高考物理模型全归纳 第85讲 产生感生电动势的三类情境及五种题型

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高考物理全归纳——模型专题在高中物理教学中，引导学生认识、理解和建立“物理模型”，是培养学生创造性思维和创新能力的有效途径。一、什么是物理模型自然界中事物与事物之间总是存在着千丝万缕的联系，并都处在不断的变化之中。面对复杂多变的自然界，进行科学研究时，总是遵循这样一条重要的原则，即从简到繁，先易后难，循序渐进，逐次深入。物理模型有三个类型：（1）物理研究对象的理想化（对象模型）；（2）物理条件的理想化（条件模型）；（3）物理过程的理想化（过程模型）二、为什么要建立物理模型1、帮助学生掌握学习方法      2、落实“过程与方法”的教学目标3、提高学生解决问题能力三、如何帮助学生的建立物理模型（一）提高认识，重视过程：对研究对象建立理想的物理模型和在研究物理过程中选择最简单的物理模型，在教学中是经常涉及到的，但学生总不能从中得到启示。（二）概括总结，触类旁通：新课程提出高中阶段应给学生更多的空间，让学生较独立地进行科学探究，培养学生的自主探究、自主学习、自已解决问题的能力。  第85讲 产生感生电动势的三类情境及五种题型1．（2022•江苏）如图所示，半径为r的圆形区域内有垂直于纸面的匀强磁场，磁感应强度B随时间t的变化关系为B＝B0+kt，B0、k为常量，则图中半径为R的单匝圆形线圈中产生的感应电动势大小为（　　）A．πkr2 B．πkR2 C．πB0r2 D．πB0R21．（2022•广东）如图是简化的某种旋转磁极式发电机原理图。定子是仅匝数n不同的两线圈，n1＞n2，二者轴线在同一平面内且相互垂直，两线圈到其轴线交点O的距离相等，且均连接阻值为R的电阻，转子是中心在O点的条形磁铁，绕O点在该平面内匀速转动时，两线圈输出正弦式交变电流。不计线圈电阻、自感及两线圈间的相互影响，下列说法正确的是（　　）A．两线圈产生的电动势的有效值相等 B．两线圈产生的交变电流频率相等 C．两线圈产生的电动势同时达到最大值 D．两电阻消耗的电功率相等
一.知识回顾1.磁通量Φ、磁通量的变化量ΔΦ、磁通量的变化率的比较　　 物理量项目　　磁通量Φ磁通量的变化量ΔΦ磁通量的变化率意义某时刻穿过某个面的磁感线的条数某段时间内穿过某个面的磁通量变化的多少穿过某个面的磁通量变化的快慢大小Φ＝BSΔΦ＝Φ2－Φ1＝Δ(B·S)两种特例：　①ΔΦ＝B·ΔS②ΔΦ＝S·ΔB＝两种特例： 　 ①＝B②＝S注意若有相反方向的磁场，磁通量可抵消；S为有效面积转过180°前后穿过平面的磁通量是一正一负，ΔΦ＝2BS，而不是零等于单匝线圈上产生的感应电动势，即E＝提示：①Φ、ΔΦ、的大小之间没有必然的联系，Φ＝0，不一定等于0；②感应电动势E与线圈匝数n有关，但Φ、ΔΦ、的大小均与线圈匝数无关。2．法拉第电磁感应定律公式的物理意义：E＝n求的是Δt时间内的平均感应电动势，当Δt→0时，E为瞬时感应电动势。3．法拉第电磁感应定律应用的三种情况(1)磁通量的变化是由有效面积变化引起时，ΔΦ＝B·ΔS，则E＝n。(2)磁通量的变化是由磁场变化引起时，ΔΦ＝ΔB·S，则E＝n，S是磁场范围内的有效面积。(3)磁通量的变化是由有效面积和磁场变化共同引起的，则根据定义求，ΔΦ＝Φ末－Φ初，E＝n。4．在图像问题中磁通量的变化率是Φ­t图像上某点切线的斜率，利用斜率和线圈匝数可
以确定感应电动势的大小。 二.典型例题题型一：有效面积变化产生感应电动势例1．如图所示，匀强磁场中有一个用软导线制成的单匝闭合线圈，线圈平面与磁场垂直。已知线圈的面积S＝0.3m2、电阻R＝0.6Ω，磁场的磁感应强度B＝0.2T．现同时向两侧拉动线圈，线圈的两边在△t＝1.0s时间内合到一起。求线圈在上述过程中（1）感应电动势的平均值E；（2）感应电流的平均值I，并在图中标出电流方向；（3）通过导线横截面的电荷量q。题型二：磁场变化产生感应电动势例2．如图甲所示，单匝矩形金属线框ab d处在垂直于线框平面的匀强磁场中，线框面积S＝0.3m2，线框连接一个阻值R＝3Ω的电阻，其余电阻不计，线框cd边位于磁场边界上。取垂直于线框平面向外为磁感应强度B的正方向，磁感应强度B随时间t变化的图象如图乙所示。下列判断正确的是（　　）A．0﹣0.4s内线框中感应电流沿逆时针方向 B．0.4﹣0.8s内线框有扩张的趋势 C．0﹣0.8s内线框中的电流为0.1A D．0～0.4s内ab边所受安培力保持不变题型三：磁场和有效面积都变化例3．如图，两条相距l的光滑平行金属导轨位于同一水平面（纸面）内，其左端接一阻值为R的电阻；一与导轨垂直的金属棒置于两导轨上；在电阻、导轨和金属棒中间有一面积为S
的区域，区域中存在垂直于纸面向里的均匀磁场，磁感应强度大小B1随时间t的变化关系为B1＝kt，式中k为常量；在金属棒右侧还有一匀强磁场区域，区域左边界MN（虚线）与导轨垂直，磁场的磁感应强度大小为B0，方向也垂直于纸面向里。某时刻，金属棒在一外加水平恒力的作用下从静止开始向右运动，在t0时刻恰好以速度v0越过MN，此后向右做匀速运动。金属棒与导轨始终相互垂直并接触良好，它们的电阻均忽略不计。求（1）在t＝0到t＝t0时间间隔内，流过电阻的电荷量的绝对值；（2）在时刻t（t＞t0）穿过回路的总磁通量和金属棒所受外加水平恒力的大小。（3）如果面积为S的区域的均匀磁场的磁感应强度B1随时间t的变化关系为B1＝B0﹣kt，式中k为大于0的常量，在t＝0时刻，均匀磁场垂直于纸面向里。MN（虚线）右侧磁场的磁感应强度大小为B0，方向也垂直于纸面向里。在t0时刻金属棒以速度v越过MN时，撤掉外力，此后（t＞t0）金属棒恰好向右做匀速运动。金属棒与导轨始终相互垂直并接触良好，它们的电阻均忽略不计。求速度v的大小（用k、S、B0、l表示）。题型四：动生电动势与感生电动势交替例4．如图，导体轨道OPQS固定，其中PQS是半圆弧，Q为半圆弧的中点，O为圆心。轨道的电阻忽略不计。OM是有一定电阻。可绕O转动的金属杆，M端位于PQS上，OM与轨道接触良好。空间存在与半圆所在平面垂直的匀强磁场，磁感应强度的大小为B，现使OM从OQ位置以恒定的角速度逆时针转到OS位置并固定（过程Ⅰ）；再使磁感应强度的大小以一定的变化率从B增加到B′（过程Ⅱ）。在过程Ⅰ、Ⅱ中，流过OM的电荷量相等，则等于（　　）A． B． C． D．2题型五：综合分析，定性判定
例5．如图为一种早期发电机原理示意图，该发电机由固定的圆形线圈和一对用铁芯连接的圆柱形磁铁构成，两磁极相对于线圈平面对称，在磁极绕转轴匀速转动过程中，磁极中心在线圈平面上的投影沿圆弧XOY运动，（O是线圈中心）．则（　　）A．从X到O，电流由E经G流向F，线圈的面积有收缩的趋势 B．从X到O，电流由F经G流向E，线圈的面积有扩张的趋势 C．从O到Y，电流由F经G流向E，线圈的面积有收缩的趋势 D．从O到Y，电流由E经G流向F，线圈的面积有扩张的趋势三.举一反三，巩固练习如图，足够长的磁铁在空隙产生一个径向辐射状磁场，一个圆形细金属环与磁铁中心圆柱同轴，由静止开始下落，经过时间t，速度达最大值v，此过程中环面始终水平。已知金属环质量为m、半径为r、电阻为R，金属环下落过程中所经过位置的磁感应强度大小均为B，重力加速度大小为g，不计空气阻力，则（　　）A．在俯视图中，环中感应电流沿逆时针方向 B．环中最大的感应电流大小为 C．环下落过程中一直处于超重状态 D．t时间内通过金属环横截面的电荷量为如图，边长、材料相同，粗细不同的单匝正方形金属线框甲、乙。乙线框导线的横截面积是甲的2倍。在竖直平面内距磁场相同高度由静止开始同时下落，一段时间后进入方向垂直于纸面的匀
强磁场区域，磁场的上边界水平，如图所示。不计空气阻力，则在甲、乙线框进入磁场的过程中（　　）A．感应电流的方向均一定为顺时针方向 B．甲、乙线框的加速度时时相同 C．甲线框的焦耳热是乙线框的2倍 D．通过甲线框的电荷量是乙线框的2倍空间存在范围足够大、竖直向下的、磁感应强度为B的匀强磁场，在其间竖直固定两个相同的、彼此正对的金属细圆环a、b，圆环a在前、圆环b在后。圆环直径为d，两环间距为L、用导线与阻值为R的外电阻相连，如图所示。一根细金属棒保持水平、沿两圆环内侧做角速度为ω的逆时针匀速圆周运动（如图），金属棒电阻为r。棒与两圆环始终接触良好，圆环电阻不计。则下列说法正确的是（　　）A．金属棒在最低点时回路电流为零 B．金属棒在圆环的上半部分运动时（不包括最左和最右点），a环电势低于b环 C．从最高点开始计时，回路电流的瞬时值为isinωt D．电阻R两端电压的有效值为U如图所示，两条电阻不计的平行导轨与水平面成θ角，导轨的一端连接定值电阻R1，匀强磁场垂直穿过导轨平面．一根质量为m、电阻为R2的导体棒ab，垂直导轨放置，导体棒与导轨之间的动摩擦因数为μ，且R2＝2R1．如果导体棒以速度v匀速下滑，导体棒此时受到的安培力大小为F，则棒匀速运动过程中以下判断正确的是（　　）
A．电阻R1消耗的电功率为Fv B．通过棒的电流方向为a到b C．重力做功的功率为mgvcosθ D．运动过程中棒减少的机械能全部转化为电能、摩擦热和焦耳热如图所示，电阻不计的两光滑平行金属导轨相距L，固定在水平绝缘桌面上，左侧圆弧部分处在竖直平面内，右侧平直部分处在磁感应强度为B、方向竖直向下的匀强磁场中，末端与桌面边缘平齐。电阻均为R的金属棒ab、cd垂直于两导轨放置且与导轨接触良好，质量分别为2m、m。开始时棒cd静止在水平直导轨上，棒ab从导轨左端距水平桌面高h处无初速度释放，进入水平直导轨后与棒cd始终没有接触，最后两棒离开导轨落在地面同一位置。不计空气阻力，重力加速度为g。则（　　）A．金属棒ab在沿导轨水平部分运动的过程中，始终做减速运动 B．在沿导轨运动的过程中，金属棒ab损失的机械能为 C．在沿导轨运动的过程中，cd棒的最大加速度为 D．在整个过程中，通过金属棒ab的电荷量为如图所示，面积为S闭合线圈放在磁场中，线圈平面与磁场垂直，磁场的磁感应强度B随时间t的变化规律是B＝Bmsint，则在一个周期内线圈中产生感应电动势最大的时刻（含0与T时刻）是（　　）
A．0、0.25T B．0.75T C．0、0.5T、T D．0.25T、0.5T、T如图所示，两光滑导轨水平放置在竖直向下的匀强磁场中，磁场的磁感应强度B＝B0+kt，其中B0和k都是定值且均大于0。导轨间距最窄处为一狭缝，取狭缝所在处O点为坐标原点，狭缝右侧两导轨与x轴的夹角均为θ，一电容为C的电容器（在磁场外）与导轨左端相连，电容器中静止一带电粒子A（受到的重力不计，图中未画出）。金属棒与x轴垂直并固定在导轨上，O点到金属棒的距离为x0。下列说法正确的是（　　）A．电容器的上极板带负电 B．电容器的电荷量为Ckx02tanθ C．带电粒子A运动到极板上之前的加速度越来越小 D．带电粒子A运动到极板上之前的加速度越来越大如图，足够长的间距d＝1m的平行光滑金属导轨MN、PQ固定在水平面内，导轨间存在一个宽度L＝1m的匀强磁场区域，磁感应强度大小为B＝0.5T，方向如图所示。一根质量ma＝0.1kg，阻值Ra＝1.0Ω的金属棒a以v0＝4m/s的初速度从左端开始沿导轨滑动，穿过磁场区域后，与另一根质量mb＝0.2kg，阻值Rb＝1.5Ω的原来静置在导轨上的金属棒b发生弹性碰撞，两金属棒始终与导轨垂直且接触良好，导轨电阻不计。（1）求金属棒a刚进入磁场时棒a两端的电压U0；（2）求金属棒a第一次穿过磁场区域的过程中，电路中产生的总热量Q；（3）通过计算判断金属棒a能否再次穿过磁场区域。
如图甲所示，空间存在方向竖直向下的匀强磁场，MN、PQ是水平放置的平行长直导轨，其间距为L＝2m，R1和R2是并联在导轨一端的电阻，且R1＝12Ω、R2＝6Ω，ab是垂直导轨放置的质量为＝1kg的导体棒，导轨和导体棒之间的动摩擦因数各处均相同。从零时刻开始，对ab施加一个大小为F＝0.75N，方向水平向左的恒定拉力，使其从静止开始沿导轨滑动，滑动过程中棒始终保持与导轨垂直且良好接触，图乙是棒的υ﹣t图象，其中O点为坐标原点，其坐标为（0，0），AO是图象在O点的切线，AB是图象的渐近线。除R1、R2以外，其余部分的电阻均不计，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力。已知当棒的位移为10m时，其速度达到了最大速度1m/s。求（结果可以保留分数）（1）导体棒ab运动中受的摩擦力f的大小和磁感应强度B的大小；（2）在导体棒ab的位移为10m过程中电阻上产生的焦耳热；（3）若在导体棒ab的位移为10m时立即将恒定拉力F撤掉，此后导体棒ab滑行到停止的过程中流过的电量为，求摩擦力在导体棒ab整个运动过程的平均功率。