高考物理一轮复习专题十电磁感应考点4电磁感应的综合应用教案.docx
- 文档编号:25566329
- 上传时间:2023-06-09
- 格式:DOCX
- 页数:19
- 大小:435.25KB
高考物理一轮复习专题十电磁感应考点4电磁感应的综合应用教案.docx
《高考物理一轮复习专题十电磁感应考点4电磁感应的综合应用教案.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《高考物理一轮复习专题十电磁感应考点4电磁感应的综合应用教案.docx(19页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
高考物理一轮复习专题十电磁感应考点4电磁感应的综合应用教案
基础点
知识点1 电磁感应中的动力学问题
1.安培力的大小
⇒FA=
2.安培力的方向
(1)用左手定则判断:
先用右手定则判断感应电流的方向,再用左手定则判定安培力的方向。
(2)用楞次定律判断:
安培力的方向一定与导体切割磁感线的运动方向相反(选填“相同”或“相反”)。
3.安培力参与物体的运动:
导体棒(或线框)在安培力和其他力的作用下,可以做加速运动、减速运动、匀速运动、静止或做其他类型的运动,可应用动能定理、牛顿运动定律等规律解题。
知识点2 电磁感应中的能量问题
1.能量转化:
感应电流在磁场中受安培力,外力克服安培力做功,将机械能转化为电能,电流做功再将电能转化为其他形式的能。
2.转化实质:
电磁感应现象的能量转化,实质是其他形式的能与电能之间的转化。
3.电能的三种计算方法
(1)利用克服安培力做功求解:
电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功。
(2)利用能量守恒求解:
机械能的减少量等于产生的电能。
(3)利用电路特征求解:
通过电路中所产生的电热来计算。
重难点
一、电磁感应中的动力学问题
1.导体的两种运动状态
(1)平衡状态:
静止或匀速直线运动,F合=0。
(2)非平衡状态:
加速度不为零,F合=ma。
2.电磁感应综合问题的两大研究对象及其关系
电磁感应中导体棒既可视为电学对象(因为它相当于电源),又可视为力学对象(因为感应电流的存在而受到安培力),而感应电流I和导体棒的速度v则是联系这两大对象的纽带。
3.解答电磁感应中的动力学问题的一般思路
(1)电路分析:
等效电路图(导体棒相当于电源)。
电路方程:
I=
。
(2)受力分析:
受力分析图(安培力大小、方向),动力学方程:
F安=BIL,F合=ma(牛顿第二定律)。
其中I=
,可得F安=
,注意这个公式是连接电学与力学问题的关键。
(3)分析电磁感应中动力学问题的基本思路
4.解决电磁感应中力学问题的基本步骤
(1)明确研究对象和物理过程,即研究哪段导体在哪一过程切割磁感线。
(2)根据导体运动状态,应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。
(3)画出等效电路图,应用闭合电路欧姆定律求回路中的感应电流。
(4)分析研究导体受力情况,要特别注意安培力方向的确定。
(5)列出动力学方程或平衡方程求解。
①导体处于平衡状态——静止或匀速直线运动状态。
处理方法:
根据平衡条件——合外力等于零,列式分析。
②导体处于非平衡状态——加速度不为零。
处理方法:
根据牛顿第二定律进行动态分析或结合功能关系分析。
5.关于电磁感应中“收尾速度”及收尾情况的分析
(1)收尾速度的表达式
如图甲所示,导体棒ab在恒定外力F作用下,从静止开始沿光滑导轨做切割磁感线运动。
已知磁感应强度为B,导体棒长度为l,电阻为r,定值电阻为R,其他电阻不计,则收尾速度vm=
。
若导体棒质量为m,与导轨间的动摩擦因数为μ,则同理有vm′=
。
(2)两种典型的收尾情况
以如图乙所示的情景为例,导轨的倾角为θ,则收尾速度vm=
。
若导体棒进入磁场时v>vm,则线框先减速再匀速;若导体棒进入磁场时v<vm,则线框先加速再匀速。
特别提醒
(1)当涉及两个导体棒同时切割磁感线问题的分析时,要正确判断两个等效电源的串、并联关系,确定总的感应电动势的大小。
(2)当导体棒切割磁感线达到“收尾速度”时,加速度a=0,此时的速度通常为最值。
二、电磁感应中的能量转化问题
1.电磁感应中的能量转化
闭合电路中产生感应电流的过程,是其他形式的能向电能转化的过程。
电磁感应现象中能量问题的实质是电能的转化问题,桥梁是安培力。
“外力”克服安培力做多少功,就有多少其他形式的能转化为电能。
同理,安培力做功的过程是电能转化为其他形式能的过程,安培力做多少功就有多少电能转化为其他形式的能,因此电磁感应过程总是伴随着能量的转化。
2.安培力做功及对应的能量转化关系
(1)电动机模型:
如图甲所示,回路通电后导体棒中存在电流,受到安培力的作用而向右运动。
通过安培力做功,电能转化为导体棒的机械能。
(2)发电机模型:
如图乙所示,导体棒因向右运动而产生感应电流,受到安培力的阻碍作用。
通过克服安培力做功,机械能转化为回路的电能。
综上所述,安培力做功是电能和其他形式的能之间相互转化的桥梁,如图所示。
3.求解电磁感应中的能量转化问题所选用解题规律
(1)动能定理:
合外力(包含安培力)所做的功等于导体棒动能的增量。
(2)能量转化和守恒定律
①判断选定的系统在某一过程中能量是否守恒。
②分析该过程中能量形式,哪种能量增加,哪种能量减少。
③增加的能量等于减少的能量。
(3)借助功能关系图分析电磁感应中的能量问题。
理顺功能关系是分析电磁感应中能量转化问题的关键,下面以如图所示的情景为例说明。
图中倾角为θ的导轨不光滑,外力F拉着导体棒向上加速垂直切割磁感线,导体棒质量为m,电阻为r。
导体棒运动过程的功能关系如图所示。
通过以上功能关系不难得到以下结论:
①WF+W安+Wf=ΔE机(功能原理)
②WF+WG+W安+Wf=ΔEk(动能定理)
③WF+WG+Wf=ΔEk+Q(-W安=Q)
4.求解电磁感应中电能的三种主要思路
(1)利用克服安培力做功求解:
电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功。
(2)利用能量守恒定律求解:
机械能的减少量等于产生的电能。
(3)利用电路特征求解:
通过电路中产生的电热来计算。
5.分析电磁感应中能量问题的基本步骤
(1)用法拉第电磁感应定律和楞次定律确定感应电动势的大小和方向。
(2)画出等效电路,搞清电路结构,确定电流,求出回路中电阻消耗电功率的表达式。
(3)分析导体受力及各力做功情况,用动能定理或能量守恒定律,得到所满足的方程。
特别提醒
(1)在利用能量的转化和守恒解决电磁感应问题时,第一要准确把握参与转化的能量的形式和种类,第二要确定哪种能量增加,哪种能量减少。
(2)在电磁感应中若回路中电流恒定,可以利用电路结构及W=UIt或Q=I2Rt直接进行计算;若回路中电流变化,则可用功能关系或能量守恒定律求解。
(3)应用q=n
求解电磁感应中的电荷量问题,既可以分析恒定电流通过某横截面的电荷量,也可以分析变化的电流通过某横截面的电荷量,故在求解变速运动过程中由于电磁感应现象而涉及的电荷量问题时,可直接利用q=n
求解。
1.思维辨析
(1)安培力的方向一定与导体切割磁感线的运动方向相同。
( )
(2)电磁感应中产生的电能等于克服其他外力所做的功。
( )
(3)q=n
可以求解任何情况下通过导体的电荷量。
( )
(4)在有安培力的作用下,导体棒不能做加速运动。
( )
(5)电磁感应中求焦耳热时,均可直接用公式Q=I2Rt。
( )
(6)电路中的电能增加,外力一定克服安培力做了功。
( )
答案
(1)×
(2)× (3)√ (4)× (5)× (6)√
2.如图所示水平光滑的平行金属导轨,左端接有电阻R,匀强磁场B竖直向下分布在导轨所在空间内,质量一定的金属棒PQ垂直于导轨放置。
今使棒以一定的初速度v0向右运动,当其通过位置a、b时,速率分别为va、vb,到位置c时棒刚好静止。
设导轨与棒的电阻均不计,a、b与b、c的间距相等,则金属棒在由a→b与b→c的两个过程中下列说法中正确的是( )
A.金属棒运动的加速度相等
B.通过金属棒横截面的电量相等
C.回路中产生的电能Eab D.金属棒通过a、b两位置时的加速度大小关系为aa 答案 B 解析 由F=BIL,I= ,F=ma可得a= ,由于速度在减小,故加速度在减小,A、D错;由q=It,I= ,E=n ,可得q= ,由于两个过程磁通量的变化量相同,故通过金属棒横截面的电量相等,B正确;由克服安培力做的功等于产生的电能,即W=FL,由于安培力越来越小,故第二个过程克服安培力做的功小于第一个过程,因此C错误。 3.两根足够长的光滑导轨竖直放置,间距为L,底端接阻值为R的电阻。 将质量为m、电阻也为R的金属棒悬挂在一个固定的轻弹簧下端,金属棒与导轨接触良好,导轨所在的平面与磁感应强度为B的磁场垂直,如图所示,除金属棒和电阻R外,其余电阻不计。 现将金属棒从弹簧的原长位置由静止释放,则以下结论错误的是( ) A.金属棒向下运动时,流过电阻R的电流方向为b→a B.最终弹簧的弹力与金属棒的重力平衡 C.金属棒的速度为v时,所受的安培力大小为B2L2v/R D.金属棒的速度为v时,金属棒两端的电势差为BLv/2 答案 C 解析 金属棒向下运动时,切割磁感线,由右手定则可知,流过电阻R的电流方向为b→a,选项A正确;金属棒在切割磁感线的过程中,将金属棒的机械能转化为焦耳热,最终停下,处于静止状态,其合力为零,即弹簧的弹力与金属棒的重力平衡,选项B正确;当金属棒的速度为v时,产生的电动势E=BLv,I= = ,则金属棒所受的安培力大小F=BIL= ,选项C错误;由欧姆定律可得,金属棒两端的电势差U=IR= ,选项D正确。 故本题错误的选项是C。 [考法综述] 本考点内容是高考的热点之一,试题无论是选择题还是计算题,综合性都较强,难度也较大。 在复习过程中既要抓基础,又要重能力的训练,应掌握: 2类问题——电磁感应中的动力学问题、功和能量问题 2种思路——解决电磁感应中的动力学问题思路、功和能量问题思路 1种速度——收尾速度 命题法1 电磁感应中的动力学问题 典例1 如图所示,两条平行的光滑金属导轨固定在倾角为θ的绝缘斜面上,导轨上端连接一个定值电阻。 导体棒a和b放在导轨上,与导轨垂直并良好接触。 斜面上水平虚线PQ以下区域内,存在着垂直穿过斜面向上的匀强磁场。 现对a棒施以平行导轨斜向上的拉力,使它沿导轨匀速向上运动,此时放在导轨下端的b棒恰好静止。 当a棒运动到磁场的上边界PQ处时,撤去拉力,a棒将继续沿导轨向上运动一小段距离后再向下滑动,此时b棒已滑离导轨。 当a棒再次滑回到磁场上边界PQ处时,又恰能沿导轨匀速向下运动。 已知a棒、b棒和定值电阻的阻值均为R,b棒的质量为m,重力加速度为g,导轨电阻不计。 求: (1)a棒在磁场中沿导轨向上运动的过程中,a棒中的电流大小Ia与定值电阻R中的电流大小IR之比; (2)a棒质量ma; (3)a棒在磁场中沿导轨向上运动时所受的拉力F。 [答案] (1) (2) m (3) mgsinθ [解析] (1)a棒沿导轨向上运动时,a棒、b棒及电阻R中的电流分别为Ia、Ib、IR,则有IRR=IbRb,Ia=IR+Ib 联立解 = (2)由于a棒在PQ上方滑动过程中机械能守恒,因而a棒在磁场中向上滑动的速度大小v1与在磁场中向下滑动的速度大小v2相等,即v1=v2=v 设磁场的磁感应强度为B,金属导轨间距为L。 a棒在磁场中运动时产生的感应电动势为E=BLv 当a棒沿斜面向上运动时Ib= 由b棒恰好静止知IbLB=mgsinθ 向下匀速运动时,a棒中的电流为Ia′则Ia′= 由a棒恰能匀速运动知Ia′LB=magsinθ 联立解得ma= m (3)由题意知a棒沿斜面向上运动时,所受拉力 F=IaLB+magsinθ 联立以上各式解得F= mgsinθ。 【解题法】 解决电磁感应中动力学问题的一般思路 (1)电路分析: 根据法拉第电磁感应定律和右手定则确定电源,画出等效电路图,明确内、外电路,分析外电路的串、并联关系。 (2)受力分析: 注意导体棒所受的安培力大小和方向。 (3)运动分析: 对运动过程进行“慢进”式推理分析,应用牛顿第二定律或平衡条件对运动过程中各物理量进行分析。 命题法2 电磁感应中“收尾速度”类问题 典例2 如图甲所示,两根足够长的直金属导轨MN、PQ平行放置在倾角为θ的绝缘斜面上,两导轨间距为L,M、P两点间接有阻值为R的电阻。 一根质量为m的均匀直金属杆ab放在两导轨上,并与导轨垂直。 整套装置处于磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向垂直斜面向下,导轨和金属杆的电阻可忽略,让ab杆沿导轨由静止开始下滑,导轨和金属杆接触良好,不计它们之间的摩擦。 (1)由b向a方向看到的装置如图乙所示,请在此图中画出ab杆下滑过程中某时刻的受力示意图。 (2)在加速下滑过程中,当ab杆的速度大小为v时,求此时ab杆中的电流及加速度的大小。 (3)求在下滑过程中,ab杆可以达到的最大速度。 [答案] (1)见解析 (2) gsinθ- (3) [解析] (1)如图所示,ab杆受: 重力mg,竖直向下;支持力FN,垂直斜面向上;安培力F,沿斜面向上。 (2)当ab杆速度为v时,感应电动势E=BLv,此时电路中电流I= = ,ab杆受到安培力F=BIL= ,根据牛顿运动定律,有 ma=mgsinθ-F=mgsinθ- , a=gsinθ- (3)当a=0时,ab杆有最大速度 vm= 【解题法】 电磁学中有关“收尾速度”类问题的思考路线 导体受力运动产生感应电动势→感应电流→通电导体受安培力→合外力变化→加速度变化→速度变化→感应电动势变化→…,周而复始地循环,直至最终达到稳定状态,此时加速度为零,而速度v通过加速达到最大值,做匀速直线运动或通过减速达到稳定值做匀速直线运动。 命题法3 电磁感应中的焦耳热问题 典例3 如图所示,两根足够长的平行金属导轨固定在倾角θ=30°的斜面上,导轨电阻不计,间距L=0.4m。 导轨所在空间被分成区域Ⅰ和Ⅱ,两区域的边界与斜面的交线为MN,Ⅰ中的匀强磁场方向垂直斜面向下,Ⅱ中的匀强磁场方向垂直斜面向上,两磁场的磁感应强度大小均为B=0.5T。 在区域Ⅰ中,将质量m1=0.1kg,电阻R1=0.1Ω的金属条ab放在导轨上,ab刚好不下滑。 然后,在区域Ⅱ中将质量m2=0.4kg,电阻R2=0.1Ω的光滑导体棒cd置于导轨上,由静止开始下滑。 cd在滑动过程中始终处于区域Ⅱ的磁场中,ab、cd始终与导轨垂直且两端与导轨保持良好接触,取g=10m/s2,问: (1)cd下滑的过程中,ab中的电流方向; (2)ab刚要向上滑动时,cd的速度v多大; (3)从cd开始下滑到ab刚要向上滑动的过程中,cd滑动的距离x=3.8m,此过程中ab上产生的热量Q是多少。 [答案] (1)由a流向b (2)5m/s (3)1.3J [解析] (1)根据右手定则判知cd中电流方向由d流向c,故ab中电流方向由a流向b。 (2)开始放置ab刚好不下滑时,ab所受摩擦力为最大静摩擦力,设其为Fmax,有Fmax=m1gsinθ① 设ab刚好要上滑时,cd棒的感应电动势为E,由法拉第电磁感应定律有E=BLv② 设电路中的感应电流为I,由闭合电路欧姆定律有 I= ③ 设ab所受安培力为F安,有F安=BIL④ 此时ab受到的最大静摩擦力方向沿斜面向下,由平衡条件有 F安=m1gsinθ+Fmax⑤ 联立①②③④⑤式,代入数据解得: v=5m/s⑥ (3)设cd棒的运动过程中电路中产生的总热量为Q总,由能量守恒定律有 m2gxsinθ=Q总+ m2v2⑦ 由串联电路规律有Q= Q总⑧ 联立解得: Q=1.3J⑨ 【解题法】 求解焦耳热Q的三种方法 命题法4 电磁感应中的功和能问题 典例4 半径分别为r和2r的同心圆形导轨固定在同一水平面内,一长为r,质量为m且质量分布均匀的直导体棒AB置于圆导轨上面,BA的延长线通过圆导轨中心O,装置的俯视图如图所示。 整个装置位于一匀强磁场中,磁感应强度的大小为B,方向竖直向下。 在内圆导轨的C点和外圆导轨的D点之间接有一阻值为R的电阻(图中未画出)。 直导体棒在水平外力作用下以角速度ω绕O逆时针匀速转动,在转动过程中始终与导轨保持良好接触。 设导体棒与导轨之间的动摩擦因数为μ,导体棒和导轨的电阻均可忽略。 重力加速度大小为g。 求: (1)通过电阻R的感应电流的方向和大小; (2)外力的功率。 [答案] (1)由C端流向D端 (2) μmgωr+ [解析] (1)在Δt时间内导体棒扫过的面积为 ΔS= ωΔt[(2r)2-r2]① 根据法拉第电磁感应定律,导体棒上感应电动势的大小为 ε= ② 根据右手定则,感应电流的方向是从B端流向A端。 因此通过电阻R的感应电流方向是从C端流向D端。 由闭合电路欧姆定律可知,通过电阻R的感应电流大小I满足I= ③ 由①②③式得I= ④ (2)由于质量分布均匀,内、外圆导轨对导体棒的压力大小相等,设大小为N在竖直方向有mg-2N=0⑤ 导体棒受两导轨的滑动摩擦大小均为f=μN⑥ 在Δt时间内,导体棒在内、外圆导轨上扫过的弧长分别为L1=rωΔt⑦ L2=2rωΔt⑧ 所以在Δt时间内,导体棒克服摩擦力做的总功为 Wf=f(L1+L2)⑨ 在Δt时间内,消耗在电阻R上的功为 WR=I2RΔt⑩ 根据能量守恒定律知,外力在Δt时间内做的功为 W=Wf+WR⑪ 外力的功率为P= ⑫ 由④至⑫式得P= μmgωr+ 。 【解题法】 用能量观点解答电磁感应问题的一般步骤
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 高考 物理 一轮 复习 专题 电磁感应 考点 综合 应用 教案
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)