高考复习电磁感应学案

这是一份高考复习电磁感应学案，共10页。
电磁感应考点1 楞次定律和电磁感应定律的应用1.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“回路面积发生变化”时,想到“增缩减扩”。2.必须辨明的“2个易错易混点”(1)楞次定律中的“阻碍”不是“阻止”,也不是“相反”。(2)注意区别楞次定律和右手定则。3.四种求电动势的方法(1)平均电动势E=n(2)垂直切割E=BLv。(3)导体棒绕与磁场平行的轴匀速转动E=Bl2ω。(4)线圈绕与磁场垂直的轴匀速转动e=nBSωsin ωt。4.感应电荷量的两种求法(1)当回路中的磁通量发生变化时,由于感应电场的作用使电荷发生定向移动而形成感应电流。通过的电荷量表达式为q=IΔt=n·Δt=n。(2)导体切割磁感线运动通过的电荷量q满足的关系式:-BlΔt=-Blq=mΔv。探究1.(2020年汕头一模)(多选)图1是法拉第圆盘发电机的照片,图2是圆盘发电机的侧视图,图3是发电机的示意图。设CO=r,匀强磁场的磁感应强度为B,电阻为R,圆盘顺时针转动的角速度为ω,则( BC )。A.感应电流方向由D端经电阻R流向C端B.铜盘产生的感应电动势E=Br2ωC.设想将此圆盘中心挖去半径为的同心圆,其他条件不变,则感应电动势变为Br2ωD.设想将此圆盘中心挖去半径为的同心圆,其他条件不变,则感应电动势变为Br2ω  考点2 电磁感应中的图像问题图像类型：         2.解决电磁感应图像问题的“三点关注”(1)关注初始时刻,如初始时刻感应电流是否为零,是正方向还是负方向。(2)关注变化过程,将电磁感应发生的过程分为几个阶段,看这几个阶段是否和图像变化相对应。(3)关注大小、方向的变化趋势,看图线斜率的大小及图线的曲、直是否和物理过程对应。3.求解图像问题的思路与方法 电磁感应的图像问题大体分为两大类:由给定的电磁感应过程选出或画出正确的图像,或由给定的有关图像分析电磁感应过程,求解相应的物理量。处理电磁感应的图像问题应“抓住两个定律,运用两种观点,分析三种电路”。两个定律是指楞次定律和法拉第电磁感应定律;两种观点是指动力学观点和能量观点;三种电路是指直流电路、交流电路和感应电路。(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。解决此类问题的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,首先要看两坐标轴代表的物理量,然后再从图线的形状、点、斜率、截距、图线与横轴所围的面积的意义等方面挖掘解题所需的信息。除了从图像上寻找解题信息外,还要结合楞次定律、右手定则判断感应电流的方向,根据法拉第电磁感应定律判断感应电动势大小,结合闭合电路欧姆定律计算感应电流的大小,进而计算安培力大小,或根据电路知识求解其他量。如果线圈或导体做匀速运动或匀变速运动,还要用到平衡条件和牛顿第二定律等知识。探究2.(2020年烟台一模)如图所示,有两个相邻的有界匀强磁场区域,磁感应强度的大小均为B,磁场方向相反且与纸面垂直,两磁场边界均与x轴垂直且宽度均为L,在y轴方向足够宽。现有一高和底均为L的等腰三角形导线框,顶点a在y轴上,从图示x=0位置开始,在外力F的作用下向右沿x轴正方向匀速穿过磁场区域。在运动过程中,线框bc边始终与磁场的边界平行。下列关于线框中感应电动势E的大小、线框所受安培力F安的大小、感应电流i的大小、外力F的大小这四个量与线框顶点a移动的位移x的关系图像中正确的是 ( B )。   A     B     C       D考点3 电磁感应中动力学观点和能量观点的应用1.求解电磁感应中动力学问题抓住“两状态、两对象”电磁感应与动力学问题联系的桥梁是磁场对感应电流的安培力。解答电磁感应中的动力学问题时,在分析方法上,要始终抓住导体的受力(特别是安培力)特点及其变化规律,明确导体的运动过程以及运动过程中状态的变化,准确把握运动状态的临界点。(1)两对象    (2)两状态①导体处于平衡状态——静止或匀速直线运动状态。处理方法:根据平衡状态时导体所受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。③动态分析的基本思路解决这类问题的关键是通过对运动状态的分析,寻找过程中的临界状态,如速度、加速度最大或最小的条件。具体思路如下:     2.电磁感应与能量守恒导体切割磁感线或磁通量发生变化,在回路中产生感应电流,这个过程中机械能或其他形式的能转化为电能,具有感应电流的导体在磁场中受安培力作用或通过电阻发热,又可使电能转化为机械能或内能。因此,电磁感应过程中总是伴随着能量的转化。安培力做功是电能和其他形式的能之间相互转化的“桥梁”,安培力做的功是电能与其他形式的能转化的量度。安培力做多少正功,就有多少电能转化为其他形式的能;安培力做多少负功,就有多少其他形式的能转化为电能。(1)能量转化及焦耳热的求法①能量转化电能②求解焦耳热Q的三种方法(2)求解电能应分清两类情况①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。②若电流变化,则:a.利用安培力做功求解,电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功;b.利用能量守恒求解,若只有电能与机械能的转化,则减少的机械能等于产生的电能。探究3..(2020年哈尔滨二模)如图所示,两竖直放置、相距为L的平行光滑金属导轨J和K的顶端用导线相连,在导轨两个水平区域内存在相距高度为h的匀强磁场Ⅰ和Ⅱ,设两磁场竖直高度均为d,磁感应强度均为B,方向均垂直纸面向里。一阻值为R、质量为m、长度为L的金属棒水平紧靠两竖直导轨,从距离磁场Ⅰ上边界高为H(H>h)处由静止释放,且在进入两磁场时金属棒中的电流恰好相等。不计金属导轨及导线电阻,重力加速度为g。求:(1)金属棒刚进入磁场Ⅰ时所受安培力的大小。(2)金属棒穿过两磁场过程中产生的总焦耳热。解析(1)金属棒进入磁场Ⅰ前做自由落体运动,则有v2=2gH金属棒切割磁感线产生的感应电动势E=BLv根据闭合电路欧姆定律,有I=解得安培力F=BIL=。(2)金属棒进入两磁场时电流相等,则金属棒进入两磁场时速度相等,出两磁场时速度也相等,金属棒匀加速通过两磁场中间区域,有v2-v'2=2gh根据能量守恒定律有mv2-mv'2+mg(2d+h)=Q解得Q=2mg(h+d)。  考点4：电磁感应中的动量问题电磁感应问题往往涉及牛顿运动定律、动量守恒定律、能量守恒定律、电路的分析和计算。试题常见的形式是导体棒切割磁感线,产生感应电流,从而使导体棒受到安培力作用。导体棒运动的形式有匀速、匀变速和非匀变速三种,对前两种情况,容易想到用牛顿运动定律求解,对后一种情况一般要用能量守恒定律或动量守恒定律求解,但当安培力变化,且又涉及位移、速度、电荷量等问题时,用动量定理求解往往能巧妙解决。1.在电磁感应中,动量定理应用于单杆或线圈切割磁感线的运动,可求解力的时间、速度、位移和电荷量。(1)求电荷量或速度:BlΔt=mv2-mv1,q=t。注意:当一个闭合回路中的磁通量的改变量为ΔΦ时,通过回路中导体横截面的电荷量q= IΔt=·Δt=·Δt=或q=n(n为线圈匝数),它与磁场是否均匀变化、线框的运动状况以及线框的形状无关。(2)求位移:-BIlΔt=-=0-mv0,即-x=m(0-v0)。2.电磁感应中对于双杆切割磁感线的运动,若双杆系统所受合外力为零,运用动量守恒定律结合能量守恒定律可求解与能量有关的问题;若双杆系统所受合外力不为零,运用动量定理结合能量守恒定律可求解与能量有关的问题。电磁感应中的“线框穿越磁场”模型线框穿越有界匀强磁场问题是电磁感应部分的一种综合性很强的习题类型,主要涉及的是判断线框在穿越磁场的过程中有无感应电流产生,判断感应电流的方向,计算感应电流的大小,研究线框的受力及运动情况,研究力做功及能量转化情况等。分析线框穿越有界匀强磁场问题时,要综合应用楞次定律、磁场对电流的作用、法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律、能的转化与守恒等物理规律。线框在有界磁场中运动时,可以分为以下常见的几种情况:(1)线框在竖直方向上运动,即线框竖直下落进入磁场,然后穿过磁场,或者是不穿过磁场;(2)线框在水平方向上运动,即线框以某速度水平进入某一磁场,然后再穿出,或者是线框穿过方向相反的两个有界磁场区域;(3)线框在磁场中绕某一固定轴旋转;(4)线框在斜面上运动,即线框在某一斜面上进入有界磁场,然后穿出磁场。线框在有界磁场中的运动问题,一般是涉及电磁感应的有关知识、力学知识以及电路知识等的综合题。在分析这类问题时,首先是将线框的整个过程分为几个阶段,然后分别对它们分析,以确定线框的运动情况。一般情况下,通常将线框的整个运动过程分为“进磁场” “在磁场中平动”“出磁场”三个阶段。电磁感应中的“杆+导轨”模型“杆+导轨”模型是电磁感应问题在高考命题中的“基本道具”,也是高考的热点,考查的知识点多,题目的综合性强,物理情景变化空间大,是我们复习中的难点。“杆+导轨”模型又分为“单杆”型和“双杆”型;导轨放置方式可分为水平、竖直和倾斜;杆的运动状态可分为匀速运动、匀变速运动、非匀变速运动或转动等;磁场的状态可分为恒定不变、均匀变化和非均匀变化等,情景复杂,形式多变。类型1:单杆仅在安培力作用下的运动类型简述单杆置于光滑水平导轨上,可以与电源、电阻、电容器等组成回路。杆运动时仅受安培力(合外力)作用类型接电源接电阻接电容器结构图初始条件水平导轨光滑且足够长,导轨间距为l,金属杆ab的质量为m,电阻为R,处于静止状态水平导轨光滑且足够长,金属杆ab(质量为m,电阻为R')的初速度为v0水平导轨光滑且足够长,电容器C原来不带电,金属杆ab(质量为m,电阻为R)的初速度为v0过程分析S闭合,ab受到的安培力F=,此时加速度a=,ab速度v↑→Blv↑→与电源电动势反向使电流I↓→安培力F=BIl↓→加速度a↓,当安培力F=0(a=0)时,v最大,最后做匀速运动ab受到的安培力F=BIL=,ab做减速运动:v↓→F↓→a↓,当v=0时,F=0,a=0,ab保持静止一开始,感应电动势为Blv0,ab作为电源给电容器充电,电容器两板间的电压增加,充电电流受到的安培力阻碍ab运动,ab的速度减小,当ab中感应电动势Blv与电容器两板间的电压相等时,回路中没有电流,ab最终做匀速运动图像类型2:单杆在安培力与其他力共同作用下的运动类型简述单杆置于导轨上,导轨可以水平、倾斜、竖直放置,单杆在安培力与其他力共同作用下运动类型水平导轨倾斜导轨竖直导轨结构图初始条件甲图中接电阻R,乙图中接电容器C,水平导轨光滑,间距为L,导体杆ab的质量为m,电阻不计,初速度为零,水平拉力F为恒力甲图中接电阻R,乙图中接电容器C,光滑导轨倾角为α,间距为L,导体杆ab的质量为m,电阻不计,都由静止释放甲图中接电阻R,乙图中接电容器C,竖直导轨光滑,间距为L,导体杆ab的质量为m,电阻不计,与导轨接触良好,都由静止释放 类型水平导轨倾斜导轨竖直导轨过程分析甲图中:开始时a=,杆ab的速度v↑⇒感应电动势E=BLv↑⇒I↑⇒安培力F安=BIL↑,由F-F安=ma知a↓,当a=0时,v最大,vm=乙图中:开始时a=,杆ab的速度v↑⇒E=BLv↑,经过Δt时间,速度为v+Δv,E'=BL(v+Δv),Δq=C(E'-E)=CBLΔv,I==CBLa,F安=CB2L2a,a=,所以杆做匀加速运动甲图中:开始时a=gsin α,杆ab的速度v↑⇒感应电动势E=BLv↑⇒I↑⇒安培力F安=BIL↑,由mgsin α-F安=ma知a↓,当a=0时,v最大,vm=乙图中:开始时a=gsin α,杆ab的速度v↑⇒E=BLv↑,经过Δt时间,速度为v+Δv,E'=BL(v+Δv),Δq=C(E'-E)=CBLΔv,I==CBLa,F安=CB2L2a,mgsin α-F安=ma,a=,所以杆做匀加速运动甲图中:开始时a=g,杆ab的速度v↑⇒感应电动势E=BLv↑⇒I↑⇒安培力F安=BIL↑,由mg-F安=ma知a↓,当a=0时,v最大,vm=乙图中:开始时a=g,杆ab的速度v↑⇒E=BLv↑,经过Δt时间,速度为v+Δv,E'=BL(v+Δv),Δq=C(E'-E)=CBLΔv,I==CBLa,F安=CB2L2a,mg-F安=ma,a=,所以杆做匀加速运动图像注意:上述模型中,如果杆ab的电阻R≠0,导轨不光滑时,在计算电流I及杆的受力分析时要注意相应变化 类型3:双杆在导轨上的运动类型简述双杆置于导轨上,导轨可以水平、倾斜、竖直放置,导轨的宽度可以相同,也可以不同,由于双杆的初始状态不同、受力情况不同而产生不同的运动状态。下面以导轨水平放置的情况为例分析类型水平导轨,无水平外力水平导轨,受水平外力不等间距水平导轨,无水平外力结构图初始条件水平导轨光滑,导体杆1的初速度为v0,导体杆2的初速度为0水平导轨光滑,导体杆1、2的初速度均为0,导体杆1受到恒定拉力F水平导轨光滑,导体杆1、2所处轨道宽度分别为l1、l2且l1>l2,导体杆1的初速度为v0,导体杆2的初速度为0过程分析导体杆1受到向左的安培力做减速运动,导体杆2受到向右的安培力做加速运动,当二者速度相等时,回路中的合电动势为零,感应电流为零,安培力为零,二者做匀速运动导体杆1受到向左的安培力,做加速度减小的加速运动,导体杆2受到向右的安培力,做加速度增大的加速运动,当二者加速度相等时,二者速度差恒定,回路中合电动势恒定,感应电流恒定,安培力恒定,二者以相等的加速度做匀加速运动导体杆1受到向左的安培力,速度减小,导体杆2受到向右的安培力,速度增大,当二者速度相等时,回路的电动势E=Bl1v-Bl2v,电流不为零,安培力继续使导体杆1减速,使导体杆2加速,当l1v1=l2v2时,回路中合电动势为零,电流为零,安培力为零,二者做匀速运动图像注意:对于导轨倾斜、竖直放置时,由于杆的重力作用,过程分析需要结合具体情况 课后练习1.如图，质量为M＝2kg的足够长金属导轨abcd放在光滑的绝缘水平面上。一电阻不计、质量为m＝1kg的导体棒PQ放置在导轨上，始终与导轨接触良好，PQbc构成矩形。棒与导轨间动摩擦因数为μ＝0.2，棒左侧有两个固定于水平面的立柱。导轨bc段长为L＝1m，开始时PQ左侧导轨的总电阻为R＝1Ω，右侧导轨单位长度的电阻为R0＝0.5Ω，以ef为界，其左侧匀强磁场方向竖直向上，右侧匀强磁场水平向左，磁感应强度大小均为B＝0.5T，在t＝0时，一水平向左的拉力F垂直作用在导轨的bc边上，使导轨由静止开始做匀加速直线运动，加速度为a＝2m/s2（g取10m/s2）。求：（1）回路中感应电动势及感应电流随时间变化的表达式（用题中所给的字母表示即可）。（2）经过多长时间拉力F达到最大值？拉力F的最大值为多少？（3）某过程中回路产生的焦耳热为Q＝5J，导轨克服摩擦力做功为W＝2J，求导轨动能的增加量。解：（1）导轨做初速度为零的匀加速运动，导轨的速度v＝at回路中感应电动势E＝BLv＝Blat   经过时间t导轨的位移x＝回路总电阻R总＝R+2xR0＝R+at2R0，   回路电流I＝＝（2）流过导体棒与导轨的电流相等，导轨与导体棒所处磁感应强度大小相等，导体棒与导轨受到的案例大小相等，导体棒与导轨受到的安培力大小F安培＝BIL＝导轨受到的摩擦力f＝μ（mg+F安培）＝μ（mg+）对导轨，由牛顿第二定律得：F﹣F安培﹣f＝Ma，外力F＝Ma+μmg+（1+μ），当＝atR0时，即t＝s＝1s时，外力F值最大，代入数据解得外力F的最大值Fmax＝6.3N；（3）设此过程中导轨运动距离s，克服安培力做功转化为焦耳热，克服安培力做功W安培＝F安培s＝Q，导轨受到的摩擦力f＝μ（mg+F安培），克服摩擦力做功W＝fs＝μmgs+μF安培s＝μmgs+μQ导轨运动的距离s＝代入数据解得s＝0.5m，导轨受到的合力F合＝Ma，对导轨，由动能定理得：W合＝△Ek，即：Mas＝△Ek代入数据解得△Ek＝2J。