)利用给出的图象判断或画出新的图象应用知识左手定则、安培定则、右手定则、_________、_____________________、欧姆定律、牛顿定律、函数图象等知识时间t位移x电磁感应电磁感应楞次定律法拉第电磁感应定律例2如图甲所示，导体框架abcd放置于水平面内，ab平行于cd，导体棒MN与两导轨垂直并与导轨接触良好，整个装置放置于垂直于框架平面的磁场中，磁感应强度B随时间变化规律如图乙所示，MN始终保持静止．规定竖直向上为磁场正方向，沿导体棒由M到N为感应电流的正方向，水平向右为导体棒所受安培力F的正方向，水平向左为导体棒所受摩擦力f的正方向，下列图象中正确的是()【解析】由图看出，磁感应强度先不变，后均匀减小，再反向均匀增大，则可判定ΔBΔt的值，先为零，然后一定，根据法拉第电磁感应定律得知，回路中产生的感应电动势先为零，后恒定不变，感应电流先没有，后恒定不变，根据楞次定律得知，回路中感应电流方向逆时针，为正，故A错误，B正确．在0～t1时间内，导体棒MN不受安培力，故C错误；由左手定则判断可知，在t1～t2时间内，导体棒MN所受安培力方向水平向右，由F＝BIL可知，B均匀减小，MN所受安培力大小F均匀减小；在t2～t3时间内，导体棒MN所受安培力方向水平向左，由F＝BIL可知，B均匀增大，MN所受安培力大小F均匀增大；根据平衡条件得到，棒MN受到的静摩擦力大小f＝F，方向相反，即在0～t1时间内，没有摩擦力，而在t1～t2时间内，摩擦力方向向左，大小减小，在t2～t3时间内，摩擦力方向向右，大小增大．D正确．【答案】BD例3如图，平行光滑金属导轨M、N固定在水平面上，处于竖直向下的匀强磁场中．完全相同的两金属棒P、Q搭放在导轨上，开始均处于静止状态．给P施加一与导轨平行的恒定拉力作用，运动中两金属棒始终与导轨垂直并与导轨接触良好．设导轨足够长，除两棒的电阻外其余电阻均不计．则两棒的速度及棒中的感应电流随时间变化的图象正确的是()【解析】P向右做切割磁感线运动，由右手定则判断知，回路中产生逆时针的感应电流，由左手定则判断可知，Q棒所受的安培力方向向右，故Q向右做加速运动；Q向右运动后，开始阶段，两杆的速度差增大，回路中产生的感应电动势增大，感应电流增大，两杆所受的安培力都增大，则P的加速度减小，Q的加速度增大，当两者的加速度相等时，速度之差不变，感应电流不变，安培力不变，两杆均做加速度相同的匀加速运动，故A正确，B错误；开始运动时，两棒的速度差增大，感应电动势增大，通过电流增大，最终两棒都做匀加速运动，速度差保持不变，故回路中感应电动势不变，电流恒定，故C错误，D正确．【答案】AD【小结】1.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Φ－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感应电流方向与时间的对应关系．(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．2．此类题的特点及解题关键此类题的特点是已知B－t图或Ф－t图，来分析线框中的电动势、电流或线框所受安培力的变化情况．解题的关键是：弄清图象中的斜率、拐点、截距的物理意义，结合楞次定律、法拉第电磁感应定律E＝nΔΦΔt、E＝BLv及欧姆定律来分析电压、电流的大小以及安培力大小变化．3．解这类题最常用的方法是排除法：先由楞次定律或右手定则确定电磁感应过程中的电流方向排除错误选项，再由法拉第电磁感应定律确定某过程中电动势大小变化情况排除错误选项．3．(多选)如图甲所示，一正方形导线框ABCD置于匀强磁场中，匀强磁场的磁感应强度B随时间t的变化如图乙所示，则线框中的电流I和导线AB受到的安培力F随时间t变化的图象分别是(规定垂直纸面向里的方向为磁感应强度的正方向，逆时针方向为线框中电流的正方向，向右为安培力的正方向)()AC【解析】由B－t图象可知，0～T2内，线圈中向里的磁通量增大，由楞次定律可知，电路中电流方向为逆时针，沿ABCDA方向，即电流为正方向；T2～T内，线圈中向里的磁通量减小，由楞次定律可知，电路中电流方向为顺时针方向，即电流为负方向；由法拉第电磁感应定律：E＝ΔΦΔt＝ΔB·SΔt，由于磁感应强度均匀变化，所以产生的感应电流大小保持不变，故A正确，B错误；0～T2内，电路中电流方向为逆时针，根据左手定则可知，AB边受到的安培力的方向向右，为正值；T2～T内，电路中的电流为顺时针，AB边受到的安培力的方向向左，为负值；根据安培力的公式：F＝BIL，电流大小不变，安培力的大小与磁感应强度成正比，故C正确，D错误．4．(多选)如图所示，在方向竖直向下、磁感应强度为B的匀强磁场中，沿水平面固定一个V字形金属框架CAD，已知∠A＝θ，导体棒EF在框架上从A点开始在外力作用下，沿垂直EF方向以速度v匀速向右平移，使导体棒和框架始终构成等腰三角形回路．已知框架和导体棒的材料和横截面积均相同，其单位长度的电阻均为R，框架和导体棒均足够长，导体棒运动中始终与磁场方向垂直，且与框架接触良好．关于回路中的电流I和消耗的电功率P随时间t变化关系的下列四个图象中可能正确的是()AD【解析】t时刻有效切割长度L＝2vttanθ2∴电动势E＝Bv·2vttanθ2总电阻，R总＝R2vtcosθ2＋2vttanθ2∴电流I＝ER总＝Bvsinθ2R（1＋sinθ2）.A对，B错．而P＝I2R总，P∝t，D对，C错．考点3►电磁感应中的动力学问题1．感应电流在磁场中受到__________的作用，因此电磁感应问题往往跟______学问题联系在一起．解决这类问题需要综合应用电磁感应规律(法拉第电磁感应定律)及力学中的有关规律(牛顿运动定律、动能定理、动量定理、动量守恒定律等)，分析时要特别注意_______、速度v达到_________时的特点．安培力力a＝0最大值2．运动的动态分析例4如图所示，两平行导轨间距为L，倾斜部分和水平部分长度均为L，倾斜部分与水