文档文本内容
专题十一 电磁感应
课标解读
考情分析 备考指导
考点 内容
.知道磁通量 通过实验 了解电磁感
1 。 ,
应现象 了解产生感应电流的条件
, 。
.知道电磁感应现象的应用及其对现 本专题主要内容有电磁感应现象的描
2
代社会的影响 考查的知识有 左手定则 安培定则 右 述 感应电流方向的判断 感应电动势大
电磁感应现象、 。 : 、 、 、 、
.探究影响感应电流方向的因素 理解 手定则 楞次定律 法拉第电磁感应定 小的计算 自感现象和涡流现象等 这
楞次定律 3 , 、 、 、 。
楞次定律 律 闭合电路欧姆定律 平衡条件 牛顿 部分是高考考查的重点内容 在高考
。 、 、 、 。
.了解发电机和电动机工作过程中的 运动定律 函数图像 动能定理和能量 中 电磁感应现象多与电路 力学 能量
4 、 、 , 、 、
能量转化 认识电磁学在人类生活和 守恒定律等 高考既以选择题的形式 等知识相结合 综合性较高 因此 在复
。 。 , , ,
社会发展中的作用 命题 也以计算题的形式命题 学好本 习时应深刻理解各知识点内容 注重训
。 , 。 、
1
.通过实验
,
理解法拉第电磁感应定律
。
专题
,
可以培养学生分析问题
、
解决问 练和掌握综合性题目的分析思路和方
法拉第电磁感
2
.通过实验
,
了解自感现象和涡流现象
。
题的能力
,
培养学生模型建构
、
科学推 法
,
还要研究与实际生活
、
生产科技相结
应定律
3
.能举例说明自感现象和涡流现象在 理和科学论证等物理核心素养
,
以及建 合的实际应用问题
,
便于全面提高分析
生产生活中的应用 立正确的科学观 解决综合性问题和实际应用问题的
。 。
能力
电磁感应中的 熟练掌握运动学 动力学 恒定电流 电 。
、 、 、
综合应用 磁感应和能量等知识的综合应用
。
命题立意 解题指导 拓展延伸
本题考查法拉第电磁感应定律 安培力 题目中金属框和导体棒同时运动 速度 本题可拓展到金属框固定 导体棒在恒定
、 、 , 、 ,
牛顿运动定律等知识 意在考查学生的模 加速度均在变化 运动一段时间后 达到 的拉力作用下做加速度逐渐减小的变加
, , ,
型建构能力 分析综合能力 体现了物理 稳定状态 稳定的含义是感应电流恒定 速运动 直到达到最大速度后匀速 也可
、 。 , , , ;
学科核心素养中运动与相互作用观念 科 即所受安培力恒定 这样金属框和导体棒 拓展到导体棒在变力作用下做匀加速直
、 ,
学推理等要素 最终都做匀变速直线运动 二者的加速度 线运动 求变力的变化情况 还可以拓展
。 , , ;
相等 保持稳定的速度差 答案解析 到双导体棒的切割问题 同向切割或反向
, 。 ,
见 切割 除此之外 还可以跟动量定理 动量
P334 ; , 、
守恒定律等知识相结合形成综合性问题
。
68 5年高考3年模拟 A版 高考物理专题十一 电磁感应 69
三、磁通量、磁通量的变化量、磁通量的变化率的区别
Φ
磁通量Φ 磁通量的变化量 Φ 磁通量的变化率Δ
Δ t
Δ
考点一 电磁感应现象、楞次定律
某一段时间内穿过
物理 某时刻穿过某个面 穿过某个面的磁通量
一、电磁感应现象 某个面的磁通量的
意义 的磁感线的条数 变化的快慢
变化量
电磁感 当穿过闭合电路的磁通量 发生变化 时 电路中有
① ,
应现象 感应电流产生的现象 Φ B S S是与B Δ Φ = Φ 2- Φ 1 Δ Φ t= B · Δ S t
条件 穿过闭合电路的磁通量发生变化 大小 垂 = 直的 · 面 , 的面积 Δ Φ = B ·Δ S Δ Φ Δ B
电 产 流 生 的 感 条 应 件 特例 闭合电路的一部分导体在磁场内做 ② 切割磁 穿过某个面有方向 Δ Φ = S ·Δ B Δ Δ t= S · Δ Δ t
感线的运动 开始时和转过 既不表示磁通量的大
相反的磁场 则不能 180°
电磁感应 电磁感应现象的实质是产生 ③ 感应电动势 , 如果电 注意 直接用Φ = B , · S求 时 直 平 穿 面 过 都 平 与 面 磁 的 场 磁通 垂 小 变 , 化 也 的 不 多 表 少 示磁 实 通 际 量 它
路闭合则产生感应电流 如果电路不闭合 则只产生 解 应考虑相反方向 , ,
现象的实质 ; , , 量是 一 正 一 负 就是单匝线圈上产生
感应电动势 而不产生感应电流 的磁通量抵消后所 ,
, Φ BS而不是 的电动势
发生电磁感应现象时 机械能或其他形式的能转化 剩余的磁通量 Δ =-2 0
能量转化 ,
线圈绕垂直于磁场的轴做匀速圆周运动 线圈平面与磁感线平行时
为电能 , ,
Φ Φ
Φ 但Δ 最大 线圈平面与磁感线垂直时 Φ最大 但Δ Φ
二、感应电流方向的判定 附注 =0, Δ t ; , , Δ t =0; 、
Φ
1.用楞次定律判断 Φ Δ 都与线圈匝数无关
Δ 、 t
Δ
楞次定律中 阻碍 的含义
(1) “ ”
考点二 法拉第电磁感应定律
一、法拉第电磁感应定律
1.法拉第电磁感应定律:闭合电路中感应电动势的大小与穿
过这一电路的磁通量的变化率成正比 即E 产生的
, =① ,
感应电动势有两种 一种是感生电动势 另一种是动生电动势
, , 。
2.感生电动势与动生电动势的比较
感生电动势 动生电动势
产生原因 磁场的变化 导体做切割磁感线运动
移动电荷的 感生电场对自由电 导体中自由电荷所受洛伦兹
应用楞次定律的思路
(2) 非静电力 荷的电场力 力沿导体方向的分力
回路中相当于 处于变化磁场中的
做切割磁感线运动的导体
电源的部分 线圈部分
通常由右手定则判断 也可
方向判断方法 由楞次定律判断 ,
由楞次定律判断
通常由E Blv θ计算 也
Φ = sin ,
大小计算方法 由E nΔ 计算 Φ
= t 可由E nΔ 计算
Δ = t
Δ
二、互感和自感
2.用右手定则判断 1.互感
该方法只适用于导体切割磁感线产生的感应电流 注意三 两个相互靠近的线圈中 有一个线圈中的电流变化时 它所
, , ,
个要点 产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势 这种现
: ,
掌心 磁感线穿入 象叫作互感 这种电动势叫作互感电动势 变压器就是利用互
(1) ——— ; , 。
拇指 指向导体运动的方向 感现象制成的
(2) ——— ; 。
四指 指向感应电流的方向 2.自感
(3) ——— 。
自感 由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应
(1) :
现象 叫作自感
, 。
电磁炮的特点 电磁炮利用电磁力所做的功作为发射能量,不会产生强大的冲击波和弥漫的烟雾,因而
具有良好的隐蔽性。 电磁炮可根据目标的性质和距离,调节、选择适当的能量来调整弹丸的射程。 电磁炮没有圆形
炮管,弹丸体积小,重量轻,使其在飞行时的空气阻力很小,因而电磁炮的发射稳定性好,初速度高,射程远。 由于电
磁炮的发射过程全部由计算机控制,弹头又装有激光制导或其他制导装置,所以具有很高的射击精度。 (图为电磁
炮)
70 5年高考3年模拟 A版 高考物理
自感电动势 由于自感而产生的感应电动势叫作自感电 二、电磁感应中的图像问题
(2) :
动势 自感电动势总是阻碍导体自身电流的变化 与电流变化
。 , 磁感应强度B 磁通量Φ 感应电动势E和感应电流I随时
的快慢有关 大小正比于电流的变化率 表示为E (1) 、 、
, , =② 。 间t变化的图像 即B t图像 Φ t图像 E t图像和I t图像
I 图像 , - 、 - 、 - -
自感系数 E L Δ 中的比例系数L叫作自感系数 简称 对于切割磁感线产生感应电动势和感应电流的情况 还
(3) : = t , 类型 (2) ,
Δ 常涉及感应电动势E和感应电流I随导体位移x变化的图
自感或电感 线圈的长度越长 线圈的横截面积越大 单位长度
。 , ,
像
,
即E
-
x图像和I
-
x图像
上匝数越多 线圈的自感系数越大 线圈有铁芯比无铁芯时自感
, , 由给定的电磁感应过程选出或画出正确的图像
系数 大得多 问题 (1)
③ 。 由给定的有关图像分析电磁感应过程 求解相应的物
类型 (2) ,
三、涡流、电磁阻尼、电磁驱动 理量
1.涡流现象
应用 右手定则 安培定则 楞次定律 法拉第电磁感应定律 欧姆
涡流 当线圈中的电流随时间变化时 线圈附近的金属 、 、 、 、
(1) : , 知识 定律 牛顿运动定律和相关数学知识等
块内会产生 感应电流 电流在导体内自成回路 就像水中的 、
④ , ,
旋涡 故叫作涡电流 简称涡流
, , 。 三、电磁感应现象中的动力学问题
产生原因 金属块内 磁通量 变化 感应电动势 感
(2) : ⑤ → → 1.安培力的大小
应电流
。 安培力公式 F BILü ï
2.电磁阻尼 : = ï
感应电动势 E BLv
导体在磁场中运动时 感应电流会使导体受到安培力 安培 : = ý F
, , E ï⇒ =③
力总是 阻碍 导体的相对运动 感应电流 I ï
⑥ 。 : = R þ
3.电磁驱动
2.安培力的方向
当磁场相对导体转动时 在导体中会产生 感应电流 使导
, ⑦ 先用右手定则判断感应电流方向 再用左手定则判定安
体受到安培力而运动起来 (1) ,
。 培力方向
。
根据楞次定律 安培力的方向一定和导体切割磁感线的
考点三 电磁感应中的综合应用 (2) ,
运动方向相反
一、电磁感应中的电路问题 。
1.电源和电阻 四、电磁感应现象中的能量问题
1.电磁感应现象的实质是其他形式的能和 电能 之间的
④
转化
。
2.感应电流在磁场中受安培力 外力克服安培力做功 将其
, ,
他形式的能转化为电能 电流做功再将电能转化为其他形式
,
的能
。
考点一 发生变化 切割磁感线 感应电动势
:① ② ③
Ф I
考点二 nΔ L Δ 大得多 感应电流 磁通量
:① t ② t ③ ④ ⑤
2.电流方向 Δ Δ
阻碍 感应电流
⑥ ⑦
在外电路 电流由高电势流向低电势 在内电路 电流由低
, ; , n Φ B2L2v
考点三 Δ 内阻 电能
电势流向高电势 :① t ② ③ R ④
。 Δ
什么是磁悬浮列车 磁悬浮列车是目前世界上技术最先进、已经进入实用阶段的新型列车,具有许多优
越性。 第一,速度高,可达 以上。 第二,安全、平稳、舒适。 第三,爬坡能力强。 第四,列车与轨道之间摩擦
500km/h
和冲击很小,可以延长设备寿命,降低营运、维修和耗能费用。 第五,基本上没有噪音和空气污染。 (图为磁悬浮列
车)
续表
阻碍什么 阻碍的是磁通量的变化 而不是阻碍磁场本身
,
当磁通量增加时 感应电流的磁场方向与原磁场的方向
拓展一 楞次定律的理解及应用 ,
如何阻碍 相反 当磁通量减小时 感应电流的磁场方向与原磁场的
1.楞次定律中“阻碍”的含义
方向
;
相同 即 增反减同
,
, “ ”
感应电流的磁场阻碍引起感应电流的磁场 原磁场 的磁 阻碍并不是阻止 只是延缓了磁通量的变化快慢 这种变
谁阻碍谁 ( ) 结果如何 , ,
通量的变化 化将继续进行 最终结果不受影响
,
专题十一 电磁感应 71
2.楞次定律的推广含义 例1 多选 如图所示的电路中
( ) ,
楞次定律中 阻碍 的含义可以推广为 感应电流的效果总
“ ” : A 和A 是完全相同的灯泡 线圈 L 的电
是阻碍引起感应电流的原因 列表说明如下 1 2 ,
阻可以忽略 下列说法中正确的是
, :
, ( )
内容 例证 .合上开关 接通电路时 A 先亮
A S , 2 ,
A 后亮 最后一样亮
阻碍原磁通量 1 ,
.合上开关 接通电路时 A 和A 始终一样亮
· 变 反 · 减 化 · 同 —— ” —“ · 增 磁铁靠近线圈 , B 感 与B 原 反向 B C . . 断 断 开 开 开 开 关 关 S S 切 切 断 断 电 电 路 路 时 时 , , A A 1 2 立 和 刻 A 2 熄 都 灭 要 , A 过 1 一 过 会 一 儿 会 才 儿 熄 才 灭 熄灭
D S , 1 2
解析 自感线圈具有阻碍电流变化的作用,当电流增大时,它
阻碍电流增大;当电流减小时,它阻碍电流减小,但阻碍并不能阻
阻 碍 相 对 运 磁铁靠近 , 是斥力 止。 闭合开关时,L中电流从无到有,L将阻碍这一变化,使L中电
动———“ 来 拒
· · 流不能迅速增大,而无线圈的A 支路,电流能够瞬时达到较大值,故
2
去留 A 后亮,A 先亮,最后通过两灯电流相等,一样亮;断开开关时,L中
··” 磁铁远离 , 是引力 产 1 生自感现 2 象,使A 、A 都要过一会儿才熄灭。 故 、 正确。
1 2 A D
答案 AD
使回路面积有 拓展三 导体棒切割磁感线产生电动势的分析与计算
扩大或缩小的 公式 E BLv
(1) : = 。
趋 势———“ 增 关于求解导体切割磁感线的感应电动势公式的两点
· (2)
说明
缩减扩 :
···”
P Q是光滑固定导轨 a b是可动金属棒 磁铁下 公式中的B L v要求两两互相垂直 当L B L v 而v
、 , 、 , ① 、 、 。 ⊥ , ⊥ ,
移 a b靠近 与B 成 θ 夹角时 导体切割磁感线的感应电动势大小为
, 、 ,
E BLv θ
阻碍原电流的 = sin 。
若导体不是直的 则E BLv θ中的L为切割磁感线的
变 化———“ 增 ② , = sin
· 导体的有效长度 如图中 导体的有效长度为a b间的距离
。 , 、 。
反减同
···”
合上 B先亮
S,
拓展二 通电自感与断电自感的比较
通电自感 断电自感 有关计算导体切割磁感线产生的感应电动势大小的两
(3)
个特例
电 :
长为L的导体棒在磁感应强度为B的匀强磁场中以角速
路 ①
度ω匀速转动 导体棒产生的感应电动势
图 , :
.以中点为轴时 E 不同两段的代数和
a , =0( );
器材 A A 同规格 R R L
要求 较 1、 大 2 , = L, L很大 ( 有铁芯 ), R L≪ R A b .以端点为轴时 , E = 1 BωL2 ( 平均速度取中点位置时的线
2
在 闭合的瞬间 A 灯立
S , 2 在开关 断开时 灯A突然闪 速度 1 ωL
现象 即亮起来 A 灯逐渐变 S , );
, 1 亮一下后再渐渐熄灭 2
亮 最终一样亮
, .以任意点为轴时 E 1Bω L2 L2 不同两段的代数和
断开开关 时 流过线圈L的 c , = ( 1- 2)( )。
S , 2
电流减小 产生自感电动势 阻 面积为S的矩形线圈在匀强磁场B中以角速度ω绕线圈平面
由于开关闭合时 流过电 , , ②
, 碍了电流的减小 使电流继续 内垂直于磁场的任意轴匀速转动切割磁感线 产生的感应电动势
感线圈的电流迅速增大 , , :
原 , 存在一段时间 在 断开后 通 .线圈平面与磁感线垂直时 E
使线圈产生自感电动势 ; S , a , =0;
, 过L的电流反向通过灯A 且由 .线圈平面与磁感线平行时 E BSω
阻碍了电流的增大 使流 , b , = ;
因 过A 灯的电流比流 , 过A 于R L≪ R A, 使得流过A灯的电 c .线圈平面与磁感线夹角为θ时 , E = BSω cos θ 。
1 2 流在开关断开的瞬间突然增
灯的电流增加得慢
大 从而使A灯的功率突然变 拓展四 电磁感应中的图像问题
,
大
,
即闪亮一下 1.图像问题中的“三看”“三明确”
能量转
电能转化为磁场能 磁场能转化为电能 对于图像问题 应做到 三看 三明确 即
化情况 , “ ”、“ ”,
看轴 看清变量
(1) ——— 。
电磁铁与门铃 门铃主要部件是一个马蹄形电磁铁,电磁铁上方有一块衔铁,它和弹簧片相连接;衔铁的
一端有一个小锤,锤和铃盖之间有一个小空隙。 按钮就是电铃的开关,按下按钮接通电流,电磁铁有磁性,将衔铁向下
吸,小锤就会碰击铃盖,发出声音。 在衔铁被吸向下的同时,接触螺钉与弹簧片断开,电流中断,电磁铁失去磁性,衔铁
又被弹回原处,电流再次接通,小锤又敲击一下铃盖。 这样,在按下电钮期间,清脆的门铃声就响个不停了。 (图为
门铃)
72 5年高考3年模拟 A版 高考物理
看线 看图线的形状 t 时回路的电动势E
(2) ——— 。 (1) =2 s ;
看点 看特殊点和转折点 时间内流过回路的电荷量q和导体棒的位移大小s
(3) ——— 。 (2)0~2s ;
明确图像斜率的物理意义 导体棒滑动过程中水平外力F的瞬时功率P 单位
(4) 。 (3) ( :W)
明确截距的物理意义 与横坐标x 单位 的关系式
(5) 。 ( :m) 。
明确 的含义 思路分析 根据图丙可得出相应时刻的电流 再根据
(6) “+”“-” 。 (1) ,
2.图像问题的求解类型
闭合电路欧姆定律可求出回路电动势
。
据电磁感应过程选图像 据图像分析判断电磁感应过程 根据图丙求出流过回路的电荷量与时间的关系 然后求
(2) ,
出 内流过回路的电荷量 对回路研究 用电磁感应定律求
0~2 s , ,
出回路电动势 再用闭合电路欧姆定律以及轨道与导体棒的几
求
,
解 何关系列出相应方程 联立可得导体棒速度随时间变化的关系
流 , ,
程 进一步求出其加速度 然后根据位移公式可求出导体棒位移
, 。
先求出导体棒所受安培力 根据牛顿第二定律求出拉力
(3) ,
表达式 利用速度位移公式求出速度表达式 利用求瞬时功率的
3.解题关键 , ,
公式P Fv 求得瞬时功率与横坐标x的关系式
弄清初始条件 正负方向的对应变化范围 所研究物理量的 = , 。
、 、
函数表达式 进出磁场的转折点等是解决此类问题的关键 解析 ( )根据I t图像可知:I k t(k )
、 。 1 - = 1 1=2 A/s
4.解决图像问题的一般步骤 当t 时,回路中电流I
=2 s 1=4 A
明确图像的种类 是B t图还是Φ t图 或者E t图 I 根据闭合电路欧姆定律:E I R
(1) , - - , - 、 - = 1 =2 V
t图等 ( )流过回路的电荷量q It
。 2 =
(2)
分析电磁感应的具体过程
。 I
I
,解得:q
k
1
t2
用右手定则或楞次定律确定方向的对应关系 = =
(3) 。 2 2
结合法拉第电磁感应定律 欧姆定律 牛顿运动定律等 当t 时,q
(4) 、 、 =2 s =4 C
知识写出函数关系式 Blv
。 由闭合电路欧姆定律得:I ,l x °
根据函数关系式 进行数学分析 如分析斜率的变化 截 = R = tan45
(5) , , 、
距等 k k R
。 根据B x图像可知:B 2(k · ),解得:v 1 t
画图像或判断图像 - = x 2=1 T m = k
(6) 。 2
例2 如图甲所示 水平面内的直角坐标系的第一象限有 k R
, 由于 1 2,再根据v v at,可得a 2
磁场分布 方向垂直于水平面向下 磁感应强度沿y轴方向没有 k =1 m/s = 0+ =1 m/s
, , 2
变化 沿x轴方向B与x成反比 如图乙所示 顶角θ °的光 可知导体棒做匀加速直线运动,则 时间内导体棒的
, , 。 =45 0~2 s
滑金属长导轨 MON 固定在水平面内 ON 与 x 轴重合 一根与
, , 位移s 1 at2
ON垂直的长导体棒在水平向右的外力作用下沿导轨向右滑动 =
2
=2 m
,
导体棒在滑动过程中始终与导轨接触 。 已知t =0 时 , 导体棒位 ( 3 )棒受到的安培力F 安= BIl
于顶点O处 导体棒的质量为m 回路接触点总电阻恒为 根据牛顿第二定律:F - F 安= ma
, =1 kg,
R . 其余电阻不计 回路电流I与时间t的关系如图丙所 根据 ax v2,P Fv
=05 Ω, 。 2 = =
示 图线是过原点的直线 求 k2 ax
, 。 : 解得:P ( 2 2 ma) ax x x( )
= R + 2 =4 + 2 W
答案 ( ) ( ) ( )P x x( )
1 2 V 2 4 C 2 m 3 =4 + 2 W
电磁铁停泊船只 荷兰的鹿特丹港正在试验一种系统,把一系列巨大的电磁铁埋入港口的码头,用来停
泊巨型集装箱运货船。 如果试验成功,工作人员只需轻按一个电钮,巨型集装箱运货船就能牢牢地停泊在码头旁边。
这种泊船系统每年可节省约 万欧元的劳动成本,并加速船舶的装货卸货时间。 (图为码头的船只)
500
楞次定律或右手定则确定感应电动势的方向 感应电流方向是
(
电源内部电流的方向 从而确定电源正 负极 明确内阻r
), 、 , 。
路 的分析 根据 等效电源 和电路中其他各元件的
(2)“ ” : “ ”
应用一 探究电磁感应中的电路问题
连接方式画出等效电路图
。
1.解决电磁感应电路问题的基本步骤 Φ
式 的建立 根据E Blv或E nΔ 结合闭合电路欧
源 的分析 用法拉第电磁感应定律算出E的大小 用 (3)“ ” : = = t
(1)“ ” : , Δ
专题十一 电磁感应 73
姆定律 串并联电路知识和电功率 焦耳定律等关系式联立 解析 根据右手定则可知,M端为正极,则上极板带正电,
、 、
求解 板间场强竖直向下,又油滴静止,对其受力分析知受竖直向下的
。
2.经常用到的一个导出公式:q n Δ Φ 重力和竖直向上的电场力,两力大小相等,因此油滴带负电荷,
= R
选项 错误;设导轨间距为L,导体棒切割磁感线产生的感应电
在电磁感应现象中 只要穿过闭合回路的磁通量发生变化 A
, , ER BLv
闭合回路中就会产生感应电流 设在时间 t内通过导体截面的 动势为E BLv ,则电容器两端电压为U 0 0,开始油
, Δ 1= 0 1=R R =
q 0+ 0 2
电荷量为q 则根据电流定义式I 及法拉第电磁感应定律E U
, = t = 滴静止时有q 1 mg,若将上极板竖直向上移动距离d,对油滴
Δ d =
n Φ E n Φ n Φ
Δ 得q I t t Δ t Δ U g
t , = Δ = RΔ = R tΔ = R 。 有mg 1q ma ,解得a ,方向竖直向下,同理,若将导体棒
Δ 需要说明的是 上面式 Δ 中I为平均值 因而E也为平均值 - 2 d = 1 1= 2
: , 。 的速度变为 v ,可得油滴的加速度大小为 a g,方向竖直向
如果闭合回路是一个单匝线圈 ( n =1), 则q = Δ R Φ 。 上,选项 错 2 误 0 、 正确;若保持导体棒的速度不 2= 变,而将滑动触
B C
q nΔ Φ 中n为线圈的匝数 Φ为磁通量的变化量 R为闭 头置于a端,同时将电容器上极板向上移动距离 d ,则此时电容
= R ,Δ ,
3
合回路的总电阻 E · R
。 器两端电压为 U 1 2 0 2 BLv ,油滴所受电场力为 F
3.电磁感应中确定电源的方法 2= R R = 0 =
2 0+ 0 3
判断产生电磁感应现象的那一部分导体 电源 U BLv q
(1) ( )。 2q 0 mg,因此油滴仍然静止,选项 正确。
动生问题 棒切割磁感线 产生的电动势E BLv 方向 d = d = D
(2) ( ) = , 4 2
由右手定则判定
。 3
感生问题 磁感应强度的变化 产生的电动势 E 答案 CD
(3) ( ) =
BS
nΔ 方向由楞次定律判定 在等效电源内部电流方向都是由
t , 。 应用二 探究电磁感应中的功能问题
Δ
负极流向正极的 1.电磁感应中的功能问题
。
例1 多选 如图所示 匀强磁场的方向垂直于光滑的金 电磁感应过程的实质是不同形式的能量之间转化的过程
( ) , ,
属导轨平面向里 极板间距为d的平行板电容器与总阻值为 R 而能量的转化是通过安培力做功的形式实现的 安培力做功的
, 2 0 ,
的滑动变阻器通过平行导轨连接 电阻为R 的导体棒MN可在 过程 是电能转化为其他形式能的过程 外力克服安培力做功
, 0 , , ,
外力的作用下沿导轨从左向右做匀速直线运动 当滑动变阻器 则是其他形式的能转化为电能的过程
。 。
的滑动触头位于a b的中间位置且导体棒MN的速度为v 时 位 2.能量转化及焦耳热的求法
、 0 ,
于电容器中P点的带电油滴恰好处于静止状态 若不计摩擦和 能量转化
。 (1)
平行导轨及导线的电阻 各接触处接触良好 重力加速度为g 则
, , ,
下列判断正确的是
( )
求解焦耳热Q的三种方法
(2)
焦耳定律 Q I2Rt
① : = 。
功能关系 Q W
② : = 克服安培力。
能量转化 Q E
③ : =Δ 其他能的减少量。
油滴带正电荷 3.解决此类问题的步骤
A.
若将上极板竖直向上移动距离d 油滴将向上加速运动 用法拉第电磁感应定律和楞次定律 右手定则 确定感
B. , , (1) ( )
加速度a g/ 应电动势的大小和方向
= 2 。
若将导体棒的速度变为 v 油滴将向上加速运动 加速 画出等效电路图 写出回路中电阻消耗的电功率的表
C. 2 0, , (2) ,
度a g 达式
= 。
若保持导体棒的速度为v 不变 而将滑动触头置于a端 分析导体机械能的变化 用能量守恒关系得到机械功率
D. 0 , , (3) ,
同时将电容器上极板向上移动距离d/ 油滴仍将静止 的改变与回路中电功率的改变所满足的方程 联立求解
3, , 。
解题导引 注意 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
, 。
例2 如图所示 间距为L的平行且足够长的光滑导轨由
,
两部分组成 倾斜部分与水平部分平滑相连 倾角为θ 在倾斜导
: , ,
轨顶端连接一阻值为r的定值电阻 质量为m 电阻也为r的金
。 、
属杆MN垂直导轨跨放在导轨上 在倾斜导轨区域加一垂直导
,
先有发电机还是先有电动机 从逻辑上讲,先得有发电机而后才有电动机,但情况并非如此。 年,奥
1820
斯特发现了电流的磁效应,为电动机的发明提供了理论基础。 法拉第于 年发明了最初的电动机装置;亨利于
1821 1831
年试制出了第一台电动机的实验模型; 年,法拉第发现了电磁感应现象,为发电机的制造提供了理论基础。 同年,
1831
法拉第试制出了能产生稳恒电流的第一台真正的发电机,标志着人类进入了电气时代。 (图为电动机)
74 5年高考3年模拟 A版 高考物理
轨平面向下 磁感应强度大小为B的匀强磁场 在水平导轨区域 mgr θ mgqr θ mI2r2
、 ; 答案 ( )2 sin ( ) sin 0
加另一垂直导轨平面向下 磁感应强度大小也为B的匀强磁场 1 B2L2 2 BL -B2L2
、 。
闭合开关 让金属杆MN从图示位置由静止释放 已知金属杆 m2gr2 θ
S, , ( )4 sin
运动到水平导轨前 已达到最大速度 不计导轨电阻且金属杆始 3 B4L4
, ,
终与导轨接触良好 重力加速度为g 求
, 。 :
应用三 探究电磁感应中的动力学问题
1.电磁感应中的动力学问题
通电导体在磁场中受到安培力作用 因此电磁感应问题往
,
往和力学问题综合在一起 解决的基本方法如下
。 :
金属杆MN在倾斜导轨上滑行的最大速度v
(1) m;
金属杆MN在倾斜导轨上运动 速度未达到最大速度v
(2) , m
前 当流经定值电阻的电流从零增大到I 的过程中 通过定值电 2.电磁感应中的动力学临界问题
, 0 ,
阻的电荷量为q 求这段时间内在定值电阻上产生的焦耳热Q 基本思路是
, ; :
金属杆MN在水平导轨上滑行的最大距离x
(3) m。
解析 ( )金属杆MN在倾斜导轨上滑行的速度最大时,
1
其受到的合力为零
对其受力分析,可得:mg θ BIL
sin - =0
BLv
根据欧姆定律可得:I m
= r
2
mgr θ 例3 如图甲所示 两根足够长的直金属导轨MN PQ平
解得:v 2 sin , 、
m= B2L2 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
, 。 、
( )设在这段时间内,金属杆运动的位移为x 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
2 。
由电流的定义可得:q I t
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
= Δ
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
根据法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律得:
, 。
略 让ab杆沿导轨由静止开始下滑 导轨和金属杆接触良好
B S BLx 。 , ,
I Δ
= r t= r t 不计它们之间的摩擦
2 Δ 2 Δ 。
qr
解得:x 2
=BL
设电流为I 时金属杆的速度为v ,根据法拉第电磁感应定
0 0
BLv
律、闭合电路欧姆定律,可得:I 0
0= r
2
此过程中,电路产生的总焦耳热为 Q ,由功能关系可得:
总
由b向a方向看到的装置如图乙所示 请在此图中画出
mgx sin θ = Q 总+
2
1 mv2 0 ab杆 ( 下 1) 滑过程中某时刻的受力示意图 ,
;
定值电阻产生的焦耳热Q 1 Q 在加速下滑过程中 当ab杆的速度大小为v时 求ab杆
= 总 (2) , ,
2 中的电流及其加速度的大小
解得:Q = mgq B r L sin θ - m B I 2 2 0 L r 2 2 解 (3 析 ) 求在 ( 下滑 )如 过 图 程 所 中 示 , a , b ; 重 杆 力 可以 mg 达 , 到的速度最大值 。
( )金属杆在水平导轨上滑行的最大距离为x 1
3 m 竖直向下;支持力 N,垂直斜面向上;
由牛顿第二定律得:BIL ma
= 安培力F,沿斜面向上。
BLv
由法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律可得:I ( )当ab杆速度为v时,感应电动
= r 2
2 势E BLv,此时电路中电流
B2L2 v =
可得: v mΔ E BLv
r = t I 。
2 Δ = R = R
B2L2 B2L2
v t m v,即 x mv ab杆受到的安培力
r Δ = Δ r m= m
2 2
m2gr2 θ F BIL
B2L2v
,
得:x 4 sin = = R
m= B4L4
电磁炉的工作原理 电磁炉中由电子线路板产生交变磁场。 当铁质锅具放置在炉面上时,锅具即切割
交变磁感线而在锅具底部金属部分产生交变的电流即涡流,涡流使铁分子高速无规则运动,分子互相碰撞、摩擦而产
生热能使锅具本身自行高速发热,用来加热和烹饪食物。 它具有升温快、热效率高、无明火、无烟尘、无有害气体、对
周围环境不产生热辐射、体积小巧、安全性好和外观美观等优点。 (图为电磁炉)
专题十一 电磁感应 75
根据牛顿运动定律,有 BLv B2L2v
答案 ( )见解析 ( ) g θ
B2L2v 1 2 R sin - mR
ma mg θ F mg θ
= sin - = sin - R mgR θ
( ) sin
B2L2v 3 B2L2
解得a g θ 。
= sin - mR
应用四 探究解决滑轨类问题的方法
B2L2v
( ) 当 mg θ 时,ab 杆达到最大速度,解
3 R = sin 这类问题的实质是不同形式的能量的转化过程 从功和能的观
,
mgR θ 点入手 弄清导体切割磁感线运动过程中的能量转化关系 处理这
得 v sin 。 , ,
m= B2L2 类问题有三种观点 即 力学观点 能量观点 图像观点
, :① ;② ;③ 。
磁性报警器 超市出售的每件商品都有一小片带磁性的商标,它周围充满磁场。 当经过出口时,磁性探
测器便探测出来并发出警报。 只有当你付清货款,售货员用一种特别的“消磁”装置将商标上的磁性退掉,探测器才
会让你把商品带出超市。 (图为磁性报警器)
1.单杆模型的常见情况
v v
0≠0 0=0
示
意
图 质量为m , 电阻不计的单杆ab , 轨道水平光滑 , 单杆ab质量为 轨道水平光滑 , 单杆ab质量为 轨道水平光滑 , 单杆ab质量为m ,
道 以一 上 定 滑 初 动 速 两 度 平 v 行 0 在 导 光 轨间 滑 距 水 为 平轨 L 为 m , L 电阻不计 , 两平行导轨间距 为 m , L 电 拉 阻 力 不 F 计 恒 , 两 定 平行导轨间距 力 电阻 F 不 恒 计 定 , 两平行导轨间距为L , 拉
, ,
F
开始时a 杆ab速度v 感
= m, ⇒
应电动势E BLv 经过 t速度
导体杆以速度v切割磁感线产 BLE = , Δ
生感应电动势E BLv 电流I S
闭合
,
ab杆受安培力F
= r , 开始时a
F
杆ab速度v 感
为v
+Δ
v
,
此时感应电动势 E′
=
= , = = m, ⇒ BL v v t时间内流入电容器的
E BLv BLE ( +Δ ),Δ
力 安培力 F BIL 此时a 杆ab速度v 应电动势E BLv I 安 电荷 量 q C U C E′
学 R = R , = = = mr, ⇒ = ⇒ ⇒ Δ = Δ = ( -
培力F BIL 由F F ma E CBL v
观
点
B2L2v
做减速运动 v F
感应电动势BLv
⇒
I
⇒
安培
知 a
安=
当
a
, -
时
安
v
=
最
)= Δ
q v
R , : ⇒ ⇒ 力F BIL 加速度 a 当 , = 0 , 电流I Δ CBL Δ CBLa
= ⇒ , FR = t= t=
a 当v 时 F a 杆保 E 大 v Δ Δ
持
静
,
止
=0 , =0, =0, E
感=
E时
,
v最大
,
且v
m=BL
, m=B2L2 安培力F
安=
BLI
=
CB2L2a
F
F F ma a 所以杆以恒
- 安= , =m B2L2C,
+
定的加速度匀加速运动
图
像
观
点
F做的功一部分转化为杆的动
能 动能全部转化为内能 Q 电源输出的电能转化为动能 F做的功一部分转化为动能 一部
量 : = : 能 一部分产生电热 ,
, :
观
点
2
1 mv2
0
W
电=
2
1 mv2
m W
F=
Q
+
1 mv2
m
分转化为电场能
:
W
F=
2
1 mv2
+
E
C
2
2.双杆模型的常见情况
初速度不为零 不受其他水平外力的作用
(1) ,
光滑的平行导轨 光滑不等距导轨
示
意
图 质量m m 质量m m
1= 2 1= 2
电阻r r 电阻r r
1= 2 1= 2
长度L L 长度L L
1= 2 1=2 276 5年高考3年模拟 A版 高考物理
续表
光滑的平行导轨 光滑不等距导轨
规
律
分 杆MN做变减速运动 杆PQ做变加速运动 稳定时 两杆的加速度 杆MN做变减速运动 杆PQ做变加速运动 稳定时 两杆的加速度均为
, , , , , ,
析 均为零 以相等的速度匀速运动 零 两杆的速度之比为
, , 1∶ 2
初速度为零 一杆受到恒定水平外力的作用
(2) ,
光滑的平行导轨 不光滑平行导轨
示
意 摩擦力F F
图 质量m m f1= f2
1= 2 质量m m
电阻r r 1= 2
1= 2 电阻r r
长度L L 1= 2
1= 2 长度L L
1= 2
规
律
开始时 若F F F 则PQ杆先变加速后匀速运动 MN杆静止 若
分 开始时 两杆做变加速运动 稳定时 两杆以相同的加速度做匀加速 , f< ≤2 f, ; 。
, ; , F F PQ杆先变加速后匀加速运动 MN杆先静止后变加速最后和
析 运动 >2 f, ,
PQ杆同时做匀加速运动 且加速度相同
,
例4 如图甲所示
,
在水平面上固定有长为L
=2 m、
宽为 导体棒速度减为零时,v
t=0
。
d =1 m 的金属 “U” 形导轨 , 在 “U” 形导轨右侧l =0 . 5 m 范围内存 代入数据解得:t =1 s ,x =0 . 5 m ,导体棒没有进入磁场区域。
在垂直纸面向里的匀强磁场 且磁感应强度随时间变化规律如
导体棒在 末已停止运动,以后一直保持静止,离左端位
1 s
,
的
图
初
乙
速
所
度
示
从
。
导
在
轨
t =
的
0
左
时
端
刻 ,
开
质
始
量
向
为
右
m
运
=0
动
. 1 k
导
g
体
的
棒
导
与
体棒
导
以
轨之
v 0=
间
1
的
m
动
/s 置仍为
( )
x
前
=0 . 5 m
磁通量不变,回路电动势和电流分别为
2 2 s
,
摩擦因数为 μ
=0
.
1,
导轨与导体棒单位长度的电阻均为 λ
=
E =0 ,I =0
后 回路产生的电动势为
. 不计导体棒与导轨之间的接触电阻及地球磁场的影响
2 s
01 Ω/m,
( 取g =10 m/s 2 )。 E = Δ Φ t = ldΔ B t=0 . 1 V
Δ Δ
回路的总长度为 ,因此回路的总电阻为
5 m
R λ .
=5 =05 Ω
电流为
E
I .
= R =02 A
根据楞次定律,在回路中的电流方向是顺时针方向
通过计算分析 内导体棒的运动情况
(1) 4 s ; ( )前 电流为零,后 有恒定电流,焦耳热为
计算 内回路中电流的大小 并判断电流方向 3 2 s 2 s
(2) 4 s , ; Q I2Rt .
计算 内回路产生的焦耳热 = =004 J
(3) 4 s 。 答案 见解析
解析 ( )导体棒先在无磁场区域做匀减速运动,有
1
-
μmg
=
ma,v
t=
v
0+
at,x
=
v
0
t
+
1 at2
2
关于赫兹的故事 德国物理学家 ·赫兹( — ),虽然只活了短短 年,却做出了两大贡献:一
H 1857 1894 37
是在实验上证实了麦克斯韦预言的电磁波;二是发现了光电效应。 赫兹确证电磁波存在的实验是在 — 年
1887 1888
完成的。 后来赫兹还实现了波的反射,验证了反射定律;并使原始波与反射波叠加产生了驻波,从而确定发生了干
涉。(图为赫兹)