高考物理模型全归纳 第89讲+电磁感应中的框模型

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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89讲 电磁感应中的框模型（多选）1．（2021•甲卷）由相同材料的导线绕成边长相同的甲、乙两个正方形闭合线圈，两线圈的质量相等，但所用导线的横截面积不同，甲线圈的匝数是乙的2倍。现两线圈在竖直平面内从同一高度同时由静止开始下落，一段时间后进入一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，已知下落过程中线圈始终平行于纸面，上、下边保持水平。在线圈下边进入磁场后且上边进入磁场前，可能出现的是（　　）A．甲和乙都加速运动 B．甲和乙都减速运动 C．甲加速运动，乙减速运动 D．甲减速运动，乙加速运动（多选）2．（2021•湖南）两个完全相同的正方形匀质金属框，边长为L，通过长为L的绝缘轻质杆相连，构成如图所示的组合体。距离组合体下底边H处有一方向水平、垂直纸面向里的匀强磁场。磁场区域上下边界水平，高度为L，左右宽度足够大。把该组合体在垂直磁场的平面内以初速度v0水平无旋转抛出，设置合适的磁感应强度大小B使其匀速通过磁场，不计空气阻力。下列说法正确的是（　　）A．B与v0无关，与成反比 B．通过磁场的过程中，金属框中电流的大小和方向保持不变 C．通过磁场的过程中，组合体克服安培力做功的功率与重力做功的功率相等 
D．调节H、v0和B，只要组合体仍能匀速通过磁场，则其通过磁场的过程中产生的热量不变  一.知识回顾1.常见的框模型有三边框、四边框、五边框、圆形或半圆形框等，在磁场中产生的感应电动势，有的是动生电动势，有的是感生电动势，有的是两种电动势同时产生。处理框模型，有时需要画等效电路图，有时需进行受力分析和能量分析，有时是考查图像分析和处理能力，因此，其综合性较强，需要的知识点较多。2. 电磁感应中的电路问题的基本步骤(1)确定电源：先判断产生电磁感应现象的是哪一部分导体，该部分导体可视为电源。(2)分析电路结构，画等效电路图。(3)利用电路规律求解，主要有欧姆定律、串并联电路规律等。3．电磁感应中的电路分析易错点：(1)不能正确根据感应电动势或感应电流的方向分析外电路中电势的高低。因产生感应电动势的那部分电路相当于电源，故该部分电路中的电流从低电势流向高电势，而外电路中电流的方向是从高电势到低电势。(2)应用欧姆定律分析求解电路时，没有考虑到电源的内阻对电路的影响。(3)对连接在电路中电表的读数不能正确进行分析，例如并联在等效电源两端的电压表，其示数是路端电压，而不是等效电源的电动势。4. 导体棒的动力学分析电磁感应现象中产生的感应电流在磁场中受到安培力的作用，从而影响导体棒(或线圈)的受力情况和运动情况。通常有两种状态及处理方法状态特征处理方法平衡态加速度为零根据平衡条件列式分析非平衡态加速度不为零根据牛顿第二定律进行动态分析或结合功能关系进行分析，注意加速度的变化及速度变化。5.电磁感应中的能量转化及焦耳热的求法(1)能量转化(2)求解焦耳热Q的三种方法(纯电阻电路)
6.电磁感应中的图像问题（1）图像类型（2）2．解题关键①弄清物理量的初始条件和正负方向；②注意物理量在进、出磁场时的变化；③写出函数表达式。（3）解题方法：先定性排除，再定量解析①定性排除法：用右手定则或楞次定律确定物理量的方向，定性地分析物理量的变化趋势、变化快慢、是否均匀变化等，特别注意物理量的正负和磁场边界处物理量的变化，通过定性分析排除错误的选项。②定量解析法：根据题目所给条件定量地推导出物理量之间的函数关系，然后由函数关系对图像作出分析，由图像的斜率、截距等作出判断。二.典型例题题型一：三边框之动生电动势与感生电动势同时产生模型（多选）例1．如图所示，在MN右侧区域有垂直于纸面向里的匀强磁场，其磁感应强度随时间变化的关系为B＝kt（k为大于零的常量）。一高为a、电阻为R的正三角形金属线框向右匀速运动。在t＝0时刻，线框底边恰好到达MN处；在t＝T时刻，线框恰好完全进入磁场。在线框匀速进入磁场的过程中（　　）A．线框中的电流始终为逆时针方向 B．线框中的电流先逆时针方向，后顺时针方向 C．t时刻，流过线框的电流大小为 
D．t时刻，流过线框的电流大小为题型二：四边框连接体之运动分析与能量转化例2．如图所示，同一竖直面内的正方形导线框a、b的边长均为l，电阻均为R，质量分别为2m和m。它们分别系在一跨过两个定滑轮的轻绳两端，在两导线框之间有一宽度为2l、磁感应强度大小为B、方向垂直竖直面的匀强磁场区域。开始时，线框b的上边与匀强磁场的下边界重合，线框a的下边到匀强磁场的上边界的距离为l。现将系统由静止释放，当线框b全部进入磁场时，a、b两个线框开始做匀速运动。不计摩擦和空气阻力，则下列说法错误的是（　　）A．a、b两个线框匀速运动的速度大小为 B．线框a从下边进入磁场到上边离开磁场所用时间为 C．从开始运动到线框a全部进入磁场的过程中，线框a所产生的焦耳热为mgl D．从开始运动到线框a全部进入磁场的过程中，两线框共克服安培力做功为2mgl题型三：四边框之图像题例3．如图所示，边长为L的单匝均匀金属线框置于光滑水平桌面上，在拉力作用下以恒定速度通过宽度为D、方向竖直向下的有界匀强磁场，线框的边长L小于有界磁场的宽度D，在整个过程中线框的ab边始终与磁场的边界平行，若以F表示拉力、以Uab表示线框ab两点间的电势差、I表示通过线框的电流（规定逆时针为正，顺时针为负）、P表示拉力的功率，则下列反映这些物理量随时间变化的图像中正确的是（　　）
A． B． C． D．题型四：四边框之动力学分析（应用电阻率与密度概念解决问题）例4．由相同材料的导线绕成边长相同的甲、乙两个正方形闭合线圈，两线圈的质量相等，但所用导线的横截面积不同，甲线圈的匝数是乙的2倍。现两线圈在竖直平面内从同一高度同时由静止开始下落，一段时间后进入一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，已知下落过程中线圈始终平行于纸面，上、下边保持水平。在线圈下边进入磁场后且上边进入磁场前，可能出现的是（　　）A．甲和乙都加速运动或减速运动 B．甲和乙做什么运动与线圈的横截面积和匝数有关 C．甲加速运动，乙减速运动 D．甲减速运动，乙加速运动题型五：五边框之图像问题（多选）例5．（2020•山东）如图所示，平面直角坐标系的第一和第二象限分别存在磁感应强度大小相等、方向相反且垂直于坐标平面的匀强磁场，图中虚线方格为等大正方形。一位于Oxy平面内的刚性导体框abcde在外力作用下以恒定速度沿y轴正方向运动（不发生转动）。从图示位置开始计时，4s末bc边刚好进入磁场。在此过程中，导体框内感应电流的大小为I，ab边所受安培力的大小为Fab，二者与时间t的关系图象可能正确的是（　　）
A． B． C． D．三.举一反三，巩固练习如图，从匀强磁场中把不发生形变的矩形线圈匀速拉出磁场区，若两次拉出的速度之比为1：2，则两次线圈所受外力大小之比F1：F2为（　　）A．F1：F2＝2：1 B．F1：F2＝1：2 C．F1：F2＝1：4 D．F1：F2＝1：1如图所示，光滑绝缘水平面上有一正方形导线框abcd，虚线右侧是匀强磁场区域，磁场场方向竖直向下。t＝0时，导线框cd边恰与磁场左边界重合，在水平外力F作用下由静止开始向右运动，外力F与导线框速度v的关系是F＝F0+kv（F0、k是常量）。在导线框进入磁场的过程中，关于感应电流i与时间t的关系，下列图像中不可能的是（　　）
A． B． C． D．两个完全相同的正方形匀质金属框，边长为L，通过长为L的绝缘轻质杆相连，构成如图所示的组合体。距离组合体下底边H处有一方向水平、垂直纸面向里的匀强磁场。磁场区域上下边界水平，高度为L，左右宽度足够大。把该组合体在垂直磁场的平面内以初速度v0水平无旋转抛出，设置合适的磁感应强度大小B使其匀速通过磁场，不计空气阻力。下列说法正确的是（　　）A．B与v0无关，与成反比 B．通过磁场的过程中，金属框中电流的大小和方向保持不变 C．通过磁场的过程中，组合体克服安培力做功的功率大于重力做功的功率 D．调节H、v0和B，只要组合体仍能匀速通过磁场，则此过程中产生的热量不变如图所示，单匝正方形金属线圈ABCD在外力F作用下以速度v向右匀速进入匀强磁场，第二次又以速度2v匀速进入同一匀强磁场，则（　　）
A．两次产生的感应电流大小之比为1：4 B．两次施加的外力F大小之比为1：4 C．两次线圈中产生的热量之比为1：2 D．两次线圈受外力F的冲量大小之比为1：2如图所示，均匀导体围成等腰闭合三角形线圈abc，底边与匀强磁场的边界平行，磁场的宽度大于三角形的高度．线圈从磁场上方某一高度处由静止开始竖直下落，穿过该磁场区域，不计空气阻力．下列说法中正确的是（　　）A．线圈进磁场的过程中，可能做匀速直线运动 B．线圈底边进、出磁场时，线圈的加速度必定相同 C．线圈底边进、出磁场时，线圈所受安培力可能大小相等、方向不同 D．线圈出磁场的过程中，可能做先减速后加速的直线运动如图所示，两个完全相同的闭合矩形导线框甲和乙，质量为m，长边长2L，短边长L，电阻为R，在其下方某一区域存在垂直于纸面向里的匀强磁场。已知乙线框由底边距磁场上边界h处静止释放，恰好能匀速进入磁场。不计空气阻力，重力加速度为g，则下列判断正确的是（　　）
A．甲线框要匀速进入磁场，应由底边距磁场上边界4h处自由释放 B．甲、乙线框匀速进入磁场过程中运动时间之比为2：1 C．如甲也从底边距磁场上边界高度h处静止释放，则甲刚进入磁场时加速度大小为 D．如甲从距磁场上边界高度h处静止释放，在进入磁场过程中产生的热量Q满足：Q≤mg（2L+h）某同学研究电磁阻尼效果的实验示意图如图甲所示，虚线M右侧有垂直于水平面向下的匀强磁场，边长为1m、质量为0.1kg、电阻为0.2Ω的正方形金属线框在光滑绝缘水平面上以大小v0＝2m/s的速度向右滑动并进入磁场，磁场边界MN与线框的右边框平行。从线框刚进入磁场开始计时，线框的速度v随滑行的距离x变化的规律如图乙所示，下列说法正确的是（　　）A．图乙中x0＝0.5m B．线框进入磁场的过程中，线框的加速度先不变再突然减为零 C．线框进入磁场的过程中，线框中产生的焦耳热为0.1J D．线框进入磁场的过程中，通过线框某横截面的电荷量为（多选）磁悬浮列车是高速低耗交通工具，如图甲所示。它的驱动系统可简化为如图乙所示的物理模型。固定在列车底部的正方形金属线框的边长为L，匝数为N，总电阻为R
；水平长直轨道间各边长为L的正方形区域内都存在匀强磁场，磁场的磁感应强度大小均为B、相邻区域的磁场方向相反。当磁场以速度v匀速向右运动时，可驱动停在轨道上的列车，不能忽略列车受到的阻力，以下说法正确的是（　　）A．列车的最大速度小于v B．列车的最大速度为v，列车运动的方向与磁场运动的方向相反 C．列车相对磁场位移为L的过程中通过线框的电荷量为 D．列车速度为v′时线框受到的安培力大小为（多选）如图所示，水平线MN下方有垂直纸向里的匀强磁场，磁场的磁感应强度大小为B，边长为L、质量为m、电阻为R的正三角形金属线框ACD在MN上方由静止释放，释放时，AC边离MN的高度为h，线框在向下运动过程中，始终在垂直磁场的竖直面内，AC边始终水平，当AC边刚要进磁场时，线框的加速度为零，重力加速度为g，则（　　）A．线框进磁场过程可能一直做减速运动 B．线框进磁场过程中，通过线框截面的电量为 C．线框进磁场过程中，线框中产生的焦耳热为 D．线框完全进入磁场后继续向下运动过程中，A、C两端的电势差为0如图所示，一阻值为R、质量为m、边长为l的匀质正方形闭合导体线框abcd位于竖直平面内，其下方存在一系列宽均为l的强磁场区，磁场方向与线框平面垂直，各磁场区的上下边界及线
框cd边均水平。线框cd边到第1磁场区上边界的距离为h1。线框从静止开始下落，在通过每个磁场区时均做匀速运动，且通过每个磁场区的速度均为通过其上一个磁场速度的2倍。重力加速度大小为g，不计空气阻力。求：（1）第10个磁场区磁感应强度的大小（用B10表示）与第1个磁场区磁场强度的大小（用B0表示）所满足的关系。（2）线框穿过第1磁场区产生的焦耳热Q1。（3）从线框开始下落至cd边到达第11磁场区上边界的过程中，线框下落的高度H及线框产生的总热量Q。